桥梁预应力管道真空辅助压浆工艺研究

杨要军

摘要：预应力钢筋砼桥梁中，预应力束的耐久性极大程度上取决于张拉后管道压浆施工的质量，近年来，真空辅助压浆工艺在桥梁预应力施工中得到了广泛普及，本文结合本人在河南许禹高速公路项目桥梁工程施工实践，阐述了真空辅助压浆工艺的原理及应用方法，可为普遍推广施工提供指导。关键词：预应力管道；管道；真空辅助压浆；施工工艺
1引言
众所周知，在后张法预应力砼结构中，管道压浆的主要目的是为了防止预应力筋的腐蚀，为预应力筋与结构砼之间提供有效的粘结，因此，管道内浆体的密实性是管道压浆成功与否的关键。预应力管道压浆工艺常用的做法是在砼内预埋金属波纹管，预应力钢束张拉完成后，用压浆设备由低往高压入水灰比为0.4～0.5的纯水泥浆。常规做法在工艺上普遍存在着局限，诸如浆体不密实、无法确保管道饱满，容易产生离析、干硬收缩形成空隙，导致预应力筋锈蚀，对桥梁结构的安全和耐久性具有较大影响。
真空辅助压浆是后张预应力混凝土结构施工中的一项新枝术，近几年在桥梁施工中的应用逐渐增多。真空辅助压浆可以弥补普通压力压浆的一些缺点，而且能够很好的提高后张预应力混凝土构件的安全性和耐久性，保证工程的质量。真空辅助压浆首先是用真空泵抽出孔道内的空气，要求孔内形成约0.1MPa 的负压，这要求封锚必须严密。真空辅助压浆是边抽真空边压浆，孔道内始终保持约0.1MPa 的负压，既利于排出浆体内混合的掺气，利于浆体致密，又相当于给浆体施加了个拉力，这样可以大大降低压浆机的负荷，减小压浆的水灰比，提高浆体的密实性和强度，减少浆体的收缩。本文拟通过工程的具体实践，总结施工过程的经验。
2真空辅助压浆工艺原理和要点
真空辅助压浆的工艺通常适用于后张法预应力体系采用塑料波纹管的情况下，其原理是在传统压浆基础上将孔道系统密封，一端用抽真空机将孔道系统内的70%～90%左右空气抽出，并保持真空在70%以上，同时从压浆端压入水泥浆，当水泥浆从抽真空端流出且稠度与压浆端基本相同时，再经过两端排气（排水及微沫浆），利用预应力管道内空气的负压，以使管道内的预应力筋保护水泥能更饱满更密实地填满整个预应力管道，从而达到根除或减少预应力筋在使用过程中的腐蚀。
2.1  基本技术要求
①真空度：   孔道整个系统基本密封后通过真空泵抽出空气，当70%以上空气被抽出时，真空表显示压力为-0.07Mpa以下，此真空度是真空辅助压浆的最低要求。    ②真空率：    抽真空机抽出空气的效率，一般按每小时抽出空气的m3数计算，真空辅助压浆要求抽真空率≥40m3／h。    ③保压：    当孔道压浆经过排水、空气及微泡沫，两端排气等工序后还需在压浆压力下（≥0.5Mpa）保持压力≥2min后关闭压浆管阀及关停压浆泵。    ④浆体指标：
水灰比：0.29～0.35，一般控制在0.33左右;
浆体泌水率：搅拌成的水泥浆三小时后泌水率在2%以内，泌出的水24小时内应被浆体完全吸收;
温度：搅拌及压浆时浆体温度应小于35℃;
稠度：13～18S，在45min内，浆体的稠度变化不应大于2S;
缓凝时间：初凝时间不小于3h，终凝时间不大于17h;
膨胀率：不小于5％;
密度：不小于2g/ m3;
抗压强度：根据设计要求，28d强度不小于40Mpa。
2.2  真空辅助压浆设备
①水环式真空泵1台，配有真空压力表（量程-0.1-0.6Mpa）1个，空气过滤器QSL—20型1个。
②灌浆泵1台，配套高压橡胶管。
③灰浆搅拌机1台。
④精确秤量用的计量设备，能供给压浆操作的所有材料。
⑤水桶、贮浆桶。
⑥连接头、控制阀门等小型机具。
2.3  施工准备
①孔道：检查压浆孔、排气孔是否畅通，若是堵塞，则必须疏通。确认畅通后，在锚索张拉完成后，根据施工规范要求，切掉预应力筋多余部分，压入水泥浆对孔道端部进行密封，保证密实。压浆孔、排气孔（抽真空管）由镀锌水管引出，引出端带螺纹。压浆管设置在预留孔道下部，排气管设置在预留孔道上部。为操作方便将所有压浆孔排在同一端。
②确认材料种类、品质、数量是否已验收，并将外加剂按每包水泥量（50Kg）的整数倍计量、准备。
③检查供水、供电是否齐全，并于压浆前将所有的用电设备接好线。
④检查灌浆泵部件是否有损害、松动。
⑤检查灌浆泵输送管和吸浆管是否存有干灰、球阀是否堵塞，否则要拆下来清洗干净。
⑥检查真空泵是否正常工作。
⑦检查搅拌机是否工作正常，是否漏水，搅拌是否均匀，搅拌后的浆体能否达到要求。
⑧按施工示意图所示连接各部件。
              
真空辅助压浆施工示意图
2.4  预应力管道
真空辅助压浆工艺施工的预应力孔道成孔技术采用的是预埋高密度聚乙烯塑料波纹管成孔。跟传统的金属波纹管相比,塑料波纹管是由高密度聚乙烯塑料制成的,它比传统的金属波纹管摩阻系数要小。塑料波纹管不漏气、不漏水,有很好的密封性，接头可以用密封接头和塑料焊接机焊接,对于保护钢绞线束非常有利；配合真空辅助压浆工艺将对结构的质量也有很大好处；极佳的耐腐蚀性在结构使用过程中,是预应力筋防腐蚀的一道坚实防线；在施工过程中,不必担心长时间存放会引起生锈等腐蚀损坏；金属波纹管不能踩压,易变形,易于被振捣棒凿破，而高密度聚乙烯塑料波纹管则有很好的刚度，在施工现场不用担心意外的踩压的影响,在混凝土浇注时也不会被振捣棒凿破。
2.5 水泥浆材料的选用及搅拌
①水泥宜采用硅酸盐水泥或普通水泥。水泥的强度等级不宜低于42.5，不得含有任何团块。生产用水必须经过检查合格之后才可以使用，要求每升水氯化物离子或任何一种其他有机物含量不得超过500mg。选用具有低含水量、流动性好、最小渗出及膨胀性等特性的外加剂，其用量通过试验确定。
②搅拌水泥浆之前，加水空转数分钟，将积水倒净，使搅拌机内壁充分湿润。搅拌好的水泥浆要做到基本卸尽。在全部水泥浆卸出之前不得投入原材料，更不能采取边出料边进料的方法。
③根据浆体配比，首先将部分水泥、膨胀剂及80%的水倒入搅拌机中、搅拌均匀，然后继续缓慢将水泥加完，最后将溶于20%水的减水剂溶液倒入搅拌机中搅拌，直至搅拌均匀。
④水用量一定要严格按配比加入，否则多加的水会全部泌出，易造成管道顶端有空隙。对未及时使用而降低了流动性的水泥浆，严禁采用加水的办法来增加其流动性。要求水泥浆泌水率不得超过3%，拌和后3h泌水率宜控制在2%，泌水应在24h内重新全部被浆吸回。
⑤搅拌时间应保证水泥浆混合均匀，并注意观察水泥浆稠度。压浆过程中，水泥浆的搅拌应不间断，若中间接管停顿时，不得通过加水来增加其流动度，应让水泥浆在搅拌机和灌浆泵之间循环流动，直至泵送完为止。一般水泥浆自拌制至压入孔道的延续时间，视气温情况而定，一般在控制在30-45min范围内。
2.6、 抽真空及压浆
当预应力钢束张拉完成、切割端头多余的预应力筋之后，采用水泥砂浆对工作锚进行封锚，待封锚强度达到要求后即可进行管道压浆，水泥浆中预先适量加入无收缩防腐蚀高性能压浆剂以提高压浆质量。
①启动真空泵进行抽真空，同时将水泥浆加到灌浆泵中，打出一部分浆体，待这些浆体的浓度与灌浆泵中的浓度一样时，将输浆管固定到孔道的压浆管上。
②当孔道真空度稳定，大约在-0.06--0.1MPa之间时，打开阀1，启动灌浆泵开始压浆，压浆过程中应注意观察料斗中的水泥浆是否正常，压力表读数是否异常。当一切正常、观察到空气滤清器有浆体经过时，关掉真空泵及球阀3，打开阀2。
③观察排气管的出浆情况，当浆体稠度和压入之前稠度一样时，关掉排气阀2，仍继续压浆使管道内压力表读数有0.3-0.5MPa的压力（不能超过0.7MPa压力），2分钟后关掉球阀1。
④将输浆管拆下来，真空泵端活接拆下来，清洗空气滤清器，然后接到另一组孔道，按以上步骤重新开始压注另一组孔道。
⑤清洗：压浆完成后，拆掉空气滤清器，清洗输浆管、搅拌机、阀门、空气滤。
3  真空辅助压浆工艺实际应用试验
许禹高速公路第1合同段桥梁施工中有大中桥8座，40m预制后张法T梁4座，30m预制T梁1座，桥面宽度为24.5m。为了确保预应力施工的质量, 在桥梁施工过程中严格按照设计及施工规范要求进行施工控制, 并采用真空辅助压浆技术进行大桥的预应力管道的施工, 特别是对于长度较长的预应力管道采用该技术显得尤为重要。
在真空辅助压浆之前进行了充分的准备工作，制定了切实可行的施工方案，并提前考虑了可能出现的情况, 对参与现场施工的技术和施工人员进行了详细的技术交底。整个压浆过程进展顺利,未出现大的施工问题。通过观察孔对压浆的全部过程进行了全程观测，整个过程中管道中浆体达到了密实、无气泡空隙的技术要求。在真空辅助压浆完成之后, 对真空辅助压浆与传统压浆工艺近行了破检对比。


普通压浆与真空辅助压浆数据对比表
对比项目  普通压浆  真空辅助压浆
配合比  水泥（1）：水（0.5）：早强剂（0.007）：膨胀剂（0.12）  水泥（1）：水（0.45）：外加剂（0.13）
水泥用量  570kg/m3  1548kg/m3
泌水率  2.40%  ＜2%
膨胀率  1.20%  2.60%
试件7天强度  47.8Mpa  50.6Mpa
通过对比两者的数据和现场的实际观测，得到以下结果：
①对真空辅助压浆样品进行检查，在提取的试样中不管是孔道的高点还是低点, 孔道的内部都能够充满浆体。在对提取的试样进行破检后, 发现浆体的芯部密实、无气泡空隙。
②对传统的压浆工艺试样检查发现，在预应力索的高点和低点的地方存在10%-20%的洞穿类空洞,可以很明显的发现低点处的空洞要大于高点处的空洞，并且在样品的表面有明显的颗粒物，对试样破检后发现,浆体芯部密实性不是很好，在芯部易出现气泡、类似针隙状的空隙。
从以上分析可以得出,真空辅助压浆与传统压浆工艺相比较具有以下优点：
①在真空的作用下,管道中原有的空气和水能够被清除,在施工过程中混杂在水泥浆中的气泡和多余的自由水也可以被消除, 从而增强了浆体的密实度。
②浆体中的微沫浆和稀浆可以在真空负压的作用下率先进入负压容器,待稠浆流出后,孔道中浆体的稠度能够保持很好的一致性, 从而使浆体密实度和强度都有了很好的保证。
③真空辅助压浆的过程能够保持一个很好的、连续的且迅速的状态, 能够缩短压浆的时间。
④真空状态下的管道,能够减小由于管道高低弯曲而使浆体自身形成的压头差, 可以使浆体很好的充满整个管道,尤其是对一些异形关键的部位起到很好的效果。真空辅助压浆的适用范围很广，特别是对于长孔道、弯形、U形、竖向预应力筋，更能体现出真空辅助压浆的优势。
⑤在压浆前要进行管道压力（真空或正压力）测试, 从而为管道的密封提供了保证。
⑥真空辅助压浆是一种全面的施工技术, 它对施工各方面的要求比较高,要有良好的施工环境和施工设备，并且施工人员和技术人员要有较高的素质。基于这种方法本身的性质也就决定了它能够控制较高的质量水平。
⑦采用真空辅助压浆技术具有较大的经济效益，因为钢绞线在塑料波纹管中的摩阻力较小,它对结构最直接的影响就是减小了预应力张拉时的摩阻损失, 可以提高预应力结构的有效预应力值,使结构中有效预应力的分布更趋均匀, 所以设计时可以考虑节约钢绞线的数量, 尽管真空辅助压浆所用的塑料波纹管目前的市场价格比金属波纹管高,但由于波纹管价格在预应力工程造价中所占的比例远远小于钢绞线和锚具在整个预应力工程造价中所占比例，所以因采用塑料波纹管而节约的钢绞线和锚具所节约的费用, 完全可与波纹管提高的造价相抵消, 所以我们在设计中如果充分考虑塑料波纹管特性, 采用真空辅助压浆技术将降低工程造价, 同时, 采用这项技术还可有效地提高了结构物的安全、耐久性, 延长了工程的使用寿命, 减少未来若干年当中桥梁的维修加固费用, 其间接的、远期的经济效益也将是巨大的。
4 施工注意事项
施工注意事项主要有以下几点：
① 锚头密封后24小时后开始压浆。
② 输浆管应选用牢固结实的高强橡胶管，抗压能力≥1Mpa，带压灌浆时不易破裂，连接要牢固，不得脱管。
③ 灰浆进入灌浆泵之前应通过1.2mm的筛子。
④ 真空泵使用时应注意：启动时先将水阀打开，同时开泵；关泵时先关水阀，后停泵。
⑤ 压浆工作宜在灰浆流动性没有下降的30-45min时间内完成。
⑥ 中途换管道时间内，继续启动灌浆泵，让浆体循环流动。
⑦ 搅拌出的浆体在压浆前必须做流动度试验，同时按规范制作标准试件，以测定其强度。
⑧ 孔道真空辅助压浆应填写施工记录。
结语
预应力管道真空辅助压浆技术经应用于笔者所在项目，按本文所述工艺进行施工操作，管道压浆施工进度快、质量完成情况良好。笔者据此总结，在已有传统压浆工艺成果的基础上，全面介绍真空辅助压浆工艺施工方法，为该工艺的普遍推广提供指导。
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