王樂然

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081）

1 預(yù)應(yīng)力混凝土梁管道壓漿

預(yù)應(yīng)力混凝土梁管道壓漿質(zhì)量是結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力體系長(zhǎng)期有效的保障。作為隱蔽工序，其工藝的科學(xué)性、合理性以及過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制對(duì)于壓漿質(zhì)量有著直接的影響。20世紀(jì)80年代，歐洲出現(xiàn)了真空輔助壓漿技術(shù)，壓漿質(zhì)量得到了一定程度的改善。美國(guó)后張預(yù)應(yīng)力協(xié)會(huì)（PTI）規(guī)范和美國(guó)佛羅里達(dá)交通局（FDOT）制定的規(guī)范，對(duì)壓漿過(guò)程、壓漿方法等方面進(jìn)行了規(guī)定，并提到了可以采用真空輔助壓漿技術(shù)。日本于2005年發(fā)行的《預(yù)應(yīng)力混凝土泥漿的設(shè)計(jì)和施工指南》進(jìn)一步規(guī)范了預(yù)應(yīng)力管道壓漿施工。我國(guó)壓漿技術(shù)發(fā)展較晚，同樣經(jīng)歷了由傳統(tǒng)壓漿到真空輔助壓漿的過(guò)程，目前真空輔助壓漿技術(shù)已成為國(guó)內(nèi)外管道壓漿工藝的主流［1］。

1.1 鐵路橋梁工程壓漿施工工藝

為提高壓漿質(zhì)量，規(guī)范壓漿施工，我國(guó)鐵路、公路橋涵設(shè)計(jì)和施工技術(shù)規(guī)范在參考?xì)W洲、美國(guó)、日本相關(guān)規(guī)范基礎(chǔ)上，起草并頒布實(shí)施了一系列標(biāo)準(zhǔn)性技術(shù)文件，圍繞壓漿工藝，對(duì)施工流程、關(guān)鍵參數(shù)、設(shè)備、材料等提出了相關(guān)的技術(shù)要求［2］。鐵路橋梁工程壓漿施工工藝要求和參數(shù)主要有［3］：

1）工藝流程：加入80%～90%的水→加入壓漿劑→高速攪拌→加入水泥→高速攪拌2 min→加入剩余10%～20%的水→高速攪拌2 min→低速儲(chǔ)漿→抽真空→壓漿→保壓3 min。

2）配料稱量精度：±1%。

3）制漿要求：低水膠比、高流動(dòng)度、零泌水率。

4）壓漿要求：連續(xù)、穩(wěn)定出漿。

5）高速攪拌轉(zhuǎn)速不小于1 000 r/min，槳葉線速度為10～20 m/s。

6）抽真空壓力-0.060～-0.080 MPa。

7）保壓壓力0.50～0.60 MPa，保壓時(shí)間180 s。

1.2 既有自動(dòng)壓漿工藝的不足

橋梁預(yù)應(yīng)力管道壓漿施工目前主要采用人工操作設(shè)備、人工監(jiān)控施工過(guò)程、人工記錄數(shù)據(jù)并判定壓漿狀態(tài)，普遍存在施工效果受人為主觀因素影響大，質(zhì)量可追溯性差，壓漿質(zhì)量不穩(wěn)定等問題。近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)大規(guī)模的鐵路、公路建設(shè)，對(duì)工程質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和工程管理水平的要求也不斷提高，自動(dòng)化施工、信息化管理成為傳統(tǒng)土木工程領(lǐng)域新的發(fā)展方向。在此背景下，能夠改善壓漿質(zhì)量、提高壓漿效率的新技術(shù)、新設(shè)備也日臻成熟、完善。既有工藝在自動(dòng)壓漿施工的過(guò)程中，也逐漸顯露出其不足和局限性，主要表現(xiàn)在以下方面：

1）在制漿桶高速攪拌過(guò)程中，上料準(zhǔn)確度受攪拌振動(dòng)影響較大。

2）現(xiàn)行真空輔助壓漿工藝的抽真空過(guò)程從壓漿前持續(xù)至出漿端出漿，使得出漿端排氣放漿非常充分，而進(jìn)漿端排氣不足，進(jìn)漿口附近壓漿不密實(shí)。

3）壓漿速度對(duì)壓漿過(guò)程中的排氣效果有直接影響，現(xiàn)行壓漿工藝對(duì)壓漿速度尚無(wú)規(guī)定。

4）目前尚無(wú)成熟可行的方法和依據(jù)對(duì)壓漿質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)和評(píng)估。

自動(dòng)化壓漿技術(shù)在以下4個(gè)方面的發(fā)展為解決上述問題提供了方法。

2 精確稱量配料

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。目前的壓漿施工已基本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)配料制漿，過(guò)程符合現(xiàn)行工藝標(biāo)準(zhǔn)。但是現(xiàn)場(chǎng)操作發(fā)現(xiàn)，制漿桶高速攪拌會(huì)產(chǎn)生明顯的振動(dòng)，影響稱量的準(zhǔn)確性。對(duì)目前常用制漿設(shè)備的上料稱量準(zhǔn)確度試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：①高速桶配置的稱量系統(tǒng)在靜態(tài)稱量條件下，數(shù)值顯示穩(wěn)定，在10～400 kg 稱量范圍內(nèi)，基本能滿足稱量誤差≤1%的要求。②在高速制漿桶攪拌槳電機(jī)轉(zhuǎn)速1 000～1 440 r/min的動(dòng)態(tài)稱量條件下，受電機(jī)振動(dòng)影響，示值波動(dòng)明顯，最大稱量誤差約為2%～3%。

進(jìn)一步提高稱量系統(tǒng)精度，強(qiáng)化稱量系統(tǒng)施工前自校功能等措施，可以改善上料稱量的準(zhǔn)確性。研究人員在現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的壓漿流程中，增加粉料靜態(tài)稱量過(guò)程，粉料投放分為2步，具體步驟如下：

1）加入80%～90%的水，并稱重。

2）自動(dòng)控制上料設(shè)備向高速制漿桶內(nèi)輸送壓漿劑，同步攪拌。

3）當(dāng)稱量傳感器檢測(cè)到高速制漿桶內(nèi)壓漿劑達(dá)到預(yù)設(shè)重量（約90%）時(shí)，自動(dòng)控制停止上料和攪拌，靜態(tài)稱重后繼續(xù)高速攪拌，并同步加入剩余壓漿劑。

4）自動(dòng)控制上料設(shè)備向高速制漿桶內(nèi)輸送水泥，投料過(guò)程與壓漿劑一致。

5）停止攪拌，加入剩余的水，再啟動(dòng)攪拌2 min。

研究人員對(duì)實(shí)際工程中使用此工藝配制的850多盤漿體制漿數(shù)據(jù)（配比為水泥∶壓漿劑∶水=100.0∶11.1∶36.7）分析顯示，水泥和水的稱量誤差合格率分別為100%，98.95%；壓漿劑稱量實(shí)測(cè)誤差合格率為92.41%，超限誤差基本控制在2.5%以內(nèi)。說(shuō)明增加靜態(tài)稱量過(guò)程，在滿足標(biāo)準(zhǔn)工藝和施工效率的前提下，能夠提高稱量準(zhǔn)確性。

3 兩端排氣放漿

研究發(fā)現(xiàn)，在管道基本通暢的條件下，管道壓漿密實(shí)度與壓漿過(guò)程中排氣的程度有直接關(guān)系。排氣分為主動(dòng)排氣和被動(dòng)排氣，主動(dòng)排氣即抽真空，被動(dòng)排氣為漿液進(jìn)入管道驅(qū)出管道內(nèi)氣體。主動(dòng)排氣不可能排凈管道內(nèi)空氣，其作用在于促進(jìn)被動(dòng)排氣，管道排氣主要依賴于被動(dòng)排氣。

目前真空輔助壓漿工藝采用的是一端壓漿，另一端抽真空的方式，具體步驟如下：

1）在出漿端對(duì)全管道抽真空，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的-0.060～-0.080 MPa真空度。

2）在進(jìn)漿端從進(jìn)漿口壓漿入管道，漿體向管底流動(dòng)，出漿端持續(xù)抽真空排氣。

3）管底漿體面持續(xù)上升，隔絕管道兩端（正彎曲管道），出漿端持續(xù)抽真空排氣。

4）兩端液面持續(xù)上升，出漿端抽真空排氣，進(jìn)漿端空氣逐漸壓縮。

5）出漿端至出濃漿，關(guān)閉抽真空并封閉出漿孔。繼續(xù)壓漿至規(guī)定壓力0.50～0.60 MPa，并保壓至少3 min。

按照此工藝操作，管道內(nèi)漿體填充及梁端排氣、放漿全過(guò)程5個(gè)狀態(tài)如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)的排氣放漿工藝

上述工藝存在以下問題：

1）預(yù)制簡(jiǎn)支梁以正彎曲預(yù)應(yīng)力管道為主，漿體填滿管道底部，將管道隔絕為進(jìn)漿端和出漿端2部分，抽真空作業(yè)對(duì)于進(jìn)漿端部分的排氣基本是無(wú)效的。

2）為確保管道內(nèi)真空度的要求，管道成孔應(yīng)完整，管道壁不應(yīng)有破損或串通，同時(shí)密封管道封端。在此條件下，進(jìn)漿端空氣可能無(wú)法完全排出，體積逐漸壓縮，壓力逐漸增大，一方面漿體無(wú)法填充飽滿，另一方面該局部壓力較大，壓力泌水的程度更為嚴(yán)重，這兩個(gè)方面均對(duì)壓漿密實(shí)度有不利影響。

管道兩端排氣放漿能夠解決以上的問題，結(jié)合管道端部封錨的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并發(fā)揮自動(dòng)化施工的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、快速調(diào)控的優(yōu)勢(shì)，研究設(shè)置了以下自動(dòng)壓漿及排氣放漿的工藝步驟：

1）對(duì)全管道抽真空，達(dá)到-0.060～-0.090 MPa真空度。

2）在進(jìn)漿端從進(jìn)漿口壓漿入管道，漿液向管底流動(dòng)。

3）管底漿液面持續(xù)上升，隔絕管道兩端（正向彎曲管道）。

4）兩端液面持續(xù)上升，出漿端排氣放漿至出濃漿、無(wú)氣泡，關(guān)閉出漿端排氣閥門。

5）繼續(xù)壓漿，至氣壓達(dá)到設(shè)定值，自動(dòng)調(diào)節(jié)壓漿速度并警示，開啟進(jìn)漿端閥門排氣放漿至出濃漿、無(wú)氣泡，關(guān)閉進(jìn)漿端排氣閥門。

6）壓漿過(guò)程中可根據(jù)需要，再次開啟抽真空閥門和抽真空泵少量排氣放漿。

7）少量補(bǔ)漿至規(guī)定壓力0.50～0.60 MPa，并保壓至少3 min。

此工藝充分考慮了進(jìn)漿端排氣放漿的需要。在管道內(nèi)較高壓力下，通過(guò)開啟兩端排氣閥門排氣放漿，或再次開啟抽真空閥門并啟動(dòng)抽真空泵，經(jīng)少量的抽漿排氣后，排出錨墊板下的空氣，可以有效改善管道兩端尤其是進(jìn)漿端壓漿不密實(shí)的問題（見圖2）。研究表明，為保證兩端排氣放漿的效果，實(shí)際操作中可以采用多次開、關(guān)排氣放漿閥門的方法，以確保排氣充分。

圖2 采用兩端排氣放漿工藝的壓漿效果

4 壓漿速度自動(dòng)調(diào)控

現(xiàn)行壓漿工藝標(biāo)準(zhǔn)通過(guò)控制保壓階段壓漿壓力實(shí)現(xiàn)慢速補(bǔ)壓，但是對(duì)于保壓前壓漿過(guò)程中的壓漿速度尚無(wú)規(guī)定。研究認(rèn)為，壓漿速度影響質(zhì)量，過(guò)快的壓漿速度會(huì)導(dǎo)致漿液填充不充分，同時(shí)也給設(shè)備造成較大的負(fù)擔(dān)，導(dǎo)致設(shè)備故障；壓漿速度過(guò)慢，會(huì)引起漿體沉淀，導(dǎo)致管路、閥門堵塞。為追求施工效率，快速壓漿在實(shí)際施工中比較普遍，同時(shí)增加了管道內(nèi)排氣不充分的風(fēng)險(xiǎn)。

整個(gè)壓漿過(guò)程中，管道內(nèi)壓力狀態(tài)能夠在一定程度上反應(yīng)出管道是否通暢、壓漿速度是否合適等情況。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)制簡(jiǎn)支梁某管道進(jìn)漿端壓力時(shí)程曲線如圖3所示。

由圖3可知：

1）根據(jù)壓漿進(jìn)度，壓力時(shí)程曲線一般可以分為Ⅰ～Ⅳ4個(gè)階段。

2）Ⅰ區(qū)為壓漿區(qū)，該階段記錄了管道從完全空置逐漸填充至接近飽滿的過(guò)程，系統(tǒng)在此階段內(nèi)應(yīng)根據(jù)壓力變化隨時(shí)自動(dòng)調(diào)控壓漿速度。在設(shè)定壓漿速度范圍內(nèi)，此階段壓力為0.10～0.40 MPa，壓力呈緩慢上升趨勢(shì)，說(shuō)明進(jìn)漿速度適宜，管道通暢，壓漿泵工作狀態(tài)良好，氣體排出有序、充分。

圖3 典型的壓力時(shí)程曲線

3）Ⅱ區(qū)為穩(wěn)壓區(qū)。該階段記錄了管道即將被填充滿時(shí)，在較高的壓力水平下，壓力波動(dòng)并漸趨穩(wěn)定的過(guò)程，是管道滿足放漿排氣條件的標(biāo)志。

4）Ⅲ區(qū)為放漿排氣區(qū)。該階段記錄了在人工放漿排氣過(guò)程中的壓力變化過(guò)程，此部分曲線的形狀和特征能夠反應(yīng)出現(xiàn)場(chǎng)操作人員放漿排氣操作的情況。

5）Ⅳ區(qū)為保壓區(qū)。該階段記錄了放漿排氣操作完成后，系統(tǒng)自動(dòng)保壓、補(bǔ)壓的過(guò)程，曲線呈現(xiàn)出比較規(guī)律的波浪形特征，此部分曲線的形狀和特征能夠反應(yīng)出保壓壓力和時(shí)間是否充足等情況。

通過(guò)對(duì)壓力時(shí)程曲線的分析，針對(duì)自動(dòng)壓漿階段工藝提出以下建議：

1）壓漿過(guò)程中應(yīng)根據(jù)管道壓力情況自動(dòng)調(diào)速。

2）應(yīng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并記錄壓漿過(guò)程中的壓力時(shí)程曲線，以便于問題分析和追溯。

3）對(duì)于預(yù)制混凝土簡(jiǎn)支梁，壓漿速度范圍在20～30 L/min比較適宜。

4）放漿排氣為人工操作，應(yīng)具備自動(dòng)提示功能，方便人工、自動(dòng)作業(yè)的協(xié)同銜接。

5 密實(shí)度評(píng)估

壓漿密實(shí)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序且難以事后檢測(cè)，一直以來(lái)都是工程界的技術(shù)難點(diǎn)而備受關(guān)注?；炷两Y(jié)構(gòu)外觀無(wú)法識(shí)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(shí)施困難。近年來(lái)關(guān)于使用地質(zhì)雷達(dá)法、電磁波法、超聲波法、X 射線法、彈性波法等無(wú)損檢測(cè)手段檢測(cè)管道密實(shí)度的相關(guān)實(shí)驗(yàn)室研究取得了一定的進(jìn)展［4-5］。鑒于現(xiàn)場(chǎng)的復(fù)雜性和無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的局限性，無(wú)損檢測(cè)技術(shù)目前尚難以真正應(yīng)用于實(shí)際工程。

考慮到當(dāng)前技術(shù)水平，研究人員提出并實(shí)現(xiàn)了一種基于施工過(guò)程中壓漿量計(jì)量的密實(shí)度分析方法，即通過(guò)實(shí)際壓漿量與理論壓漿量進(jìn)行對(duì)比，分析壓漿是否飽滿。實(shí)際壓入管道內(nèi)的漿體重量可通過(guò)稱重測(cè)得。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(shí)應(yīng)考慮不同成孔方式對(duì)于管道內(nèi)空間的影響。對(duì)1 200 多個(gè)管道壓漿量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析結(jié)果如下：

1）實(shí)測(cè)壓漿量平均有93.99%的數(shù)據(jù)分布于理論壓漿量上、下限范圍內(nèi)；有97.95%的數(shù)據(jù)超過(guò)壓漿量下限。

2）實(shí)測(cè)壓漿量平均有78.41%的數(shù)據(jù)分布于理論壓漿量標(biāo)準(zhǔn)值和上限范圍內(nèi)。分析認(rèn)為這主要是由于管道壁存在因混凝土材料或施工振搗不良而造成的離析、泌水和粗骨料外露等情況，消耗部分漿體充填管壁空隙所致，加之也有部分管道成形所用的橡膠抽拔棒尺寸存在正偏差的影響。

3）各管道中N2a 和N3 左右管道實(shí)際壓漿量超出壓漿量上限的概率較其他部位管道要大（見圖4），分別為12.77%，14.89%，6.38%和10.64%。這說(shuō)明底板最外側(cè)管道和腹板內(nèi)側(cè)最下層管道位于箱梁倒角部位，鋼筋和預(yù)埋件較多，混凝土澆筑和管道成孔質(zhì)量最難控制，出現(xiàn)管道漏漿、串孔的可能性最大。

圖4 N2a和N3管道壓漿量數(shù)據(jù)

實(shí)踐證明，該方法測(cè)得的管道實(shí)際壓漿量與理論計(jì)算壓漿量基本是吻合的，兩者的相互關(guān)系可以為評(píng)估壓漿密實(shí)度提供參考；同時(shí)，也能一定程度上反映出工程實(shí)際狀況，促進(jìn)施工質(zhì)量改進(jìn)。

6 結(jié)語(yǔ)

研究顯示，自動(dòng)化壓漿技術(shù)能夠改善橋梁管道壓漿質(zhì)量。在既有壓漿工藝的基礎(chǔ)上，配套自動(dòng)化壓漿工藝應(yīng)滿足以下要求：①細(xì)化并精確自動(dòng)控制制漿配料、稱重環(huán)節(jié)，增加靜態(tài)稱量，提高水泥和壓漿劑（或壓漿料）的稱量精度。②通過(guò)壓力自動(dòng)監(jiān)控，自動(dòng)提示人機(jī)作業(yè)的銜接和轉(zhuǎn)換。③壓漿速度自動(dòng)調(diào)控，壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并記錄、輸出。④壓漿量自動(dòng)計(jì)量，提供密實(shí)度評(píng)估依據(jù)。