预应力真空辅助孔道压浆技术

日期：2007.12.10

                         作者：   唐艄舟

目录

1.前言~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~1

2.工程概况~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~3

3.预应力筋成孔管材~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~3

4.水泥浆的配合比设计和实验~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~4

4.1配制的基本原则~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~4

4.2浆体特性要求及对应配比试验~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~4

5.工艺原理及流程~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~6

5.1真空辅助压浆原理~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~6

5.2真空辅助压浆配套设备~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~7

5.3真空辅助压浆工艺流程`~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~7

5.3.1真空辅助压浆的工艺程序`~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~7

5.3.2工序施工步骤`~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~`8

6.真空辅助压浆的控制要点`~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~10

7结论`~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~12

参考文献~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~14

摘要：真空灌浆是后张预应力混凝土结构施工中的一项新技术，目前在欧洲应用较普遍，近几年在我国的桥梁施工中的应用日渐增度多。真空辅助压浆可以弥补普通压浆的缺点，更有效地保证并提高了后张预应力混凝土构件的安全性及耐久性。确保工程质量浆体的材料、配比及灌浆施工工艺是真空灌浆的关键，本文着重介绍了浆体配比的设计、试验以及灌浆施工工艺及有关应用试验。试验证明，采用真空灌浆工艺是提高后张预应力混凝土结构安全度和耐久性的有效措施。

关键词：预应力混凝土，真空辅助压浆，配合比，试验，施工工艺， 应用研究

1.前言

在后张有粘结预应力混凝土结构中，预应力筋和混凝土之间的共同工作以及预应力筋的防腐蚀是通过在预埋孔道中灌满水泥浆来实现的。众所周知，传统的做法是采用压浆法来灌浆，即在0.5—1.0MPa的压力下，将一定水灰比的水泥浆压入孔道。在这种传统的压浆工艺中，浆体本身和施工工艺带有一定的局限性，主要表现为：灌入的浆体中常会含有气泡，当混合料硬化后，存集气泡会变为孔隙，成为自由水的聚集地。这些水可能含有有害成分，易造成预应力及构件的腐蚀。在北方严寒的地区，由于温度低，这些水会结成冰，可能会胀裂管道、形成裂缝，造成严重的后果。另外，水泥浆容易离析、析水、干硬后收缩，析水后会产生孔隙，致使浆体强度不够，粘接不好，降低了结构的耐久性、安全性，为工程留下了完全隐患。而预应力筋的腐蚀大部分是由于施工和混合料配制不好的结果，配合比是影响混凝土内在质量的一个主要因素，配合比是否合理，直接影响到灰浆强度和灌注密实度是否达到预定的设计要求。国内外灌浆的工程实践和经验教训，使人们一直忧虑传统压浆的效果问题。采用压力灌浆的英国Ynys-Gwas大桥就因为预应力筋被腐蚀而倒塌，事后的调查研究表明，该桥预应力筋的腐蚀与浆体材料、施工方法有较大的关系。目前，预应力混凝土结构中有平直束、弯束、U形束的布筋方法，为了防止预应力筋被腐蚀，提高结构的安全度和耐久性，确保工程质量，采用塑料波纹管成孔辅以真空辅助压浆的方法是后张预应力混凝土结构施工中的一项新兴技术，已逐渐在大型桥梁施工中得到了推广应用。为了推广应用这一新技术、新工艺，现将我项目对该工艺的有关研究、试验情况以及在青银高速济南黄河大桥南侧跨大堤桥及引桥施工中的成功应用，介绍如下。

2.工程概况

   青银高速公路济南黄河大桥位于山东省济南市北部，是国道主干线青岛～银川公路（也是济南绕城高速公路北线）跨越黄河的一座特大桥，同时也是京沪高速公路复线（山东段）的关键工程之一。

   本A标段大桥的起点桩号K11+624.48，终点桩号K13+208，桥梁全长1583.52米，包括南侧堤外引桥（9×30＋8×30＋8×30＋6×45＋6×45m）、南侧跨大堤桥（75＋140＋75m），40号共用墩计入本合同。桥梁中心线位于R=5500米的平曲线上，α右=24°37′36.2″。

   主桥纵向布置预应力钢束，采用φ15.24钢绞线，分为底板束、顶板束和腹板束，分别锚固在箱梁底板（顶部）和顶板的底部（顶部）端横梁内布置φ15.24钢绞线，其中跨大堤桥采用纵、横、竖三向竖预应力束。

   根据设计要求，全桥采用一端单向预应力张拉，预应力管道采用塑料波纹管成孔辅以真空辅助压浆的新材料和新工艺。[1]

3.预应力筋成孔管材

预应力混凝土构件中有采用直束、弯曲和U形束、圆形束等布筋方式，金属波纹管在预应力筋管成孔方面将不能满足小半径的弯曲及U形束、圆形束的布筋要求，故采用新型成孔材料--塑料波纹管。与金属波纹管相比，具有更好的密封住和耐腐蚀性，能为预应力筋提供更好的保护作用，其技术要求见表1。[2]

4.水泥浆的配合比设计和实验

4.1配制的基本原则

（1）改善灰浆的性质，降低水灰比，降低孔隙率、泌水率，消除离析现象。 

（2）减少和补偿灰浆在凝结硬化过程中的收缩变形，防止裂缝的产生。 

这种高性能灰浆与普通灰浆相比，在原材料的配比方面主要差异为低水灰比和多成分，其目的是为了增加灰浆的密实度，改善灰浆性能，从而达到高强度和耐久性能高的目的。

4.2浆体特性要求及对应配比试验

（1）流动性要求：搅拌后的流动度为14～18s。采用流锥仪测定流动度，试验表明，配比和水灰比不同，流动度也不同。水灰比越大，则流动度越大。试验结果见表2

表2                            水泥净浆配合比试验记录

（3）泌水性：a．小于水泥浆初始体积的2％；b.三次连续测试结果的差值小于1％；c．拌和后24h水泥浆的泌水应能被吸收。

将搅拌好的灰浆装人玻璃量筒内，稍加振动后，加盖玻璃板，防止水分蒸发。在室温下静置地后测定其泌水性。试验结果如下：水灰比为0.4时，泌水率约为1.7％；水灰比为0.33时，泌水性约为0.60％。水灰比0.4即达到设计要求。

(4)初凝时间：2h55min。

(5)体积变化率：0～2％。

将搅拌好的水泥浆装人玻璃量杯内，在室温下静置3h后测定其体积变化率。试验结果如下：水灰比＜0.33时，体积变化率＜1％，水灰比＞0.4时，体积变化率＞3％。以上体积均呈收缩性。

（6）体积膨胀率经过试验掺量为4.3％体积膨胀率为1.2％小于设计规范。

(7)强度：7天龄期强度＞40MPa。

水泥浆试块采用7.07cm×7.07cm×7.07cm的钢模型，在常温下24h后拆模，进行试验室养护。试验结果表明：水灰比越小，强度越高，选用42.5号普硅水泥，7d强度最大达到45.0MPa以上28d强度达到66.9MPa以上。因此，选用42.5号普硅水泥即可达到要求。根据以上试验结果选出两组效果最好配比，进行现场灌浆试验。最后锯开试块检查，选择最优的结果用于真空灌浆。[3] 

（8）浆体对钢绞线无腐蚀作用。

5.工艺原理及流程

5.1真空辅助压浆原理

   压浆前，先用真空泵抽吸预应力孔道中的空气，使孔道中的真空度达到负压0.06～0.09MPa，然后在孔道另一端用压浆泵以0.5～1.0MPa的压力将搅拌好的水泥浆体压入预应力孔道。由于孔道内只有少量空气，浆体很难形成气泡；同时，由于孔道内和压浆泵之间的正负压力差，不仅是“压”而且是增加了“吸”的功能大大提高孔道内浆体的饱满性和密实度。在封闭的孔道中，如果我们把浆液视为一流动的液柱的话，进浆端的正压力将液柱源源不断的压入管道，一方面给液柱施加了一个强大的推力，另一方面，出浆口端的真空泵给液柱施加了一个拉力，由这一真空作用形成的推、拉力弥补了传统压浆的不足它的好处是：

（1）由于孔道内空气的稀薄，液柱在相对于空气中的表面张力及表面能减小，使浆液更容易填充预应力筋的间隙并带走残存在预应力筋间隙的水分，不易形成气泡（气泡较多也可影响过浆面积）。

（2）拉力形成液柱的导向，减少了液柱在孔道内的紊流情况，在孔道内行成湍流，也就减小了孔道的阻力。使压浆的饱满性达到最高。

（3）在真空作用下，液柱内的气泡和富余的水分向液柱端部移动，并在后期的传统补压稳压过程中排除。这种效应对于长孔道更为明显。但需要说明的是，对于孔道中的较多留存水分，单靠真空泵的作用，处理效果不明显，必须靠高压风吹干净。

5.2真空辅助压浆配套设备

   压浆设备包括：强制式灰浆搅拌机、压浆泵（挤压式不可用）、计量设备、贮浆桶、过滤器、高压橡胶管、连接头、控制阀。

   真空辅助设备：真空泵、压力表、控制盘、压力瓶、加筋透明输浆管、气密阀。

5.3真空辅助压浆工艺流程

5.3.1真空辅助压浆的工艺程序

如图2所示：[4]

`

                                              否

是 

图2  真空辅助压浆工艺流程图

5.3.2工序施工步骤

1.封锚并检查管道

4

   切除外漏钢绞线（注意外露的钢绞线的长度2cm≤x≤5cm）进行封锚，封锚方式如图3所示：

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2

3

图3    封锚

先用水泥砂浆填封夹片与钢绞线间的小缝隙，再用水泥砂浆将夹片及外露的钢绞线全部包裹，覆盖层厚大于2cm，包裹6至12个小时再进行压浆施工。检查封锚端的密封性并试压清水看管道有否漏水现象如出现则利用玻璃胶或其他密封性材料进行密封保证不漏浆。

2.真空辅助压浆

（1）按真空压浆机说明书进行组装真空灌浆设备，并进行试运转；拌浆：拌浆前先加水空转数分钟，使搅拌机内壁充分湿润，将积水清理干净。先加入定量的水倒搅拌机内，之后边搅拌边倒入水泥，再搅拌3～5分钟，直至均匀。将溶于水的外加剂倒入搅拌机，再搅拌3～5分钟直至均匀，在未灌浆之前要不停的搅拌。

（2）试抽真空如图1所示：关闭灌浆阀4、排浆阀3，打开排气阀1、抽真空阀2，拧开循环水口，开动抽真空泵，观察真空压力表的读数，应能达到负压力0.6-0.092MPa。当孔道内的真空度保持稳定时（真空度越高越好），停泵1min，若压力保持不变即可认为孔道能达到并维持真空。如未能满足此数据则表示波纹管未能完全密封。需在压浆前进行检查及更正工作。

（3）启动压浆机并压出残存在压浆机及喉管内的水分、气泡，并检查所排出的水泥浆的稠度。当满意的水泥浆从喉管排出后，暂停压浆机，将压浆喉管接在锚垫板的引出管上。

（4）压浆：开动真空泵，待压力表的读数稳定后，找开灌浆阀4，启动压浆机压浆。待看到抽真空端的透明胶管内有水泥浆流出时，关闭抽真空阀2及真空泵，打开排浆阀3，继续压浆至浆体连续喷出且稠度与压入相当时，关闭排浆阀并继续压浆加压至0.8MPa左右，持压2分钟，关闭压浆泵及灌浆阀。

持压过程中，从低至高逐一打开埋设于波纹管上的各个峰顶的排气管，排出残余的空气及泌水，保证管道内浆体饱满。

⑺ 清理：每根管道压浆完毕后，将真空泵的出水管折叠，让水从高强透明胶管反流，冲净滤清器及透明胶管。每根管道的进浆阀及排气阀应在压浆后至少45分钟方可拆除，并将压浆口封好，当天压浆完成后，将所有沾有水泥浆的机具及构件冲洗干净。

6.真空辅助压浆的控制要点

（1） 严格控制水泥净浆的质量。灰浆进入灌浆泵之前应通过70目的筛子。尽量降低水灰比，以减小浆体收缩，保证管道饱满，并使浆体硬化后致密，提高浆体强度，严禁采用加水的办法来增加其流动性。

（2）做好管道的密封措施。锚头一定要密封好，最好在密封后24h开始灌浆。如管道密封不好，管道内形成不了真空，就等同于普通压浆，因水泥浆的稠度较大，这又加大了压浆难度，很容易堵管；再有灌满后浆体外流，会造成管道不饱满。

（3）灌浆中途发生故障不能连续一次灌满时，应立即用压力水冲洗干净，处理完毕后再灌浆。

（4）在波纹管各个峰顶埋设排气管是十分必要的。在试抽真空之前，用木塞将其塞紧，在持压过程中，从低到高逐一打开排气管，可排出各管顶可能残余的空气及从浆体泌出的水，保证管道内浆体的饱满。

（5）灌浆工作宜在灰浆流动性没有下降的30～45min时间内进行，孔道一次灌注要连续。中途换管道时间内，继续启动灌浆泵，让浆体循环流动。

（6）压浆完毕后，压浆阀及排气阀必须待浆体基本失去流动后才能拆除（一般在压浆后45∽60分钟），拆除后，开口用木塞塞紧。

7结论

研究试验结果表明，与普通压力灌浆相比，真空灌浆具有以下优点：在灌浆之前，孔道中90％的空气被抽出；可消除混在稀浆中的气泡，减少有害水分的聚积地；真空灌浆工艺能提供连续、快速的施工，能提供均匀、密实的灰浆，灌满率在99％以上，固结的浆体饱满、均匀、密实，达到了真空辅助压浆的效果；对于长度大于30m或弯曲半径小于4m的预应力孔道有较好的推广应用前景；对于弯束、U形束、竖向束的孔道灌浆，则更能体现真空灌浆的优越性。

塑料波纹管成孔辅以真空辅助压浆的施工工艺对施工提出了更为严格的要求，如果在操作上不严格把关，则等同于普通压浆，有时甚至压浆效果还没有普通压浆的效果好。塑料波纹管成孔辅以真空辅助压浆的施工工艺采用的是塑料波纹管，塑料波纹管与混凝土之间的握裹力相对来讲比金属波纹管差很多，如何解决塑料波纹管与混凝土粘结不牢固的缺陷，是我们今后研究的重点。目前我们国家还缺乏真空压浆的行业规范，具体操作多样性，各地之间的工艺不一致，给施工操作带来随意性，对推广真空压浆施工工艺带来困难，建议有关部门应尽快制定这方面的行业规范。

总之，由于真空灌浆施工工艺本身有较高水平的质量控制，加上采用合理配比的混合料，采用真空灌浆技术将能保证孔道灌浆的均匀性，能形成一个密实、不透水的保护层，并能消除孔隙。另外，塑料波纹管是绝缘体，与金属波纹管相比，具有更强的耐腐蚀性，大大改善了构件的防腐蚀性能。因此真空灌浆技术是确保高质量灌浆的一个强有力的手段。

参考文献：

    [1]唐小萍，等. 真空灌浆工艺在预应力混凝土结构中的应用研究[D]. 中国公路学会桥梁和结构工程学会 2000年桥梁学术年会论文集. 北京： 人民交通出版社，2000

    [2]中国工程建设标准化协会标准.《建筑工程预应力施工规程》.CECS 180 ：2005 中国计划出版社

       [3]《公路桥涵施工技术规范》 2000-08-4发布 人民交通出版社

[4]《桥梁预应力真空压施工技术》（论文）梁进钦   张潭  2005-01-03发表