后张法预应力孔道智能循环压浆技术

1、正压循环压浆理论及工艺摘 要：传统预应力孔道压浆技术包括现有普通正压压浆技术以及欧美等国惯用的真空压浆技术，但因其难以使浆液灌满孔道而引发不少工程事故。为控制预应力孔道中压浆不合格而引发钢绞线锈蚀。本文基于智能压浆系统的开发，结合工程实例，研究了双孔循环压浆及相关技术理论。主要内容有：新型智能压浆系统设计原理研究、水胶比测试仪研究、双孔循环压浆理论研究、结合该系统的工程案例分析。关键词：循环压浆 预应力孔道 水胶比 一、概述后张法预应力孔道压浆技术一直以来都是预应力结构施工过程的一大重点问题，关系到预应力梁的使用寿命。在现有的压浆技术中，主要有普通的正压压浆技术，即从一端注浆，另一端出浆即视为

2、已注满，随即完工。还有一种为真空压浆技术，即通过抽空管道内空气形成真空，使浆液流入。普通正压压浆主要在中国使用广泛，而真空压浆由于其成本高，技术不成熟等因素，在国内使用较少，欧美等发达国家使用较多。但两种方法依然未能很好解决压浆问题，存在着如浆液不达标、存在泌水空洞、数据不真实等缺陷。在压浆技术研究上，国内外诸多学者做出了努力。国外的Sheffield提出了一种新的分析模型，利用残余预应力的分布现象分析沿梁体灌浆孔隙分布和灌浆的质量； HIROSE和YAMAGUCHI发明了真空灌浆法，Schokker等指出高质量浆液的一个关键特性是合适的抗凝固性。在国内，刘思谋于2006年公开了一种后张法预应

3、力孔道压浆施工工艺8，2009年中交第一航务工程局有限公司发明了一种新的预应力箱梁管道压浆方法9针对以上压浆研究现状，本文提出正压循环压浆理论，并由此法开发了一套新型智能压浆系统，通过工程实例比对，压浆效果优于以上两种压浆方法。2、 正压循环压浆理论2 正压循环压浆理论3 正压循环压浆系统关键技术：存在、怎么解决3.13.23.34 工程案例分析5 结论参考文献一、现有压浆技术 存在问题 传统桥梁预应力管道压浆一般采用压力灌浆法和真空辅助灌浆工艺。通过对最近十年拆除或垮塌的预应力桥梁的断面进行统计分析，发现后张法预应力管道压浆存在诸如压浆施工现场对浆液原材料的计量往往比较随意、浆液质量不达标、

4、导致泌水量过大在管道内形成泌水空洞、记录均由人工完成，其真实性、可靠性难以保证等等一系列还未能解决的缺陷。因为这些缺陷造成了很多工程的破坏。在国外，1985年12月位于英国南威尔士的Ynys-Gwas预应力混凝土大桥发生了突然倒塌事故。桥梁倒塌的原因正是由于波纹管内灌浆不密实,1957年建成的美国康涅狄格州Bissell大桥,在1992年的常规质量检查中被发现部分预应力钢绞线已发生严重锈蚀,原因也是孔道灌浆不密实,导致桥梁的安全度下降,在使用了35年后也不得不炸毁重建。在我国，在我国,由于灌浆不密实而引发的工程事故也屡见不鲜,如:1995年5月15日广东海印大桥的一根斜拉索锈断;2001年11

5、月7日四川宜宾金沙江拱桥因吊杆锈蚀造成部分桥面垮塌。因此，为了改进后张法预应力孔道的压浆工艺，使孔道压浆充分密实，建立预应力混凝土长期有效的预应力度，提出了后张法预应力孔道智能同步压浆系统。研究现状在国外，预应力管道压浆依然没有得到很好的解决。Mott Macdonald,Sheffield提出了一种新的分析模型，利用残余预应力的分布现象分析沿梁体灌浆孔隙分布和灌浆的质量； HIROSE和YAMAGUCHI,UCHIYAMA发明了真空灌浆法，真空泵一直保持运转，关闭管道边上的阀门，通过不断抽取空气使管道内压力减小，重复进行抽取真空至规定负压，使得管道内保持在规定要求的负压内，并进行压浆； Sc

6、hokker Andrea J, Hamilton III和Schupack Morrisl指出高质量浆液的一个关键特性是合适的抗凝固性。NARUI M,NAKAGAWA R,SASADA T和NISHIDA Y 发明了一种设备通过注浆压力，水泥浆流量和温度等测量值与预设值比较，由控制器控制浆液的原材料组成及其物理性质，如水胶比和稠度。在国内，2006年，刘思谋公开了一种后张法预应力孔道压浆施工工艺。2009年中交第一航务工程局有限公司发明了一种新的预应力箱梁管道压浆方法，包括一端内腔与锚具头锚杯相应的圆筒形部和其另一端的密封端部，在圆筒形部或密封端部上设置有具有管螺纹的排浆管孔，该排浆管孔相

7、应配有螺栓。2010年中铁四局集团第一工程有限公司公开了真空压浆施工设备及方法，其特征在于真空压浆时，将封锚密封套安装在锚具头外，三向连通管接出浆口，从三向连通管进行抽真空作业，可保持压浆时处于保压状态。纵观国内外研究现状，桥梁预应力管道压浆先后经历了传统压浆工艺和真空辅助压浆工艺，但是都未能解决桥梁预应力管道压浆中的所有问题，近来出现的桥梁预应力管道压浆监测系统，也只能监测灌浆的压力和流量，最重要的水胶比并未进行监测，压浆效果自然不能达到理想状况。如何通过改进施工工艺，实现压浆过程水胶比、压力、流量准确控制以及完全排除管道内空气，保证桥梁预应力管道压浆质量有待进一步研究。二、新型智能压浆技术

8、设计理念与原理通过分析现有压浆技术，发现压浆出现问题的根本在于施工不规范，认为因素影响大，因此提出智能压浆系统，即程序控制。考虑到浆液控制难题，只要实现了“水胶比、压力、流量”三参数的程序控制，问题就有可能得到解决。因此提出水胶比测控、流量控制、双孔循环压浆三大理念。为此，需要解决的是核心技术是水胶比测试仪、循环压浆工艺以及双孔压浆工艺。为了解决这三大核心技术，我们进行了以下设想：设计一套由系统主机、测控系统、循环压浆系统组成的智能压浆系统，浆液在由预应力管道、制浆机、压浆泵组成的回路内持续循环以排净管道内空气，及时发现管道堵塞、漏浆等情况，并通过加大流量进行冲孔，排出杂质，消除致压浆不密实的

9、因素。在管道进、出浆口分别设置精密传感器实时进行压力、流量与浆液水胶比等各个参数监测，并实时反馈给系统主机进行分析判断，测控系统根据主机指令进行压力与流量的调整，保证预应力管道在公路桥涵施工技术规范要求的浆液质量、压力大小、稳压时间等重要技术指标约束下完成压浆过程，确保压浆饱满和密实。主机判断管道充盈的依据为进、出浆口压力差在一定的时间内是否保持恒定，同时以进、出口流量是否相近来进行校核。一种新型的桥梁预应力管道压浆智能测控系统并和与之配套的循环压浆施工工艺一起实现测控部件和控制中心之间信息的实时交换，从而完成预应力管道压浆施工的全自动控制。通过采用循环压浆的工艺，并对压浆过程中的水胶比、压力

10、、流量“三参数”进行控制，从根本上解决预应力管道压浆不密实引发的桥梁质量问题（如钢绞线提前锈蚀，梁体开裂、超限下挠等）。对此，我们开始进行以下设计。系统组成预应力自动压浆系统主要由预应力自动压浆台车（含高速制浆机、低速储浆桶、螺杆泵、高压清洗装置、进浆压力测量仪、回浆压力测量仪、分流控制阀、控制系统与配电系统）、高压胶管、系统软件等组成，结构图如图图.1整个系统包括：（1）预应力自动压浆台车 高速制浆机：此设备将水泥、压浆剂和水进行高速搅拌，制作可用于压浆用的水泥浆液，其转速为1420r/min,叶片线速度14.86m/s，电机功率7.5kW，每次可制备3-6包水泥（150kg-300kg）,

11、底部带螺旋泵，可进行制浆自循环或将浆液抽取到储浆桶中去。 低速储浆桶：在浆液在高速桶内制好以后导流至此桶内低速搅拌以储存浆液，以保持流动度和不发热改变性能（浆液一直处于高速搅拌状态则易发热改变性能），其转速为50r/min，底部设出浆口，将浆液过滤后进入螺杆泵料仓。 螺杆泵：此为动力输出装置，将低速储浆桶内浆液加压并输送至预应力管道内。 高压清洗装置：每次施工完成以后，启动高压清洗泵用于对制浆机及储浆桶的清洗。 进浆压力测量仪：用于检测进浆口压力值。 回浆压力测量仪：用于检测回浆口压力值。 分流控制阀：用于调压过程中分流浆液。 控制系统与配电系统：包含PLC、人机交互装置触摸屏、变压器、变频器

12、等其他配电及控制原器件，用于控制完成工艺过程。（2）系统软件本系统软件包括下位机PLC程序与人机交互触摸屏程序，PLC程序软件用于监控数据和执行指令；上位机触摸屏程序软件用于设置参数与显示、记录过程数据。（3）高压胶管此设备为浆体的流动提供管路。需要现场连接的管路有进浆管、返浆管、两孔对接管。图.2 预应力智能压浆控制结构图循环压浆：让浆液在后张预应力管道中持续循环，借助“连通管”的作用将管道内的空气完全排出，保证管道内所填充的浆液内没有气室或者空气仓。压力控制：采用新型专用封锚工具进行封锚，保证整个回路系统不漏气，在进行持压时不泄压，只要持压时间和压力大小足够，就能保证浆液充满孔道且被压密实

13、。有效监管：大循环智能压浆系统对后张预应力管道压浆过程中的浆液材料的水胶比、灌浆压力和浆液流量进行实时测控以及远程监控，能够保证浆液材料水胶比、灌浆压力在合符规范的前提下进行压浆，当这“三大指标”超出规范限值时则不能压浆。保证密实：只要浆液性能达到规范要求，在合理的压浆方式、适宜的灌浆压力下，并通过流量来计算梁体内的浆液体积，便能保证管道压浆密实。图.3控制方案流程图核心技术水胶比测试仪（1）基本原理水胶比测试仪主要电子元件为差动电容式压力变送器。差动电容式压力变送器主要由完成压力与电容转换的容室敏感元件及将电容转换成二线制4-20 mA电子线路板构成，当进程压力从测量容室的两侧（或一侧，水胶

14、比测试仪为单侧，即测试量筒内侧）施加到隔离膜片后，经填充液体（一般用硅油）传至容室的测试膜片中心上，测试膜片为边缘张紧的膜片，在压力的作用下，发生对应的微小位移，该位移构成差动电容的变化，并经历电子线路板的调理、震荡和缩小，转换成4-20 mA信号输入，输入电流与进程压力成反比，差动电容相对变化值与被测压力成正比，与填充液的介质常数无关。差动电容式压力变送器结构图如下图4所示，其中心可动模板与两侧固定极板构成两个平面型电容。图.4 差动电容式压力变送器结构图差动电容式压力变送器由测量部分与转换放大电路组成，如下图5所示：图.5 差动电容式压力变送器测量转换电路（2）水胶比测试仪结构设计本系统研

15、制的水胶比测试仪测试水胶比源于对液体密度的测量，如将其串联在压浆管路中，则由于溢流面的存在将导致不能升压，因此考虑与制浆系统绑定在一起，其工作方式是通过电机带动涡轮式吸浆泵从储浆桶中抽取浆液输送至测试仪量筒的底部，通过变频器调整电机转速使浆液恰好从量筒的顶面溢流出，其结构简图如下图4.6所示。图.6 水胶比测试仪结构简图压差变送器安装在测试量筒侧壁上，测试量筒溢流面（含超出量筒顶面浆液高度约5mm）至压差变送器中心测试膜片重心处的高差为435mm。为保证测试精度，输送浆液管路直线段长度不小于500mm，测试量筒内径为135mm，动力系统电机转速为2880r/min,变频器可调范围为050Hz。

16、通过改变频率来改变电机的转速，从而控制量筒内页面的高度。（3）水胶比计算式压差变送器经转换输出的初始信号为420 mA的标准电流信号。即i=420 mA。i=420 mA标准电流信号对应020 kPa压力差值P（测试量筒溢流面至压差变送器测试膜片中心的压力差值.此值与密度密切相关），即P=020 kPa。电流与压力差P之间为线性函数对应关系，即有：P=P (i) (4-1)以（4,0），（20,20）代入上式化简后得到二者之间的关系式：P=1.25i-5 （kPa,mA） (4-2)经推导：水胶比计算式的讨论： 当浆体为压浆剂、水泥混合物时，则水胶比计算式为上式（4-8）,当外加剂中含水剂时，

17、水剂重量计入水的重量中； 当直接采用压浆料（由厂家将压浆剂和水泥按适宜掺量配合好后的压浆材料）时，则上式可以化简为：电液动浆液阀本系统涉及两个电液动浆液阀，分别为返浆阀与进浆-溢流阀，返浆阀是为了实现回流 浆液的快速截止，进浆-溢流阀是为了实现进浆的快速截止与浆液的溢流换向。电液动浆液阀的工作原理首选是通过计算机给单片机发出控制指令，再由单片机进行数据转换后驱动继电器工作，而后通过给电磁换向阀供电控制其工作以实现阀芯的提起和压下（即阀门的开启与关闭）两个动作的完成，达到对浆液流动的控制。其工作流程图如下图.7所示。图.7 电液动浆液阀工作流程图循环压浆工艺图.8 控制流程图根据预应力管道的布置

18、类型，可将其分为正弯矩管道与负弯矩管道分别进行研究。图.9 正弯矩管道循环排气模式正弯矩管道进浆咀设置在一侧锚垫板的底部，出浆口设置在另外一侧锚垫板的顶部，即出口高于进口，其循环压浆过程分为以下几个过程进行分析： 浆液首先从进浆口进入，因预应力管道内径是进浆咀内径的25倍，所以浆液在管道内不能全管路推进，浆液先流至管道的底部汇集（最低处），然后从最低处往两侧流动，此过程中出浆口一侧的空气可通过出浆咀排出，而进浆口一侧空气需要从钢绞线钢丝缝隙间排出（进浆口锚头不能完全密封，须留出钢丝缝隙排气）。 当管道内浆液面达到与进浆咀齐平时，因出浆口比进浆口高，此时浆液还不能从出浆口流出，继续泵送浆液在管道

19、内增加压力，出浆口位置浆液充满，将此处的空气悉数排出，而进浆口位置的空气则通过钢丝间缝隙排出。 气塞的形成和循环排除由于浆液不是从最低点压入管道的，浆液在从进口流入管道底部的过程中，流量一般较大，在50L/min左右，空气容易窜入水泥浆内形成气塞，阻碍水泥浆的流动，若不进行排除则在水泥凝结后产生气孔。循环工艺的作用就是在管道内浆液饱满后通过持续循环流动将水泥浆内可能存在的气塞悉数推出到管道以外，只要储浆桶内不吸空，则不会再混入新的空气，以在循环结束以前两端的流量保持稳定作为判断气塞是否已基本排除的判据。 动态持压过程在循环结束以后，系统设置有自动调压过程，此过程浆液亦在管道内流动。测控系统根据

20、指令进行压力调整，此过程一直保持管道内有压力，即动态持压的过程，此过程大于180s（3min），180s后调节至设定压力且进、出口压力在30s内波动不超过0.10MPa,则可进一步判定管道内空气已完全排出。此时锁住压力，自动溢流，完成压浆。负弯矩管道的循环压浆模式（设排气孔）图.10 负弯矩管道循环排气模式负弯矩预应力管道两端低、中间高，单靠循环不能完全将顶部的空气排出，须在预应力管道的最高处设置排气孔，其采用循环工艺压浆过程可从以下几个过程进行分析： 浆液从进浆口压入，先从左侧最低处往最高处流动，可使空气聚集在水泥浆的上方往右侧流动，此时出浆口、排气口都处于开启状态，挤出的空气便于排出。 由

21、于进浆咀内径仅为管道内经的1/21/5,管道内浆液不能满管路推进，浆液在流经管道最高处底面时浆液将先流至管道右侧，而后由右侧再回流至管道最高处的底面位置，该过程完成以后，管道内除最高处外，其它位置均充满浆液。 浆液循环过程浆液在管道内持续循环，适当增大流量冲击，将大部分空气通过循环带出，试验证明管道的最高处仍有空气存在，并不能完全排出，故需要进一步采取措施进行排气。 动态持压过程由于循环过程不能将管道内空气全部排出，在动态持压过程中，调整出口压力（出口处电动调压阀关小），出口流量随之减少，出口处部分浆液被阻止向外流动反向向管道内回流（如图5.20所示），管道内压力上升，浆液挤压空气从排气孔排出

22、，直至从排气孔冒出浓浆，即说明管道内空气已悉数排尽。图11 负弯矩管道动态持压过程浆液流向示意图负弯矩管道循环压浆模式（不设排气孔）对于负弯矩管道顶端没有设排气孔的情况，其排气过程如下所示。图12 负弯矩管道循环排气模式负弯矩预应力管道两端低、中间高，单靠简易循环很难完全将顶部的空气排出，在不设置排气孔时，其采用循环工艺压浆过程可从以下几个过程进行分析： 浆液从进浆口压入，先从左侧最低处往最高处流动，可使空气聚集在水泥浆的上方往右侧流动，此时出浆口、排气口都处于开启状态，挤出的空气便于排出。 由于进浆咀内径仅为管道内经的1/21/5,管道内浆液不能满管路推进，浆液在流经管道最高处底面时浆液将先

23、流至管道右侧，而后由右侧再回流至管道最高处的底面位置，该过程完成以后，管道内除最高处外，其它位置均充满浆液。 浆液循环过程浆液在管道内持续循环，适当增大流量冲击，将大部分空气通过循环带出，试验证明管道的最高处仍有空气存在，并不能完全排出，故需要进一步采取措施进行排气。 继续加大流量在进行上一步的操作之后需要继续加大流量，在此的理论为水气稳定性理论，当速度超过临界速度后，浆液就能使管道内顶部残留的空气失稳，一部分一部分地进入到浆液之中，浆液对其形成包裹，随循环排除管道外。动态持压过程进行上一步操作后，浆液即将空气完全排除管道外了，在动态持压过程中，调整出口压力（出口处电动调压阀关小），出口流量随之减少，在压力和流量稳定后，即可判断管道内完全充盈，进行持压，随后进行相应的操作。后张法预应力孔道智能压浆系统试验研究（1）试验方法压浆试验分为工程模拟试验与工程实体试验。工程模拟试验分别采用传统压浆设备、工艺和采用智能压浆系统、循环压浆工艺分别对一组竖向预应力管道和负弯矩预应力管道进行压浆试验，先对各根管道断面进行编号，记录浆液水胶比、灌浆压力、浆液流量