预应力孔道压浆试验及浆体特性

刘聿锋 ，王晗 ，沈佳

1.山东省路桥集团有限公司，山东 济南 250021；2．山东大学 齐鲁交通学院，山东 济南 250100；3.山东交通学院 交通土建工程学院，山东 济南 250357

0 引言

预应力混凝土桥梁利用钢筋或钢丝(索)张拉力的反力使混凝土在受载前预先受压，保证在运营阶段不出现拉应力，或有拉应力而未出现裂缝或控制裂缝在容许宽度内，预应力混凝土桥梁在中小跨径和大跨径桥梁中一直占有主导地位[1-6]。但预应力混凝土桥梁在施工或使用过程中往往出现某些病害，例如锚具破裂、波纹管线性与设计偏差较大、孔道注浆不密实等。锚具破裂是由于锚具硬度偏大，在大的应力作用下发生脆性断裂；线性偏差较大是因为波纹管未按规定固定牢固[7-8]。孔道压浆效果直接关系到后张法预应力混凝土梁正常使用性能、耐久性、安全性等问题，因压浆不密实导致预应力管道内钢绞线锈蚀，预应力提前丧失，桥梁寿命缩短。因此，提高预应力波纹管道性能，特别是孔道压浆施工质量尤为重要[9-15]。

针对孔道压浆问题，已有相关研究。房慧明等[16-17]利用流体力学仿真方法对循环压浆过程进行模拟，对比数值模拟与试验结果，指出入口处与截面突变处易出现压浆缺陷；银晓东[18]通过缩尺试验对不同压浆类型进行对比，表明缺陷程度跟承载力呈线性关系；吴军[19]提出一种大循环智能压浆技术，能实现高效率施工；赵安基等[20]制作25 m预制小箱梁管道进行全尺寸压浆模拟，改进了压浆工艺；巴卫强[21]针对影响压浆性能的关键因素进行分析，研究了不同掺配材料对压浆剂性能的影响规律；许湘华等[22]基于冲击回波法检测8片不同缺陷的梁，准确判定孔道压浆质量。压浆缺陷长度削弱极限抗弯承载力[23]，曲线孔道曲率发生变化的位置浆液流速和压力变化较大，原因是压浆工艺参数和孔道内流体力学性能不匹配，导致孔道内产生缺陷[24]。

本研究依托山东高速高广公路有限公司的小清河3号大跨波形钢腹板连续箱梁桥施工项目，建立预应力压浆管道的缩尺模型，对预应力波纹管道内浆体流量与压力进行分析，探讨浆体压力与波纹管直径、长度的关系，对后续施工工作具有重要指导意义。

1 工程概况

小清河特大桥位于长深高速公路高青至广饶段，大桥跨越小清河，主桥上部跨度为(90+150+90) m，汽车荷载为公路I级，设计时速为120 km/h，主桥位于半径6000 m的圆曲线上，纵断面位于半径20 000 m的圆曲线上。小清河特大桥主桥采用波形钢腹板预应力混凝土变截面连续箱梁，体内预应力管道均采用塑料波纹管，波纹管孔道直径为100 mm，如图1所示。

图1 小清河特大桥连续箱梁示意图

2 压浆试验

2.1 模型制作

考虑试验条件限制，根据实桥模型中底板预应力孔道(见图2)的形式，孔道距底板底缘15 cm,制作长18 m的缩尺模型。

图2 底板波纹孔道示意图

架设直径为50 mm的波纹管道，波纹管模型纵向长度为18 m，最大高差为1.52 m。在试验管道内预先放置内衬管，防止浇注混凝土时波纹管变形。为防止波纹管产生下挠，影响试验测试数据，沿波纹管纵向每间隔0.5 m架设一个钢筋支架，如图3所示，以保证波纹管的线形。利用扎丝将波纹管与钢筋支架固定牢固，防止波纹管移动。

图3 波纹管试验模型示意图

在试验管道的跨中、波纹管的2个起弯点及波纹管的2个反弯点预先打孔，用钢筋焊接支架将电磁流量计固定牢固，保证测试数据时仪器处于平稳状态，并把4个电磁流量计和5个压力传感器连接到直径为20 mm的圆钢管上，钢管固定到波纹管上，用密封胶与速干水泥密封连接口，保证连接处的密封性。由进浆口至出浆口流量计编号依次为1#～4#，压力传感器编号依次为1#～5#，如图4所示。

a) 流量计编号 b)压力传感器编号 图4 压力传感器及流量计编号示意图

为防止压浆过程中出现漏气、漏浆等情况，在波纹管两端安装锚垫板。并在锚垫板外侧放置胶皮垫片，用螺栓锚固5 mm厚的钢板和锚垫板，将胶皮垫片挤压在钢板与锚垫板之间。最后在波纹管外围支竹胶板，将波纹管用混凝土进行浇筑密封，保证混凝土振捣密实。

在波纹管的两端分别延伸出钢管用于压浆与排气，将智能压浆台车的压浆管与进浆口连接管连接。连接时用防水胶带包裹压浆管螺纹外围，防止漏浆影响试验数据。

2.2 测试原理

为实现精准拌和与压浆控制，采用智能压浆台车进行压浆，采用压力传感器、电磁流量计、无纸记录仪等记录试验数据，避免人工操作导致的误差。

在压浆机出口处和波纹管进浆口处设置压力传感器，两者测量结果差值即为压浆管的压降。沿波纹管轴向布置压力传感器和流量传感器，测试波纹管沿程的压力和流量变化，测试原理如图5所示。

图5 压力传感器及流量传感器工作原理示意图

波纹管外接一个钢管，在钢管与压力传感器间放置一个椭圆形油垫，与压力传感器连接的上半部分加满机油且内部没有气泡；下半部分与波纹管直接连接，保证压力传感器不与浆液直接连接，准确测试压力。

2.3 试验过程

压浆管与波纹管连接完成后，检查所有仪器是否正常运行，启动智能压浆机依次进行压水试验、压浆试验。进行压浆试验时，储料箱中水与掺和料的质量比为0.3:1，高速拌和，搅拌时间设置为3 min，浆体搅拌至无明显颗粒结束，浆体在存浆桶内边压浆边低速搅拌，防止初凝。试验过程采用循环压浆，出浆口处连接管延伸至压浆机，使浆体回收至存料桶。

测试保压压力依次为0.3、0.4、0.5 MPa时水与浆体的流量与压力。当浆体流出达到指定压力并稳定流动时，将连接流量计的管道阀门全部关闭，按照出浆口至压浆口的顺序依次进行数据采集，依次关闭压力传感器阀门后开始测试，同时记录流量计测试的开始时间，测试时长为1 min。测试完毕后关闭智能压浆台车停止压浆，导出无纸记录仪中采集的数据。

2.4 试验结果

将水和浆体在不同保压压力下的体积流量、压力测试结果绘制成实时曲线，如图6所示。

图6 不同保压压力时水与浆体的流量与压力随时间的变化曲线

由图6可知：同一保压压力下，不同流量计所测数据变化较小；最大流量差为0.09 m3/h，变化率为7%；最小流量差为0.01 m3/h，变化率为1%。以固定压力压浆时，波纹管内的流量几乎不变。水和浆体的最小保压压力分别为0.3、0.4、0.5 MPa时，平均流速均为0.065、0.110、0.116 m/s。压力测试曲线存在波动，原因是流量计连接管的阀门开启对周围流体存在扰动，波纹管内的压力降低，关闭流量计阀门后，波纹管内的压力恢复。

3 浆体测试数据分析

浆体为连续介质，流动过程中流体质点相互衔接，由流体力学及水力学原理可知，进出微控制体的流量相等，公式为：

ρ1v1dA1=ρ2v2dA2，

式中：ρ1、ρ2分别为流进、流出微控制体两侧截面的流体密度，v1、v2分别为流进、流出微控制体两侧截面的流速，dA1、dA2分别为微控制体两侧截面的截面积。

波纹管内浆体可视为不可压缩流体密度，故ρ1=ρ2=ρ；通常波纹管截面面积不变，因此压浆过程中浆体的流速在波纹管内保持不变，根据试验测得流体流量沿波纹管纵向几乎保持不变。

波纹管内的压力沿程递减，主要有2个原因：1)浆体为黏性流体，在流动过程中存在黏性力，黏性力与波纹管内壁产生阻力导致波纹管内的压力变化，压力损失与液体流动的路程成正比；2)管道局部出现弯曲导致局部边界条件改变，引起流速沿程突变产生的惯性阻力称为局部阻力。根据能量方程得到波纹管压浆时的沿程损失系数，可以求得波纹管的沿程压力损失。

流体力学中单一管道的液体总流能量方程(伯努利方程)

(1)

式中：z1、z2分别为两断面距基准面的位置高度；p1、p2分别为两断面的平面压力，本文取1#压力传感器与5#压力传感器测试的压力；ρ为浆体的密度；hw为两断面间的水头损失。

hw=∑hf+∑hj，

(2)

式中：hf为沿程损失，即为沿程阻力造成的损失；hj为局部损失，局部阻力造成的损失。

波纹管沿程中浆体的流速几乎保持不变，即v1=v2=v,且进浆口与出浆口在同一水平线，距离地面高度均为1.52 m,故有：

(3)

hf计算公式为：

(4)

式中：λ为沿程损失系数；l为两截面间长度；d为管道直径，本试验波纹管直径为50 mm。

hj计算公式为：

hj=[0.131+1.63(d/r)3.5](θ/90)0.5，

式中：r为管道弯曲半径，该模型弯曲半径为1 m；θ为圆心角，管道弯曲位置的圆心角为21 °。

根据式(1)～(4)计算波纹管内的hf及沿程损失系数λ，计算结果如表1所示。

对调查区内的5件橄榄玄武岩进行稀土元素分析(表3、图3)[5]，结果显示，调查区稀土总量一般在88.21×10-6～112.79×10-6之间，平均为97.41×10-6。5个样品在稀土元素标准化分布型式图中表现出相同的变化趋势，轻重稀土分馏明显，且LREE分馏较强。La/Yb平均值为8.85，LREE/HREE介于7.28～7.77之间，显示岩浆分异程度一般。δEu值介于0.98～1.01之间，δCe平均值为0.92，基本不显示铈、铕异常。

表1 hf及λ计算结果

根据表1可知：λ=0.680～0.756，取其平均值，50 mm波纹管压浆时λ=0.664。

柯列勃洛克公式为：

(5)

式中：Δ为波纹管当量粗糙度，Δ=5 mm；Re为流体雷诺数。

雷诺数是相似流动中惯性力与黏性力量级之比，其公式为：

Re=vd/β，

(6)

式中：β为运动黏度，β=μ/ρ；μ为动力黏度，又称绝对黏度或黏滞系数，Pa·s。

表2 Re及μ计算结果

根据式(5)(6)计算Re及μ如表2所示。

由表2可知：直径为50 mm的孔道压浆时，波纹管内浆体的Re=49.79～79.09，因为Re<2100，可知浆体流动属于层流[24]。

根据计算所得的λ，平均流速为0.92 m/s，利用式(4)分析波纹管不同管径下因流体黏性力导致的沿程损失，波纹管内径为50～130 mm，压力损失曲线见图7。

图7 压力损失变化曲线

由图7可以看出：当波纹管直径一定时，压力沿程损失随着波纹管长度的增加而增加；当波纹管长度一定时，波纹管直径越小，压力沿程损失越大。

4 结论

1)沿波纹管轴向由进浆口至出浆口压力逐渐递减，流量保持稳定。

2)波纹管内浆体的雷诺数均小于2100，属于层流。

3)当波纹管直径一定时，压力沿程损失随着波纹管长度的增加而增加；当波纹管长度一定时，波纹管直径越小，压力沿程损失越大。