公路預(yù)應(yīng)力孔道壓漿材料高速制漿設(shè)備與應(yīng)用

邊 江，陳 超

(1．深圳市交通公用設(shè)施建設(shè)中心，深圳 518040；2.中交(廣州)建設(shè)有限公司，廣州 511458)

預(yù)應(yīng)力管道壓漿材料及施工質(zhì)量是確保預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁結(jié)構(gòu)工程質(zhì)量的關(guān)鍵，預(yù)應(yīng)力管道壓漿材料在橋梁預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)中可以起到：1)保護(hù)預(yù)應(yīng)力鋼筋不外露使其免遭或延緩銹蝕，保證預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)安全；2)使預(yù)應(yīng)力鋼筋與混凝土良好結(jié)合，保證預(yù)應(yīng)力的有效傳遞，使預(yù)應(yīng)力鋼筋與混凝土共同承受荷載；3)消除預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)在反復(fù)荷載作用下，由于應(yīng)力變化對(duì)錨具造成的疲勞破壞。因此預(yù)應(yīng)力管道壓漿是確保預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)工程質(zhì)量、延長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力橋梁結(jié)構(gòu)安全使用的關(guān)鍵因素。交通運(yùn)輸行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JTG/T F50—2011《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》和JT/T 946—2014《公路工程預(yù)應(yīng)力孔道灌漿料(劑)》先后頒布，要求公路橋梁建設(shè)中全面推行水膠比不大于0.28的預(yù)應(yīng)力管道壓漿材料的應(yīng)用，以提高預(yù)應(yīng)力工程質(zhì)量、結(jié)構(gòu)安全性和耐久性。兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，對(duì)低水膠比壓漿材料的應(yīng)用起到了巨大的推動(dòng)作用，但兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)在制定時(shí)，對(duì)制漿設(shè)備沒有做出嚴(yán)格的規(guī)定，僅對(duì)攪拌轉(zhuǎn)速和線速度做了簡(jiǎn)單規(guī)定，致使部分地區(qū)因檢測(cè)及現(xiàn)場(chǎng)制漿設(shè)備的問題導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果或工程質(zhì)量不合格。因?yàn)橹茲{問題，國(guó)內(nèi)已經(jīng)建成使用或正在建設(shè)的橋梁大多存在預(yù)應(yīng)力管道壓漿不密實(shí)的質(zhì)量通病，為橋梁長(zhǎng)期安全運(yùn)營(yíng)留下不同程度的安全隱患。隨著高速公路建設(shè)向山區(qū)延伸，橋梁建設(shè)比例大幅提高，進(jìn)一步改進(jìn)或提升壓漿材料的勻質(zhì)性和可操作性，對(duì)保障公路工程橋梁結(jié)構(gòu)質(zhì)量具有重要意義。

1 預(yù)應(yīng)力孔道壓漿漿體制備實(shí)際情況分析

為系統(tǒng)了解預(yù)應(yīng)力孔道壓漿料制備與工程應(yīng)用情況，對(duì)國(guó)內(nèi)河北、廣西、內(nèi)蒙古、新疆、云南、湖北等地區(qū)多個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行了調(diào)研。經(jīng)過近10年的推廣應(yīng)用，公路工程預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)基本上都采用了專用的壓漿材料進(jìn)行施工，極大的改善了預(yù)應(yīng)力工程壓漿的質(zhì)量。從室內(nèi)檢測(cè)結(jié)果可以看出，含水率、細(xì)度、氯離子含量等勻質(zhì)性指標(biāo)廠家質(zhì)量控制較好，很少出現(xiàn)不合格現(xiàn)象，其他的技術(shù)指標(biāo)中，凝結(jié)時(shí)間、自由泌水率、鋼絲間泌水率、自由膨脹率、充盈度以及抗折強(qiáng)度等技術(shù)指標(biāo)基本都是合格。而流動(dòng)度和抗壓強(qiáng)度的檢測(cè)合格率較其他指標(biāo)有所降低，主要原因是流動(dòng)度的敏感性較高，試驗(yàn)人員的操作水平以及材料的偏差很容易引起測(cè)試不合格。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)分析，流動(dòng)度出現(xiàn)不合格有三方面因素，一是試驗(yàn)人員經(jīng)驗(yàn)不足，讀取數(shù)據(jù)時(shí)漿體完全流出的時(shí)間把握不準(zhǔn)，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果不合格；二是材料自身問題，壓漿劑與水泥之間有適應(yīng)性問題，當(dāng)適應(yīng)性較差時(shí)，容易造成流動(dòng)度不合格；三是試驗(yàn)室內(nèi)制漿設(shè)備不合格，漿體攪拌不到位，漿體出現(xiàn)團(tuán)塊。

從預(yù)應(yīng)力孔道壓漿材料現(xiàn)場(chǎng)施工及質(zhì)量控制來看，76家單位均采用專用的施工制漿設(shè)備。因?qū)Ｓ弥茲{設(shè)備目前沒有標(biāo)準(zhǔn)，各種專用設(shè)備基本上是滿足攪拌速度即可，對(duì)其他性能沒有明確要求。調(diào)研結(jié)果顯示，目前制漿設(shè)備基本都是采用立軸式攪拌機(jī)，轉(zhuǎn)速控制以控制線速度為主，采用單層槳葉的攪拌方式(采用多層槳葉的僅占總數(shù)的7%不到)。從現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量的方式來看，對(duì)于壓漿料、壓漿劑及水泥等原材料而言，主要是以標(biāo)準(zhǔn)袋包裝的方式進(jìn)行測(cè)算，用水量進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)稱重計(jì)量。在攪拌過程中，可能會(huì)存在因流動(dòng)度不足，采用加水的方式進(jìn)行調(diào)整。從制漿效果來看，在制漿過程中普遍存在團(tuán)塊現(xiàn)象，約50%的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)有分層現(xiàn)象。從中可以看出，目前制漿的效果沒有完全達(dá)到材料設(shè)計(jì)的要求。從整體的預(yù)應(yīng)力孔道壓漿材料應(yīng)用情況調(diào)研結(jié)果來看，新的壓漿材料標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施后，新的專用預(yù)應(yīng)力孔道壓漿材料的應(yīng)用得到普及，對(duì)提高預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的耐久性起到了一定的促進(jìn)作用，但從現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研的結(jié)果可以看到，現(xiàn)場(chǎng)制漿效果存在一定的問題。

2 立軸式制漿設(shè)備的應(yīng)用效果分析

2.1 攪拌設(shè)備的結(jié)構(gòu)分析

現(xiàn)有的預(yù)應(yīng)力孔道壓漿料制漿機(jī)，均為立式攪拌或斜式攪拌結(jié)構(gòu)。由于水泥漿液中的顆粒(微粒)多以絮凝體形式懸浮于體系之中，濃度越大，絮凝體存在趨勢(shì)越強(qiáng)，水泥顆粒的分散越困難。而立式攪拌罐由于結(jié)構(gòu)原因，易造成漿液在罐內(nèi)隨著槳葉的運(yùn)動(dòng)，形成規(guī)則的旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)，部分粉料在漿液中形成包團(tuán)(水包粉)，極不容易分散。目前市場(chǎng)上攪拌結(jié)構(gòu)和攪拌器種類繁多，根據(jù)攪拌器型式和使用條件進(jìn)行了分類，如表1所示。

表1 攪拌器型式和適用條件選型表

預(yù)應(yīng)力孔道壓漿料是以水泥為基料，摻入高效減水劑、膨脹劑、穩(wěn)定劑、礦物摻合料等多種外加劑，由工廠預(yù)拌生產(chǎn)的干混料，在施工現(xiàn)場(chǎng)直接加水，拌合均勻后漿液具有高流動(dòng)性、零泌水、微膨脹等良好特性。壓漿漿液質(zhì)量的好壞直接決定了橋梁的使用壽命。而流動(dòng)性是預(yù)應(yīng)力孔道壓漿料的主要指標(biāo)之一，是保證壓漿施工順利進(jìn)行的首要條件，因此制漿是保障預(yù)應(yīng)力孔道壓漿質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。

綜合考慮預(yù)應(yīng)力孔道壓漿材料的制備過程，高速旋轉(zhuǎn)的水泥顆粒在離心加速度的作用下，不斷撞擊桶壁并相互剪切，其流動(dòng)狀態(tài)為剪切流。從表1攪拌器適應(yīng)條件可看出，適合水泥漿攪拌器類型有三種，分別為：渦輪式(圖1)、槳葉式(圖2)以及布魯馬金式(圖3)。水泥漿體中的顆粒常以絮凝體形式懸浮于體系之中，濃度越大，絮凝體形式存在趨勢(shì)越強(qiáng)。機(jī)械分散顆粒群是通過對(duì)顆粒團(tuán)的剪切作用而實(shí)現(xiàn)的，制漿時(shí)，機(jī)械剪切作用愈大，顆粒越分散。

以常用的槳葉攪拌器為例進(jìn)行分析，槳葉攪拌器有平槳式和斜槳式兩種。平槳式攪拌器由兩片平直槳葉構(gòu)成。槳式攪拌器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，常用于低粘度液體的混合以及固體微粒的溶解和懸浮。斜槳式槳葉攪拌器造成的湍動(dòng)程度高，循環(huán)量大，特別適用于要求容器上下均勻的場(chǎng)合。其特點(diǎn)是由于切向分速度的影響，液體在容器內(nèi)不僅可以做圓周運(yùn)動(dòng)，各層之間還有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)有效的分散。

攪拌器使用效果與攪拌容器的形狀息息相關(guān)。在使用過程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)選型符合，轉(zhuǎn)速也很高，但是漿液混合效果很差的情況。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，其原因是因?yàn)閿嚢枞萜鞯闹睆脚c攪拌器直徑之間的比例不合理，攪拌器與攪拌容器底部的距離設(shè)置不合理。設(shè)置不合理會(huì)導(dǎo)致攪拌容器內(nèi)所有的介質(zhì)都在高速旋轉(zhuǎn)但相互之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)少而導(dǎo)致混合效果差。還有些攪拌容器底部不規(guī)則，也必須考慮使用橢圓形攪拌器才能很好的匹配。

2.2 攪拌設(shè)備的結(jié)構(gòu)仿真分析

通過建立槳葉攪拌器三維模型，使用FLUENT仿真軟件，采用流體力學(xué)中歐拉模型，得到相關(guān)設(shè)備流體動(dòng)力學(xué)特性，分析不同設(shè)備攪拌效果。建立攪拌器槳葉攪拌器的三維模型，攪拌軸的直徑為0.15 m，槳葉軸徑的厚度為0.005 m，模型為四葉槳，槳葉長(zhǎng)0.032 5 m，寬0.01 m，厚度0.002 m。根據(jù)螺旋槳距離最外層流體邊界底部長(zhǎng)度的不同，得出兩種工作狀況。第一種，距離為0.011 25 m；第二種，距離為0.013 5 m。分別簡(jiǎn)稱為工況A和B。工況A使用最小單元為8 mm自動(dòng)化方式進(jìn)行劃分。工況B使用最小單元為10 mm自動(dòng)化方式進(jìn)行劃分。

重力加速度設(shè)置為9.81 m/s2。流體設(shè)置為水。螺旋槳旋轉(zhuǎn)使用MRF模型，轉(zhuǎn)速設(shè)置為1 980 r/min，繞y軸旋轉(zhuǎn)。模型選擇為湍流K-Omega模型，默認(rèn)參數(shù)。設(shè)置完畢進(jìn)行求解初始化，迭代運(yùn)算至收斂于0.001以下。工況A和B速度云圖分別如圖4和圖5。

從圖中可以看出，工況A中速度大小關(guān)于軸線部分對(duì)稱，工況B中速度大小關(guān)于軸線對(duì)稱。工況A和B中主軸下面均存在一定范圍的靜止區(qū)域。在攪拌器直徑相同和轉(zhuǎn)速相同的情況下，攪拌器距離攪拌容器底部越近，對(duì)流體的加速度更快，會(huì)對(duì)漿體起到一定的改善作用。

3 臥式制漿設(shè)備的應(yīng)用效果分析

3.1 臥式攪拌設(shè)備結(jié)構(gòu)

壓漿料在稱重器稱重后取出振動(dòng)器，經(jīng)上料斗將壓漿料加入制漿罐中，同時(shí)由計(jì)量泵將水箱內(nèi)的水送入制漿罐中，由伺服電機(jī)通過聯(lián)軸器帶動(dòng)槳葉攪拌器進(jìn)行攪拌，制好的漿體由制漿罐下方流道流出，一次制漿完成。

3.2 臥式攪拌設(shè)備仿真分析

重力加速度設(shè)置為9.81 m/s2。流體設(shè)置為水。螺旋槳旋轉(zhuǎn)使用MRF模型，轉(zhuǎn)速設(shè)置為1 980 r/min，繞y軸旋轉(zhuǎn)。模型選擇為湍流K-Omega模型，默認(rèn)參數(shù)。設(shè)置完畢進(jìn)行求解初始化，迭代運(yùn)算至收斂于0.001以下。槳葉傾斜角分別為20°、40°、60°時(shí)漿液速度云圖分別如圖6所示。

臥式結(jié)構(gòu)槳葉攪拌的漿體在攪拌過程中不存在靜止流場(chǎng)，故流動(dòng)度比立式結(jié)構(gòu)流動(dòng)度更好，漿體勻質(zhì)性更好、顆粒分散更加均勻，因此預(yù)應(yīng)力孔道壓漿材料制漿時(shí)宜采用臥式高速攪拌制漿設(shè)備。

4 結(jié) 論

a.自JTG/T F50—2011《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》實(shí)施以來，超低水膠比預(yù)應(yīng)力孔道壓漿料的應(yīng)用得到普及，但從壓漿料現(xiàn)場(chǎng)施工及質(zhì)量控制調(diào)研結(jié)果可以看出，部分漿體存在團(tuán)塊和分層現(xiàn)象，未能達(dá)到材料的設(shè)計(jì)要求，影響后期梁體壓漿效果。

b.對(duì)于立軸式攪拌設(shè)備而言，通過流場(chǎng)分析可以看出，攪拌葉擾動(dòng)面積相對(duì)較小，且攪拌器的下部存在一定范圍的靜止區(qū)域，如攪拌器距離攪拌容器底部越近，對(duì)漿體可起到一定的改善作用，但不適合大容器的制漿攪拌。

c.基于制漿過程漿體的流場(chǎng)分析，臥式攪拌結(jié)構(gòu)相比立式攪拌結(jié)構(gòu)，對(duì)漿體的剪切和揉搓更充分，漿體中粉體顆粒分散均勻度更高。建議預(yù)應(yīng)力孔道壓漿材料在施工過程中采用臥軸式制漿設(shè)備。