管道承插口灌缝砂浆研制与性能研究

 预应力钢筒混凝土管（Prestressed ConcreteCylinder Pipe，以下简称PCCP）体积较大，管道的直径一般在2m以上，埋设在地面下部，对PCCP 的强度、抗渗性和密封性要求较高。PCCP管道的承插口接头约为宽3cm、深25cm 的槽缝，通常采用传统水泥砂浆进行密封。由于槽缝宽度和大直径弧形等因素，传统砂浆具有流动性小、容易收缩开裂、在槽缝处不易振捣等缺点，容易成为PCCP管道使用寿命的最薄弱环节。可见，工程中对承插口灌缝砂浆的施工性要求较高。水泥砂浆灌缝操作完成后，灌缝砂浆内部无法继续提供外界充足水分进行养护，在承插口钢筒的强约束下很容易出现砂浆开裂现象。此外，PCCP 管道还会遭受土壤或地下水中硫酸根、氯离子等的侵蚀作用，影响耐久性。因此，研制一种流动度好、免振捣、高抗裂和高耐久性能的灌缝砂浆十分必要。

1 试验

1.1 原材料

    水泥：P·O 42.5 级普通硅酸盐水泥，3d 和28d抗压强度分别为27MPa和47.9MPa。

    砂子：普通河砂，表观密度2.61g/cm3，饱和面干吸水率0.99%，细度模数为2.6。

    粉煤灰：南京某厂I级粉煤灰。

    膨胀剂：自主研发的氧化钙-硫铝酸钙型膨胀剂，掺量在8%~10%之间。

    减水剂：苏州某公司生产的固体聚羧酸减水剂。

    阻锈剂：南京某公司生产的阻锈剂。

    纤维：安徽某公司生产的PVA （聚乙烯醇）纤维，纤维长度为5mm。

    内养护剂：高吸水性树脂（SAP），细度约120目。

    功能外加剂：为了使灌缝砂浆具有良好的保水性、流动性和抗冻性能，掺入少量外加剂调控灌缝砂浆各项性能。主要功能外加剂有：增稠剂、缓凝剂、引气剂等。

1.2 砂浆配合比

    灌缝砂浆主要有两种组分，组分A：胶凝材料，主要由复合胶凝材料、微膨胀熟料、阻锈组分、减水组分、PVA 纤维等混合而成；组分B：细骨料。水灰比为0.44，灰砂比为1颐2.2，编号为YZ。灌缝砂浆的配合比如表1 所示。

    通常使用的普通水泥砂浆配合比是：水灰比为0.65，灰砂比为0.3 的水泥砂浆，本次试验作为对比砂浆，编号为PT。

2 试验方法

2.1 工作性能

    砂浆稠度：按照DL/T 5150-2001《水工混凝土试验规程》进行测试。

    流动度：根据GB/T 2419要2005《水泥胶砂流动度测定方法》进行测试。不启动跳桌振动，测试灌缝砂浆自流状态。同时采用混凝土坍落度筒测试坍落扩展度。

    填充性：参考CECS 03：2006《自密实混凝土应用技术规程》，使用U型箱，可直观反映砂浆通过钢筋间隙与自行填充至模板角落的能力。钢质U 型箱的隔栅型障碍为玉型。

    泌水率：采用1000mL 量筒。先记录量筒质量，然后将砂浆一次性装至1000mL刻度线附近，不振动、不插捣，记录砂浆与量筒的总质量，静置1h后，吸出砂浆表面泌水的水分。计算砂浆的泌水率（%）。

    其他拌合物性能：含气量、表观密度、凝结时间均依据JGJ/T 70-2009 《建筑砂浆基本性能试验方法》进行，其中含气量测试采用仪器法。

2.2 力学性能

    抗折与抗压强度：采用40mm×40mm×160mm 的胶砂试件，测试依据GB/T 17691-1999《水泥胶砂强度检验方法》进行。

2.3 抗裂性能

    干缩变形：按照DL/T 5150-2001《水工混凝土试验规程》进行，试件尺寸为40mm×40mm×160mm。

    圆环开裂试验：圆环开裂试验可反映在约束作用下由于自收缩和干缩产生的自应力对砂浆抗裂性的影响。按照CCES 01-2004《混凝土结构耐久性设计与施工指南》中野水泥及水泥基胶凝材料抗裂性试验要圆环约束试件冶规定进行。砂浆浇筑后，采用保鲜膜密封圆环整个顶面，24h 后拆去外环试模，然后用熔化的石蜡密封砂浆顶面，放置在温度（20±2）℃、相对湿度为（60±5）%的恒温恒湿环境中。自24h 开始观察至90d，记录裂缝出现的时间、位置以及形貌。

2.4 耐久性能

    抗氯离子扩散系数：按照GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中评价混凝土抗氯离子渗透性能的RCM 法进行。砂浆试件尺寸为Φ100mm×100mm，龄期为28d。

    抗冻性：试件尺寸为40mm×40mm×160mm，试件标准养护28d，按JGJ/T 70-2009 标准的规定进行试验。

3 试验结果

3.1 工作性能

    普通水泥砂浆和研制的灌缝砂浆工作性能测试结果如表2 所示。普通水泥砂浆初始稠度值为128mm，灌缝砂浆初始稠度为106mm，因为灌缝砂浆黏聚性较好，克服重锤重力能力较强，初始稠度低于普通水泥砂浆，1h 经时后二者稠度相差不大，均为（100±1）mm。灌缝砂浆1h 经时后砂浆稠度变化较小。灌缝砂浆初始流动度和1h 经时损失均高于普通水泥砂浆。灌缝砂浆的U型箱填充高度略高于普通水泥砂浆。初始坍落扩展度和1h经时损失，灌缝砂浆明显优于普通水泥砂浆，坍落度扩展度均较普通水泥砂浆提高了约24%。

    含气量、表观密度、凝结时间测试结果如表3所示，普通水泥砂浆与灌缝砂浆的含气量分别为0.7%和5.8%，灌缝砂浆使用引气剂调控含气量，以提高砂浆抗冻性能。李建新研究发现含气量在4.9%~6.2%之间的水泥砂浆冻融循环次数是含气量2.3%砂浆的4倍。而普通水泥砂浆含气量低，无法满足实际工程抗冻要求。掺入缓凝剂控制灌缝砂浆凝结时间，保证实际工程浇筑时间，与普通水泥砂浆相比，灌缝砂浆的初终凝时间延缓了10~11h。

3.2 力学性能

    普通水泥砂浆与研制的灌缝砂浆3d、7d 和28d的抗折与抗压强度结果如图1 和图2所示。与普通水泥砂浆相比，灌缝砂浆除了有极好的工作性能，3d、7d、28d 抗折强度也分别提高了14%、24%和14%，抗压强度分别提高了7%、40%、19%。灌缝砂浆7d 抗折与抗压强度分别占28d 强度的73%和75%。灌缝砂浆具有初始延缓凝结，早期快速提高强度的效果优势。

3.3 抗裂性能

    普通水泥砂浆与研制的灌缝砂浆的干缩测试结果如图3所示。

    在干燥环境下，随着龄期增加，普通水泥砂试件表现为一直收缩状态，12d 试件干缩值为-241.5×10-6。灌缝砂浆表现为先膨胀后收缩过程，在1d 产生最大膨胀率为35.6×10-6，之后试件开始逐渐收缩，在12d 时试件干缩值为-80.6×10-6，灌缝砂浆的干缩变形仅为普通水泥砂浆的34%。灌缝砂浆内膨胀组分有效补偿了因缺少水分产生的体积变形，灌缝砂浆更有利于在缺水环境中防止产生收缩开裂现象。

    本次采用混凝土圆环开裂试验方法评价灌缝砂浆开裂风险，圆环开裂试验可以表征砂浆在干燥收缩应力与环形约束共同作用对砂浆抗裂性能的影响。普通水泥砂浆和灌缝砂浆的试验情况见图4和图5。结果发现：普通水泥砂浆经8d 后即出现上下贯穿性裂缝，宽度约1.5mm；而灌缝砂浆一直观察至90d，砂浆表面仍未出现裂缝或开裂现象。根据美国标准ASTM C 1581-2004 规定（见表4），普通水泥砂浆具有野中高冶的开裂趋势，而灌缝砂浆的开裂趋势为野低冶。可见，所研制的灌缝砂浆具有更高的抗裂性能，开裂风险较低。

3.4 耐久性能

    抗氯离子扩散系数测试结果如图6所示。结果表明：研制的灌缝砂浆和普通水泥砂浆的抗氯离子扩散系数DRCM分别为1.6×10-12m2/s 和2.3×10-12m2/s，灌缝砂浆降低了抗氯离子扩散系数达30%，提高了砂浆的抗渗能力。有研究表明，掺入PVA纤维有提高水泥砂浆抗氯离子扩散能力的效应。灌缝砂浆采用优化的灰砂比和多种功能性外加剂改善了砂浆内部孔结构，使水泥砂浆内部更加密实。研制的灌缝砂浆能满足PCCP管承插口处的抗渗要求，并对连接密封起到保护作用。

    经过冻融循环25 次后普通水泥砂浆与灌缝砂浆外观对比如图7和图8所示。

    经过25 次冻融循环后，从质量损失上看，普通水泥砂浆和灌缝砂浆试件质量的损失率分别为1.3%和0.5%；从试件外观上看，灌缝砂浆试件表面完整，没有发生剥落现象，而普通水泥砂浆试件的端角处出现严重剥落损失。本次抗冻循环试件与混凝土抗冻试件同时进行，会因试件尺寸不同（40mm×40mm×160mm 与100mm×100mm×400mm）对试验结果产生差异。一方面延长单次循环的时间，砂浆试件饱水程度会更高，冰冻后结晶应力会加大，单一循环造成的破坏程度会提高；另一方面可能会加深沿试件表面到内部的冻胀深度，增加试件整体的冻胀力，加剧破坏。

4 结论

    （1）以多种复合胶凝材料体系，优化合理灰砂比，添加多种功能性外加剂成功研制了一种用于PCCP 管道承插口的灌缝砂浆，具有大流动性、黏聚性好，微膨胀、高抗裂和高耐久性能特点，采用组分A 与组分B 成分混合使用，在现场直接加水后搅拌完成即可，有效防止原材料波动引起质量波动问题。

    （2）研制的灌缝砂浆自流平状态，初始坍落扩展度为540mm，1h 后损失仍为520mm，初终凝时间分别为21.7h 和28h，砂浆泌水率为0。与普通水泥砂浆相比，具有大流动性、经时损失小和保水性好的特点。

    （3）研制的灌缝砂浆28d 抗压强度为40.1MPa。在干燥环境条件下，灌缝砂浆1d 微膨胀率35.6×10-6，圆环开裂试验90d 未发现开裂现象，氯离子扩散系数DRCM 为1.6×10-12m2/s，25 次冻融循环质量损失率仅为0.5%。灌缝砂浆的力学指标和抗裂指标可以满足实际工程需要。

目前钢筋混凝土排水管的接口形式有：平口、刚性企口、承插口和柔性企口。由于平口管和刚性企口管施工效率低，抗震性能差，地基移位会使接口拉开，导致路面塌陷受损。所以这两种接口在工程中已基本不采用。承插口和柔性企口因其接口采用橡胶圈密封止水，是柔性连接，抗震性能好，可有效抵抗地基不均匀沉降，且安装速度快而深受用户青睐。

哈尔滨水泥管厂家基本结构是通过拉杆将两片刚性端板固定在排水管两端。为保证在规定的水压下的密封性，管端部与刚性端板接触部分填充弹性材料。试验装置端板与排水管密闭后，向内注水并加压到要求的检验压力，由此观察关闭的渗水情况。

钢筋混凝土排水管接头适用范围： A类管适用于混凝土包封敷设。 B类管适用于人行道和绿化带等非机动车道直埋敷设，也适用于有重载车辆通过的机动车道混凝土包封敷设。

钢筋混凝土防腐排水管接头是以海泡石矿物纤维、维尼纶和水泥为主要原料，加高倍数水充分搅拌、混合后，经制管机在加压下连续卷制而成的非金属管材。它广泛用于电力系统，通讯系统的电缆保护，也可作输水管道等。特性：

1、价格低廉，结构简单，施工方便。

2、加工性能好，安装允许有转角。

3、载流量高，敷设系数高于PVC管材10个百分点。

4、化学性能稳定、不老化、其强度随时问延长而有所增加。

5、耐腐蚀、不磁化。

6、内壁光滑，粗糙系数为0.07。