基于壓力控制的裝配式路面板板底注漿工藝研究*

付夕原 趙鴻鐸 蔡爵威 成 可

(同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海 201804)

路面裝配式修復(fù)技術(shù)是一種理想的快速修復(fù)方法，具有工廠預(yù)制、現(xiàn)場(chǎng)裝配、快速開放等特點(diǎn)，可作為水泥混凝土路面快速修復(fù)與新建的有效手段[1-2]。由于施工精度的限制，裝配式路面板板底與基層頂面的幾何尺寸無法完全匹配，導(dǎo)致路面板在安裝后缺少均勻穩(wěn)定的支撐[3-4]，因此常采用板底注漿的方式對(duì)層間空隙進(jìn)行填充，從而保障裝配式路面的服役性能。

現(xiàn)有工程中的板底注漿常采用注漿孔注漿、釋放孔觀測(cè)的雙孔式注漿工藝[5]。但這種方式對(duì)于基層平整狀況不佳時(shí)，由于漿液流動(dòng)缺少注漿機(jī)泵送持壓的過程，容易出現(xiàn)板塊邊角處漿液充盈度不佳的情況，嚴(yán)重時(shí)易導(dǎo)致路面板在使用過程中出現(xiàn)斷板現(xiàn)象。此外，這種方式只能通過目測(cè)釋放孔處的漿液液面是否下降來決定是否停注，經(jīng)驗(yàn)性過強(qiáng)。

本文針對(duì)傳統(tǒng)雙孔式注漿工藝存在的不足，對(duì)其布孔方式和注漿方式進(jìn)行改進(jìn)，以期提出基于壓力控制的新型注漿工藝。其主要思路為利用特制維壓裝置保證漿液始終能在注漿機(jī)的泵送壓力下向?qū)娱g的空隙擴(kuò)散，同時(shí)利用壓力表對(duì)關(guān)鍵位置的液壓進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)，并以此為控制指標(biāo)實(shí)現(xiàn)對(duì)注漿過程的數(shù)字化監(jiān)控，為裝配式工程的推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 基于壓力控制的注漿原理

1.1 布孔方式

由于漿液以近似圓形的方式從注漿孔向四周擴(kuò)散，因此對(duì)傳統(tǒng)的雙孔式注漿布孔方式進(jìn)行改進(jìn)，將注漿孔設(shè)置在板中位置，并在漿液最難擴(kuò)散到的板角處設(shè)置維壓孔和維壓裝置，從而保證漿液的填充效果。改進(jìn)前后的布孔方式見圖1。

圖1 不同注漿工藝的布孔方式

1.2 維壓裝置

為獲得可以量化且易于監(jiān)測(cè)的停注指標(biāo)，設(shè)計(jì)特制維壓裝置。通過寶塔接頭與預(yù)埋在裝配式路面板內(nèi)的橡膠軟管密封相連，具體安裝方式見圖2。

圖2 特制維壓裝置及其安裝方式

排氣閥使維壓裝置在閘閥關(guān)閉時(shí)只能排出氣體，不能排出液體，因此漿液未完全填充時(shí)，能夠?qū)⒖諝馀懦霾⑦M(jìn)入注漿空隙內(nèi)。當(dāng)漿液擴(kuò)散至維壓孔位置后，排氣閥在漿液浮力的作用下被關(guān)閉，此時(shí)整個(gè)維壓裝置完全密閉，板底漿液液壓逐漸升高，從而為其在邊角處的擴(kuò)散提供足夠動(dòng)力。

注漿后可根據(jù)壓力表是否有讀數(shù)判斷漿液是否擴(kuò)散至維壓孔，由于維壓孔設(shè)置在距離注漿孔的最遠(yuǎn)端，即漿液最難擴(kuò)散到的區(qū)域，當(dāng)所有壓力表均產(chǎn)生讀數(shù)時(shí)即可認(rèn)為板底的注漿空隙已被完全填充。在壓力表產(chǎn)生讀數(shù)后繼續(xù)注漿會(huì)造成液壓持續(xù)升高，從而導(dǎo)致路面板被頂起或板底密封條被沖開，因此需要對(duì)注漿壓力進(jìn)行精準(zhǔn)控制，保證在提高注漿充盈度的同時(shí)防止注漿失敗。

2 注漿壓力的控制理論

2.1 注漿擴(kuò)散壓力

2.1.1基本假設(shè)

板底注漿的漿液擴(kuò)散模式與單一平板裂隙中漿液擴(kuò)散模式類似。為建立其理論擴(kuò)散模型，提出以下基本假設(shè)[6-8]：①漿液在運(yùn)動(dòng)過程中滿足連續(xù)性方程；②漿液在運(yùn)動(dòng)中體積是不可壓縮的，且密度不發(fā)生變化；③漿液是各向同性的；④漿液在運(yùn)動(dòng)的各個(gè)瞬間，剪切速率與剪切應(yīng)力滿足線性關(guān)系；⑤漿液在靜止時(shí)，各個(gè)方向的正應(yīng)力相等；⑥漿液-固壁邊界滿足無滑移邊界條件。

2.1.2模型求解

基于以上假設(shè)，可以得到漿液的擴(kuò)散模型見圖3a)，由于擴(kuò)散過程中所有物理量都是軸對(duì)稱關(guān)系，因此可簡(jiǎn)化為二維問題進(jìn)行計(jì)算，二維擴(kuò)散模型見圖3b)。

圖3 路面裝配式修復(fù)板底注漿擴(kuò)散模型

根據(jù)流體力學(xué)理論，漿液微元體滿足以下方程：

①連續(xù)方程

(1)

②運(yùn)動(dòng)方程

(2)

由于漿液為不可壓縮流體，因此注漿過程中任意時(shí)刻漿液沿流線方向的流速相同，忽略漿液的豎直方向運(yùn)動(dòng)，可將式(2)轉(zhuǎn)化為

(3)

式中：τ為漿液的剪切應(yīng)力；h為注漿空隙高度方向；p為漿液液壓；r為漿液擴(kuò)散方向；Fr為漿液所受r方向的體積力。

漿液的剪切應(yīng)力滿足h=0時(shí)，τ=0，故其滿足

τ=Ah

(4)

板底注漿多采用水泥基類注漿材料，此類由固體顆粒材料制成的懸浮型漿液屬于賓漢流體，其本構(gòu)方程見式(5)。

(5)

聯(lián)立式(4)及(5)并積分可得

(6)

(7)

在注漿過程中，注漿機(jī)的流量恒定，因此流量q滿足

(8)

將式(7)代入(8)并整理得

(9)

對(duì)式(9)在(r0，R)范圍內(nèi)積分，并代入邊界條件(r=r0，p=p0)，r0為注漿孔的半徑，p0為注漿孔處壓力，可得

(10)

式中：體積力Fr僅考慮重力，其幾何關(guān)系見圖4。其中,α為注漿空隙的傾角，(°)；β為注漿空隙的方向角，(°)。

圖4 漿液擴(kuò)散角度幾何關(guān)系

因此體積力Fr可按式(11)計(jì)算。

Fr=ρgsinαcosβ

(11)

綜合上述各式，在漿液擴(kuò)散的最遠(yuǎn)端r=R位置，漿液壓力p=0，可求得漿液擴(kuò)散距離為R時(shí)所需的最小注漿壓力

(r-r0)ρgsinαcosβ

(12)

式中：2b為注漿空隙的高度，m；ρ為漿液密度，kg/m3；g為重力加速度，9.81 m/s2。

2.2 裝配式路面板頂升液壓

裝配式路面板在漿液液壓過大時(shí)會(huì)被頂升，導(dǎo)致注漿失敗，因此需要計(jì)算裝配式路面板的頂升力，將其作為注漿壓力控制值。路面板被頂升的臨界狀態(tài)受力滿足

pgS=G板=ρ板gh板S

(13)

可簡(jiǎn)化為

pg=ρ板gh板

(14)

式中：pg為頂升液壓，Pa；ρ板為裝配式路面板密度，kg/m3；h板為裝配式路面板厚度，m。

2.3 板底密封條可維持液壓

2.3.1板底密封性能試驗(yàn)及結(jié)果分析

為測(cè)試粘貼密封條后板底的密封性能，設(shè)計(jì)了試驗(yàn)裝置見圖5。測(cè)試裝置由頂板和底板組成，通過螺栓連接并控制間距，通過粘貼密封條構(gòu)造出注漿空隙。漿液從頂板中部注漿口注入，表面設(shè)有壓力表接口可實(shí)時(shí)測(cè)量注漿空隙內(nèi)液壓，在底板表面設(shè)置半剛性基層材料以模擬真實(shí)的摩擦條件。使用游標(biāo)卡尺測(cè)量密封條在壓縮前后的厚度即可獲得密封條的壓縮率。

圖5 板底密封試驗(yàn)裝置

板底密封裝置中密封條基本尺寸見表1。

表1 密封條的基本參數(shù)

開始注漿后，當(dāng)空隙內(nèi)壓力增加到一定程度時(shí)，漿液沖開密封條導(dǎo)致其失效漏漿。記錄壓力表的最大值即可得到板底密封條所能維持的最大液壓。試驗(yàn)分別測(cè)試了表1中4種密封條的密封性能，測(cè)試結(jié)果見圖6～圖9。

圖6 丁晴橡膠密封條測(cè)試結(jié)果

圖7 三元乙丙橡膠密封條測(cè)試結(jié)果

圖8 聚四氟乙烯密封條測(cè)試結(jié)果

圖9 硅橡膠密封條測(cè)試結(jié)果

結(jié)果表明，同種密封條在壓縮量保持不變時(shí)，所能維持的液壓隨著注漿流量的增大而增大，但是增大趨勢(shì)逐漸趨于平緩。在相同注漿流量下，隨著密封條壓縮量的增大，液壓逐漸增大。

以保持液壓為指標(biāo)、壓縮量為參數(shù)時(shí)，可以看出三元乙丙橡膠密封條和聚四氟乙烯密封條在較小壓縮量、較小流量下即可保持較大液壓；隨著流量增加，維持的液壓增幅不大。而硅橡膠在流量較小時(shí)，測(cè)試可以維持的液壓較小，可能是由于材質(zhì)較硬，與基層之間接觸不夠緊密，小流量時(shí)漿液可從與基層間的空隙泄漏。

2.3.2密封條壓縮試驗(yàn)及結(jié)果分析

板底注漿過程中的路面板自重主要由調(diào)平螺桿承擔(dān)，因此應(yīng)選擇壓縮性能好的密封條材料，以保證密封條能獲得較大的壓縮率，提供更大的可維持液壓。

試驗(yàn)采用材料試驗(yàn)系統(tǒng)(material test system,MTS )來對(duì)密封條的壓縮性能進(jìn)行測(cè)試。密封條在使用中為第一次壓縮，因此選擇長(zhǎng)度為10 cm的未使用密封條作為試驗(yàn)材料。

試驗(yàn)采用控制荷載模式，壓力增加速度為0.1 kN/s。為比較試驗(yàn)中不同寬度密封條特性，設(shè)計(jì)單位長(zhǎng)寬密封條的最大壓力值為30 kN/(m×cm)。10 cm長(zhǎng)的試驗(yàn)材料的設(shè)計(jì)壓力值見表2。

表2 密封條的設(shè)計(jì)壓力值

4種材料的壓縮特性曲線圖見圖10。

圖10 密封條壓縮特性曲線

由圖10可見，發(fā)泡丁晴橡膠、發(fā)泡三元乙丙橡膠密封條和聚四氟乙烯密封條在受壓時(shí)變形較為迅速，壓縮量較大。

此外，4種密封條在受到豎向向下的壓力作用時(shí)，豎向變形持續(xù)增大，荷載-變形曲線均為凸曲線。在荷載較小時(shí)，變形量隨著荷載的增加快速增大；當(dāng)荷載增加到一定程度時(shí)，變形增加量趨于平緩。相同荷載下硅橡膠的壓縮率最低，說明硅橡膠材質(zhì)最硬；發(fā)泡三元乙丙橡膠壓縮率最高，說明該密封條最軟，在單位長(zhǎng)寬下的荷載接近6.2 kN/(m·cm)時(shí)，發(fā)泡三元乙丙密封條的壓縮率接近80%。

2.3.3板底密封條選擇與壓力控制

密封條設(shè)置在裝配式路面板板底，用于填補(bǔ)調(diào)整板體高程后板底與基層之間的空隙。由于板底和基層間的空隙高度具有不確定性，選擇密封條需要滿足較易壓縮、低壓縮量下即有較好密封性的要求。

從板底密封性能試驗(yàn)來看，2 cm寬的發(fā)泡三元乙丙橡膠材料在壓縮率為0.12和0.3時(shí)，可維持液壓分別大于0.02 MPa和0.03 MPa，說明其在較低的壓縮率下便有較好的密封性；從密封條壓縮性能試驗(yàn)來看，該種材料較軟，容易變形；此外其成本較低，矩形形狀制造容易。因此選擇發(fā)泡三元乙丙橡膠為板底密封條材料，截面形狀為矩形。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，通過回歸分析可得到密封條可維持液壓的計(jì)算方法見式(15)。

pm=0.001 0×q+0.065 7×ε+0.006 342

R2=0.982 6

(15)

式中：pm為密封條可維持液壓，MPa；q為注漿機(jī)流量，L/min；ε為密封條壓縮率。

3 基于壓力控制的板底注漿流程

根據(jù)上述理論分析，總結(jié)基于壓力控制的路面裝配式修復(fù)板底注漿流程如下：

①在路面裝配式修復(fù)設(shè)計(jì)階段，根據(jù)實(shí)際工況，計(jì)算注漿控制壓力，并確定注漿材料、注漿層厚度、注漿孔位置及板長(zhǎng)。在安全裕度為β時(shí)，注漿控制壓力應(yīng)滿足

(1+β)×p0≤p≤(1-β)×min(pg，pm)

(16)

②板塊預(yù)制時(shí)，利用PVC管構(gòu)造注漿孔，在4個(gè)板角距離板邊5 cm處設(shè)置橡膠軟管構(gòu)造維壓孔；

③注漿開始前，組裝維壓裝置，確保各部位連接緊密，且接口處完全密封；

④將維壓裝置與橡膠軟管密封連接，將注漿機(jī)的注漿管與注漿孔密封連接；

⑤打開注漿機(jī)，向注漿空隙中注入制備好的注漿材料；

⑥待4個(gè)維壓裝置上的壓力表均出現(xiàn)讀數(shù)時(shí)，降低注漿機(jī)流量，繼續(xù)注漿；

⑦待出現(xiàn)壓力表讀數(shù)大于注漿控制壓力時(shí)，關(guān)閉注漿機(jī)，并打開維壓裝置上的閘閥，使多余漿液流出；

⑧待液壓釋放完全后，將維壓裝置拆下，并對(duì)維壓裝置和注漿機(jī)進(jìn)行清洗，完成注漿。

4 板底注漿試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 注漿揭板試驗(yàn)

為驗(yàn)證新型注漿工藝的注漿效果，進(jìn)行了室內(nèi)足尺板底注漿試驗(yàn)。板塊尺寸為2.5 m×2.5 m×0.24 m，注漿空隙高度為1.5 cm，注漿材料為水灰比0.7的水泥漿。通過注漿揭板的方式判斷漿液充盈度。在相同條件下，將傳統(tǒng)的雙孔式注漿工藝與之進(jìn)行比較，以驗(yàn)證新工藝的改良效果。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

注漿結(jié)束后板底漿液填充狀況見圖11。

圖11 板底漿液填充狀況

本文通過漿液填充區(qū)域占樣品總面積的比率來量化注漿填充效果，它反映了揭板試驗(yàn)中漿液對(duì)板底空隙的填充程度，計(jì)算方式如下

(17)

式中：β為板底漿液的填充占比百分?jǐn)?shù)，%；n為鋪面板樣品的總數(shù)；Si漿為第i個(gè)樣品被漿液填充區(qū)域的面積，m2；Si為第i個(gè)鋪面板樣品底部的總面積，m2。

對(duì)注漿后板底樣品的漿液填充區(qū)域進(jìn)行圖像識(shí)別，見圖12～圖13。

圖12 板角漿液填充狀況

圖13 板邊漿液填充狀況

分別計(jì)算了2種注漿工藝下板邊和板角的填充占比。雙孔式注漿對(duì)應(yīng)的板邊漿液填充占比為46.11%，板角為11.35%；基于壓力控制的注漿工藝對(duì)應(yīng)的板邊漿液填充占比為88.41%，板角為98.35%。結(jié)果表明，2種注漿工藝填充效果差異明顯。雙孔式注漿工藝在板邊及板角處存在大塊區(qū)域的空隙，填充效果不佳；改進(jìn)后基于壓力控制的注漿工藝在板角、板邊、板中位置都均飽滿地填充漿液，雖然存在一些由于氣體未能完全排出而產(chǎn)生的小氣孔，但不會(huì)對(duì)路面的結(jié)構(gòu)性能造成影響，實(shí)際應(yīng)用中可通過改進(jìn)維壓孔的布設(shè)位置及方式緩解或消除此現(xiàn)象。

5 結(jié)語

本文基于流體力學(xué)理論建立了漿液的擴(kuò)散方程，推導(dǎo)出注漿壓力的計(jì)算公式，考慮裝配式路面板頂升液壓和板底密封條可維持液壓提出了注漿壓力控制理論。通過板底密封性能試驗(yàn)和壓縮試驗(yàn)對(duì)比了4種密封條的使用性能并選取了密封性好、壓縮性高的發(fā)泡三元乙丙橡膠作為密封條材料。根據(jù)理論及試驗(yàn)分析提出的基于壓力控制的板底注漿工藝流程可有效提高板角、板邊位置的漿液充盈度，并能夠通過壓力表獲得量化且易于監(jiān)測(cè)的停注指標(biāo)，對(duì)提高注漿效果，保障裝配式路面的結(jié)構(gòu)性能至關(guān)重要。

雖然本文提出的注漿壓力控制理論能為停注指標(biāo)的定量判斷提供依據(jù)，但仍存在一定局限：①注漿擴(kuò)散方程是基于各向同性的假設(shè)推導(dǎo)的，而實(shí)際情況下的漿液擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形態(tài)會(huì)從各向同性下的圓形過渡到近似矩形和橢圓的組合形狀，故有待結(jié)合相應(yīng)試驗(yàn)進(jìn)行深入研究；②本文只是基于壓力定量判斷注漿充盈度，還可通過觀測(cè)注漿孔或釋放孔的漿液流量等進(jìn)行數(shù)字化監(jiān)控。