摘 要：预填骨料混凝土就是先把粗骨料填在模板中，然后注射水泥砂浆来填满空隙(水泥砂浆中一般都掺有外加剂) ，国外也称“灌浆骨料混凝土”或“注射骨料混凝土”。这种混凝土在下列工程中应用效果很好：水下施工：在钢筋密集的地方浇筑混凝土：在紧靠顶部的空穴中施工：修补承受应力的混凝土和砖石砌体：高密度的重混凝土：高度很大的整体断面(一般要求混凝土的体积变化较少) 。
关键词： 预填骨料； 水泥砂浆； 外加剂； 体积变化
1 前言
用预填骨料法生产混凝土是美国工程师在1937年修复加里福尼亚州的圣菲(Santa Fe) 铁路隧道工程期间想出来的。在拱顶区混凝土灌浆时，施工人员在灌浆前用粗骨料填塞较大的间隙，用以减少水泥砂浆的耗用量。下一步自然就是在要重新浇筑混凝土的地方，在模板中铺设级配骨料，并在骨料中灌浆。所得的混凝土证明是很有前途的。
起初由于缺乏使用经验，预填骨料混凝土的用途仅限于修补桥梁和隧道里衬。经过广泛的试验，美国农垦局在胡佛坝(Hoover Dam) 的溢洪道上回填了大面积的冲刷区，其工程量为34 m(长) ×10 m(宽) ，深度达11 m。另一项大工程是1964 年在美国科罗拉多州尼德兰(Nederland) 的巴克坝(Barker Dam) 迎水面的扩建工程，在52 m 高的坝上重做面层，就要在坝的前面1.8m 左右处锚固预制混凝土板，在冬季水库的枯水期用粗骨料填满1.8m 的间隙，第二年春季的水库丰水期，10d 之内连续泵送作业，把骨料灌满浆。
这项工程证明此方法可用于大型的工程项目。1951 年美国陆军工兵部队开始允许在涡轮机的涡壳和其他结构中使用预填骨料混凝土。1954～1955 年间在马克基纳克(Mackinac) 大桥34个桥墩的施工中，使用了380000m3预填骨料混凝土。1950 年日本的工程公司购买了这种方法的使用权，建造了一些桥墩。到了20 世纪70 年代，日本的本州—四国桥梁管理局进行了广泛的研究，在大型桥梁的施工中达到了顶点。
澳大利亚的雪山管理局在其水电站工程中，用预填骨料混凝土填充了涡轮机的涡壳和尾水管。在核反应堆和X 射线设备的周围浇筑生物防护屏蔽中，也广泛使用了这种方法。
2 预填骨料混凝土的性能
预填骨料混凝土与普通混凝土的不同之处，就在于前者的粗骨料百分率较高。因为粗骨料是直接填在模板中的，粗骨料之间是点对点接触，而不是包含在流动性的塑性拌和物中，所以预填骨料混凝土的性能更加取决于粗骨料。其弹性模量略高于普通混凝土，而干缩率则低于普通混凝土的一半。
2. 1 抗压强度
预填骨料混凝土的强度取决于材料的质量、比例和处理的情况。28 d 或90 d 的抗压强度可达41MPa ，取决于水- 胶结料比，这是很容易达到的。90d抗压强度为62 MPa 和1年的抗压强度为90MPa已有报道。看来通过采用高效减水剂、硅灰和其他外加剂，其抗压强度还能提高。
2. 2 粘结力
预填骨料混凝土对原有的表面粗糙的混凝土之粘结力是极好的。原因为: (1) 用于固结预填骨料的砂浆贯入到不规则的表面和空隙中，建立了初期的粘结力： (2) 在可能发生干燥的地方，预填骨料混凝土的干缩率较少，从而把面际应力减少到最低限度。据尚未公开发表的试验数据，紧贴着普通混凝土浇筑的预填骨料混凝土之断裂模量(抗弯强度) ，比旧混凝土的整浇梁高80 %。从一种混凝土粘结在另一种混凝土中钻取了无数次芯样，并进行了弯曲试验，几乎总是在界面的一边或另一边破坏，而不是在粘结面上破坏。
2. 3 耐久性
许多年来在预填骨料混凝土的生产中，除了木质素和砂浆的液化剂之外，从来不用加气剂。然而用于修补的预填骨料混凝土(通常暴露在恶劣的气候环境中) ，证明其耐久性是极好的。一个典型的实例是在美国宾夕法尼亚州伊利市( Erie) 西大街第六高架桥的柱子，修补前损坏严重，而修补后26 年仍完好无损。另一实例是在美国宾夕法尼亚州匹兹堡市上游的莫诺加哈拉(Monongahela) 河上，有一道闸墙是用预填骨料混凝土重做面层的，在35 年龄期时，从很低的上游低水位到闸墙的顶上，混凝土的目测情况良好。
然而美国陆军工兵部队的水道试验站实验室，对预填骨料混凝土进行了一系列的试验，结果表明，为了同普通的加气混凝土具有同样的耐久性，加气处理是必要的。美国陆军工兵部队对比预填骨料混凝土的现行规范，要求在灌浆混合完成后15 min ，根据美国材料试验学会(ASTM) 的C230 规程测量的含气量为(9±1) %。
2. 4 水化热的控制
在必须考虑水化热的地方，预填骨料混凝土非常适合于冷却模板中的骨料。于是采用冷却的砂浆(现场的初温低达4.5～7.0℃) 是很容易达到的。
2. 5 密集的钢筋
预填骨料混凝土的施工方法特别适用于钢筋间距很小，不能插入振捣器的地方，如果采用普通混凝土，即使掺有高效减水剂也必须使用振捣器，因为粗骨料是惰性的，当模板围着钢筋架立起来时即可填入骨料，而灌浆则仍可进行。当骨料填好时，即可灌筑成一个整体的预填骨料混凝土构件。
2. 6 高(重) 密度混凝土
预先填入重的粗骨料，即可避免离析的危险。砂浆中也可采用重的细骨料。
2. 7 整体浇筑
整体浇筑高度的唯一限制就是包围预填骨料所需要的模板强度。这也是从灌浆作业开始到结束，连续泵送稀浆和混合骨料所需要的。
2. 8 暴露的骨料表面
预填骨料混凝土的粗骨料是预先填在模板中的，所得混凝土的粗骨料百分率同用普通方法浇筑的混凝土相比较，前者的粗骨料要多70%左右。如果表面的砂浆在强度不高时就去掉，或是在模板拆除后进行喷砂处理，大约有25%以上的粗骨料可以暴露出来。这种方法已被用来提供优美的建筑装饰。
3 预填骨料混凝土的材料
3. 1 粗骨料
粗骨料应为清洁的碎石或天然砾石，表面没有灰尘和细末，其细度范围应在表1 的规定之内。为了经济节约和使温度的升高为最少，粗骨料的空隙率应尽可能小。一般说来，当粗骨料的级配从最小到最大的允许粒径符合于断面厚度和钢筋间距的常用范围，最小空隙率就达到了。
在大体积混凝土中，粗骨料最大粒径的唯一限制就是在施工中的经济性。粗骨料的最小粒径决定了砂浆必须通过的空隙尺寸。因此，粗骨料的最小粒径和细骨料的最大粒径是互相关联的。表1中的级配1或级配2 粗骨料通常用于美洲和亚洲国家。一般说来，通过19mm筛孔的不大于10% ，通过12.5mm 筛孔的为0～2 %(级配2) 。有大量钢筋密集的地方，或是在较浅的沟槽中铺填， 通过12. 5 mm 筛孔的最小10% ，小于9.5 mm 的不大于2%(级配1) 。这些级配并非总是可用的，也可能需要特殊的方法。
粒径在19 mm 与150～200 mm 之间、级配良好的粗骨料，其空隙率为35 %左右，而粒径均匀的粗骨料之空隙率高达50 %。一半骨料的粒径为12～38mm ，另一半骨料的粒径为200～250 mm ，用这种间断级配进行试验，空隙率可低达25 %。
在某些欧洲国家，通常的做法是用最小粒径为37. 5 mm 或更大的粗骨料，以便使细骨料更接近于普通混凝土所用的粒径。也有这样的情况，即劳动力很便宜，可用人工选取和铺填粗骨料。在这种情况下可用表1中的级配3粗骨料。
3. 2 细骨料
天然砂或人工砂都可使用，但应是坚硬、密实、耐久、清洁的岩石颗粒。并应符合表1中的级配要求。
3. 3 水泥
任何非加气型水泥均可用于制备砂浆。加气水泥同形成气泡的液化剂一起使用，会造成含气量过多，从而影响其强度。为了提高冻- 融耐久性而需要加气的地方，加气剂应单独加入。剂量由试验确定，并用实际试验予以核实，以求现场砂浆的含气量。关于水硬性混合水泥的使用，尚无数据可供利用。
3. 4 火山灰
F 级或N 级粉煤灰和天然火山灰均可使用。F级粉煤灰已在许多工程中使用了，因其能提高液态砂浆的可泵性和延长砂浆的适用时间。火山灰为预填骨料混凝土提供的性能，同普通混凝土是一样的。C 级粉煤灰和高炉矿渣也有少量使用，但是关于砂浆的配合比、性能和施工经验尚缺乏资料。在预填骨料混凝土的砂浆中使用硅灰的资料也还没有。
3. 5 砂浆液化剂
砂浆液化剂常用于砂浆中以防止泌水的影响，这种泌水往往发生在粗骨料颗粒的下面。砂浆液化剂还能降低水- 胶结料比，以提供需要的流动度，并能延迟硬化，以便在拌和- 泵送循环和贯入粗骨料实体的空隙中提供较长的工作时间。砂浆液化剂通常是市场上购买的混合材料，由减水剂、悬浮剂、铝粉和一种化学缓冲剂所组成，用以保证硅酸盐水泥中的碱金属同铝粉发生适当的定时反应。
铝粉反应产生氢气，在砂浆液化时引起膨胀，并在硬化砂浆中留下微小的气泡。铝粉在反应中消耗掉了，留下极少量的金属铝。砂浆液化剂的常规剂量为砂浆拌和物中的胶结料(水泥或水泥加火山灰) 总重量的1 %。
对于Na2O 当量为0.8 %以上的水泥，试验室中1 %液化剂所产生的膨胀率多达7 %～ 14 %： 对于Na2O 当量为0. 3 %以下的水泥，则其膨胀率可低达3%～5%。液化剂中铝粉的种类和级别应予选择，以便使全部膨胀过程发生在4 h 之内。细骨料- 胶结料比不符合液化剂质量规定的现场拌和砂浆，膨胀时可能产生过多的泌水。泌水量不得大于膨胀量。现场要用工地材料求出泌水量和膨胀率。
在温度低于4. 4 ℃时，砂浆中液化剂的膨胀作用就停止了。在大体积混凝土中，或是包围在木模板中的预填骨料混凝土，在水泥水化时释放的热量会大大提高混凝土的内部温度，致使砂浆中的液化剂不能很好地发挥作用。所以说砂浆注入时的环境温度应高于4.4 ℃。
3. 6 加气剂
加气剂必须能提供冻- 融耐久性。然而使用时必须记住，硬化砂浆中的总含气量是液化剂中铝粉产生的氢气和加气剂产生的气体之总和。如果总的含气量对强度产生了不良的影响，那就得调整配合比，但其含气量必须能保证足够的耐久性。
3. 7 化学外加剂
在特殊情况下可考虑采用化学外加剂。例如一种D型减水和缓凝剂(木质磺酸钙) ，已成功地用于工厂拌和的“无收缩”砂浆，把液态砂浆的硬化时间从15min 延长到60 min。工程中使用的材料最好预先进行全面试验。
3. 8 树脂系砂浆
如果挨着旧混凝土浇筑，在要求粘结强度与混凝土的强度相等，而且早期强度要求较高的地方，可采用双组份的环氧树脂。最佳的配方应具有较少的放热量和较低的粘滞度，而且适用期不少于30 min。环氧树脂硬化时会产生大量的热，为了防止蒸气的产生，预填骨料必须是完全干燥的。
在表面修补时要把厚度限制到50 mm 左右，或是在大体积混凝土中安装循环水管，以便排除所产生的热量，这在某种程度上可以减轻其他的热效应。用一种压缩的或液态气体(如液氮) 来冷却现场的骨料，也有助于降低所产生的热量。
4 配合比的要求
为了获得最佳结果，泌水量应小于0. 5 % ，但是在任何情况下膨胀率应超过现场温度时的泌水率。不推荐只试验砂浆立方体或圆柱体来计算预填骨料混凝土的强度，因为这种试验没有说明泌水的不利影响，而这种试验可对砂浆拌和物的潜在性能提供有用资料。
4. 1 细骨料
抗压强度、可泵性和对空隙贯穿能力的要求，限制了砂浆中所用细骨料(砂子) 的数量。对于梁、柱和薄壁构件中的预填骨料混凝土，其胶结料与砂子的重量比通常为1∶1 (级配1) 。对于大体积混凝土构件，粗骨料的最小公称粒径为19 mm ，其灰砂比可提高到1∶1. 5 。用级配3 的骨料和泵送砂浆的相应设备，胶结料与砂子的比例可提高到1∶3 。
4. 2 胶结料
火山灰与硅酸盐水泥的比例通常为重量的20 %～30 %。水泥用量较多的富拌和物为预填骨料混凝土所提供的抗压强度，与胶结料比例相同的普通混凝土不相上下。水泥用量较少的贫拌和物所提供的60～90 d 抗压强度，通常与胶结料比例相同的普通混凝土28 d 的抗压强度相等。对于大体积的贫混凝土(水化热较少) ，其火山灰与水泥之比率可高达40 %：对与超高强混凝土之比率则低达10 %。偶尔也有完全不用火山灰的。
5 砂浆的稠度
当采用100 %通过8 # 筛网(2.36 mm) 的细骨料时，例如表1 中的级配1 和级配2 ，可用图1 所示的流动度锥体来确定砂浆的稠度。试验方法就是把1725mL的砂浆注入一个漏斗中，下面有一根<12.7 mm 的卸料管，并观测砂浆流出的时间。水的流出时间为(8.0 ±0. 2) s。对于大多数工程来说，例如墙体和结构修补，砂浆的流出时间为(22 ±2)s时，一般就能满足要求。
对于大体积构件和水下工程，粗骨料的上限粒径很大，最好是用流出时间为18～26 s 的稠度。在强度要求较高和施工要求特别小心的地方，已用过的砂浆流出时间可长达35～40 s。当采用级配3 的细骨料时就不能用流动度锥体了，要用流动度试验台或其他设施来测定适当的稠度，以便砂浆能充分流进粗骨料的空隙中。如果采用美国材料试验学会的C230 规程中所述的流动度试验台，在3 s 内落下5 滴后，测定的流动度约为150 % ，所得砂浆就能流进预填骨料的空隙中。
参考文献：
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