大孔徑曲線形預(yù)應(yīng)力管道灌注緩凝漿密實(shí)度改進(jìn)方法研究*

付凱明，王 勇，劉 康，劉 軍，荊 銳

(中國(guó)建筑第二工程局有限公司，北京 100160)

1 工程概況

廣西防城港核電工程核島安全殼采用后張法有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)，鋼束由54束1 860MPa級(jí)低松弛鋼絞線組成，每束鋼絞線由7根鋼絲組成，公稱(chēng)面積為150mm2，預(yù)應(yīng)力管道成孔內(nèi)徑為160mm，其中水平鋼束管道長(zhǎng)約150m。預(yù)應(yīng)力鋼束經(jīng)過(guò)張拉后，對(duì)管道灌注水泥漿進(jìn)行密封，主要目的為充分包裹鋼絞線，避免銹蝕。因此，管道灌漿作為后張法預(yù)應(yīng)力核島安全殼混凝土施工中最重要的環(huán)節(jié)之一，其質(zhì)量的好壞直接影響到核島安全殼的安全性和耐久性，應(yīng)高度重視預(yù)應(yīng)力管道灌漿密實(shí)性問(wèn)題。在核島安全殼預(yù)應(yīng)力工程中，由于各類(lèi)穿墻貫穿件的存在，預(yù)應(yīng)力水平管道在許多位置呈波形布置，具有波峰和波谷，在灌漿過(guò)程中，拐點(diǎn)及反彎點(diǎn)等特殊部位易受空氣、泌水影響，形成薄弱帶。

本文通過(guò)選取局部起伏管道試驗(yàn)?zāi)M現(xiàn)場(chǎng)管道灌漿，研究漿體流動(dòng)速度、灌漿過(guò)程排氣、漿體凝結(jié)時(shí)間等對(duì)灌漿密實(shí)性的影響及提高漿體密實(shí)性的措施。

2 試驗(yàn)材料

1)普通水泥漿[1]由水泥、高效減水劑、微膨脹劑、礦物摻合料、水等組成，水膠比≤0.33，初凝時(shí)間≥4h，終凝時(shí)間≤24h，出機(jī)流動(dòng)度(18±4)s，30min流動(dòng)度≤30s。從漿體攪拌到使用≤40min，適用于管道直徑及長(zhǎng)度較小的情況。

2)膨脹漿 由水泥、水、膨脹劑按一定比例攪拌而成，水灰比為0.3～0.38，膨脹漿攪拌后初始流動(dòng)度為14～26s，攪拌后應(yīng)在30min內(nèi)完成灌漿。與普通水泥漿相比，適用于預(yù)應(yīng)力管道更短、灌漿量更少的情況。

3)緩凝漿 由水泥、水、減水劑、緩凝劑按一定比例攪拌而成，水灰比為0.3～0.38，初凝時(shí)間<50h，終凝時(shí)間<80h，漿體流變性能好，可滿足長(zhǎng)時(shí)間使用的要求，但漿體較稀，常規(guī)灌漿工藝不易填滿管道。

4)觸變漿 由水泥、水、減水劑、緩凝劑按一定比例攪拌成緩凝漿后加入觸變劑攪拌而成，漿體稠度大，自流速度小，易填滿管道，但目前國(guó)內(nèi)對(duì)觸變漿的研究較少。

根據(jù)水平預(yù)應(yīng)力管道內(nèi)徑大、管道長(zhǎng)、灌漿量大(單根管道灌漿量約為2m3)及灌漿所用時(shí)間較長(zhǎng)的特點(diǎn)，選用緩凝漿進(jìn)行灌漿。主要材料為：水泥為魚(yú)峰P·II42.5硅酸鹽水泥；拌合水為廠區(qū)施工用水，滿足拌合水使用要求；外加劑選用江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產(chǎn)的BT?-GW(1)型減水劑和SBT?-SR(II)型緩凝劑。

根據(jù)規(guī)范[2-4]及項(xiàng)目核電技術(shù)規(guī)格書(shū)，緩凝漿性能需滿足以下要求：攪拌后初始流動(dòng)度須為9～13s(采用口徑10mm流錐試驗(yàn)測(cè)定)，6h流動(dòng)度<14s，10h流動(dòng)度<25s；3h泌水率宜≤2%，且應(yīng)≤3%，泌水應(yīng)能在24h內(nèi)全部被漿體吸收。灌漿環(huán)境溫度為5～35℃，漿體溫度≤32℃。

3 灌漿缺陷研究

根據(jù)現(xiàn)有核電成熟灌漿工藝，采用參考文獻(xiàn)[5]中水平鋼束緩凝漿灌漿方法進(jìn)行試驗(yàn)。選取實(shí)體工程中水平管段，試驗(yàn)管道波形布置如圖1所示，鋼管內(nèi)徑160mm，跨度31m，實(shí)際長(zhǎng)度31.4m，2個(gè)起伏段，矢高分別為670，710mm。模擬實(shí)體工程穿入54根鋼絞線，右端為進(jìn)漿口，左端為出漿口，灌漿泵型號(hào)為PH125，采用緩凝漿灌漿，水灰比為0.313，緩凝劑摻量為實(shí)驗(yàn)室基準(zhǔn)配合比確定的15份。

圖1 試驗(yàn)管道波形

經(jīng)充分養(yǎng)護(hù)，在灌入漿體凝結(jié)后，檢查管道開(kāi)窗截面。結(jié)果顯示，空腔集中在管道頂部靠灌漿下坡段(見(jiàn)圖2)，主要由未排出氣體和漿體泌水引起。

圖2 灌漿缺陷情況示意

經(jīng)分析，造成缺陷的可能原因如下。

1)管道內(nèi)凈空間增大，空氣量增加 預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)管道內(nèi)徑為160mm，扣除鋼絞線后凈截面面積為 11 996mm2， 凈灌漿量約為12L/m；以往成熟預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)管道內(nèi)徑為97.6mm，扣除鋼絞線凈截面面積為 4 628mm2， 凈灌漿量約為4.63L/m。本項(xiàng)目管道每米灌漿量為以往項(xiàng)目的2.6倍，相同灌漿速度下無(wú)法保證管道充實(shí)，同時(shí)漿體自身攜帶的氣泡隨漿量的增加而增加，在管道內(nèi)聚集后易引起氣泡或空腔。

2)凈漿量增多，毛細(xì)泌水增加 水泥漿(尤其緩凝漿)內(nèi)的游離水在鋼絞線表面的毛細(xì)作用下形成流動(dòng)引起漿體泌水，使泌水量增多。后期漿體硬化過(guò)程中又將泌水吸收，最終形成水痕、水槽或空腔缺陷。本項(xiàng)目預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)單束為54根鋼絞線，相比以往成熟預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)的19根增加近2倍，因此，由鋼絞線引起的泌水也被相應(yīng)放大。

3)線形起伏多、高差大，缺陷易聚集 相比于以往核電項(xiàng)目，本項(xiàng)目安全殼貫穿件數(shù)量增加，相應(yīng)水平預(yù)應(yīng)力鋼束線形具有更多高低起伏。灌漿后，孔道內(nèi)的氣泡、泌水因相對(duì)密度較小，通常會(huì)向起伏區(qū)域聚集，形成較大缺陷。

綜合分析，灌漿密實(shí)度的可能影響因素為灌漿速度及灌漿方法不合適，導(dǎo)致氣體無(wú)法排出、漿體初凝時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而造成泌水過(guò)多。

4 灌漿密實(shí)度影響因素分析

4.1 灌漿速度

水泥漿體具有一定的黏聚性，灌漿過(guò)程中，若灌漿速度低于漿體自流速度，使?jié){體在下降段易出現(xiàn)先流現(xiàn)象[6](先流現(xiàn)象是指漿體在下降段先流至最低點(diǎn)，然后反向上升)，導(dǎo)致氣體不能被全部排出，如圖3所示。若灌漿速度較快，漿體在管道內(nèi)的流動(dòng)充盈度接近1，灌漿過(guò)程中可很好地將氣體排出，如圖4所示。

圖3 流速較小時(shí)漿體流動(dòng)情況

圖4 流速較大時(shí)漿體流動(dòng)情況

按此理論假設(shè)，通過(guò)對(duì)水平管道起伏段在不同灌漿速度下的模擬灌漿試驗(yàn)，探索最佳灌漿速度。試驗(yàn)管道波形布置如圖1所示，主要分為3組。

1)A組采用低速灌漿，速度擋位全程為3擋(約0.1m/s)，出漿取樣合格后關(guān)閉出口閥門(mén)，加壓至5.0bar(1bar=0.1MPa)，關(guān)閉進(jìn)口閥門(mén)。

2)B組采用前30s低速灌漿，速度擋位為3擋，之后調(diào)至5擋，出漿取樣合格后關(guān)閉出口閥門(mén)，加壓至5.0bar，關(guān)閉進(jìn)口閥門(mén)。

3)C組采用前30s低速灌漿，速度擋位為3擋，之后調(diào)至8擋(約0.3m/s)，出漿取樣合格后關(guān)閉出口閥門(mén)，加壓至5.0bar，關(guān)閉進(jìn)口閥門(mén)。

待試驗(yàn)完成后在鋼管頂部開(kāi)長(zhǎng)窗，觀察灌漿密實(shí)情況。

根據(jù)灌漿時(shí)間和鋼管長(zhǎng)度，可計(jì)算漿體平均流速如下：

(1)

式中：V平為漿體平均流速；L為管道長(zhǎng)度(m)；t為灌漿時(shí)間(s)。

在灌漿試驗(yàn)中，根據(jù)記錄的灌漿時(shí)間及管道實(shí)際長(zhǎng)度，計(jì)算出漿體在管道中的平均流速。灌漿時(shí)間及平均流速如表1所示。由于B，C組在上坡段前30s采用低速灌漿，未能反映實(shí)際最大灌漿速度，扣除前30s的時(shí)間及長(zhǎng)度，得到灌漿時(shí)間及最大平均流速如表2所示。

表1 灌漿時(shí)間及平均流速試驗(yàn)結(jié)果

表2 灌漿時(shí)間及最大平均流速試驗(yàn)結(jié)果

待漿體硬化后，將試驗(yàn)管道按規(guī)定位置開(kāi)設(shè)長(zhǎng)窗，以便更好地觀察排氣效果及管道灌漿密實(shí)度。開(kāi)窗后發(fā)現(xiàn)，A組頂部至下降段存在明顯空腔，長(zhǎng)度約為5.01m，最大深度103mm，鋼絞線外露嚴(yán)重，影響預(yù)應(yīng)力管道質(zhì)量。B組空腔長(zhǎng)度約為2.52m，最大深度33mm，個(gè)別鋼絞線外露。C組空腔長(zhǎng)度約為1.71m，最大深度24mm，無(wú)鋼絞線外露。

通過(guò)分析，A，B，C組管道出現(xiàn)較大空腔現(xiàn)象主要影響因素為：①灌漿過(guò)程中，由于漿體灌漿速度小于自流速度，漿體在管道下降段出現(xiàn)了先流現(xiàn)象，反向上升過(guò)程中在最高點(diǎn)與最低點(diǎn)形成封閉氣體；②根據(jù)3組試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析可知，灌漿速度越小，先流現(xiàn)象越明顯，形成空腔越大；③由于管道內(nèi)徑較大，穿入54束鋼絞線的凈空面積約為12 000mm2， C組試驗(yàn)漿體速度已達(dá)0.315m/s，換算成流量約為3.75L/s，此時(shí)灌漿流量已接近現(xiàn)有灌漿設(shè)備最大泵送流量，但仍無(wú)法克服先流現(xiàn)象。對(duì)于凈截面積較大的孔道，提高泵送速度可在一定程度上改善灌漿密實(shí)度，但在克服先流現(xiàn)象前，始終無(wú)法完全填充孔道。

4.2 灌漿方法

根據(jù)4.1節(jié)試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)采用一定灌漿速度進(jìn)行水平鋼束起伏段灌漿時(shí)，可將孔道先流現(xiàn)象產(chǎn)生的封閉氣體減小至很少一部分，但靠常規(guī)灌漿方法無(wú)法排出管道內(nèi)封閉氣體。如在灌漿前將管道中氣體抽出，使管道處于或接近真空狀態(tài)時(shí)，可抵消這部分封閉氣體。按照此假設(shè)，參照文獻(xiàn)[7]中的真空灌漿工藝，灌漿過(guò)程中保證管道中真空度達(dá)-0.8～-1.0bar，采用真空輔助方式進(jìn)行灌漿，改善灌漿狀況。

試驗(yàn)管道參照?qǐng)D1所示波形布置，采用內(nèi)徑100mm透明波紋管道。試驗(yàn)主要分為2組。

1)a組速度擋位為7擋，正常灌漿至出漿，取樣合格后關(guān)閉出口閥門(mén)，同時(shí)關(guān)閉進(jìn)口閥門(mén)。

因此系統(tǒng)(9)—(10)是Lyapunov穩(wěn)定的當(dāng)且僅當(dāng)z是系統(tǒng)(9)的平衡點(diǎn)。因?yàn)閂(z)的任一水平集有界,所以L={Rm+n+p|V(z)≤V(z(t0))}有界。t≥t0, z(t)L有界,故τ=+∞，且存在收斂子序列z(tk), t0 <… <…,使得為系統(tǒng)(9)的平衡點(diǎn)。定義不難驗(yàn)證沿系統(tǒng)(9)單調(diào)遞減,且因此,?ε>0,存在q>0,當(dāng)t≥tq時(shí),

2)b組出口連接真空泵，真空度達(dá)80%后開(kāi)始灌漿，并持續(xù)抽真空，速度擋位為7擋，出漿后關(guān)停真空泵，取樣合格后關(guān)閉出口閥門(mén)，同時(shí)關(guān)閉進(jìn)口閥門(mén)。

試驗(yàn)采用透明管道，可觀察到漿體在管道內(nèi)的流動(dòng)，2組管道均能看到先流現(xiàn)象。a組管道封閉氣體緩慢在下坡段形成，隨著灌漿結(jié)束，緩慢移動(dòng)至管道頂部，無(wú)法消失；b組管道封閉氣體也在下坡段形成，而后慢慢減小，形成個(gè)別小氣泡，氣泡深度<15mm，長(zhǎng)度>30mm。灌漿情況如圖5所示。

圖5 透明管道灌漿情況

由此可知，采用真空輔助灌漿配合高速灌漿可明顯改善漿體先流現(xiàn)象形成的管道空腔，由于無(wú)法達(dá)到100%真空度，殘留氣體仍會(huì)留下小氣泡，但氣泡可通過(guò)加壓進(jìn)一步縮小。

4.3 初凝時(shí)間

經(jīng)分析得出，由于鋼絞線的毛細(xì)作用，漿體泌水沿鋼絞線縫隙上升至管道頂部匯集，初凝時(shí)間越長(zhǎng)，毛細(xì)作用時(shí)間越長(zhǎng)，形成的泌水相應(yīng)增多。漿體初凝時(shí)間取決于緩凝劑摻量。擬選取最優(yōu)緩凝劑摻量，改善漿體初凝時(shí)間，減少漿體泌水率的影響，從而提高灌漿密實(shí)度。

4.3.1泌水率測(cè)試

現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外存在多種泌水率測(cè)定方法，對(duì)于同一種漿體，不同測(cè)定方法得出的結(jié)論相差很大。NB/T 20325.2—2014《壓水堆核電廠安全殼預(yù)應(yīng)力技術(shù)規(guī)程 第2部分：試驗(yàn)》[3]建議，水泥漿泌水率可采用內(nèi)徑27mm玻璃試管盛體積約100cm3的水泥漿進(jìn)行測(cè)定。但按此標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定的水泥漿泌水率接近0，與摸底試驗(yàn)情況差異較大?，F(xiàn)場(chǎng)使用透明管道內(nèi)穿鋼絞線并灌漿，然后測(cè)量泌水率的方法能更真實(shí)地反映漿體在管道內(nèi)的泌水特性。

試驗(yàn)使用高1 200mm、內(nèi)徑100mm透明塑料管道，內(nèi)穿21束長(zhǎng)度1 000mm鋼絞線。

漿體配合比采用基準(zhǔn)配合比，只調(diào)整緩凝劑摻量，基準(zhǔn)緩凝劑摻量為15份。試驗(yàn)設(shè)置5組不同緩凝劑摻量，分別為11，12，13，14，15份，按相同攪拌工藝制備緩凝漿，將制備好的緩凝漿倒入透明塑料管道至管口150mm處，管道豎直放置；另外制作1組水平放置的15份緩凝劑摻量試驗(yàn)管道作為對(duì)比。待泌水停止后，用海綿或抹布將管中水分吸干，使用量杯向管道中加水至漿體初始位置，記錄加入水量。

試驗(yàn)共進(jìn)行2次，泌水記錄如表3所示。

表3 不同緩凝劑摻量泌水試驗(yàn)結(jié)果

為進(jìn)一步掌握不同緩凝劑摻量漿體流動(dòng)度隨時(shí)間的變化及漿體初凝時(shí)間，測(cè)定其中1次試驗(yàn)的漿體流變情況，測(cè)定結(jié)果如表4所示。

表4 不同緩凝劑摻量漿體流變情況

根據(jù)表3所示泌水率試驗(yàn)結(jié)果取平均數(shù)和表5所示初凝時(shí)間試驗(yàn)結(jié)果繪制緩凝劑摻量與泌水率、初凝時(shí)間關(guān)系折線，如圖6所示。

圖6 不同緩凝劑摻量與泌水率、初凝時(shí)間關(guān)系

分析可知：

1)緩凝劑摻量與泌水率大致呈正相關(guān)，隨著緩凝劑摻量減小，泌水率逐漸減小。

2)初凝時(shí)間與緩凝劑摻量大致呈正相關(guān)，即緩凝劑摻量越大，漿體初凝時(shí)間越長(zhǎng)。

3)管道水平放置與豎向放置泌水差異明顯。水平放置管道漿體泌水很少，產(chǎn)生的泌水能被漿體吸收，預(yù)應(yīng)力管道泌水空腔主要由起弧段漿體引起。

5 灌漿密實(shí)度影響因素改進(jìn)措施驗(yàn)證

選擇緩凝劑摻量為12份的緩凝漿重新進(jìn)行灌漿試驗(yàn)，試驗(yàn)參數(shù)如下。

1)灌漿速度 灌漿泵速度擋位為7擋，綜合灌漿速度為0.167～0.267m/s。

2)灌漿工藝 采用真空輔助灌漿，起始真空度≥ -0.8bar，灌漿過(guò)程中持續(xù)抽真空，出口流動(dòng)度合格后保壓5～10bar，持壓1min，壓降<1bar。

待灌漿完成3d后，管道開(kāi)窗結(jié)果顯示，管道頂部表面除有少量泌水析出物外，整體飽滿、密實(shí)，無(wú)較大空腔、氣泡。

6 結(jié)語(yǔ)

進(jìn)行核電站安全殼預(yù)應(yīng)力水平鋼束管道小起伏段灌漿時(shí)，影響灌漿密實(shí)度的因素為灌漿速度及灌漿方法不合適，導(dǎo)致氣體無(wú)法排出、漿體初凝時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而產(chǎn)生泌水過(guò)多。

1)通過(guò)灌漿速度試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在非真空情況下，對(duì)于大直徑預(yù)應(yīng)力管道，適當(dāng)提高灌漿速度可明顯減小漿體先流現(xiàn)象形成的氣體空腔，但由于現(xiàn)有灌漿設(shè)備灌漿流量的影響，無(wú)法消除這種現(xiàn)象。

2)通過(guò)真空輔助灌漿試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用真空輔助灌漿工藝，并且保證管道真空度>-0.8bar，可明顯縮小氣體空腔，使其滿足規(guī)范要求。

3)通過(guò)漿體泌水試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，緩凝漿初凝時(shí)間對(duì)漿體泌水有著重要影響。泌水率隨著摻量減少而降低，適當(dāng)?shù)木從凉{初凝時(shí)間可明顯改善由于漿體泌水產(chǎn)生的空腔。