趙連東，馬 林

(1.中國鐵道科學(xué)研究院，北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

1 預(yù)應(yīng)力管道壓漿技術(shù)概述

預(yù)應(yīng)力管道壓漿是后張法預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁施工中的關(guān)鍵工序，也是隱蔽工程，是橋梁施工質(zhì)量控制的重點和難點。國內(nèi)外壓漿技術(shù)體系，經(jīng)歷了從傳統(tǒng)的簡單壓漿到真空輔助壓漿的過程。1986年，HIROSE等發(fā)現(xiàn)了真空灌漿法，即用真空泵不斷抽取空氣使管道內(nèi)形成并保持一定的負(fù)壓，進(jìn)而壓漿，以此提高灌漿的密實度[1]。該技術(shù)在歐洲和北美工程領(lǐng)域中取得了良好的應(yīng)用效果。1996年，英國運輸部采用此技術(shù)解決了由于壓漿不密實導(dǎo)致的預(yù)應(yīng)力鋼筋銹蝕問題，從而解除了對后張法預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的禁令[2]。真空輔助壓漿技術(shù)于1999年引入我國[3]，并得到發(fā)展和廣泛應(yīng)用。圍繞此技術(shù)體系，相關(guān)壓漿施工控制和檢測設(shè)備的研究也在持續(xù)開展。

英國研究人員對現(xiàn)存的采用體內(nèi)灌漿的后張預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁進(jìn)行檢查后發(fā)現(xiàn)了各種缺陷，包括灌漿不密實存在的空洞，以及由氯化物引起的鋼束銹蝕，并提出了一種新的分析模型——利用殘余預(yù)應(yīng)力的分布規(guī)律分析沿梁體灌漿孔隙分布和灌漿的質(zhì)量[4]。

2005年，國內(nèi)文獻(xiàn)介紹了運用瑞士VSL配套設(shè)備的一種真空輔助壓漿工藝。在預(yù)應(yīng)力管道一端安裝制漿、壓漿設(shè)備以及配套管件、閥門和計量儀表，另一端安裝真空泵及控制閥，真空泵和壓漿泵持續(xù)工作，確?？椎捞畛涿軐峓5]。

2008年，國內(nèi)文獻(xiàn)中出現(xiàn)了一種壓漿設(shè)備，包含車架、螺旋輸送機(jī)構(gòu)、高速攪拌機(jī)構(gòu)、壓漿泵和控制器。高速攪拌機(jī)構(gòu)由高速攪拌筒、支架和高速攪拌電機(jī)組成。壓漿泵入口通過管道與高速攪拌筒連通，筒底設(shè)有稱重傳感器[6]。

2011年，一種橋梁預(yù)應(yīng)力孔道壓漿控制系統(tǒng)出現(xiàn)，通過檢測累計流量來判定保壓時刻，現(xiàn)場檢測灌漿流量和壓力數(shù)據(jù)傳給控制臺，控制臺對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并根據(jù)灌漿工藝要求發(fā)送控制命令，實現(xiàn)對預(yù)應(yīng)力孔道灌漿的過程控制，以提高灌漿質(zhì)量[7]。

2012年，國內(nèi)文獻(xiàn)中提到了使用自動壓漿設(shè)備輔助真空壓漿技術(shù)的施工工藝，實現(xiàn)了壓漿過程一鍵完成[8]，但系統(tǒng)的自動化、信息化程度仍比較低。

隨著我國鐵路、公路建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大和建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的提升，完全依靠人工操作壓漿設(shè)備、人工判定壓漿狀態(tài)并控制施工過程、人工記錄數(shù)據(jù)的傳統(tǒng)壓漿方法已不能滿足需要。對現(xiàn)代壓漿設(shè)備的自動化、信息化的需求尤為突出，越來越多的科研機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)企業(yè),開展了對具備施工過程自動化控制和信息化數(shù)據(jù)分析功能的壓漿設(shè)備的研究和開發(fā)[9-10]。為提高預(yù)應(yīng)力管道壓漿施工的質(zhì)量，應(yīng)以漿體質(zhì)量和管道密實度為最終控制目標(biāo)。配料、制漿、壓漿及其監(jiān)控是壓漿施工中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因此配料制漿設(shè)備、壓漿及其監(jiān)控設(shè)備的研究和應(yīng)用十分重要。

2 配料制漿設(shè)備

為保證漿體質(zhì)量，漿體配置應(yīng)稱量準(zhǔn)確并充分混合均勻。TB/T 3192—2008《鐵路后張法預(yù)應(yīng)力混凝土梁管道壓漿技術(shù)條件》規(guī)定了“攪拌機(jī)的轉(zhuǎn)速不低于 1 000 r/min，漿葉的最高線速度限值在15 m/s以內(nèi)。漿葉的形狀應(yīng)與轉(zhuǎn)速相匹配，并能滿足在規(guī)定的時間內(nèi)攪拌均勻的要求”?！皟α瞎迲?yīng)帶有攪拌功能”，“水泥、壓漿劑、水的稱量應(yīng)準(zhǔn)確到±1%”等要求。

準(zhǔn)確的配合比是制得合格漿液的前提，采用稱重傳感器按照規(guī)定配比和誤差要求配置合格漿體是目前比較成熟的方法，普遍應(yīng)用于鐵路工程建設(shè)中混凝土、砂漿以及壓漿料等水泥拌和物的生產(chǎn)質(zhì)量控制。

根據(jù)現(xiàn)場工程經(jīng)驗，為提高漿體配置的準(zhǔn)確度，可采取以下措施：

1)采用自動化技術(shù)實現(xiàn)自動上料、自動制漿。通過高效穩(wěn)定的控制系統(tǒng)實現(xiàn)上料、稱重、拌和制漿協(xié)同作業(yè)。為保證配料準(zhǔn)確，控制系統(tǒng)應(yīng)具備配比鎖定、稱量誤差修正、用戶自校核、預(yù)警報警等功能。

2)選擇準(zhǔn)確耐用的稱重傳感器。制漿用稱重傳感器主要用于配料稱重，將壓漿劑、水泥、水準(zhǔn)確稱重，并通過控制系統(tǒng)控制投料，從而滿足配合比要求。同時應(yīng)充分考慮傳感器的稱量范圍、運輸要求以及送檢、自校的便捷性。

3)合格的漿體需要混合充分、均勻，上料和制漿需要同步進(jìn)行，配料稱重精度受制漿過程中電機(jī)和攪拌槳振動影響明顯。因此在不影響施工效率的前提下，增設(shè)靜態(tài)稱量過程。

4)選擇合適的上料設(shè)備電機(jī)的類型和規(guī)格，實現(xiàn)上料速度的調(diào)節(jié)，保證精準(zhǔn)投料。

結(jié)合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)對于制漿工藝的規(guī)定，本文提出一種可行、有效的配料制漿工藝：

1)系統(tǒng)啟動控制上料設(shè)備加入80%～90%的水。

2)系統(tǒng)控制上料設(shè)備向高速制漿桶內(nèi)輸送壓漿劑，同時高速制漿桶攪拌裝置開始轉(zhuǎn)動進(jìn)行攪拌。

3)當(dāng)稱量傳感器檢測到高速制漿桶內(nèi)的壓漿劑重量達(dá)到預(yù)設(shè)重量的80%～95%時，系統(tǒng)控制高速制漿桶攪拌裝置暫停轉(zhuǎn)動。繼續(xù)上料，直至完全達(dá)到壓漿劑預(yù)設(shè)重量，系統(tǒng)控制輸送裝置停止輸送壓漿劑，高速制漿桶攪拌裝置繼續(xù)攪拌。

4)系統(tǒng)啟動水泥的上料程序，同時高速制漿桶攪拌裝置繼續(xù)攪拌，系統(tǒng)控制上料裝置輸送水泥，當(dāng)稱量傳感器檢測到水泥添加的重量達(dá)到預(yù)設(shè)重量的80%～95%時，系統(tǒng)控制高速制漿桶攪拌裝置停止轉(zhuǎn)動。上料裝置繼續(xù)輸送水泥，直至達(dá)到預(yù)設(shè)重量，系統(tǒng)控制停止輸送水泥，高速制漿桶攪拌裝置啟動繼續(xù)攪拌。

5)停止攪拌，加入剩余的水，再啟動攪拌2 min。

3 壓漿設(shè)備

壓漿泵是預(yù)應(yīng)力管道壓漿系統(tǒng)的核心設(shè)備，應(yīng)具備連續(xù)、穩(wěn)定出漿的性能。目前常用的壓漿泵有單螺桿泵和活塞泵。

單螺桿泵(見圖1)屬于轉(zhuǎn)子式容積泵，它是依靠螺桿與襯套相互嚙合并在吸入腔和排出腔產(chǎn)生容積變化來輸送液體的，屬于內(nèi)嚙合的密閉式螺桿泵。主要工作部件由具有雙頭螺旋空腔的襯套(定子)和在定子腔內(nèi)與其嚙合的單頭螺旋螺桿(轉(zhuǎn)子)組成，最大特點是對泵內(nèi)液體介質(zhì)的適應(yīng)性強，流量平穩(wěn)，壓力脈動小，自吸能力高，具有體積小、重量輕、噪聲低、結(jié)構(gòu)簡單、維修方便等優(yōu)點。但是螺桿的加工和裝配要求較高，橡膠定子易損，根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗一般完成80～100片梁的壓漿就需要成套更換轉(zhuǎn)子和定子，維修更換相對費用較高。

圖1 單螺桿泵

活塞泵又叫電動往復(fù)泵，按結(jié)構(gòu)分為單缸和多缸，靠活塞往復(fù)運動，使得泵腔工作容積周期變化，實現(xiàn)吸入和排出液體?；钊玫牧髁渴怯杀酶字睆健⒒钊谐碳盎钊糠昼姷耐鶑?fù)次數(shù)確定的?；钊酶m用于高壓、小流量的場合。其體積小，壓漿效率高，結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)方便。但是單缸活塞泵(見圖2)作業(yè)脈沖大，壓漿漿體連續(xù)性壓注得不到保證，出漿效率低，壓漿壓力不穩(wěn)，會出現(xiàn)壓力過大而引起漿體泌水。多缸泵明顯地改善了單缸泵出漿量不穩(wěn)定、甚至不能滿足連續(xù)出漿要求的問題，但是多缸泵由于結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜存在清理維修困難的缺點。

圖2 單缸活塞泵

考慮到壓漿泵出漿連續(xù)、穩(wěn)定，并且可靠耐用，后期維修經(jīng)濟(jì)方便，綜合了多缸泵和單缸泵的優(yōu)勢，本文提出了新型雙向連續(xù)壓漿泵，并應(yīng)用在工程中，其性能和功效完全能夠滿足鐵路橋梁預(yù)應(yīng)力管道壓漿的要求。

新型雙向連續(xù)壓漿泵的結(jié)構(gòu)包括機(jī)身，固定在機(jī)身上面的電動機(jī)，設(shè)置在電動機(jī)一側(cè)的傳動輪，對稱設(shè)置在機(jī)身兩側(cè)的活塞桿以及與活塞桿相連接的泵，通過快接膠管與兩側(cè)的泵相連接的儲漿保壓罐。其中泵包括與活塞桿相連接的泵缸、設(shè)置在泵缸上面的通過快接膠管與儲漿保壓罐相連接的空氣室以及設(shè)置在泵缸下面的進(jìn)漿接頭。儲漿保壓罐包括儲漿罐、儲漿罐上面的油室以及油室上面的壓力表和儲漿罐側(cè)面的出漿閥。

新型雙向連續(xù)壓漿泵(見圖3)的工作原理為：電動機(jī)帶動傳動輪運動，傳動輪帶動位于壓漿泵機(jī)身兩側(cè)對稱的活塞作交替往復(fù)運動。當(dāng)活塞桿向左運動時，會將右側(cè)進(jìn)漿接頭內(nèi)的漿體吸入泵缸內(nèi)，將左側(cè)泵缸內(nèi)的漿體壓入空氣室內(nèi);當(dāng)活塞桿向右運動時，會將左側(cè)進(jìn)漿接頭內(nèi)的漿體吸入泵缸內(nèi)，將右側(cè)泵缸內(nèi)的漿體壓入空氣室內(nèi)。通過快速膠管雙向進(jìn)入儲漿保壓罐，在罐內(nèi)形成穩(wěn)定的壓力，保證出漿的連續(xù)穩(wěn)定。儲漿保壓罐上設(shè)有油室和油壓表，可以實時監(jiān)控壓漿壓力變化。在壓漿過程中，可以通過控制系統(tǒng)對壓漿泵轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整，實現(xiàn)自動微量補漿作業(yè)。雙向泵的2個泵缸獨立對稱分設(shè)在壓漿泵兩側(cè)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡單，其維護(hù)修理的難度和工作量基本上等同于單缸泵。

圖3 新型雙向連續(xù)壓漿泵

用于鐵路混凝土橋梁預(yù)應(yīng)力管道壓漿的程序為：啟動壓漿泵電機(jī)，對簡支梁作業(yè)可將壓力穩(wěn)定在0.5～0.6 MPa，壓漿泵電機(jī)停止，當(dāng)保壓壓力<0.5 MPa時，壓漿泵可自動啟動并補漿，保壓時間依規(guī)范要求，或達(dá)到3 min后關(guān)閉。雙向自動壓漿泵壓漿時漿液無脈沖，當(dāng)達(dá)到預(yù)定壓力值時，可進(jìn)行穩(wěn)壓保壓。

工程實踐證明，這種新型的雙向自動壓漿泵主要有以下優(yōu)點：

1)可以進(jìn)行連續(xù)壓漿

該類型泵體的壓縮缸及位于壓縮缸內(nèi)的活塞均有2個，將2個壓縮缸并聯(lián)在一起，因此，該2個壓縮缸內(nèi)的活塞及活塞桿在同一根曲軸上。在往復(fù)運動時，可以實現(xiàn)當(dāng)一個活塞的活塞桿回縮壓漿時，另一個活塞的活塞桿伸出吸漿，如此反復(fù)，即可實現(xiàn)連續(xù)壓漿。

2)工作平穩(wěn)，振動小

由于這種新型泵體包括了2個并聯(lián)在一起的壓縮缸，在工作時，可使位于2個壓縮缸內(nèi)的活塞一個實現(xiàn)吸漿的同時，另一個實現(xiàn)壓漿。因此，其工作比較平穩(wěn)，振動也比較小。

3)能保持整個壓漿過程的壓力穩(wěn)定

該類型壓漿泵在進(jìn)漿彎頭前端還連接有儲能罐。在使用時，先把漿液壓進(jìn)儲能罐，待儲能罐的壓力達(dá)到工作壓力后再將儲能罐上的出漿口打開，通過進(jìn)漿彎頭進(jìn)行壓漿。同時壓漿機(jī)不停地往儲能罐壓漿，可穩(wěn)定儲能罐里面的漿液壓力，這樣就可在整個壓漿過程中都能保持很穩(wěn)定的壓力。

4)可以實現(xiàn)壓漿速度的無極調(diào)速

有些壓漿泵采用的是普通電機(jī)，其壓漿速度是恒定的，不能調(diào)節(jié)，快要壓滿漿的時候會在瞬間出現(xiàn)很大的壓力，造成操作困難，甚至容易造成壓漿管爆裂。本設(shè)備采用電磁調(diào)速電動機(jī)，其速度快慢可以調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍為0～1 440 r/min，可以對壓漿速度進(jìn)行調(diào)節(jié)。因此，本壓漿泵在壓漿時可隨時根據(jù)壓力的大小調(diào)節(jié)其壓漿速度。

5)安全可靠

泵體裝有泄壓閥，在油室上安裝有壓力安全表。通過壓力安全表可隨時監(jiān)控油室內(nèi)的油壓，通過泄壓閥可以在壓力超過額定工作壓力時泄壓，并通過控制回路切斷電機(jī)電源使電機(jī)停止運轉(zhuǎn)，可避免因壓力過大而造成的安全事故。該類型的壓漿泵安全可靠，性能大大提升。

4 密實度檢測設(shè)備

壓漿密實度直接關(guān)系到預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的受力特性和使用壽命。由于壓漿施工屬于隱蔽工程且難以事后檢測，一直以來都是工程界的技術(shù)難點而備受關(guān)注。壓漿質(zhì)量檢測也是目前研究比較集中的領(lǐng)域，從混凝土結(jié)構(gòu)外觀無法識別管道壓漿質(zhì)量，采用管道開刀、鉆芯取樣等破壞性手段判別壓漿質(zhì)量成本高，實施困難。因此通過無損檢測技術(shù)解決此難題是常規(guī)的研究思路，相關(guān)研究也取得了一定的進(jìn)展和成果。

管道壓漿質(zhì)量無損檢測技術(shù)主要有地質(zhì)雷達(dá)法、電磁波法、超聲波法、X射線法等。但由于管道波紋管、混凝土鋼筋以及管道內(nèi)的鋼絞線均為金屬材質(zhì)，對電磁波的干擾吸收都比較大，使得地質(zhì)雷達(dá)法、電磁波法準(zhǔn)確度較低。X射線法設(shè)備較為龐大,探測深度有限,測試的費用高,且有一定的放射性，也不適用于壓漿密實度的檢測。超聲波法是超聲波在預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中傳播時，若預(yù)應(yīng)力管道內(nèi)存在孔隙、空洞、不密實等缺陷時會使接收到的超聲波波形發(fā)生畸變。通過對接收到的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行振幅、相位、速度等方面的分析，可以定性地判斷缺陷[11]。超聲波法因其設(shè)備成熟、測試方便、信號靈敏度高等優(yōu)勢多用于實驗室和特定預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的管道壓漿質(zhì)量的無損檢測，但是對于實際預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)工程中管道壓漿密實度判定的優(yōu)勢不明顯。目前，尚無成熟可靠的無損檢測技術(shù)和方法廣泛應(yīng)用于實際對壓漿質(zhì)量進(jìn)行事后判定。

近年來，通過壓漿量來評價密實度的思路越來越多地應(yīng)用于壓漿施工質(zhì)量過程控制之中。該方法簡單有效。壓漿量的精確計量是判定壓漿施工密實度的前提條件。經(jīng)比較分析，可行的計量方法有3種：流量計法、轉(zhuǎn)速計量法和稱重法。

1)流量計法。壓漿量可以采用流量計計量。目前用于壓漿計量的流量計屬于液體電磁流量計，是應(yīng)用電磁感應(yīng)原理，根據(jù)導(dǎo)電流體通過外加磁場時感生的電動勢來測量導(dǎo)電流體流量的一種儀器。它是20世紀(jì)50～60年代隨著電子技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的新型流量測量儀表，主要由磁路系統(tǒng)、測量導(dǎo)管、電極、外殼、襯里和轉(zhuǎn)換器等部分組成。按照外加磁場類型的不同，電磁流量計(見圖4)主要有直流式和感應(yīng)式2種。直流式電磁流量計的外加恒定磁場垂直于管軸，用2個電極來測量流體橫越磁場時所感生的電動勢。在被測流體溫度過高或?qū)﹄姌O有強烈腐蝕作用等情況下，可采用感應(yīng)式電磁流量計。其優(yōu)點是壓損小、可測流量范圍大、適用的工業(yè)管徑范圍寬、精確度較高。它可測量酸、堿、鹽溶液、水、污水、腐蝕性液體以及泥漿、礦漿、紙漿等的流體流量(要求電導(dǎo)率≥5 μs/cm)。

圖4 電磁流量計

電磁流量計可以準(zhǔn)確地測量通過的液體流量，但是易受外界電磁干擾，同時漿液干燥后附著于流量計內(nèi)表面，如不及時清理直接影響測試精度。由于電磁流量計測量含有懸浮固體或污臟體的機(jī)會遠(yuǎn)比其他流量儀表多，出現(xiàn)內(nèi)壁附著層產(chǎn)生的故障概率也就相對較高。

2)轉(zhuǎn)速計量法是通過將出漿量和活塞動作次數(shù)建立聯(lián)系實現(xiàn)壓漿量計量的一種方法。研究發(fā)現(xiàn)，在較高或較低的壓力等設(shè)備故障的條件下，壓漿泵活塞運動速率與實際出漿量關(guān)系不穩(wěn)定，因此轉(zhuǎn)速計量法僅作為參考，不能作為壓漿量準(zhǔn)確計量的方法。

3)鑒于當(dāng)前技術(shù)水平，本文提出了一種通過實際壓漿量與理論壓漿量間的關(guān)系，初步判斷鐵路橋梁預(yù)應(yīng)力管道壓漿密實度的方法。

實際壓漿量計算公式為

G實際=ΔG-G出-Δg

式中：G實際為實際壓漿量，即壓入管道中的實際漿液量；ΔG為實際出漿量；G出為壓漿過程中由遠(yuǎn)端出漿口和近端出漿口排出的漿液總和；Δg為漿液損失量，應(yīng)考慮壓漿泵和各連接管道內(nèi)的漿液總量，連續(xù)壓漿過程中，除首盤外，其余各盤的漿液損失量應(yīng)可以忽略。

理論壓漿量由管道尺寸、預(yù)應(yīng)力鋼絞線數(shù)量和規(guī)格、螺旋筋尺寸、錨固端結(jié)構(gòu)尺寸決定，同時應(yīng)考慮不同成孔方式(橡膠抽拔棒、金屬波紋管)對于管道內(nèi)空間的影響。

5 結(jié)論

1)預(yù)應(yīng)力橋梁管道壓漿的上料、制漿、壓漿、保壓等過程的精確控制、協(xié)同作業(yè)和精準(zhǔn)記錄，是避免人為干擾、提高壓漿質(zhì)量的主要研究方向。因此，制漿、壓漿、抽真空設(shè)備應(yīng)提高自動化、信息化程度，方便過程控制和管理。

2)制漿設(shè)備應(yīng)具備按照鎖定配方精準(zhǔn)投料、配料功能，確保制成漿體質(zhì)量；稱量所選用傳感器應(yīng)準(zhǔn)確、可靠、耐用并方便校驗。

3)工程實踐表明，新型雙向連續(xù)壓漿泵能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定出漿，且壓漿速度可調(diào)、可控，維修方便，安全可靠性大大提升。

4)鑒于壓漿密實度無損檢測技術(shù)尚不成熟，本文提出的進(jìn)漿量指標(biāo)可以作為一種管道壓漿密實度的評價參考，對于量化壓漿密實度、提高壓漿質(zhì)量判別準(zhǔn)確性具有積極的意義。

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