大孔徑曲線形預應力管道灌注緩凝漿密實度改進方法研究*
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)預應力系統(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，預應力管道成孔內(nèi)徑為160mm，其中水平鋼束管道長約150m。預應力鋼束經(jīng)過張拉后，對管道灌注水泥漿進行密封，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應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，應高度重視預應力管道灌漿密實性問題。在核島安全殼預應力工程中，由于各類穿墻貫穿件的存在，預應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，拐點及反彎點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模擬現(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)時間等對灌漿密實性的影響及提高漿體密實性的措施。
2 試驗材料
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，攪拌后應在30min內(nèi)完成灌漿。與普通水泥漿相比，適用于預應力管道更短、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)水平預應力管道內(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，選用緩凝漿進行灌漿。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流錐試驗測定)，6h流動度<14s，10h流動度<25s；3h泌水率宜≤2%，且應≤3%，泌水應能在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[5]中水平鋼束緩凝漿灌漿方法進行試驗。選取實體工程中水平管段，試驗管道波形布置如圖1所示，鋼管內(nèi)徑160mm，跨度31m，實際長度31.4m，2個起伏段，矢高分別為670，710mm。模擬實體工程穿入54根鋼絞線，右端為進漿口，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，緩凝劑摻量為實驗室基準配合比確定的15份。
圖1 試驗管道波形
經(jīng)充分養(yǎng)護，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 預應力系統(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；以往成熟預應力系統(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。本項目管道每米灌漿量為以往項目的2.6倍，相同灌漿速度下無法保證管道充實，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。本項目預應力系統(tǒng)單束為54根鋼絞線，相比以往成熟預應力系統(tǒng)的19根增加近2倍，因此，由鋼絞線引起的泌水也被相應放大。
3)線形起伏多、高差大，缺陷易聚集 相比于以往核電項目，本項目安全殼貫穿件數(shù)量增加，相應水平預應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，灌漿密實度的可能影響因素為灌漿速度及灌漿方法不合適，導致氣體無法排出、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，然后反向上升)，導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，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，探索最佳灌漿速度。試驗管道波形布置如圖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)閉進口閥門。
待試驗完成后在鋼管頂部開長窗，觀察灌漿密實情況。
根據(jù)灌漿時間和鋼管長度，可計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)。
在灌漿試驗中，根據(jù)記錄的灌漿時間及管道實際長度，計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結(jié)果
表2 灌漿時間及最大平均流速試驗結(jié)果
待漿體硬化后，將試驗管道按規(guī)定位置開設長窗，以便更好地觀察排氣效果及管道灌漿密實度。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，鋼絞線外露嚴重，影響預應力管道質(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與最低點形成封閉氣體；②根據(jù)3組試驗結(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組試驗漿體速度已達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)試驗結(jié)果，當采用一定灌漿速度進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，參照文獻[7]中的真空灌漿工藝，灌漿過程中保證管道中真空度達-0.8～-1.0bar，采用真空輔助方式進行灌漿，改善灌漿狀況。
試驗管道參照圖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)閉進口閥門。
因此系統(tǒng)(9)—(10)是Lyapunov穩(wěn)定的當且僅當z是系統(tǒng)(9)的平衡點。因為V(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
2)b組出口連接真空泵，真空度達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)閉進口閥門。
試驗采用透明管道，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一步縮小。
4.3 初凝時間
經(jīng)分析得出，由于鋼絞線的毛細作用，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，毛細作用時間越長，形成的泌水相應增多。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應力技術(shù)規(guī)程 第2部分：試驗》[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的水泥漿進行測定。但按此標準測定的水泥漿泌水率接近0，與摸底試驗情況差異較大。現(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地反映漿體在管道內(nèi)的泌水特性。
試驗使用高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配合比，只調(diào)整緩凝劑摻量，基準緩凝劑摻量為15份。試驗設置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。
試驗共進行2次，泌水記錄如表3所示。
表3 不同緩凝劑摻量泌水試驗結(jié)果
為進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所示泌水率試驗結(jié)果取平均數(shù)和表5所示初凝時間試驗結(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，預應力管道泌水空腔主要由起弧段漿體引起。
5 灌漿密實度影響因素改進措施驗證
選擇緩凝劑摻量為12份的緩凝漿重新進行灌漿試驗，試驗參數(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，無較大空腔、氣泡。
6 結(jié)語
進行核電站安全殼預應力水平鋼束管道小起伏段灌漿時，影響灌漿密實度的因素為灌漿速度及灌漿方法不合適，導致氣體無法排出、漿體初凝時間過長而產(chǎn)生泌水過多。
1)通過灌漿速度試驗發(fā)現(xiàn)，在非真空情況下，對于大直徑預應力管道，適當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?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。
