预应力混凝土梁管道自动压浆工艺研究

王乐然

（中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081）

1 预应力混凝土梁管道压浆

预应力混凝土梁管道压浆质量是结构预应力体系长期有效的保障。作为隐蔽工序，其工艺的科学性、合理性以及过程的实时监测和控制对于压浆质量有着直接的影响。20世纪80年代，欧洲出现了真空辅助压浆技术，压浆质量得到了一定程度的改善。美国后张预应力协会（PTI）规范和美国佛罗里达交通局（FDOT）制定的规范，对压浆过程、压浆方法等方面进行了规定，并提到了可以采用真空辅助压浆技术。日本于2005年发行的《预应力混凝土泥浆的设计和施工指南》进一步规范了预应力管道压浆施工。我国压浆技术发展较晚，同样经历了由传统压浆到真空辅助压浆的过程，目前真空辅助压浆技术已成为国内外管道压浆工艺的主流［1］。

1.1 铁路桥梁工程压浆施工工艺

为提高压浆质量，规范压浆施工，我国铁路、公路桥涵设计和施工技术规范在参考欧洲、美国、日本相关规范基础上，起草并颁布实施了一系列标准性技术文件，围绕压浆工艺，对施工流程、关键参数、设备、材料等提出了相关的技术要求［2］。铁路桥梁工程压浆施工工艺要求和参数主要有［3］：

1）工艺流程：加入80%～90%的水→加入压浆剂→高速搅拌→加入水泥→高速搅拌2 min→加入剩余10%～20%的水→高速搅拌2 min→低速储浆→抽真空→压浆→保压3 min。

2）配料称量精度：±1%。

3）制浆要求：低水胶比、高流动度、零泌水率。

4）压浆要求：连续、稳定出浆。

5）高速搅拌转速不小于1 000 r/min，桨叶线速度为10～20 m/s。

6）抽真空压力-0.060～-0.080 MPa。

7）保压压力0.50～0.60 MPa，保压时间180 s。

1.2 既有自动压浆工艺的不足

桥梁预应力管道压浆施工目前主要采用人工操作设备、人工监控施工过程、人工记录数据并判定压浆状态，普遍存在施工效果受人为主观因素影响大，质量可追溯性差，压浆质量不稳定等问题。近年来，随着国内大规模的铁路、公路建设，对工程质量标准和工程管理水平的要求也不断提高，自动化施工、信息化管理成为传统土木工程领域新的发展方向。在此背景下，能够改善压浆质量、提高压浆效率的新技术、新设备也日臻成熟、完善。既有工艺在自动压浆施工的过程中，也逐渐显露出其不足和局限性，主要表现在以下方面：

1）在制浆桶高速搅拌过程中，上料准确度受搅拌振动影响较大。

2）现行真空辅助压浆工艺的抽真空过程从压浆前持续至出浆端出浆，使得出浆端排气放浆非常充分，而进浆端排气不足，进浆口附近压浆不密实。

3）压浆速度对压浆过程中的排气效果有直接影响，现行压浆工艺对压浆速度尚无规定。

4）目前尚无成熟可行的方法和依据对压浆质量进行检测和评估。

自动化压浆技术在以下4个方面的发展为解决上述问题提供了方法。

2 精确称量配料

为保证浆体质量，浆体配置应称量准确并充分混合均匀。目前的压浆施工已基本实现自动配料制浆，过程符合现行工艺标准。但是现场操作发现，制浆桶高速搅拌会产生明显的振动，影响称量的准确性。对目前常用制浆设备的上料称量准确度试验发现：①高速桶配置的称量系统在静态称量条件下，数值显示稳定，在10～400 kg 称量范围内，基本能满足称量误差≤1%的要求。②在高速制浆桶搅拌桨电机转速1 000～1 440 r/min的动态称量条件下，受电机振动影响，示值波动明显，最大称量误差约为2%～3%。

进一步提高称量系统精度，强化称量系统施工前自校功能等措施，可以改善上料称量的准确性。研究人员在现行标准规定的压浆流程中，增加粉料静态称量过程，粉料投放分为2步，具体步骤如下：

1）加入80%～90%的水，并称重。

2）自动控制上料设备向高速制浆桶内输送压浆剂，同步搅拌。

3）当称量传感器检测到高速制浆桶内压浆剂达到预设重量（约90%）时，自动控制停止上料和搅拌，静态称重后继续高速搅拌，并同步加入剩余压浆剂。

4）自动控制上料设备向高速制浆桶内输送水泥，投料过程与压浆剂一致。

5）停止搅拌，加入剩余的水，再启动搅拌2 min。

研究人员对实际工程中使用此工艺配制的850多盘浆体制浆数据（配比为水泥∶压浆剂∶水=100.0∶11.1∶36.7）分析显示，水泥和水的称量误差合格率分别为100%，98.95%；压浆剂称量实测误差合格率为92.41%，超限误差基本控制在2.5%以内。说明增加静态称量过程，在满足标准工艺和施工效率的前提下，能够提高称量准确性。

3 两端排气放浆

研究发现，在管道基本通畅的条件下，管道压浆密实度与压浆过程中排气的程度有直接关系。排气分为主动排气和被动排气，主动排气即抽真空，被动排气为浆液进入管道驱出管道内气体。主动排气不可能排净管道内空气，其作用在于促进被动排气，管道排气主要依赖于被动排气。

目前真空辅助压浆工艺采用的是一端压浆，另一端抽真空的方式，具体步骤如下：

1）在出浆端对全管道抽真空，达到标准要求的-0.060～-0.080 MPa真空度。

2）在进浆端从进浆口压浆入管道，浆体向管底流动，出浆端持续抽真空排气。

3）管底浆体面持续上升，隔绝管道两端（正弯曲管道），出浆端持续抽真空排气。

4）两端液面持续上升，出浆端抽真空排气，进浆端空气逐渐压缩。

5）出浆端至出浓浆，关闭抽真空并封闭出浆孔。继续压浆至规定压力0.50～0.60 MPa，并保压至少3 min。

按照此工艺操作，管道内浆体填充及梁端排气、放浆全过程5个状态如图1所示。

图1 传统的排气放浆工艺

上述工艺存在以下问题：

1）预制简支梁以正弯曲预应力管道为主，浆体填满管道底部，将管道隔绝为进浆端和出浆端2部分，抽真空作业对于进浆端部分的排气基本是无效的。

2）为确保管道内真空度的要求，管道成孔应完整，管道壁不应有破损或串通，同时密封管道封端。在此条件下，进浆端空气可能无法完全排出，体积逐渐压缩，压力逐渐增大，一方面浆体无法填充饱满，另一方面该局部压力较大，压力泌水的程度更为严重，这两个方面均对压浆密实度有不利影响。

管道两端排气放浆能够解决以上的问题，结合管道端部封锚的结构特点，并发挥自动化施工的实时监测、快速调控的优势，研究设置了以下自动压浆及排气放浆的工艺步骤：

1）对全管道抽真空，达到-0.060～-0.090 MPa真空度。

2）在进浆端从进浆口压浆入管道，浆液向管底流动。

3）管底浆液面持续上升，隔绝管道两端（正向弯曲管道）。

4）两端液面持续上升，出浆端排气放浆至出浓浆、无气泡，关闭出浆端排气阀门。

5）继续压浆，至气压达到设定值，自动调节压浆速度并警示，开启进浆端阀门排气放浆至出浓浆、无气泡，关闭进浆端排气阀门。

6）压浆过程中可根据需要，再次开启抽真空阀门和抽真空泵少量排气放浆。

7）少量补浆至规定压力0.50～0.60 MPa，并保压至少3 min。

此工艺充分考虑了进浆端排气放浆的需要。在管道内较高压力下，通过开启两端排气阀门排气放浆，或再次开启抽真空阀门并启动抽真空泵，经少量的抽浆排气后，排出锚垫板下的空气，可以有效改善管道两端尤其是进浆端压浆不密实的问题（见图2）。研究表明，为保证两端排气放浆的效果，实际操作中可以采用多次开、关排气放浆阀门的方法，以确保排气充分。

图2 采用两端排气放浆工艺的压浆效果

4 压浆速度自动调控

现行压浆工艺标准通过控制保压阶段压浆压力实现慢速补压，但是对于保压前压浆过程中的压浆速度尚无规定。研究认为，压浆速度影响质量，过快的压浆速度会导致浆液填充不充分，同时也给设备造成较大的负担，导致设备故障；压浆速度过慢，会引起浆体沉淀，导致管路、阀门堵塞。为追求施工效率，快速压浆在实际施工中比较普遍，同时增加了管道内排气不充分的风险。

整个压浆过程中，管道内压力状态能够在一定程度上反应出管道是否通畅、压浆速度是否合适等情况。现场实时监测预制简支梁某管道进浆端压力时程曲线如图3所示。

由图3可知：

1）根据压浆进度，压力时程曲线一般可以分为Ⅰ～Ⅳ4个阶段。

2）Ⅰ区为压浆区，该阶段记录了管道从完全空置逐渐填充至接近饱满的过程，系统在此阶段内应根据压力变化随时自动调控压浆速度。在设定压浆速度范围内，此阶段压力为0.10～0.40 MPa，压力呈缓慢上升趋势，说明进浆速度适宜，管道通畅，压浆泵工作状态良好，气体排出有序、充分。

图3 典型的压力时程曲线

3）Ⅱ区为稳压区。该阶段记录了管道即将被填充满时，在较高的压力水平下，压力波动并渐趋稳定的过程，是管道满足放浆排气条件的标志。

4）Ⅲ区为放浆排气区。该阶段记录了在人工放浆排气过程中的压力变化过程，此部分曲线的形状和特征能够反应出现场操作人员放浆排气操作的情况。

5）Ⅳ区为保压区。该阶段记录了放浆排气操作完成后，系统自动保压、补压的过程，曲线呈现出比较规律的波浪形特征，此部分曲线的形状和特征能够反应出保压压力和时间是否充足等情况。

通过对压力时程曲线的分析，针对自动压浆阶段工艺提出以下建议：

1）压浆过程中应根据管道压力情况自动调速。

2）应实时监测并记录压浆过程中的压力时程曲线，以便于问题分析和追溯。

3）对于预制混凝土简支梁，压浆速度范围在20～30 L/min比较适宜。

4）放浆排气为人工操作，应具备自动提示功能，方便人工、自动作业的协同衔接。

5 密实度评估

压浆密实度直接关系到预应力混凝土桥梁的受力特性和使用寿命，由于压浆施工属于隐蔽工序且难以事后检测，一直以来都是工程界的技术难点而备受关注。混凝土结构外观无法识别管道压浆质量，采用管道开刀、钻芯取样等破坏性手段判别压浆质量成本高、实施困难。近年来关于使用地质雷达法、电磁波法、超声波法、X 射线法、弹性波法等无损检测手段检测管道密实度的相关实验室研究取得了一定的进展［4-5］。鉴于现场的复杂性和无损检测技术的局限性，无损检测技术目前尚难以真正应用于实际工程。

考虑到当前技术水平，研究人员提出并实现了一种基于施工过程中压浆量计量的密实度分析方法，即通过实际压浆量与理论压浆量进行对比，分析压浆是否饱满。实际压入管道内的浆体重量可通过称重测得。理论压浆量由管道尺寸、预应力钢绞线数量和规格、螺旋筋尺寸、锚固端结构尺寸决定，同时应考虑不同成孔方式对于管道内空间的影响。对1 200 多个管道压浆量实测数据的分析结果如下：

1）实测压浆量平均有93.99%的数据分布于理论压浆量上、下限范围内；有97.95%的数据超过压浆量下限。

2）实测压浆量平均有78.41%的数据分布于理论压浆量标准值和上限范围内。分析认为这主要是由于管道壁存在因混凝土材料或施工振捣不良而造成的离析、泌水和粗骨料外露等情况，消耗部分浆体充填管壁空隙所致，加之也有部分管道成形所用的橡胶抽拔棒尺寸存在正偏差的影响。

3）各管道中N2a 和N3 左右管道实际压浆量超出压浆量上限的概率较其他部位管道要大（见图4），分别为12.77%，14.89%，6.38%和10.64%。这说明底板最外侧管道和腹板内侧最下层管道位于箱梁倒角部位，钢筋和预埋件较多，混凝土浇筑和管道成孔质量最难控制，出现管道漏浆、串孔的可能性最大。

图4 N2a和N3管道压浆量数据

实践证明，该方法测得的管道实际压浆量与理论计算压浆量基本是吻合的，两者的相互关系可以为评估压浆密实度提供参考；同时，也能一定程度上反映出工程实际状况，促进施工质量改进。

6 结语

研究显示，自动化压浆技术能够改善桥梁管道压浆质量。在既有压浆工艺的基础上，配套自动化压浆工艺应满足以下要求：①细化并精确自动控制制浆配料、称重环节，增加静态称量，提高水泥和压浆剂（或压浆料）的称量精度。②通过压力自动监控，自动提示人机作业的衔接和转换。③压浆速度自动调控，压力实时监测并记录、输出。④压浆量自动计量，提供密实度评估依据。