预应力孔道循环压浆试验与数值分析

房慧明， 钱 波， 罗 辉， 郭昊文， 冯亚丽

(1. 华中科技大学 土木工程与力学学院， 湖北 武汉 430074；2. 中南工程咨询设计集团有限公司， 湖北 武汉 430070)

孔道压浆密实度在一定程度上决定了预应力桥梁的承载能力与耐久性而被广泛关注[1]。Cavell, Waldron[2]对英国的全部后张法预应力孔道灌浆的混凝土桥梁进行了检测，发现孔道存在非常多的缺陷，主要是压浆不密实导致的空洞以及预应力钢筋锈蚀等问题。Rouanet等[3]认为压浆密实度结果取决于压浆工艺是否正确。Hirose等[4]发明了一种全新的压浆工艺，真空压浆法。

孔道压浆具有多种不同的压浆工艺，包括传统压浆工艺、真空辅助压浆工艺、循环压浆工艺等[5～8]。过去的压浆方法中，对孔道内空气及水，采取的是“堵”的方法，无法排出的水和杂质一般堵在孔道内[9, 10]；循环压浆工艺则颠覆了以往的理念，采用的是“疏”的方法，通过浆液在孔道内持续循环的方式排出孔道内所有空气，保证压浆完成后管道里都是水泥浆[11]，循环压浆系统如图1所示。本文主要通过双孔循环压浆试验研究，测试灌浆质量并与数值结果对比分析。

图1 循环压浆系统

1 预应力孔道循环压浆试验

1.1 循环压浆试验孔道及准备工作

本文依托宜昌庙嘴长江大桥西坝岔道梁实际工程案例，根据实际工程中波纹管孔径及双孔注浆方式，利用桥下支撑混凝土墩制作试验孔道，对预应力孔道进行循环压浆试验。试验梁及预应力循环压浆试验孔道现场情况如图2所示。

现浇支撑混凝土梁混凝土强度为C30，此现浇混凝土构件长40 m，宽1.5 m，高0.5 m，在制作该梁时，提前在梁下部平行放置3根塑料波纹管，波纹管为水平直线，三根预应力孔道长度均为40 m，塑料波纹管型号为SBG-100Y，内径为100 mm。为使试验结果更接近工程实际情况，在每根孔道内均放置12根预应力钢筋。

图2 试验梁及预应力循环压浆试验孔道

1.2 循环压浆试验方案及过程

1.2.1 循环压浆试验主要材料及设备

(1)压浆材料

本次试验中选用的预应力孔道压浆剂为湖北某公司开发的CG-100预应力管道高性能压浆料，具有零泌水、微膨胀作用。

(2)智能循环压浆设备

选用的压浆设备为西安璐江桥隧设备有限公司生产的LJ-YJA1智能压浆系统。该设备为可移动式循环压浆机，主要包括三大系统：压浆及动力系统、自动控制操作系统、浆液搅拌系统。

1.2.2 循环压浆试验方案

试验梁共有3根孔道，编号分别为N1，N2，N3，分为两组试验。孔道N1采用单孔压浆方式，孔道N2，N3采用双孔循环压浆方式，两个预应力孔道由一根高压U型连接管连接(图3)。本文主要研究双孔循环压浆。

图3 循环压浆设计方案

1.2.3 循环压浆试验过程

循环压浆试验包括以下几个步骤：

(1)张拉预应力钢筋，将钢筋拉直即可，张拉控制应力设置为0.3σk=418.5 Mpa,σk为张拉控制应力；

(2)采用强度等级为42.5 Mpa的低碱普通硅酸盐水泥将锚固连接部位所有裂缝包裹严实，连接各压浆管道及设备；

(3)在正式压浆试验前，对压浆设备进行检查，并用清水进行管道试压；

(4)在智能压浆系统中设置好材料用量、搅拌时间等参数，严格按照试验室计算的配合比对所有材料精确计量并进料，通过智能压浆设备测试，得出浆体初始流动度为13 s，水胶比为0.28，初始粘度为0.9 Pa·s，初始密度为2040 g/cm3；

(5)压浆机通过电脑智能技术，控制入口压强(0.5 Mpa)、出入口流量、水灰比等参数。当出浆口浆体饱满，流动度与初始流动度相同，且入口流量与出口流量相同时，可认为压浆充盈度达到要求；

(6)清洗压浆设备。

循环压浆现场安装图如图4所示。

图4 循环压浆现场安装

1.3 循环压浆试验结果

双孔循环压浆试验的压浆持续时间由系统自动计时，本次双孔循环压浆试验的持续时间为447 s。

采取冲击回波法[12，13]对试验的两根预应力孔道灌浆密实度进行检测。

每根孔道定位测试结果共分5个测试频谱图，每个测试频谱图的测线长度均为8 m，测点布置在预应力孔道上方，间距10 cm，各孔道按测线从左至右分别编号为：N2-1，N2-2，N2-3，N2-4，N2-5；N3-1，N3-2，N3-3，N3-4，N3-5，部分测试等值线图如图5所示。

由图5可知，N2-1测试等值线图，锚头部位约有10 cm不密实区域，整体灌浆质量良好；N3-1测试等值线图，锚头部位约有10 cm不密实区域，整体灌浆质量良好；其余测试等值线图，整体灌浆质量良好。

图5 部分测线测试等值线

测试结果直观示意如图6和表1所示。

图6及表1表明，双孔循环压浆模型整体压浆质量非常好，压浆时间为447 s，处于规范允许的范围内，压浆密实度达到98%以上。存在一些零星缺陷，主要位于锚头位置。该位置位于截面突变处，属于压浆盲区，气泡不易被水泥浆带走，可在压浆结束后，对锚头位置进行人工补浆。因此，循环压浆利用浆液持续循环的方式，带走孔道中绝大部分的空气，试验验证可实现高质量灌浆。

图6 部分测线测试等值线

测试孔道测线测线长度/m缺陷压浆密实度/%N218锚头部位约0.1m不密实(空洞型)28正常38正常48正常58正常98.54N318锚头部位约0.1m不密实(空洞型)28正常38正常48正常58正常98.61

2 预应力孔道循环压浆数值模拟

2.1 模型的简化及假设

由于在实际中，水泥浆的材料属性及流动过程很复杂，数值模拟时，对于孔道和水泥浆需要进行一定的合理性简化和假设：

(1)假设水泥浆为连续均匀介质且具有稳定性，在模型的参数设置中体现为将水泥浆设置为密度为2.040 g/cm3的由单一物质组成的纯净物，入口水泥浆体积分数设置为100%，空气体积分数设置为0；

(2)将模型简化为二维模型，二维模型取管道过圆心的垂直切面，考虑重力，并将U形管长度拉直，则该模型模拟简化为同一垂直二维面上两根直线连接的预应力孔道。通过调节简化后的连接管粗糙度系数，来考虑U形管局部阻力影响；

(3)不考虑预应力钢筋对水泥浆流动的影响；

(4)假设在流动过程中，忽略流体压强对波纹管的挤压，即不考虑波纹管的变形，波纹管为刚性；

(5)实际工程中，往管道注浆的软管一般是弯曲的，因此注入管道内的水泥浆一般有一定的倾角。数值分析过程中，在管道入口处设置了一段0.5 m长的入口导管，将水泥浆的流速矫正成垂直于管道入口面，因此可假设水泥浆在入口处只有垂直于进口方向的速度；

(6)每根管道压浆过程持续时间不长，且温度对压浆的影响非常微小，因此压浆过程中温度恒定。

2.2 循环压浆数值模型的建立

2.2.1 几何模型的建立

通过AutoCAD建立几何模型(图7)。试验模拟为同一垂直二维面上两根直线连接的预应力孔道，每根预应力孔道的长度均为40 m，波纹管管径为100 mm，波纹管左右两侧均设置一根连接导管，出口导管与入口导管长度均为0.5 m，管径为30 mm；两根预应力孔道间有一根长度为1 m的连接管。

图7 双孔注浆二维几何模型/mm

2.2.2 网格划分

将几何模型导入到ANSYS ICEM,进行网格划分。最大单元尺寸为12 mm，网格类型为四边形网格(图8)。

2.2.3 模型参数设置

通过Ansys Fluent 16.0进行孔道灌浆的数值

图8 部分区域网格划分

计算，导入ICEM划分好的网格并进行网格质量检查，确保没有负体积以后就进行模型各项参数设置。

(1)水泥浆密度

模型中水泥浆的密度参数输入为现场测得数据2.040 g/cm3。

(2)重度

重力加速度g为9.8 m/s2。

(3)水泥浆粘度

现场测得水泥浆的粘度为0.9 Pa·s。

(4)压缩性

水泥浆的固液分子平均间距均比较小，不容易被压缩，工程中通常将其忽略不计，在数值模型设置中将其假设为不可压缩流体。

(5)液气表面张力

水泥浆是一种固液混合物，水泥浆与空气的表面张力即为水与空气的表面张力，将此参数输入为25 ℃时水的表面张力0.072 N/m。

(6)雷诺数Re与流态

本模型中的管道直径非常小，流动轨迹相对简单，在温度为25 ℃情况下，压浆料的密度ρ为2.040 g/cm3，孔道中压浆液的最大流速v为5 m/s，粘度μ为0.9 pa· s，孔道管径d为100 mm。雷诺数Re=ρvd/μ=1133.3﹤2300，流动状态属于层流。

(7)管壁粗糙高度

波纹管管壁粗糙高度设置为5 mm。

(8)边界条件

入口边界条件设置为压力入口条件，由于试验段长度管道长度比较短，双孔注浆模型入口压强均设置为0.5 Mpa；出口边界条件设定为压力出口条件，由于水泥浆流出后直接排到与大气相连的搅拌桶中，所以出口压强为0；水泥浆进入管道时不含气泡，流出管道时为固液混合物，所以在进口处，空气体积分数为0，流体体积分数为1，出口处为混合相。

(9)相设置

第一相为空气，第二相为水泥浆。

(10)边界滑移条件

因为管壁拥有相当程度的粗糙度，所以流体在壁面的相对速度为0，取水泥浆速度对管壁为无滑移边界条件。

(11)多相流模型

本次计算参数选择VOF多相流模型，VOF采用一阶迎风离散。

(12)方程求解算法

方程的计算采取瞬态计算方法，因此使用PISO算法。

(13)初始条件

本次仿真需要模拟流体充满孔道的全过程，因此，初始条件设置为整个计算域内初始空气体积分数为1，初始压强为0，初始速度为0。

(14)时间步长

将时间步长设置为0.001 s，并设定每20个步长保存一次数据。

2.3 循环压浆数值计算结果分析

分别截取了压浆期间各特征时间点在孔道出入口等位置的体积云图、速度云图及压强云图，以分析水泥浆在预应力孔道内的流动情况，如图9～13所示。

图9体积云图中，Fluent以单元为基本单位，计算每个单元内空气的体积分数。当单元内空气体积分数为0时，即单元内流体均为水泥浆时，显示为蓝色；当单元内空气体积分数为1时，即单元内均为空气时，显示为红色；当单元内空气体积分数界于0与1之间时，则显示图左侧所示的其它颜色。

流动时间为5.67 s时，流体已由入口导管进入孔道内，流动比较平稳，水泥浆与空气交界面可能有少量微小气泡，由于气泡尺寸过小，部分网格尺寸大于气泡尺寸，所以无法形成比较清晰的两相界面。

由速度云图可以看出，水泥浆在孔道下部的流入，带动了孔道上部空气的流动。由静压云图可以看出流动时间为5.67 s时，入口处水泥浆的静压为0.5 Mpa，水泥浆进入孔道以后便接触到外部大气压，其静压为0。而总压为静压与水泥浆的动能之和，与速度有关。

流动时间为5.67 s时，孔道中的水泥浆已流至8 m处，由于水泥浆粘性、管道的阻力及液气表面张力存在的原因，水泥浆不同位置的液面高度并不相同，不同位置流体速度也不同，流体端部水泥浆流动速度为0。

速度云图中显示的是整个管道内混合相的流速，可以看出空气被水泥浆带动以一定的速度往出口流动，整个管道横向截面上，由于管壁粗糙的原因，靠近管壁处混合相速度为0，管道中部速度最大。8 m位置处，流体直接接触空气，流体静压为0，存在一定的动压强。

图9 5.67 s入口处云图

图10 5.67 s时8 m处云图

图11 48.01 s时入口处云图

图12 48.01 s时20 m处云图

流动时间为48.01 s时，由于入口处水泥浆压入的速度比较快，在管道左上角与导管交界面附近形成一个盲区，该位置的空气不容易被水泥浆带走，形成两个约400 mm左右大小的气泡，随着流动时间的增加，该位置气泡会逐渐被水泥浆带走一部分，但无法完全被带走。

随着流动时间的增加，管道内相当多的区域已经被水泥浆所充满，水泥浆在入口处的流动中心由底部逐渐上升，在速度云图及总压云图中显示为代表流速最快的黄色区域的升高。入口处虽然有两个大气泡，但是为封闭气泡，不与外界大气相连，因此此位置无论水泥浆还是该处气泡压强都比较大。

流动时间为48.01 s时，此时水泥浆刚刚流动至第1根管道的出口导管处。由体积云图可以看出，20 m处孔道内大部分已被水泥浆所充满，但仍存在部分条状气泡分布在孔道上壁，随着流动的继续，孔道内的气泡将逐渐被排出。

图13 425.77 s时各位置体积云图

由图13可以看出，孔道在截面突变处，特别是小截面突变为大截面时，该位置会出现一个压浆盲区，该盲区均有一个约10 mm的气泡，如图13a，13b所示。图13c，13d中可以看出60 m处及出口位置的管壁附着有少量气泡。一般在实际工程中，出口位置不出现连续气泡就可认为压浆结束。压浆密实度已达到98%以上，符合规范要求，且少量的管壁处气泡远离预应力钢筋，对桥梁的安全几乎没有影响，继续进行循环压浆会浪费能源和材料。

通过数值仿真，双孔循环压浆模型压浆425.77 s后可认为压浆完成，压浆密实度为98.15%。现场试验双孔循环压浆试验的压浆持续时间为447 s，数值结果与试验结果相差4.75%；现场试验双孔循环压浆试验的压浆密实度为98.54%，数值模拟的压浆密实度结果为98.15%，数值结果与试验结果基本一致，说明数值模拟较可靠。

3 结 论

通过对预应力孔道循环压浆试验研究和数值分析，得到如下结论：

(1) 理论分析和试验均表明，循环压浆工艺利用浆液持续循环的方式带走孔道中绝大部分空气，达到较高压浆质量；

(2)数值模拟重现了循环压浆过程中水泥浆的流动情景。发现压浆完成以后，仍有少量气泡分布在波纹管管壁及截面突变处，试验结果也验证了在入口处及界面突变处较容易出现压浆缺陷。建议实际施工时采用人工二次补浆方法消除这些缺陷。

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