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        大孔徑曲線形預(yù)應(yīng)力管道灌注緩凝漿密實(shí)度改進(jìn)方法研究*

        2022-08-27 09:51:38付凱明
        施工技術(shù)(中英文) 2022年14期

        付凱明,王 勇,劉 康,劉 軍,荊 銳

        (中國建筑第二工程局有限公司,北京 100160)

        1 工程概況

        廣西防城港核電工程核島安全殼采用后張法有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力系統(tǒng),鋼束由54束1 860MPa級低松弛鋼絞線組成,每束鋼絞線由7根鋼絲組成,公稱面積為150mm2,預(yù)應(yīng)力管道成孔內(nèi)徑為160mm,其中水平鋼束管道長約150m。預(yù)應(yīng)力鋼束經(jīng)過張拉后,對管道灌注水泥漿進(jìn)行密封,主要目的為充分包裹鋼絞線,避免銹蝕。因此,管道灌漿作為后張法預(yù)應(yīng)力核島安全殼混凝土施工中最重要的環(huán)節(jié)之一,其質(zhì)量的好壞直接影響到核島安全殼的安全性和耐久性,應(yīng)高度重視預(yù)應(yīng)力管道灌漿密實(shí)性問題。在核島安全殼預(yù)應(yīng)力工程中,由于各類穿墻貫穿件的存在,預(yù)應(yīng)力水平管道在許多位置呈波形布置,具有波峰和波谷,在灌漿過程中,拐點(diǎn)及反彎點(diǎn)等特殊部位易受空氣、泌水影響,形成薄弱帶。

        本文通過選取局部起伏管道試驗(yàn)?zāi)M現(xiàn)場管道灌漿,研究漿體流動速度、灌漿過程排氣、漿體凝結(jié)時間等對灌漿密實(shí)性的影響及提高漿體密實(shí)性的措施。

        2 試驗(yàn)材料

        1)普通水泥漿[1]由水泥、高效減水劑、微膨脹劑、礦物摻合料、水等組成,水膠比≤0.33,初凝時間≥4h,終凝時間≤24h,出機(jī)流動度(18±4)s,30min流動度≤30s。從漿體攪拌到使用≤40min,適用于管道直徑及長度較小的情況。

        2)膨脹漿 由水泥、水、膨脹劑按一定比例攪拌而成,水灰比為0.3~0.38,膨脹漿攪拌后初始流動度為14~26s,攪拌后應(yīng)在30min內(nèi)完成灌漿。與普通水泥漿相比,適用于預(yù)應(yīng)力管道更短、灌漿量更少的情況。

        3)緩凝漿 由水泥、水、減水劑、緩凝劑按一定比例攪拌而成,水灰比為0.3~0.38,初凝時間<50h,終凝時間<80h,漿體流變性能好,可滿足長時間使用的要求,但漿體較稀,常規(guī)灌漿工藝不易填滿管道。

        4)觸變漿 由水泥、水、減水劑、緩凝劑按一定比例攪拌成緩凝漿后加入觸變劑攪拌而成,漿體稠度大,自流速度小,易填滿管道,但目前國內(nèi)對觸變漿的研究較少。

        根據(jù)水平預(yù)應(yīng)力管道內(nèi)徑大、管道長、灌漿量大(單根管道灌漿量約為2m3)及灌漿所用時間較長的特點(diǎn),選用緩凝漿進(jìn)行灌漿。主要材料為:水泥為魚峰P·II42.5硅酸鹽水泥;拌合水為廠區(qū)施工用水,滿足拌合水使用要求;外加劑選用江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產(chǎn)的BT?-GW(1)型減水劑和SBT?-SR(II)型緩凝劑。

        根據(jù)規(guī)范[2-4]及項(xiàng)目核電技術(shù)規(guī)格書,緩凝漿性能需滿足以下要求:攪拌后初始流動度須為9~13s(采用口徑10mm流錐試驗(yàn)測定),6h流動度<14s,10h流動度<25s;3h泌水率宜≤2%,且應(yīng)≤3%,泌水應(yīng)能在24h內(nèi)全部被漿體吸收。灌漿環(huán)境溫度為5~35℃,漿體溫度≤32℃。

        3 灌漿缺陷研究

        根據(jù)現(xiàn)有核電成熟灌漿工藝,采用參考文獻(xiàn)[5]中水平鋼束緩凝漿灌漿方法進(jìn)行試驗(yàn)。選取實(shí)體工程中水平管段,試驗(yàn)管道波形布置如圖1所示,鋼管內(nèi)徑160mm,跨度31m,實(shí)際長度31.4m,2個起伏段,矢高分別為670,710mm。模擬實(shí)體工程穿入54根鋼絞線,右端為進(jìn)漿口,左端為出漿口,灌漿泵型號為PH125,采用緩凝漿灌漿,水灰比為0.313,緩凝劑摻量為實(shí)驗(yàn)室基準(zhǔn)配合比確定的15份。

        圖1 試驗(yàn)管道波形

        經(jīng)充分養(yǎng)護(hù),在灌入漿體凝結(jié)后,檢查管道開窗截面。結(jié)果顯示,空腔集中在管道頂部靠灌漿下坡段(見圖2),主要由未排出氣體和漿體泌水引起。

        圖2 灌漿缺陷情況示意

        經(jīng)分析,造成缺陷的可能原因如下。

        1)管道內(nèi)凈空間增大,空氣量增加 預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)管道內(nèi)徑為160mm,扣除鋼絞線后凈截面面積為 11 996mm2, 凈灌漿量約為12L/m;以往成熟預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)管道內(nèi)徑為97.6mm,扣除鋼絞線凈截面面積為 4 628mm2, 凈灌漿量約為4.63L/m。本項(xiàng)目管道每米灌漿量為以往項(xiàng)目的2.6倍,相同灌漿速度下無法保證管道充實(shí),同時漿體自身攜帶的氣泡隨漿量的增加而增加,在管道內(nèi)聚集后易引起氣泡或空腔。

        2)凈漿量增多,毛細(xì)泌水增加 水泥漿(尤其緩凝漿)內(nèi)的游離水在鋼絞線表面的毛細(xì)作用下形成流動引起漿體泌水,使泌水量增多。后期漿體硬化過程中又將泌水吸收,最終形成水痕、水槽或空腔缺陷。本項(xiàng)目預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)單束為54根鋼絞線,相比以往成熟預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)的19根增加近2倍,因此,由鋼絞線引起的泌水也被相應(yīng)放大。

        3)線形起伏多、高差大,缺陷易聚集 相比于以往核電項(xiàng)目,本項(xiàng)目安全殼貫穿件數(shù)量增加,相應(yīng)水平預(yù)應(yīng)力鋼束線形具有更多高低起伏。灌漿后,孔道內(nèi)的氣泡、泌水因相對密度較小,通常會向起伏區(qū)域聚集,形成較大缺陷。

        綜合分析,灌漿密實(shí)度的可能影響因素為灌漿速度及灌漿方法不合適,導(dǎo)致氣體無法排出、漿體初凝時間過長而造成泌水過多。

        4 灌漿密實(shí)度影響因素分析

        4.1 灌漿速度

        水泥漿體具有一定的黏聚性,灌漿過程中,若灌漿速度低于漿體自流速度,使?jié){體在下降段易出現(xiàn)先流現(xiàn)象[6](先流現(xiàn)象是指漿體在下降段先流至最低點(diǎn),然后反向上升),導(dǎo)致氣體不能被全部排出,如圖3所示。若灌漿速度較快,漿體在管道內(nèi)的流動充盈度接近1,灌漿過程中可很好地將氣體排出,如圖4所示。

        圖3 流速較小時漿體流動情況

        圖4 流速較大時漿體流動情況

        按此理論假設(shè),通過對水平管道起伏段在不同灌漿速度下的模擬灌漿試驗(yàn),探索最佳灌漿速度。試驗(yàn)管道波形布置如圖1所示,主要分為3組。

        1)A組采用低速灌漿,速度擋位全程為3擋(約0.1m/s),出漿取樣合格后關(guān)閉出口閥門,加壓至5.0bar(1bar=0.1MPa),關(guān)閉進(jìn)口閥門。

        2)B組采用前30s低速灌漿,速度擋位為3擋,之后調(diào)至5擋,出漿取樣合格后關(guān)閉出口閥門,加壓至5.0bar,關(guān)閉進(jìn)口閥門。

        3)C組采用前30s低速灌漿,速度擋位為3擋,之后調(diào)至8擋(約0.3m/s),出漿取樣合格后關(guān)閉出口閥門,加壓至5.0bar,關(guān)閉進(jìn)口閥門。

        待試驗(yàn)完成后在鋼管頂部開長窗,觀察灌漿密實(shí)情況。

        根據(jù)灌漿時間和鋼管長度,可計(jì)算漿體平均流速如下:

        (1)

        式中:V平為漿體平均流速;L為管道長度(m);t為灌漿時間(s)。

        在灌漿試驗(yàn)中,根據(jù)記錄的灌漿時間及管道實(shí)際長度,計(jì)算出漿體在管道中的平均流速。灌漿時間及平均流速如表1所示。由于B,C組在上坡段前30s采用低速灌漿,未能反映實(shí)際最大灌漿速度,扣除前30s的時間及長度,得到灌漿時間及最大平均流速如表2所示。

        表1 灌漿時間及平均流速試驗(yàn)結(jié)果

        表2 灌漿時間及最大平均流速試驗(yàn)結(jié)果

        待漿體硬化后,將試驗(yàn)管道按規(guī)定位置開設(shè)長窗,以便更好地觀察排氣效果及管道灌漿密實(shí)度。開窗后發(fā)現(xiàn),A組頂部至下降段存在明顯空腔,長度約為5.01m,最大深度103mm,鋼絞線外露嚴(yán)重,影響預(yù)應(yīng)力管道質(zhì)量。B組空腔長度約為2.52m,最大深度33mm,個別鋼絞線外露。C組空腔長度約為1.71m,最大深度24mm,無鋼絞線外露。

        通過分析,A,B,C組管道出現(xiàn)較大空腔現(xiàn)象主要影響因素為:①灌漿過程中,由于漿體灌漿速度小于自流速度,漿體在管道下降段出現(xiàn)了先流現(xiàn)象,反向上升過程中在最高點(diǎn)與最低點(diǎn)形成封閉氣體;②根據(jù)3組試驗(yàn)結(jié)果對比分析可知,灌漿速度越小,先流現(xiàn)象越明顯,形成空腔越大;③由于管道內(nèi)徑較大,穿入54束鋼絞線的凈空面積約為12 000mm2, C組試驗(yàn)漿體速度已達(dá)0.315m/s,換算成流量約為3.75L/s,此時灌漿流量已接近現(xiàn)有灌漿設(shè)備最大泵送流量,但仍無法克服先流現(xiàn)象。對于凈截面積較大的孔道,提高泵送速度可在一定程度上改善灌漿密實(shí)度,但在克服先流現(xiàn)象前,始終無法完全填充孔道。

        4.2 灌漿方法

        根據(jù)4.1節(jié)試驗(yàn)結(jié)果,當(dāng)采用一定灌漿速度進(jìn)行水平鋼束起伏段灌漿時,可將孔道先流現(xiàn)象產(chǎn)生的封閉氣體減小至很少一部分,但靠常規(guī)灌漿方法無法排出管道內(nèi)封閉氣體。如在灌漿前將管道中氣體抽出,使管道處于或接近真空狀態(tài)時,可抵消這部分封閉氣體。按照此假設(shè),參照文獻(xiàn)[7]中的真空灌漿工藝,灌漿過程中保證管道中真空度達(dá)-0.8~-1.0bar,采用真空輔助方式進(jìn)行灌漿,改善灌漿狀況。

        試驗(yàn)管道參照圖1所示波形布置,采用內(nèi)徑100mm透明波紋管道。試驗(yàn)主要分為2組。

        1)a組速度擋位為7擋,正常灌漿至出漿,取樣合格后關(guān)閉出口閥門,同時關(guān)閉進(jìn)口閥門。

        因此系統(tǒng)(9)—(10)是Lyapunov穩(wěn)定的當(dāng)且僅當(dāng)z是系統(tǒng)(9)的平衡點(diǎn)。因?yàn)閂(z)的任一水平集有界,所以L={Rm+n+p|V(z)≤V(z(t0))}有界。t≥t0, z(t)L有界,故τ=+∞,且存在收斂子序列z(tk), t0 <… <…,使得為系統(tǒng)(9)的平衡點(diǎn)。定義不難驗(yàn)證沿系統(tǒng)(9)單調(diào)遞減,且因此,?ε>0,存在q>0,當(dāng)t≥tq時,

        2)b組出口連接真空泵,真空度達(dá)80%后開始灌漿,并持續(xù)抽真空,速度擋位為7擋,出漿后關(guān)停真空泵,取樣合格后關(guān)閉出口閥門,同時關(guān)閉進(jìn)口閥門。

        試驗(yàn)采用透明管道,可觀察到漿體在管道內(nèi)的流動,2組管道均能看到先流現(xiàn)象。a組管道封閉氣體緩慢在下坡段形成,隨著灌漿結(jié)束,緩慢移動至管道頂部,無法消失;b組管道封閉氣體也在下坡段形成,而后慢慢減小,形成個別小氣泡,氣泡深度<15mm,長度>30mm。灌漿情況如圖5所示。

        圖5 透明管道灌漿情況

        由此可知,采用真空輔助灌漿配合高速灌漿可明顯改善漿體先流現(xiàn)象形成的管道空腔,由于無法達(dá)到100%真空度,殘留氣體仍會留下小氣泡,但氣泡可通過加壓進(jìn)一步縮小。

        4.3 初凝時間

        經(jīng)分析得出,由于鋼絞線的毛細(xì)作用,漿體泌水沿鋼絞線縫隙上升至管道頂部匯集,初凝時間越長,毛細(xì)作用時間越長,形成的泌水相應(yīng)增多。漿體初凝時間取決于緩凝劑摻量。擬選取最優(yōu)緩凝劑摻量,改善漿體初凝時間,減少漿體泌水率的影響,從而提高灌漿密實(shí)度。

        4.3.1泌水率測試

        現(xiàn)在國內(nèi)外存在多種泌水率測定方法,對于同一種漿體,不同測定方法得出的結(jié)論相差很大。NB/T 20325.2—2014《壓水堆核電廠安全殼預(yù)應(yīng)力技術(shù)規(guī)程 第2部分:試驗(yàn)》[3]建議,水泥漿泌水率可采用內(nèi)徑27mm玻璃試管盛體積約100cm3的水泥漿進(jìn)行測定。但按此標(biāo)準(zhǔn)測定的水泥漿泌水率接近0,與摸底試驗(yàn)情況差異較大?,F(xiàn)場使用透明管道內(nèi)穿鋼絞線并灌漿,然后測量泌水率的方法能更真實(shí)地反映漿體在管道內(nèi)的泌水特性。

        試驗(yàn)使用高1 200mm、內(nèi)徑100mm透明塑料管道,內(nèi)穿21束長度1 000mm鋼絞線。

        漿體配合比采用基準(zhǔn)配合比,只調(diào)整緩凝劑摻量,基準(zhǔn)緩凝劑摻量為15份。試驗(yàn)設(shè)置5組不同緩凝劑摻量,分別為11,12,13,14,15份,按相同攪拌工藝制備緩凝漿,將制備好的緩凝漿倒入透明塑料管道至管口150mm處,管道豎直放置;另外制作1組水平放置的15份緩凝劑摻量試驗(yàn)管道作為對比。待泌水停止后,用海綿或抹布將管中水分吸干,使用量杯向管道中加水至漿體初始位置,記錄加入水量。

        試驗(yàn)共進(jìn)行2次,泌水記錄如表3所示。

        表3 不同緩凝劑摻量泌水試驗(yàn)結(jié)果

        為進(jìn)一步掌握不同緩凝劑摻量漿體流動度隨時間的變化及漿體初凝時間,測定其中1次試驗(yàn)的漿體流變情況,測定結(jié)果如表4所示。

        表4 不同緩凝劑摻量漿體流變情況

        根據(jù)表3所示泌水率試驗(yàn)結(jié)果取平均數(shù)和表5所示初凝時間試驗(yàn)結(jié)果繪制緩凝劑摻量與泌水率、初凝時間關(guān)系折線,如圖6所示。

        圖6 不同緩凝劑摻量與泌水率、初凝時間關(guān)系

        分析可知:

        1)緩凝劑摻量與泌水率大致呈正相關(guān),隨著緩凝劑摻量減小,泌水率逐漸減小。

        2)初凝時間與緩凝劑摻量大致呈正相關(guān),即緩凝劑摻量越大,漿體初凝時間越長。

        3)管道水平放置與豎向放置泌水差異明顯。水平放置管道漿體泌水很少,產(chǎn)生的泌水能被漿體吸收,預(yù)應(yīng)力管道泌水空腔主要由起弧段漿體引起。

        5 灌漿密實(shí)度影響因素改進(jìn)措施驗(yàn)證

        選擇緩凝劑摻量為12份的緩凝漿重新進(jìn)行灌漿試驗(yàn),試驗(yàn)參數(shù)如下。

        1)灌漿速度 灌漿泵速度擋位為7擋,綜合灌漿速度為0.167~0.267m/s。

        2)灌漿工藝 采用真空輔助灌漿,起始真空度≥ -0.8bar,灌漿過程中持續(xù)抽真空,出口流動度合格后保壓5~10bar,持壓1min,壓降<1bar。

        待灌漿完成3d后,管道開窗結(jié)果顯示,管道頂部表面除有少量泌水析出物外,整體飽滿、密實(shí),無較大空腔、氣泡。

        6 結(jié)語

        進(jìn)行核電站安全殼預(yù)應(yīng)力水平鋼束管道小起伏段灌漿時,影響灌漿密實(shí)度的因素為灌漿速度及灌漿方法不合適,導(dǎo)致氣體無法排出、漿體初凝時間過長而產(chǎn)生泌水過多。

        1)通過灌漿速度試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在非真空情況下,對于大直徑預(yù)應(yīng)力管道,適當(dāng)提高灌漿速度可明顯減小漿體先流現(xiàn)象形成的氣體空腔,但由于現(xiàn)有灌漿設(shè)備灌漿流量的影響,無法消除這種現(xiàn)象。

        2)通過真空輔助灌漿試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),采用真空輔助灌漿工藝,并且保證管道真空度>-0.8bar,可明顯縮小氣體空腔,使其滿足規(guī)范要求。

        3)通過漿體泌水試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),緩凝漿初凝時間對漿體泌水有著重要影響。泌水率隨著摻量減少而降低,適當(dāng)?shù)木從凉{初凝時間可明顯改善由于漿體泌水產(chǎn)生的空腔。

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