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)

預應力管道壓漿材料及施工質(zhì)量是確保預應力混凝土橋梁結(jié)構(gòu)工程質(zhì)量的關(guān)鍵，預應力管道壓漿材料在橋梁預應力結(jié)構(gòu)中可以起到：1)保護預應力鋼筋不外露使其免遭或延緩銹蝕，保證預應力混凝土結(jié)構(gòu)安全；2)使預應力鋼筋與混凝土良好結(jié)合，保證預應力的有效傳遞，使預應力鋼筋與混凝土共同承受荷載；3)消除預應力結(jié)構(gòu)在反復荷載作用下，由于應力變化對錨具造成的疲勞破壞。因此預應力管道壓漿是確保預應力結(jié)構(gòu)工程質(zhì)量、延長預應力橋梁結(jié)構(gòu)安全使用的關(guān)鍵因素。交通運輸行業(yè)標準JTG/T F50—2011《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》和JT/T 946—2014《公路工程預應力孔道灌漿料(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的預應力管道壓漿材料的應用，以提高預應力工程質(zhì)量、結(jié)構(gòu)安全性和耐久性。兩個標準的實施，對低水膠比壓漿材料的應用起到了巨大的推動作用，但兩個標準在制定時，對制漿設(shè)備沒有做出嚴格的規(guī)定，僅對攪拌轉(zhuǎn)速和線速度做了簡單規(guī)定，致使部分地區(qū)因檢測及現(xiàn)場制漿設(shè)備的問題導致檢測結(jié)果或工程質(zhì)量不合格。因為制漿問題，國內(nèi)已經(jīng)建成使用或正在建設(shè)的橋梁大多存在預應力管道壓漿不密實的質(zhì)量通病，為橋梁長期安全運營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，進一步改進或提升壓漿材料的勻質(zhì)性和可操作性，對保障公路工程橋梁結(jié)構(gòu)質(zhì)量具有重要意義。

1 預應力孔道壓漿漿體制備實際情況分析

為系統(tǒng)了解預應力孔道壓漿料制備與工程應用情況，對國內(nèi)河北、廣西、內(nèi)蒙古、新疆、云南、湖北等地區(qū)多個項目進行了調(diào)研。經(jīng)過近10年的推廣應用，公路工程預應力結(jié)構(gòu)基本上都采用了專用的壓漿材料進行施工，極大的改善了預應力工程壓漿的質(zhì)量。從室內(nèi)檢測結(jié)果可以看出，含水率、細度、氯離子含量等勻質(zhì)性指標廠家質(zhì)量控制較好，很少出現(xiàn)不合格現(xiàn)象，其他的技術(shù)指標中，凝結(jié)時間、自由泌水率、鋼絲間泌水率、自由膨脹率、充盈度以及抗折強度等技術(shù)指標基本都是合格。而流動度和抗壓強度的檢測合格率較其他指標有所降低，主要原因是流動度的敏感性較高，試驗人員的操作水平以及材料的偏差很容易引起測試不合格。根據(jù)經(jīng)驗分析，流動度出現(xiàn)不合格有三方面因素，一是試驗人員經(jīng)驗不足，讀取數(shù)據(jù)時漿體完全流出的時間把握不準，導致試驗結(jié)果不合格；二是材料自身問題，壓漿劑與水泥之間有適應性問題，當適應性較差時，容易造成流動度不合格；三是試驗室內(nèi)制漿設(shè)備不合格，漿體攪拌不到位，漿體出現(xiàn)團塊。

從預應力孔道壓漿材料現(xiàn)場施工及質(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)備目前沒有標準，各種專用設(shè)備基本上是滿足攪拌速度即可，對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，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)場計量的方式來看，對于壓漿料、壓漿劑及水泥等原材料而言，主要是以標準袋包裝的方式進行測算，用水量進行現(xiàn)場稱重計量。在攪拌過程中，可能會存在因流動度不足，采用加水的方式進行調(diào)整。從制漿效果來看，在制漿過程中普遍存在團塊現(xiàn)象，約50%的現(xiàn)場觀測發(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到材料設(shè)計的要求。從整體的預應力孔道壓漿材料應用情況調(diào)研結(jié)果來看，新的壓漿材料標準實施后，新的專用預應力孔道壓漿材料的應用得到普及，對提高預應力結(jié)構(gòu)的耐久性起到了一定的促進作用，但從現(xiàn)場調(diào)研的結(jié)果可以看到，現(xiàn)場制漿效果存在一定的問題。

2 立軸式制漿設(shè)備的應用效果分析

2.1 攪拌設(shè)備的結(jié)構(gòu)分析

現(xiàn)有的預應力孔道壓漿料制漿機，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，絮凝體存在趨勢越強，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)隨著槳葉的運動，形成規(guī)則的旋轉(zhuǎn)流場，部分粉料在漿液中形成包團(水包粉)，極不容易分散。目前市場上攪拌結(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

預應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，由工廠預拌生產(chǎn)的干混料，在施工現(xiàn)場直接加水，拌合均勻后漿液具有高流動性、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。而流動性是預應力孔道壓漿料的主要指標之一，是保證壓漿施工順利進行的首要條件，因此制漿是保障預應力孔道壓漿質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。

綜合考慮預應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，其流動狀態(tài)為剪切流。從表1攪拌器適應條件可看出，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越強。機械分散顆粒群是通過對顆粒團的剪切作用而實現(xiàn)的，制漿時，機械剪切作用愈大，顆粒越分散。

以常用的槳葉攪拌器為例進行分析，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程度高，循環(huán)量大，特別適用于要求容器上下均勻的場合。其特點是由于切向分速度的影響，液體在容器內(nèi)不僅可以做圓周運動，各層之間還有相對運動，可以實現(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)，其原因是因為攪拌容器的直徑與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)置不合理會導致攪拌容器內(nèi)所有的介質(zhì)都在高速旋轉(zhuǎn)但相互之間相對運動少而導致混合效果差。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，采用流體力學中歐拉模型，得到相關(guān)設(shè)備流體動力學特性，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。分別簡稱為工況A和B。工況A使用最小單元為8 mm自動化方式進行劃分。工況B使用最小單元為10 mm自動化方式進行劃分。

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，默認參數(shù)。設(shè)置完畢進行求解初始化，迭代運算至收斂于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)于軸線部分對稱，工況B中速度大小關(guān)于軸線對稱。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，對流體的加速度更快，會對漿體起到一定的改善作用。

3 臥式制漿設(shè)備的應用效果分析

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器，經(jīng)上料斗將壓漿料加入制漿罐中，同時由計量泵將水箱內(nèi)的水送入制漿罐中，由伺服電機通過聯(lián)軸器帶動槳葉攪拌器進行攪拌，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，默認參數(shù)。設(shè)置完畢進行求解初始化，迭代運算至收斂于0.001以下。槳葉傾斜角分別為20°、40°、60°時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，故流動度比立式結(jié)構(gòu)流動度更好，漿體勻質(zhì)性更好、顆粒分散更加均勻，因此預應力孔道壓漿材料制漿時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》實施以來，超低水膠比預應力孔道壓漿料的應用得到普及，但從壓漿料現(xiàn)場施工及質(zhì)量控制調(diào)研結(jié)果可以看出，部分漿體存在團塊和分層現(xiàn)象，未能達到材料的設(shè)計要求，影響后期梁體壓漿效果。

b.對于立軸式攪拌設(shè)備而言，通過流場分析可以看出，攪拌葉擾動面積相對較小，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分析，臥式攪拌結(jié)構(gòu)相比立式攪拌結(jié)構(gòu)，對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。建議預應力孔道壓漿材料在施工過程中采用臥軸式制漿設(shè)備。