周孝軍，羅 霞，丁慶軍，謝 琳，牟廷敏，彭健秋

(1.西華大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院， 成都 610039；2.四川省鋼管混凝土橋梁工程技術(shù)研究中心，成都 610041；3.武漢理工大學(xué)材料學(xué)院，武漢 430070;4.四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,成都 610041)

預(yù)填集料混凝土(Preplaced Aggregate Concrete,PAC)是先在模板內(nèi)放置粗集料并振搗均勻、再向粗集料空隙內(nèi)直接或泵送注入灌漿料而形成的混凝土，也稱“灌漿骨料混凝土”、“兩階段混凝土”或“升漿混凝土”[1,2]。PAC的制備只需拌制高流動(dòng)性灌漿料，可不用在拌合站內(nèi)生產(chǎn)，灌漿可免振搗，減少了施工工序與能耗，勞動(dòng)強(qiáng)度與施工條件明顯改善[3-5]。常規(guī)混凝土需在粗集料表面包裹一定厚度漿體以保證其流動(dòng)性，成型后集料懸浮于漿體之中，而PAC灌漿料的體積幾乎與粗集料的空隙率相當(dāng)，相同情況下可節(jié)約水泥用量15%～20%[4-5]。由于PAC粗集料含量高且分布均勻，特別是粗集料點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接觸形成嵌鎖型骨架，其力學(xué)性能、體積穩(wěn)定性與耐久性很大程度上優(yōu)于常規(guī)混凝土[6]。但由于灌漿工藝、灌漿料性能、粗集料特性等多因素影響PAC的組成、結(jié)構(gòu)與性能，且灌漿質(zhì)量檢測(cè)困難，理論研究還很薄弱，尚無(wú)相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致其難以在實(shí)際工程中大規(guī)模推廣應(yīng)用，亟需開(kāi)展應(yīng)用基礎(chǔ)的研究。為此，該文系統(tǒng)總結(jié)了預(yù)填集料混凝土的發(fā)展與應(yīng)用歷程，闡述了其施工工藝與制備方法特點(diǎn)，分析了灌漿料的組成與性能、粗集料級(jí)配和特性等對(duì)PAC的影響，探討了PAC研究與應(yīng)用存在的問(wèn)題與發(fā)展展望。

1 PAC發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀

PAC在美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家應(yīng)用研究較早，最初運(yùn)用于橋梁、隧道等基礎(chǔ)設(shè)施的修補(bǔ)加固[1]。1937年加利福尼亞州圣菲鐵路隧道修復(fù)工程中，首次使用預(yù)填集料工藝，施工人員在澆筑拱頂混凝土?xí)r，用粗集料填塞大空隙，以減少水泥漿用量。1941年在美國(guó)胡佛壩溢洪道上用預(yù)填集料工藝施工回填了大面積的沖刷區(qū)；1964年，在巴克壩迎水面擴(kuò)建工程中也用此工藝修復(fù)了水壩面層。1950年日本率先將其應(yīng)用到橋墩的建造，到20世紀(jì)70年代，日本國(guó)內(nèi)橋梁管理局對(duì)預(yù)填集料混凝土制備技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，使PAC在橋梁施工中應(yīng)用廣泛。此外，由于PAC集料分布均勻，灌漿方便，不存在混凝土離析，其在水電站渦輪機(jī)的渦殼結(jié)構(gòu)、混凝土軌道施工中也有良好應(yīng)用。

在國(guó)內(nèi)，PAC常用于水下工程。1994年，大連中遠(yuǎn)6萬(wàn)噸級(jí)船塢工程施工首次應(yīng)用了PAC技術(shù)方案。由于缺乏成熟的專業(yè)設(shè)備和相應(yīng)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，該工程PAC沒(méi)有作為結(jié)構(gòu)混凝土使用，只作為船塢底板的止水及配重[7]。隨后，大連造船重工30萬(wàn)t級(jí)船塢工程采用了預(yù)填集料工藝，有效解決了基礎(chǔ)淤泥層的填充問(wèn)題、二次升漿混凝土界面的浮漿處理問(wèn)題和圍堰沉箱基礎(chǔ)的止水問(wèn)題。此后PAC陸續(xù)在大連香爐礁港區(qū)新建造船塢、大連大船海工鉆井平臺(tái)和大連星海灣跨海大橋主橋中應(yīng)用[8]。20世紀(jì)50年代后，國(guó)內(nèi)開(kāi)始在一些修補(bǔ)加固工程中采用預(yù)填集料施工工藝，例如舟山市的惠生出運(yùn)碼頭、青島港第一碼頭的加固工程和葫蘆島防波堤的修補(bǔ)工程均采用了預(yù)填集料混凝土施工工藝。

2 PAC施工工藝

預(yù)填集料混凝土的灌漿方法主要有重力灌漿和泵送灌漿兩種，其中重力灌漿是直接在粗集料的上表面澆筑水泥砂漿，依靠砂漿自重填滿粗集料的空隙。Kunal等[9]在研究重力灌注時(shí)提出，對(duì)于粗集料的尺寸通常要求達(dá)20 mm以上，重力法方可實(shí)現(xiàn)良好的灌漿效果。為提升重力灌漿質(zhì)量，有時(shí)會(huì)加上機(jī)械振動(dòng)輔以成型。振動(dòng)過(guò)程提高了粗集料的聯(lián)鎖率，砂漿也能更充分填充粗集料顆?？障?，使混凝土更加均勻和密實(shí)。因此振動(dòng)成型的混凝土強(qiáng)度有所提高。

泵送灌漿是通過(guò)泵送工藝形成預(yù)填集料混凝土，利用泵送壓力從下到上將水泥砂漿頂升填充粗集料空隙。常用的升漿方案有斜升和平升兩種(圖1、圖2)。采用斜升方案時(shí)，灌漿料始終保持一個(gè)傾斜角度向上升起，第一排孔首先升漿，當(dāng)漿體灌注淹沒(méi)到第二排壓漿管一定埋深時(shí)，再開(kāi)始下一排孔升漿，依次類推，保證隔斷中的水和氣體充分排出，基床升漿飽滿[7]。斜升方案中，不同升漿管不能同時(shí)進(jìn)行升漿，施工過(guò)程較復(fù)雜，灌注時(shí)間長(zhǎng)且對(duì)施工人員技術(shù)要求高。而平升方案中，所有壓漿管一起壓漿，漿面保持水平，其施工速度快且灌注密實(shí)度高。因此，在滿足要求的情況下，盡可能選擇平升工藝。不管是斜升還是平升方案，都要設(shè)置水下止?jié){隔板[7]。分段預(yù)填粗集料后泵送灌漿料，每個(gè)隔斷單元的大小應(yīng)結(jié)合工程規(guī)模和泵送能力設(shè)置。采用分段泵送，減少了單次升漿量，可以最大程度保障升漿連續(xù)性和灌注密實(shí)性。施工過(guò)程中，通過(guò)預(yù)留的觀測(cè)孔或水下監(jiān)測(cè)器來(lái)監(jiān)測(cè)灌注是否密實(shí)。灌漿完成后，可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)鉆芯取樣觀察漿料是否填充密實(shí)。若存在不密實(shí)的部分，必須采取二次灌漿。此外也可利用分段累計(jì)灌漿量與設(shè)計(jì)漿量的差別，合理地推斷骨料壓漿的密實(shí)度[7]。

3 灌漿料對(duì)PAC的影響

3.1 灌漿料流動(dòng)性

灌漿料作為預(yù)填骨料混凝土的重要組分，決定著硬化后混凝土的密實(shí)性、均質(zhì)性和力學(xué)性能。評(píng)價(jià)灌漿料性能的重要指標(biāo)之一是漿液的流動(dòng)性。李廣森等[10]指出，為保證灌漿材料順利注入PAC粗集料空隙，其流動(dòng)度一般控制在(18±2)s。采用流動(dòng)性較好的灌漿料灌注得到的PAC，其密實(shí)性和普通混凝土差別不大；而當(dāng)流動(dòng)性不足時(shí)，漿液難以滲透集料顆粒之間的空隙，導(dǎo)致混凝土內(nèi)形成蜂窩狀結(jié)構(gòu)，甚至包含無(wú)灌漿區(qū)，從而形成潛在的薄弱區(qū)域，而且在泵送過(guò)程中很容易堵塞升漿管[3]。

3.2 灌漿料水灰比與灰砂比

灌漿料力學(xué)性能對(duì)PAC強(qiáng)度影響顯著，而水灰比、灰砂比是影響灌漿料力學(xué)性能的主要因素。與常規(guī)混凝土一樣，水灰比越高，產(chǎn)生的預(yù)填集料混凝土抗壓強(qiáng)度越低。研究表明[5,8,11]，水灰比從0.45增加到0.6，PAC抗壓強(qiáng)度最大降低幅度達(dá)30%。分析認(rèn)為，隨水灰比增大，其用水量增加而導(dǎo)致混凝土內(nèi)部分層加劇，在粗集料下方會(huì)形成大氣泡，水化產(chǎn)物結(jié)晶體受到的約束較小，不斷生長(zhǎng)造成界面過(guò)渡區(qū)孔隙增多，進(jìn)而使得PAC強(qiáng)度降低；而膠砂比降低，會(huì)加劇漿體的收縮，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部的初始應(yīng)力和裂隙增多，粗集料與砂漿介質(zhì)界面粘結(jié)力減低，使得混凝土在承受荷載時(shí)，粗集料更易發(fā)生位移或是偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致砂漿和粗集料之間的界面全面受拉，造成PAC強(qiáng)度降低。

4 粗集料對(duì)PAC的影響

4.1 粗集料含量

PAC中粗集料體積分?jǐn)?shù)超過(guò)67%，采用振動(dòng)成型的混凝土粗集料聯(lián)鎖率達(dá)34%。高體積含量、相互嵌鎖的粗集料構(gòu)成混凝土的支撐骨架，能提升力學(xué)性能，其收縮率可降至常規(guī)混凝土一半左右。而且粗集料是不透水單元，介質(zhì)的擴(kuò)散需要繞過(guò)集料才得以傳輸。摻有粉煤灰時(shí)預(yù)填集料混凝土氯離子滲透系數(shù)在100×10-14～500×10-14m2/s之間，明顯低于普通混凝土[6]。此外，在PAC的灌注形成過(guò)程中，干燥狀態(tài)的粗集料能吸收漿料中的水分，降低粘結(jié)界面處的水灰比，從而改善界面過(guò)渡區(qū)密實(shí)度，減小內(nèi)部微缺陷，提高耐久性。總之，隨著粗集料含量的增加，其有效地抵抗了混凝土內(nèi)部裂縫的擴(kuò)展，阻隔離子傳輸，PAC強(qiáng)度、彈性模量也隨之增加[12]，斷裂能、體積穩(wěn)定性和耐久性等都有不同程度的改善。

4.2 粗集料粒型

Cheng等[13]通過(guò)數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)，在PAC處于受壓狀態(tài)時(shí)粗集料單元產(chǎn)生的應(yīng)力最大，但較大應(yīng)變則位于砂漿與粗集料接觸界面處，因此PAC受壓破壞時(shí)粗集料顆粒會(huì)發(fā)生斷裂，且漿體與集料界面會(huì)脫粘。主要是因?yàn)樗槭嫌休^多棱角，粗集料是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)硬接觸，在傳力時(shí)發(fā)生應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致部分粗集料斷裂?？梢?jiàn)，粗集料顆粒形狀對(duì)預(yù)填集料混凝土破壞有較大影響。Stempkowska等[14]研究還發(fā)現(xiàn)，粗集料顆粒的排列和形狀對(duì)硬化預(yù)填混凝土的性能有顯著影響。在相同水灰比條件下，由100%規(guī)則顆粒成型的混凝土強(qiáng)度較非規(guī)則顆粒成型混凝土強(qiáng)度約提高10%。Hakim[15]對(duì)比了圓形、碎石以及混合集料的差異，認(rèn)為碎石或者混合集料在集料顆粒間產(chǎn)生的接觸點(diǎn)更多，機(jī)械咬合作用與骨料互鎖性強(qiáng)于純圓形集料，制備的PAC強(qiáng)度可提高12 MPa左右。因此，粗骨料的顆粒形貌與類型會(huì)影響灌漿料的粘結(jié)度和PAC性能。

4.3 粗集料粒徑與級(jí)配

康松濤[3]在PAC施工過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，粗集料的最小粒徑影響漿液在粗骨料中的流速與灌注密實(shí)度。粒徑過(guò)小則灌漿料填充慢、填充密實(shí)性差甚至出現(xiàn)局部空洞。宋承哲[16]進(jìn)行了31.5～37.5 mm、37.5～53 mm、31.5～63 mm三種粒級(jí)粗集料對(duì)預(yù)填集料混凝土性能的影響試驗(yàn)，提出不同粒級(jí)骨料達(dá)到90%灌入密實(shí)度時(shí)所需的最小砂漿流動(dòng)度要求，同時(shí)指出粒級(jí)組成和砂漿強(qiáng)度同時(shí)影響著預(yù)填集料混凝土強(qiáng)度，空隙率小、堆積緊密的混凝土強(qiáng)度高。因此，合理的級(jí)配與空隙率影響著砂漿的填充度和密實(shí)度，在滿足經(jīng)濟(jì)和其他施工條件的情況下，空隙率應(yīng)盡可能小。

5 存在問(wèn)題與發(fā)展展望

總體來(lái)看，目前PAC的研究已取得較多成果，但還存在以下幾方面問(wèn)題，需進(jìn)一步研究：

1)灌漿料強(qiáng)度低、體積穩(wěn)定性差，導(dǎo)致PAC強(qiáng)度較低。PAC的粗集料之間是呈拱架式接觸，由于拱架間砂漿的強(qiáng)度與模量低于周圍粗骨料的強(qiáng)度與模量，致使在軸向壓力作用下，砂漿與骨料粘結(jié)面處于受拉狀態(tài)；此外PAC中粗集料相互嵌鎖，當(dāng)漿體收縮時(shí)，粗骨料變形小，也導(dǎo)致粗骨料與漿體界面產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，影響PAC強(qiáng)度。因此，需研究高強(qiáng)低收縮灌漿料設(shè)計(jì)與制備方法，提升灌漿料強(qiáng)度與體積穩(wěn)定性，改善集料與漿體界面過(guò)渡區(qū)力學(xué)性能，提高PAC強(qiáng)度。

2)缺乏漿體性能與粗集料組成特性之間的關(guān)聯(lián)性研究。不同粗集料組成的PAC，其空隙率與空隙分布不同，對(duì)灌漿料的流動(dòng)性、體積變形性能要求不同，需要系統(tǒng)研究不同級(jí)配組成粗集料對(duì)漿體性能指標(biāo)的要求，建立漿體流動(dòng)度與粗集料空隙率之間的合理匹配關(guān)系，提升灌注密實(shí)度與界面粘結(jié)狀況。

3)密實(shí)灌注工藝與灌注質(zhì)量檢查方法需系統(tǒng)研究。PAC的灌漿過(guò)程是一個(gè)隱蔽工程，粗集料顆粒間隙可能存在局部漿體不飽滿的現(xiàn)象，從而形成局部蜂窩、空洞的預(yù)填集料混凝土，影響灌注質(zhì)量。常用的泵壓灌漿，其一次灌漿范圍、進(jìn)漿管與排漿管的設(shè)計(jì)與布置、排漿的數(shù)量等對(duì)灌注密實(shí)度的影響還需深入研究和探討，以提升灌注密實(shí)度。同時(shí)，可以引入超聲波無(wú)損檢測(cè)法，將無(wú)損檢測(cè)與鉆芯取樣相結(jié)合，評(píng)估灌漿料的填充效果。