預應力混凝土梁管道自動壓漿工藝研究

王樂然

（中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081）

1 預應力混凝土梁管道壓漿

預應力混凝土梁管道壓漿質量是結構預應力體系長期有效的保障。作為隱蔽工序，其工藝的科學性、合理性以及過程的實時監(jiān)測和控制對于壓漿質量有著直接的影響。20世紀80年代，歐洲出現(xiàn)了真空輔助壓漿技術，壓漿質量得到了一定程度的改善。美國后張預應力協(xié)會（PTI）規(guī)范和美國佛羅里達交通局（FDOT）制定的規(guī)范，對壓漿過程、壓漿方法等方面進行了規(guī)定，并提到了可以采用真空輔助壓漿技術。日本于2005年發(fā)行的《預應力混凝土泥漿的設計和施工指南》進一步規(guī)范了預應力管道壓漿施工。我國壓漿技術發(fā)展較晚，同樣經歷了由傳統(tǒng)壓漿到真空輔助壓漿的過程，目前真空輔助壓漿技術已成為國內外管道壓漿工藝的主流［1］。

1.1 鐵路橋梁工程壓漿施工工藝

為提高壓漿質量，規(guī)范壓漿施工，我國鐵路、公路橋涵設計和施工技術規(guī)范在參考歐洲、美國、日本相關規(guī)范基礎上，起草并頒布實施了一系列標準性技術文件，圍繞壓漿工藝，對施工流程、關鍵參數(shù)、設備、材料等提出了相關的技術要求［2］。鐵路橋梁工程壓漿施工工藝要求和參數(shù)主要有［3］：

1）工藝流程：加入80%～90%的水→加入壓漿劑→高速攪拌→加入水泥→高速攪拌2 min→加入剩余10%～20%的水→高速攪拌2 min→低速儲漿→抽真空→壓漿→保壓3 min。

2）配料稱量精度：±1%。

3）制漿要求：低水膠比、高流動度、零泌水率。

4）壓漿要求：連續(xù)、穩(wěn)定出漿。

5）高速攪拌轉速不小于1 000 r/min，槳葉線速度為10～20 m/s。

6）抽真空壓力-0.060～-0.080 MPa。

7）保壓壓力0.50～0.60 MPa，保壓時間180 s。

1.2 既有自動壓漿工藝的不足

橋梁預應力管道壓漿施工目前主要采用人工操作設備、人工監(jiān)控施工過程、人工記錄數(shù)據(jù)并判定壓漿狀態(tài)，普遍存在施工效果受人為主觀因素影響大，質量可追溯性差，壓漿質量不穩(wěn)定等問題。近年來，隨著國內大規(guī)模的鐵路、公路建設，對工程質量標準和工程管理水平的要求也不斷提高，自動化施工、信息化管理成為傳統(tǒng)土木工程領域新的發(fā)展方向。在此背景下，能夠改善壓漿質量、提高壓漿效率的新技術、新設備也日臻成熟、完善。既有工藝在自動壓漿施工的過程中，也逐漸顯露出其不足和局限性，主要表現(xiàn)在以下方面：

1）在制漿桶高速攪拌過程中，上料準確度受攪拌振動影響較大。

2）現(xiàn)行真空輔助壓漿工藝的抽真空過程從壓漿前持續(xù)至出漿端出漿，使得出漿端排氣放漿非常充分，而進漿端排氣不足，進漿口附近壓漿不密實。

3）壓漿速度對壓漿過程中的排氣效果有直接影響，現(xiàn)行壓漿工藝對壓漿速度尚無規(guī)定。

4）目前尚無成熟可行的方法和依據(jù)對壓漿質量進行檢測和評估。

自動化壓漿技術在以下4個方面的發(fā)展為解決上述問題提供了方法。

2 精確稱量配料

為保證漿體質量，漿體配置應稱量準確并充分混合均勻。目前的壓漿施工已基本實現(xiàn)自動配料制漿，過程符合現(xiàn)行工藝標準。但是現(xiàn)場操作發(fā)現(xiàn)，制漿桶高速攪拌會產生明顯的振動，影響稱量的準確性。對目前常用制漿設備的上料稱量準確度試驗發(fā)現(xiàn)：①高速桶配置的稱量系統(tǒng)在靜態(tài)稱量條件下，數(shù)值顯示穩(wěn)定，在10～400 kg 稱量范圍內，基本能滿足稱量誤差≤1%的要求。②在高速制漿桶攪拌槳電機轉速1 000～1 440 r/min的動態(tài)稱量條件下，受電機振動影響，示值波動明顯，最大稱量誤差約為2%～3%。

進一步提高稱量系統(tǒng)精度，強化稱量系統(tǒng)施工前自校功能等措施，可以改善上料稱量的準確性。研究人員在現(xiàn)行標準規(guī)定的壓漿流程中，增加粉料靜態(tài)稱量過程，粉料投放分為2步，具體步驟如下：

1）加入80%～90%的水，并稱重。

2）自動控制上料設備向高速制漿桶內輸送壓漿劑，同步攪拌。

3）當稱量傳感器檢測到高速制漿桶內壓漿劑達到預設重量（約90%）時，自動控制停止上料和攪拌，靜態(tài)稱重后繼續(xù)高速攪拌，并同步加入剩余壓漿劑。

4）自動控制上料設備向高速制漿桶內輸送水泥，投料過程與壓漿劑一致。

5）停止攪拌，加入剩余的水，再啟動攪拌2 min。

研究人員對實際工程中使用此工藝配制的850多盤漿體制漿數(shù)據(jù)（配比為水泥∶壓漿劑∶水=100.0∶11.1∶36.7）分析顯示，水泥和水的稱量誤差合格率分別為100%，98.95%；壓漿劑稱量實測誤差合格率為92.41%，超限誤差基本控制在2.5%以內。說明增加靜態(tài)稱量過程，在滿足標準工藝和施工效率的前提下，能夠提高稱量準確性。

3 兩端排氣放漿

研究發(fā)現(xiàn)，在管道基本通暢的條件下，管道壓漿密實度與壓漿過程中排氣的程度有直接關系。排氣分為主動排氣和被動排氣，主動排氣即抽真空，被動排氣為漿液進入管道驅出管道內氣體。主動排氣不可能排凈管道內空氣，其作用在于促進被動排氣，管道排氣主要依賴于被動排氣。

目前真空輔助壓漿工藝采用的是一端壓漿，另一端抽真空的方式，具體步驟如下：

1）在出漿端對全管道抽真空，達到標準要求的-0.060～-0.080 MPa真空度。

2）在進漿端從進漿口壓漿入管道，漿體向管底流動，出漿端持續(xù)抽真空排氣。

3）管底漿體面持續(xù)上升，隔絕管道兩端（正彎曲管道），出漿端持續(xù)抽真空排氣。

4）兩端液面持續(xù)上升，出漿端抽真空排氣，進漿端空氣逐漸壓縮。

5）出漿端至出濃漿，關閉抽真空并封閉出漿孔。繼續(xù)壓漿至規(guī)定壓力0.50～0.60 MPa，并保壓至少3 min。

按照此工藝操作，管道內漿體填充及梁端排氣、放漿全過程5個狀態(tài)如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)的排氣放漿工藝

上述工藝存在以下問題：

1）預制簡支梁以正彎曲預應力管道為主，漿體填滿管道底部，將管道隔絕為進漿端和出漿端2部分，抽真空作業(yè)對于進漿端部分的排氣基本是無效的。

2）為確保管道內真空度的要求，管道成孔應完整，管道壁不應有破損或串通，同時密封管道封端。在此條件下，進漿端空氣可能無法完全排出，體積逐漸壓縮，壓力逐漸增大，一方面漿體無法填充飽滿，另一方面該局部壓力較大，壓力泌水的程度更為嚴重，這兩個方面均對壓漿密實度有不利影響。

管道兩端排氣放漿能夠解決以上的問題，結合管道端部封錨的結構特點，并發(fā)揮自動化施工的實時監(jiān)測、快速調控的優(yōu)勢，研究設置了以下自動壓漿及排氣放漿的工藝步驟：

1）對全管道抽真空，達到-0.060～-0.090 MPa真空度。

2）在進漿端從進漿口壓漿入管道，漿液向管底流動。

3）管底漿液面持續(xù)上升，隔絕管道兩端（正向彎曲管道）。

4）兩端液面持續(xù)上升，出漿端排氣放漿至出濃漿、無氣泡，關閉出漿端排氣閥門。

5）繼續(xù)壓漿，至氣壓達到設定值，自動調節(jié)壓漿速度并警示，開啟進漿端閥門排氣放漿至出濃漿、無氣泡，關閉進漿端排氣閥門。

6）壓漿過程中可根據(jù)需要，再次開啟抽真空閥門和抽真空泵少量排氣放漿。

7）少量補漿至規(guī)定壓力0.50～0.60 MPa，并保壓至少3 min。

此工藝充分考慮了進漿端排氣放漿的需要。在管道內較高壓力下，通過開啟兩端排氣閥門排氣放漿，或再次開啟抽真空閥門并啟動抽真空泵，經少量的抽漿排氣后，排出錨墊板下的空氣，可以有效改善管道兩端尤其是進漿端壓漿不密實的問題（見圖2）。研究表明，為保證兩端排氣放漿的效果，實際操作中可以采用多次開、關排氣放漿閥門的方法，以確保排氣充分。

圖2 采用兩端排氣放漿工藝的壓漿效果

4 壓漿速度自動調控

現(xiàn)行壓漿工藝標準通過控制保壓階段壓漿壓力實現(xiàn)慢速補壓，但是對于保壓前壓漿過程中的壓漿速度尚無規(guī)定。研究認為，壓漿速度影響質量，過快的壓漿速度會導致漿液填充不充分，同時也給設備造成較大的負擔，導致設備故障；壓漿速度過慢，會引起漿體沉淀，導致管路、閥門堵塞。為追求施工效率，快速壓漿在實際施工中比較普遍，同時增加了管道內排氣不充分的風險。

整個壓漿過程中，管道內壓力狀態(tài)能夠在一定程度上反應出管道是否通暢、壓漿速度是否合適等情況。現(xiàn)場實時監(jiān)測預制簡支梁某管道進漿端壓力時程曲線如圖3所示。

由圖3可知：

1）根據(jù)壓漿進度，壓力時程曲線一般可以分為Ⅰ～Ⅳ4個階段。

2）Ⅰ區(qū)為壓漿區(qū)，該階段記錄了管道從完全空置逐漸填充至接近飽滿的過程，系統(tǒng)在此階段內應根據(jù)壓力變化隨時自動調控壓漿速度。在設定壓漿速度范圍內，此階段壓力為0.10～0.40 MPa，壓力呈緩慢上升趨勢，說明進漿速度適宜，管道通暢，壓漿泵工作狀態(tài)良好，氣體排出有序、充分。

圖3 典型的壓力時程曲線

3）Ⅱ區(qū)為穩(wěn)壓區(qū)。該階段記錄了管道即將被填充滿時，在較高的壓力水平下，壓力波動并漸趨穩(wěn)定的過程，是管道滿足放漿排氣條件的標志。

4）Ⅲ區(qū)為放漿排氣區(qū)。該階段記錄了在人工放漿排氣過程中的壓力變化過程，此部分曲線的形狀和特征能夠反應出現(xiàn)場操作人員放漿排氣操作的情況。

5）Ⅳ區(qū)為保壓區(qū)。該階段記錄了放漿排氣操作完成后，系統(tǒng)自動保壓、補壓的過程，曲線呈現(xiàn)出比較規(guī)律的波浪形特征，此部分曲線的形狀和特征能夠反應出保壓壓力和時間是否充足等情況。

通過對壓力時程曲線的分析，針對自動壓漿階段工藝提出以下建議：

1）壓漿過程中應根據(jù)管道壓力情況自動調速。

2）應實時監(jiān)測并記錄壓漿過程中的壓力時程曲線，以便于問題分析和追溯。

3）對于預制混凝土簡支梁，壓漿速度范圍在20～30 L/min比較適宜。

4）放漿排氣為人工操作，應具備自動提示功能，方便人工、自動作業(yè)的協(xié)同銜接。

5 密實度評估

壓漿密實度直接關系到預應力混凝土橋梁的受力特性和使用壽命，由于壓漿施工屬于隱蔽工序且難以事后檢測，一直以來都是工程界的技術難點而備受關注?；炷两Y構外觀無法識別管道壓漿質量，采用管道開刀、鉆芯取樣等破壞性手段判別壓漿質量成本高、實施困難。近年來關于使用地質雷達法、電磁波法、超聲波法、X 射線法、彈性波法等無損檢測手段檢測管道密實度的相關實驗室研究取得了一定的進展［4-5］。鑒于現(xiàn)場的復雜性和無損檢測技術的局限性，無損檢測技術目前尚難以真正應用于實際工程。

考慮到當前技術水平，研究人員提出并實現(xiàn)了一種基于施工過程中壓漿量計量的密實度分析方法，即通過實際壓漿量與理論壓漿量進行對比，分析壓漿是否飽滿。實際壓入管道內的漿體重量可通過稱重測得。理論壓漿量由管道尺寸、預應力鋼絞線數(shù)量和規(guī)格、螺旋筋尺寸、錨固端結構尺寸決定，同時應考慮不同成孔方式對于管道內空間的影響。對1 200 多個管道壓漿量實測數(shù)據(jù)的分析結果如下：

1）實測壓漿量平均有93.99%的數(shù)據(jù)分布于理論壓漿量上、下限范圍內；有97.95%的數(shù)據(jù)超過壓漿量下限。

2）實測壓漿量平均有78.41%的數(shù)據(jù)分布于理論壓漿量標準值和上限范圍內。分析認為這主要是由于管道壁存在因混凝土材料或施工振搗不良而造成的離析、泌水和粗骨料外露等情況，消耗部分漿體充填管壁空隙所致，加之也有部分管道成形所用的橡膠抽拔棒尺寸存在正偏差的影響。

3）各管道中N2a 和N3 左右管道實際壓漿量超出壓漿量上限的概率較其他部位管道要大（見圖4），分別為12.77%，14.89%，6.38%和10.64%。這說明底板最外側管道和腹板內側最下層管道位于箱梁倒角部位，鋼筋和預埋件較多，混凝土澆筑和管道成孔質量最難控制，出現(xiàn)管道漏漿、串孔的可能性最大。

圖4 N2a和N3管道壓漿量數(shù)據(jù)

實踐證明，該方法測得的管道實際壓漿量與理論計算壓漿量基本是吻合的，兩者的相互關系可以為評估壓漿密實度提供參考；同時，也能一定程度上反映出工程實際狀況，促進施工質量改進。

6 結語

研究顯示，自動化壓漿技術能夠改善橋梁管道壓漿質量。在既有壓漿工藝的基礎上，配套自動化壓漿工藝應滿足以下要求：①細化并精確自動控制制漿配料、稱重環(huán)節(jié)，增加靜態(tài)稱量，提高水泥和壓漿劑（或壓漿料）的稱量精度。②通過壓力自動監(jiān)控，自動提示人機作業(yè)的銜接和轉換。③壓漿速度自動調控，壓力實時監(jiān)測并記錄、輸出。④壓漿量自動計量，提供密實度評估依據(jù)。