預(yù)應(yīng)力孔道壓漿試驗及漿體特性

劉聿鋒 ，王晗 ，沈佳

1.山東省路橋集團有限公司，山東 濟南 250021；2．山東大學(xué) 齊魯交通學(xué)院，山東 濟南 250100；3.山東交通學(xué)院 交通土建工程學(xué)院，山東 濟南 250357

0 引言

預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁利用鋼筋或鋼絲(索)張拉力的反力使混凝土在受載前預(yù)先受壓，保證在運營階段不出現(xiàn)拉應(yīng)力，或有拉應(yīng)力而未出現(xiàn)裂縫或控制裂縫在容許寬度內(nèi)，預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁在中小跨徑和大跨徑橋梁中一直占有主導(dǎo)地位[1-6]。但預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁在施工或使用過程中往往出現(xiàn)某些病害，例如錨具破裂、波紋管線性與設(shè)計偏差較大、孔道注漿不密實等。錨具破裂是由于錨具硬度偏大，在大的應(yīng)力作用下發(fā)生脆性斷裂；線性偏差較大是因為波紋管未按規(guī)定固定牢固[7-8]?？椎缐簼{效果直接關(guān)系到后張法預(yù)應(yīng)力混凝土梁正常使用性能、耐久性、安全性等問題，因壓漿不密實導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力管道內(nèi)鋼絞線銹蝕，預(yù)應(yīng)力提前喪失，橋梁壽命縮短。因此，提高預(yù)應(yīng)力波紋管道性能，特別是孔道壓漿施工質(zhì)量尤為重要[9-15]。

針對孔道壓漿問題，已有相關(guān)研究。房慧明等[16-17]利用流體力學(xué)仿真方法對循環(huán)壓漿過程進行模擬，對比數(shù)值模擬與試驗結(jié)果，指出入口處與截面突變處易出現(xiàn)壓漿缺陷；銀曉東[18]通過縮尺試驗對不同壓漿類型進行對比，表明缺陷程度跟承載力呈線性關(guān)系；吳軍[19]提出一種大循環(huán)智能壓漿技術(shù)，能實現(xiàn)高效率施工；趙安基等[20]制作25 m預(yù)制小箱梁管道進行全尺寸壓漿模擬，改進了壓漿工藝；巴衛(wèi)強[21]針對影響壓漿性能的關(guān)鍵因素進行分析，研究了不同摻配材料對壓漿劑性能的影響規(guī)律；許湘華等[22]基于沖擊回波法檢測8片不同缺陷的梁，準(zhǔn)確判定孔道壓漿質(zhì)量。壓漿缺陷長度削弱極限抗彎承載力[23]，曲線孔道曲率發(fā)生變化的位置漿液流速和壓力變化較大，原因是壓漿工藝參數(shù)和孔道內(nèi)流體力學(xué)性能不匹配，導(dǎo)致孔道內(nèi)產(chǎn)生缺陷[24]。

本研究依托山東高速高廣公路有限公司的小清河3號大跨波形鋼腹板連續(xù)箱梁橋施工項目，建立預(yù)應(yīng)力壓漿管道的縮尺模型，對預(yù)應(yīng)力波紋管道內(nèi)漿體流量與壓力進行分析，探討漿體壓力與波紋管直徑、長度的關(guān)系，對后續(xù)施工工作具有重要指導(dǎo)意義。

1 工程概況

小清河特大橋位于長深高速公路高青至廣饒段，大橋跨越小清河，主橋上部跨度為(90+150+90) m，汽車荷載為公路I級，設(shè)計時速為120 km/h，主橋位于半徑6000 m的圓曲線上，縱斷面位于半徑20 000 m的圓曲線上。小清河特大橋主橋采用波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)箱梁，體內(nèi)預(yù)應(yīng)力管道均采用塑料波紋管，波紋管孔道直徑為100 mm，如圖1所示。

圖1 小清河特大橋連續(xù)箱梁示意圖

2 壓漿試驗

2.1 模型制作

考慮試驗條件限制，根據(jù)實橋模型中底板預(yù)應(yīng)力孔道(見圖2)的形式，孔道距底板底緣15 cm,制作長18 m的縮尺模型。

圖2 底板波紋孔道示意圖

架設(shè)直徑為50 mm的波紋管道，波紋管模型縱向長度為18 m，最大高差為1.52 m。在試驗管道內(nèi)預(yù)先放置內(nèi)襯管，防止?jié)沧⒒炷習(xí)r波紋管變形。為防止波紋管產(chǎn)生下?lián)?，影響試驗測試數(shù)據(jù)，沿波紋管縱向每間隔0.5 m架設(shè)一個鋼筋支架，如圖3所示，以保證波紋管的線形。利用扎絲將波紋管與鋼筋支架固定牢固，防止波紋管移動。

圖3 波紋管試驗?zāi)Ｐ褪疽鈭D

在試驗管道的跨中、波紋管的2個起彎點及波紋管的2個反彎點預(yù)先打孔，用鋼筋焊接支架將電磁流量計固定牢固，保證測試數(shù)據(jù)時儀器處于平穩(wěn)狀態(tài)，并把4個電磁流量計和5個壓力傳感器連接到直徑為20 mm的圓鋼管上，鋼管固定到波紋管上，用密封膠與速干水泥密封連接口，保證連接處的密封性。由進漿口至出漿口流量計編號依次為1#～4#，壓力傳感器編號依次為1#～5#，如圖4所示。

a) 流量計編號 b)壓力傳感器編號 圖4 壓力傳感器及流量計編號示意圖

為防止壓漿過程中出現(xiàn)漏氣、漏漿等情況，在波紋管兩端安裝錨墊板。并在錨墊板外側(cè)放置膠皮墊片，用螺栓錨固5 mm厚的鋼板和錨墊板，將膠皮墊片擠壓在鋼板與錨墊板之間。最后在波紋管外圍支竹膠板，將波紋管用混凝土進行澆筑密封，保證混凝土振搗密實。

在波紋管的兩端分別延伸出鋼管用于壓漿與排氣，將智能壓漿臺車的壓漿管與進漿口連接管連接。連接時用防水膠帶包裹壓漿管螺紋外圍，防止漏漿影響試驗數(shù)據(jù)。

2.2 測試原理

為實現(xiàn)精準(zhǔn)拌和與壓漿控制，采用智能壓漿臺車進行壓漿，采用壓力傳感器、電磁流量計、無紙記錄儀等記錄試驗數(shù)據(jù)，避免人工操作導(dǎo)致的誤差。

在壓漿機出口處和波紋管進漿口處設(shè)置壓力傳感器，兩者測量結(jié)果差值即為壓漿管的壓降。沿波紋管軸向布置壓力傳感器和流量傳感器，測試波紋管沿程的壓力和流量變化，測試原理如圖5所示。

圖5 壓力傳感器及流量傳感器工作原理示意圖

波紋管外接一個鋼管，在鋼管與壓力傳感器間放置一個橢圓形油墊，與壓力傳感器連接的上半部分加滿機油且內(nèi)部沒有氣泡；下半部分與波紋管直接連接，保證壓力傳感器不與漿液直接連接，準(zhǔn)確測試壓力。

2.3 試驗過程

壓漿管與波紋管連接完成后，檢查所有儀器是否正常運行，啟動智能壓漿機依次進行壓水試驗、壓漿試驗。進行壓漿試驗時，儲料箱中水與摻和料的質(zhì)量比為0.3:1，高速拌和，攪拌時間設(shè)置為3 min，漿體攪拌至無明顯顆粒結(jié)束，漿體在存漿桶內(nèi)邊壓漿邊低速攪拌，防止初凝。試驗過程采用循環(huán)壓漿，出漿口處連接管延伸至壓漿機，使?jié){體回收至存料桶。

測試保壓壓力依次為0.3、0.4、0.5 MPa時水與漿體的流量與壓力。當(dāng)漿體流出達到指定壓力并穩(wěn)定流動時，將連接流量計的管道閥門全部關(guān)閉，按照出漿口至壓漿口的順序依次進行數(shù)據(jù)采集，依次關(guān)閉壓力傳感器閥門后開始測試，同時記錄流量計測試的開始時間，測試時長為1 min。測試完畢后關(guān)閉智能壓漿臺車停止壓漿，導(dǎo)出無紙記錄儀中采集的數(shù)據(jù)。

2.4 試驗結(jié)果

將水和漿體在不同保壓壓力下的體積流量、壓力測試結(jié)果繪制成實時曲線，如圖6所示。

圖6 不同保壓壓力時水與漿體的流量與壓力隨時間的變化曲線

由圖6可知：同一保壓壓力下，不同流量計所測數(shù)據(jù)變化較小；最大流量差為0.09 m3/h，變化率為7%；最小流量差為0.01 m3/h，變化率為1%。以固定壓力壓漿時，波紋管內(nèi)的流量幾乎不變。水和漿體的最小保壓壓力分別為0.3、0.4、0.5 MPa時，平均流速均為0.065、0.110、0.116 m/s。壓力測試曲線存在波動，原因是流量計連接管的閥門開啟對周圍流體存在擾動，波紋管內(nèi)的壓力降低，關(guān)閉流量計閥門后，波紋管內(nèi)的壓力恢復(fù)。

3 漿體測試數(shù)據(jù)分析

漿體為連續(xù)介質(zhì)，流動過程中流體質(zhì)點相互銜接，由流體力學(xué)及水力學(xué)原理可知，進出微控制體的流量相等，公式為：

ρ1v1dA1=ρ2v2dA2，

式中：ρ1、ρ2分別為流進、流出微控制體兩側(cè)截面的流體密度，v1、v2分別為流進、流出微控制體兩側(cè)截面的流速，dA1、dA2分別為微控制體兩側(cè)截面的截面積。

波紋管內(nèi)漿體可視為不可壓縮流體密度，故ρ1=ρ2=ρ；通常波紋管截面面積不變，因此壓漿過程中漿體的流速在波紋管內(nèi)保持不變，根據(jù)試驗測得流體流量沿波紋管縱向幾乎保持不變。

波紋管內(nèi)的壓力沿程遞減，主要有2個原因：1)漿體為黏性流體，在流動過程中存在黏性力，黏性力與波紋管內(nèi)壁產(chǎn)生阻力導(dǎo)致波紋管內(nèi)的壓力變化，壓力損失與液體流動的路程成正比；2)管道局部出現(xiàn)彎曲導(dǎo)致局部邊界條件改變，引起流速沿程突變產(chǎn)生的慣性阻力稱為局部阻力。根據(jù)能量方程得到波紋管壓漿時的沿程損失系數(shù)，可以求得波紋管的沿程壓力損失。

流體力學(xué)中單一管道的液體總流能量方程(伯努利方程)

(1)

式中：z1、z2分別為兩斷面距基準(zhǔn)面的位置高度；p1、p2分別為兩斷面的平面壓力，本文取1#壓力傳感器與5#壓力傳感器測試的壓力；ρ為漿體的密度；hw為兩斷面間的水頭損失。

hw=∑hf+∑hj，

(2)

式中：hf為沿程損失，即為沿程阻力造成的損失；hj為局部損失，局部阻力造成的損失。

波紋管沿程中漿體的流速幾乎保持不變，即v1=v2=v,且進漿口與出漿口在同一水平線，距離地面高度均為1.52 m,故有：

(3)

hf計算公式為：

(4)

式中：λ為沿程損失系數(shù)；l為兩截面間長度；d為管道直徑，本試驗波紋管直徑為50 mm。

hj計算公式為：

hj=[0.131+1.63(d/r)3.5](θ/90)0.5，

式中：r為管道彎曲半徑，該模型彎曲半徑為1 m；θ為圓心角，管道彎曲位置的圓心角為21 °。

根據(jù)式(1)～(4)計算波紋管內(nèi)的hf及沿程損失系數(shù)λ，計算結(jié)果如表1所示。

對調(diào)查區(qū)內(nèi)的5件橄欖玄武巖進行稀土元素分析(表3、圖3)[5]，結(jié)果顯示，調(diào)查區(qū)稀土總量一般在88.21×10-6～112.79×10-6之間，平均為97.41×10-6。5個樣品在稀土元素標(biāo)準(zhǔn)化分布型式圖中表現(xiàn)出相同的變化趨勢，輕重稀土分餾明顯，且LREE分餾較強。La/Yb平均值為8.85，LREE/HREE介于7.28～7.77之間，顯示巖漿分異程度一般。δEu值介于0.98～1.01之間，δCe平均值為0.92，基本不顯示鈰、銪異常。

表1 hf及λ計算結(jié)果

根據(jù)表1可知：λ=0.680～0.756，取其平均值，50 mm波紋管壓漿時λ=0.664。

柯列勃洛克公式為：

(5)

式中：Δ為波紋管當(dāng)量粗糙度，Δ=5 mm；Re為流體雷諾數(shù)。

雷諾數(shù)是相似流動中慣性力與黏性力量級之比，其公式為：

Re=vd/β，

(6)

式中：β為運動黏度，β=μ/ρ；μ為動力黏度，又稱絕對黏度或黏滯系數(shù)，Pa·s。

表2 Re及μ計算結(jié)果

根據(jù)式(5)(6)計算Re及μ如表2所示。

由表2可知：直徑為50 mm的孔道壓漿時，波紋管內(nèi)漿體的Re=49.79～79.09，因為Re<2100，可知漿體流動屬于層流[24]。

根據(jù)計算所得的λ，平均流速為0.92 m/s，利用式(4)分析波紋管不同管徑下因流體黏性力導(dǎo)致的沿程損失，波紋管內(nèi)徑為50～130 mm，壓力損失曲線見圖7。

圖7 壓力損失變化曲線

由圖7可以看出：當(dāng)波紋管直徑一定時，壓力沿程損失隨著波紋管長度的增加而增加；當(dāng)波紋管長度一定時，波紋管直徑越小，壓力沿程損失越大。

4 結(jié)論

1)沿波紋管軸向由進漿口至出漿口壓力逐漸遞減，流量保持穩(wěn)定。

2)波紋管內(nèi)漿體的雷諾數(shù)均小于2100，屬于層流。

3)當(dāng)波紋管直徑一定時，壓力沿程損失隨著波紋管長度的增加而增加；當(dāng)波紋管長度一定時，波紋管直徑越小，壓力沿程損失越大。