预应力混凝土构件真空辅助压浆及质量控制

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  摘 要:预应力管道压浆的目的是,防止钢绞线锈蚀、确保钢绞线与混凝土有效粘结以实现整体应力效果、增强梁体的承载能力和减轻锚固体系的负荷。
  关键词:预应力混凝土;孔道压浆;及时性;饱和性
  在后张预应力结构中,预应力筋主要依靠成孔材料和包裹在预应力筋外面的浆体这两层屏障进行防护。浆体除了具有保护预应力筋的作用外,还会对后张预应力混凝土构件的整体强度产生重要的影响。如果压浆不饱满,使得预应力筋与管道间无法有效进行应力传递,到底结构受力不明确,而且还会导致预应力筋得不到有效包裹,出现预应力筋锈蚀,过早出现预应力丧失,甚至直接威胁到预应力混凝土结构和构件的安全性和耐久性。 预应力管道真空辅助压浆工艺的产生和应用,克服了普通压浆的一些缺陷,通过提高压浆质量,全面提高对预应力筋的防护功能,最终达到提高预应力构件耐久性和安全性的目的。
  一、 真空辅助压浆概述
  当前,预应力混凝土结构在国内外桥梁建筑上占有非常重要的地位。预应力工艺的应用,提高了构件的抗裂度和刚度,充分利用了高强材料,使桥梁结构向大跨、轻型的方向迈进了一大步。预应力混凝土结构对工艺性要求较高,由于使用阶段预加应力具有不可预见性,为确保构件的质量及安全度,必须对整个构件施工过程进行严格的质量控制。
  真空辅助压浆是指通过预应力孔道形成一定的真空度(一般为0.08MPa),后,压入孔道填充材料,以减少常规压浆中气体难以排出形成气泡、压浆不饱满等质量问题。
  1.1真空辅助施工的历史
  早在上世纪90年代,欧洲和北美已经普遍采用了真空灌浆技术,取得了良好的效果;我国在本世纪初也在某些大型桥梁上使用真空压浆工艺。国内有的资料上也叫真空吸浆,其工艺特点是重在“吸”,但真空压浆除了有“吸”的工艺,还通过压浆设备进行“压”,使得工艺得到进一步完善,取得更好效果。
  真空压浆理论(推拉理论)
  (1)在封闭的孔道中,把浆液视为一流动的液柱,进浆端的正压力将液柱一方面源源不断的压注进入管道,给液柱施加一强大的推力;另一方面,出浆口端的真空泵给液柱施加拉力。
  (2)孔道内空气稀薄,液柱在相对于空气中的表面张力及表面能减小,使浆液更容易填充预应力筋的间隙并带走残存在预应力筋间隙的水分,不易形成气泡(气泡较多也可影响过浆面积),密实填充成孔材料空间。
  (3)拉力形成液柱的导向,减少了液柱在孔道内的紊流情况,也就减小了孔道的阻力。
  (4)在真空作用下,液柱内的气泡和富余的水分向液柱端部移动,并在后期的补压稳压过程中排除。这种效应对于长孔道更明显。但需要说明的是,对于孔道中的较多留存水分,单靠真空泵的作用,处理效果不明显,必须靠高压风吹干净。
  1.2 真空辅助压浆的工作原理
  真空辅助压浆是在孔道的一端采用真空泵对孔道进行真空处理,使之产生 0.06~0.08Mpa的真空度。然后用灌浆泵将优化后的水泥浆从孔道的另一端灌入,直至充满整条孔道,并加以不超过0.6Mpa的正压力,以提高预应力孔道灌浆的饱满度和密实度。采用真空辅助压浆工艺是提高后张法预应力混凝土结构安全性和耐久性的有效措施。
  在一般尺寸构件中普遍使用的SK-1.5型水环式真空泵,在密封情况良好的情况下,可以在预应力管道内形成0.092Mpa的真空度,且在工作过程中,工作水不会发热,抽吸的空气和部分水被排进水气分离器,气体向上排走,水则留回泵循环使用,被抽吸的管道内的杂质则留存在过滤器罐内,过滤器罐底部有排污阀,便于用水冲洗。
  螺杆式灌浆泵是一种新型高效灌浆设备,属全封闭式螺杆泵,有定子—转子构成的密封线,将吸入腔和压力腔隔开,使泵具有阀门的隔断作用,具有吸入性能好,泵压稳,扰动小,泵量调节性能好,压力无极可调,效率高且效区宽。该泵大大优于活塞式灌浆机,更有利于灌浆的饱和。
  1.3 真空辅助压浆的优点
  (1)由于孔道内和压浆泵之间的正负压力差,孔道中原有的空气和水被清除。同时,混夹在水泥浆中的气泡和多余的自由水被排出,浆体的气泡和孔洞形成机会大大降低,大大提高孔道内浆体的饱满和密实度。
  (2)浆体中的微沫及稀浆在真空负压下率先进入负压容器,待稠浆流出后,孔道中浆的稠度即能保持一致,使浆体密实性和强度得到保证。
  (3)压浆过程中孔道具有良好的密封性,使浆体保压及充满整个孔道得到保证。
  (4)压浆工艺及浆体都比普通压浆有所优化,水泥浆水灰比降低,加上拌和时添加专用的外加剂,减少浆体的离析、析水和干硬收缩,同时提高浆体的强度,使压浆的饱满性及强度得到保证。
  (5)真空压浆过程是一个连续且迅速的过程,缩短了压浆时间。
  (6)孔道在真空状态下,减小了由于孔道高低弯曲而使浆体自身形成的压头差,便于浆体充盈整个孔道,尤其是一些异形关键部份。
  1.4 真空压浆工艺图及效果图
  真空辅助压浆工艺布置图如下:
  二、真空辅助压浆的技术要点
  2.1及时性要求
  预应力钢材完成张拉后,钢材内的碳晶体重新分布,晶体间的间隙加大,水分子和不良气体极易侵入,此时预应力筋的锈蚀速度要比未张拉时快得多(通常在6倍左右)。如果在压浆前已产生锈斑锈迹,将导致预应力筋锈蚀在构件内部持续发展。施工技术规范规定:预应力张拉锚固后到压浆前这段时间最多不超过48小时。此外,在预应力筋刚刚完成张拉锚固后,构件在预应力作用下受弯起拱,而孔道对截面的削弱导致构件的抗弯性能降低,及时压浆可提高构件的抗弯刚度,且水泥浆因水泥用量大、水化热高,减缓了构件的温度收缩,从某种程度上增强构件的抵抗开裂的能力。
  2.2饱和性要求
  预应力筋之所以能与混凝土共同受力,同步产生变形,是因为混凝土凝固收缩后,握紧了预应力筋,产生了握裹力,不能有效地阻止预应力筋的回缩趋势。此外,压浆不密实会使预应力筋锈蚀,力筋的锈蚀又进一步削弱了混凝土对力筋的握裹力,而使有效预应力下降。   为避免发生孔道压浆不密实、握裹力不够的情况发生,应注意以下问题:
  1、材料问题
  浆体设计是压浆工艺的关键之处,合适的水泥浆应是:
  (1)和易性好(泌水性小、流动性好)
  (2)硬化后孔隙率低,渗透性小
  (3)具有一定的膨胀性,确保孔道填充密实
  (4)高的抗压强度
  (5)有效的粘接强度
  (6)好的耐久性
  为了防止水泥浆在灌注过程中产生析水以及硬化后开裂,并保证水泥浆在管道中的流动性,掺加少量的添加剂如减水剂。为使水泥浆在凝固后饱和密实,可掺入添加剂如膨胀剂,此举有三点作用,如下:
  (1)改善水泥浆的性质,降低水灰比,减少孔隙、泌水,消除离析现象。 (2)降低硬化水泥浆的孔隙率,堵塞渗水通道。
  (3)减少和补偿水泥浆在凝结硬化过程的收缩和变形,防止裂缝的产生。
  对具体材料的要求
  (1)水泥:应使用不低于42.5级的低碱硅酸盐或低碱普通硅酸盐水泥。
  (2)水:水中硫酸盐含量不能大于600mg/L,氯盐含量不能大于500mg/L。
  (3)外加剂:应采用高效减水剂,其性能应与所用水泥具有良好的适应性,其减水率不应小于20%;不应含有高碱(总碱量不应超过0.75%)膨胀剂或以铝粉为膨胀源的膨胀剂,不应掺入含氯盐类、亚硝酸盐类或其他对预应力筋有腐蚀作用的外加剂。
  2、工艺问题
  为保证压浆密实,压浆前,首先要检查水泥浆质量是否符合要求,灌注通路的管道状态是否正确通畅,并检查压浆孔和排气孔是否通畅、位置是否正确。对孔道,应在压浆前用压力水冲洗干净并使孔壁完全湿润,但同时不得有积水。从浆体搅拌到压入梁体的时间不应超过40min,水泥浆在使用前和压注过程中应连续搅拌,以保证浆体的流动性。如因延误导致水泥浆的流动性降低,坚决不允许通过加水来增加其流动度。压浆顺序应先下后上,曲线孔道应从最低点开始向两端进行,为保证管道中充满水泥浆,在排气孔浆并关闭出浆口扣,应保持压力不大于0.6Mpa。每一孔道应一次灌成,中途不应停顿,否则需将已压灌部分水泥浆冲洗干净,重新开始压浆。压浆后应从检查孔抽查压浆的密实情况,如有不实,应及时处理和纠正。
  压浆时梁体温度应在5℃~30℃之间,压浆及压浆后3d内,梁体及环境温度不应低于5℃,否则应采取养护措施,以满足要求。在环境温度高于35℃时,应选择温度较低的时间施工;在环境温度低于5℃时,应按冬期施工处理,可适当增加引气剂,含气量应通过实验确定,且不宜在压浆剂中使用防冻剂。
  三、真空辅助压浆注意事项
  真空辅助压浆注意事项:
  1. 在保证张拉端封锚严密的情况下,也可不使用密封罩;保护罩若作为工具罩使用,浆体初凝后方可拆除。
  2. 压浆前若发现管道内残留有水分或脏物,须考虑使用空压机先行将残留在管道内的水分或脏物排除,保证孔道畅通和压浆工作的顺利进行。
  3. 整个连通管路的气密性必须认真检查,保证真空度的获得,合格后方能进行下道工序。
  4. 浆体搅拌时,水、水泥和外加剂的用量必须严格控制;对未及时使用而流动性降低的水泥浆,严禁采用增加水的办法来增加流动性。
  5. 搅拌好的浆体每次应全部卸尽,在浆体全部卸尽之前,不得投入未拌和的材料,更不能采取边出料边进料的方法进行拌和。向搅拌机内送入任何一种外加剂,均须在浆体搅拌一定时间后送入。
  6.真空泵、灌浆机停机后,将抽真空连接管卸下,将出浆端球阀关闭,用预先准备的4磅铁锤将出浆端封锚水泥敲散,露出钢绞线间隙;再用灌浆机正常补压稳压,压力表保持在不小于0.5Mpa,稳压时间不少于3min,并且重复1~2次。
  四、真空辅助压浆的质量保证措施
  为确保压浆的安全及质量,可采取以下措施:
  1. 施工前必须进行技术交底,务必使技术人员和现场实际操作人员在思想上高度重视。
  2. 考虑浆体的稳定及对压浆的影响,可将压浆时间安排在温度较低时进行,压浆前检查整个连通管路的气密性,合格后方能进入下一道工序。
  3. 为保证压浆的连续性,应考虑水泥浆储备能力。
  4. 浆体搅拌时,水、水泥和外加剂的用量都必须严格控制,材料称量应准确到±1%(以上称量均以质量计,计量器具必须检定且在有效期内)。
  5. 必须严格控制用水,对未及时使用而降低了流动性的水泥浆,严禁采用增加水的办法来增加其流动性。
  6. 搅拌好的浆体每次应全部卸尽,在浆体全部卸出之前,不得投入未拌和的材料,更不能采取边出料边进料的方法。
  7. 压浆孔道存在纵坡时,要从管道低处向高处压浆。
  8. 水泥浆进入压浆机之前应经过过滤网空格不大于3mm×3mm的筛子。
  五、结论
  预应力管道压浆是一项比较具体、细致的工作,是关系到桥梁使用质量和使用寿命的重要工艺环节,施工单位应精心组织、科学施工。在实际施工过程中,针对不同情况和出现的问题,及时、科学、果断地加以分析和处理,努力消除影响预应力梁压浆质量的各种因素。只有保证了压浆的及时性和密寮性要求,才能有效地防止预应力筋的锈蚀,减少预应力损失,保证后张法预应力混凝土结构在使用过程中的安全性和耐久性。
  参考文献
  (1) 《铁路桥涵施工技术规范》
  (3) 《GB 50119-2003 混凝土外加剂应用技术规范 附条文说明》
  (4) 《铁科技[2004]120号 客运专线预应力预制梁暂行技术条件》
  (5) 《GB 8076-1997 混凝土外加剂》
  (6) 《JC 476-2001 混凝土膨胀剂》
  (7) 《TB/T 3192-2008铁路后张法预应力混凝土梁管道压浆技术条件》
  (8) 《JGJ 63-2006 混凝土拌合用水标准》
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