關(guān)永強,陳海珊,黃勝明,林敬輝,曾慶成

(1.廣州公路工程集團(tuán)有限公司,廣州 510075; 2.廣州市高速公路有限公司,廣州 510075)

近年來,橋梁工程師為響應(yīng)國家關(guān)于統(tǒng)籌推進(jìn)城鄉(xiāng)建設(shè)綠色、低碳發(fā)展,實現(xiàn)集約資源的要求,針對橋梁施工提出一系列新型施工工藝。其中,裝配式橋梁施工工藝具有施工周期短、經(jīng)濟(jì)成本好及構(gòu)件質(zhì)量易保障等特點而被廣受推崇[1-3]。預(yù)制裝配式橋梁連接套筒灌漿技術(shù)指在橋墩或蓋梁內(nèi)部預(yù)埋套筒,在下部結(jié)構(gòu)施工時通過套筒內(nèi)灌漿實現(xiàn)預(yù)制部分的可靠連接。因此,套筒灌漿的質(zhì)量對該類型橋梁的受力性能起著至關(guān)重要的作用。然而,目前中外并未針對套筒灌漿的密實度給出具體規(guī)定[4]。且在實際工程應(yīng)用時,默認(rèn)灌漿料從出漿口流出則認(rèn)為灌漿完畢,具體灌漿質(zhì)量情況還有待進(jìn)一步詳細(xì)研究。

為解決上述問題,近年來中外學(xué)者針對裝配式橋梁開展了一些相關(guān)研究工作。如顧盛等[5]基于超聲波的傳播原理和反射特性,通過3組試驗分析了砂漿飽滿性的檢測方法,結(jié)果表明超聲檢測法可有效用于灌漿密實度的檢測。周少杰等[6]基于電阻抗測量法對套筒灌漿的缺陷評價和缺陷程度關(guān)系進(jìn)行了定量分析,結(jié)果表明電阻法可有效檢測出灌漿質(zhì)量缺陷。宋琢等[7]通過制作9組套筒灌漿試驗研究了密封塞、出漿口形式、灌漿速度以及鋼筋直徑對灌漿密實度的影響,結(jié)果表明套筒底部宜采用平底圓形橡膠密封塞,頂部宜采用錐形厚橡膠密封塞;在水平出漿口處設(shè)置垂直小導(dǎo)管有利于提高灌漿密實度;灌漿速度建議 25 ℃下為 20～40 mL/s。還有部分學(xué)者針對套筒灌漿連接件力學(xué)性能[8]、灌漿缺陷對連接性能影響[9]、抗震分析[10]、循環(huán)荷載下連接性能[11]、缺陷處理[12]、拉伸性能影響[13]等方面的研究。

基于上述中外研究現(xiàn)狀可知,目前關(guān)于套筒灌漿技術(shù)的研究已經(jīng)取得一定研究成果,但主要偏向于對套筒灌漿質(zhì)量的檢測方法、新型套筒以及力學(xué)性能試驗,針對套筒灌漿密實度的影響機制很少。并且現(xiàn)有研究工作存在研究試件少的問題,研究結(jié)果是否可靠還有待進(jìn)一步驗證。目前相關(guān)研究主要通過單一變量法進(jìn)行研究,而在參數(shù)分析中,單因素分析的結(jié)果可得到單一變量的最優(yōu)值,但所有單因素最優(yōu)值的組合并不一定是研究目的的最優(yōu),響應(yīng)面法(response surface methodology,RSM)就能很好地進(jìn)行多參數(shù)優(yōu)化設(shè)計[14]。再加上近年來國家大力提倡節(jié)能環(huán)保、可持續(xù)性發(fā)展的戰(zhàn)略,如何合理地對研究方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,進(jìn)而達(dá)到試驗成本低、性能優(yōu)的效果已成為一項研究熱點。

當(dāng)前,關(guān)于實現(xiàn)套筒灌漿質(zhì)量還有待進(jìn)一步研究。為此,現(xiàn)依托東曉南路—廣州南站連接線南段第二標(biāo)段工程,基于響應(yīng)面法設(shè)計20組試件詳細(xì)研究了灌漿速度、灌漿材料以及灌漿溫度對套筒灌漿的質(zhì)量研究,本方法不僅可以減少實驗次數(shù)和提高實驗效率,縮短試驗時間和降低成本,還可通過有限數(shù)據(jù)對以上3種因素之間的交互作用進(jìn)行研究,得到各變量之間的響應(yīng)關(guān)系。

1 工程概況

本項目位于廣東省廣州市,為東曉南路—廣州南站連接線南段第二標(biāo)段工程,全長5.46 km,其中共計182個墩柱采用預(yù)制拼裝施工工藝。預(yù)制墩柱均為方柱,尺寸有5種,分別是1.6 m×1.6 m型預(yù)制墩柱44根、1.8 m×1.8 m型預(yù)制墩柱14根、2.0 m×2.0 m型預(yù)制墩柱2根、2.4 m×1.6 m型預(yù)制墩柱102根、2.6 m×1.6 m型預(yù)制墩柱20根。

2 試驗設(shè)計

2.1 響應(yīng)面法理論模型

Design-Expert是世界頂級且操作方便、功能全面的實驗設(shè)計和數(shù)據(jù)分析軟件[15]。該軟件中的中心復(fù)合設(shè)計可以將線性問題轉(zhuǎn)換成非線性問題,可很好地評估輸入變量與輸出變量之間的非線性關(guān)系。對于大多數(shù)工程問題,可采用一階或者二階多項式模型進(jìn)行分析[16]。目前該方法已廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、工藝流程優(yōu)化等方面[17]。本文研究采用完全二次多項式作為相應(yīng)面模型,具體公式[18]為

(1)

式(1)中:m為影響因素;β0、βi、βii、βij為待定系數(shù),根據(jù)最小二乘法進(jìn)行確定;xi、xj為設(shè)計參數(shù);ε為近似誤差,通常確定模型精度后系統(tǒng)自動給出。

2.2 試驗材料

2.2.1 灌漿材料

(1)普通灌漿料:以水泥為基本材料,配以細(xì)骨料及混凝土外加劑和其他材料組成的干混料。該灌漿料加水后具有早強、高強、微膨脹等性能。

(2)高強無收縮灌漿料:該灌漿料與本工程實際應(yīng)用相同,由水泥(特種水泥)、集料、外加劑和礦物摻合料等原材料根據(jù)一定比例混合而成,具有合理級分、流動性好、早強、高強、微膨脹等性能。

(3)鋼筋連接用套筒灌漿料:由水泥、高效減水劑、膨脹劑和礦物摻合料等多種材料干拌而成的混合料,具有流動性好、不泌水不分層、耐久性好、鋼筋不銹蝕、與混凝土粘結(jié)牢固、壓漿飽滿、微膨脹高充盈等特點。

2.2.2 套筒材料

本次試驗采用的套筒與本工程實際應(yīng)用的相同,為環(huán)形帶肋優(yōu)質(zhì)碳素鋼套筒,長65 cm,端部內(nèi)徑55 mm,中部內(nèi)徑60 mm,壁厚5 mm,中間位置設(shè)置1根直徑為10 mm的限位銷,套筒內(nèi)連接Φ32 mm的熱軋帶肋鋼筋,套筒兩端通過橡膠密封塞將鋼筋固定。

2.2.3 鋼筋材料

本次試驗采用的鋼筋與本工程實際應(yīng)用相同,直徑為32 mm,鋼筋等級為HRB400。

2.3 試件制作

本次試驗所用灌漿設(shè)備、電子稱以及其他相關(guān)設(shè)備均與現(xiàn)場施工相同。首先將鋼筋與套筒連接,并用橡膠塞將鋼筋與套筒固定,接著將整個鋼筋連接套筒垂直焊接固定在型鋼上,并根據(jù)灌漿料不同而分類排列。灌漿時,相同灌漿料的試件應(yīng)同一批次灌漿。同一種灌漿料的試件完成后,應(yīng)將設(shè)備清洗干凈再進(jìn)行另一種灌漿料試件制作。所有套筒均需在出漿口設(shè)置L形PVC管,用于超灌,避免回流過大造成內(nèi)部空洞。當(dāng)L形PVC管有漿液流出時,灌漿口應(yīng)快速采用木塞進(jìn)行封堵。灌漿后,將試件置于恒溫箱標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d。

2.4 檢測方法

采用雙電極探頭對套筒中灌漿料液面進(jìn)行測量,通過對比接觸灌漿料前后電極間電阻變化情況來測定灌漿密實度[19]。隨著凝膠水解反應(yīng)進(jìn)行,其電阻率與時間有關(guān),電阻越小表明密實度越好。圖1為套筒灌漿密實度電阻率法測試原理。密實度檢測前,電極探頭置于套筒出漿口,傳感器端部電極不接觸套筒內(nèi)部鋼筋,線纜與鋼筋連接方向保持垂直,電極探頭伸至套筒內(nèi)靠近出漿口一側(cè)鋼筋表面位置。電極探頭就位時,自帶橡膠塞排氣孔位于正上方、橡膠塞緊固于出漿口,出漿時不被沖出。灌漿過程始終保持橡膠塞上排氣孔保持暢通。

圖1 套筒灌漿密實度電阻率法測試圖

灌漿前,先將灌漿密實度智能測試儀與電極探頭相連,開啟電源,測試儀啟動自檢。灌漿時,將灌漿密實度智能測試儀與電極探頭相連,實時監(jiān)測探頭電阻值,檢測灌漿密實度。灌漿結(jié)束5 min后,再次觀測灌漿密實度智能測試儀監(jiān)測探頭的電阻值是否發(fā)生狀態(tài)變化,并及時記錄。

套筒灌漿密實度應(yīng)根據(jù)灌漿密實度智能測試儀輸出的電阻值和監(jiān)測時程曲線判斷,灌漿飽滿判斷的閾值宜根據(jù)平行試件模擬漏漿后測得的電阻值確定,且不大于100 MΩ。

2.5 響應(yīng)面法試驗設(shè)計及檢測結(jié)果

采用Design-Expert軟件中的Box-Behnken進(jìn)行試驗方案設(shè)計,以灌漿速度、灌漿材料以及灌漿溫度3個主要因素為自變量,近乎三因素三水平試驗。試驗方案及測試如表1所示。

表1 試驗方案設(shè)計及檢測結(jié)果表

3 試件結(jié)果及分析

3.1 試件外觀質(zhì)量情況及分析

將養(yǎng)護(hù)28 d后的灌漿套筒沿軸向切割,各試件整體密實度均較好,且同種灌漿料在不同情況下表面差異不大。限于篇幅,本文研究僅給出一組灌漿速度為30 mL/s,灌漿溫度為25 ℃的3種灌漿料灌漿表面,如圖2所示。

由圖2可知,普通灌漿料表面平整度差,蜂窩孔洞多、直徑大。鋼筋連接用套筒灌漿料表面平整度好,存在大量微小孔洞。高強無收縮灌漿料標(biāo)配平整度好,蜂窩空洞少?？梢?3種漿料中,高強無收縮灌漿料灌漿后的外觀效果最好,普通灌漿料最差。

從外觀質(zhì)量看,試件總體表現(xiàn)為同種材料在不同情況下,外觀質(zhì)量相差不大。但不同材料外觀質(zhì)量存在顯著差異。其中普通灌漿料表面孔洞數(shù)量較多、孔徑大,且分布不均勻;鋼筋連接用套筒灌漿料表面孔洞數(shù)量較少、孔徑小;高強無收縮灌漿料表面光滑,外觀質(zhì)量情況最優(yōu)。

3.2 試件內(nèi)部質(zhì)量情況及分析

各試件剖面圖中均未出現(xiàn)大量空洞情況,整體飽滿。但在不同因素下,空隙數(shù)量和空隙直徑大小存在一定區(qū)別。限于篇幅,且為更好對灌漿料內(nèi)外部進(jìn)行詳細(xì)對比分析,3種灌漿料斷面如圖3所示。

圖3 3種混凝土斷面

由圖3可知3種灌漿料中,普通灌漿料斷面粗糙、骨料不均勻系數(shù)大,內(nèi)部孔徑數(shù)量多,直徑大。高強無收縮灌漿料剖面密室,骨料直徑分布均勻,表面平整,孔隙數(shù)量少、孔徑小。

總體表現(xiàn)出同種材料在灌漿溫度相同情況下,存在其孔隙數(shù)量隨灌漿速度的增大而增加的趨勢。相同情況下的不同材料中,高強無收縮灌漿料內(nèi)部質(zhì)量情況最優(yōu)。在材料和灌漿速度相同情況下,存在其孔隙數(shù)量隨溫度的增大而增加的趨勢?？障洞笮∠嗖畈淮蟆１砻婵障洞笮≈饕c灌漿材料有關(guān),空隙量與灌漿溫度和灌漿速度有關(guān)。

4 研究結(jié)果及分析

4.1 響應(yīng)面法模型建立及驗證

當(dāng)P值越小、F值越大,則表面所建立模型的響應(yīng)值越大。由表2可知,在套筒灌漿電阻值數(shù)學(xué)模型中P<0.001,表明本文研究所建立的數(shù)學(xué)模型顯著。同時,由軟件計算可得該模型的校正系數(shù)R2為91.54%,即本模型可表達(dá)91.54%響應(yīng)值的變化。

4.2 灌漿速度影響

通過響應(yīng)面法研究灌漿速度對套筒灌漿質(zhì)量的影響如圖4所示。由圖4(a)可知,灌漿速度為20 mL/s時,當(dāng)普通灌漿料灌漿溫度為35 ℃其電阻值最大,為1.0 Ω;當(dāng)高強無收縮灌漿料灌漿溫度為30 ℃時其電阻值最小,為0.4 Ω。由圖4(b)可知,灌漿速度為30 mL/s時,當(dāng)普通灌漿料灌漿溫度為35 ℃其電阻值最大,為1.2 Ω;當(dāng)高強無收縮灌漿料灌漿溫度為27 ℃時其電阻值最小,為0.3 Ω。由圖4(c)可知,灌漿速度為40 mL/s時,當(dāng)普通灌漿料灌漿溫度為35 ℃其電阻值最大,為1.7 Ω;當(dāng)高強無收縮灌漿料灌漿溫度為25 ℃時其電阻值最小,為0.4 Ω。同種材料中,當(dāng)灌漿溫度一定時,灌漿質(zhì)量隨灌漿速度的增加而降低。

圖4 灌漿速度對灌漿質(zhì)量影響

4.3 灌漿材料影響

通過響應(yīng)面法研究灌漿材料對套筒灌漿質(zhì)量的影響如圖5所示。由圖5可知,普通灌漿料在灌漿溫度為35 ℃、灌漿速度為40 mL/s可達(dá)電阻峰值1.7 Ω,電阻大小范圍為0.6～1.7 Ω。高強無收縮灌漿料在溫度為35 ℃、灌漿速度為40 mL/s時達(dá)峰值,約為1.1 Ω,電阻大小范圍位于0.2～1.1 Ω。鋼筋連接用套筒灌漿料在溫度為35 ℃、灌漿速度為40 mL/s時達(dá)峰值,約為1.1 Ω,電阻大小范圍位于0.2～1.1 Ω。3種材料中,普通灌漿料的峰值最大,電阻值比高強無收縮灌漿料和鋼筋連接套筒灌漿料大。高強無收縮灌漿料和鋼筋連接套筒灌漿料雖電阻值范圍近乎相同,但高強無收縮材料的電阻值總體更小。

4.4 溫度影響

基于響應(yīng)面法研究溫度對灌漿質(zhì)量的影響如圖6所示。從圖6(a)知,當(dāng)灌漿溫度為25 ℃,普通灌漿料在灌漿速度為40 mL/s時電阻值最大為0.9 Ω;高強無收縮灌漿料在30 ℃時電阻值最小0.2 Ω。從圖6(b)知,當(dāng)溫度為30 ℃時,普通灌漿料在灌漿速度為40 mL/s時電阻值最大為1.1 Ω。從圖6(c)知,當(dāng)溫度為35 ℃時,普通灌漿料在灌漿速度為40 mL/s時電阻值最大為1.7 Ω;高強無收縮混凝土在25 ℃時電阻值最小為0.5 Ω。相同材料和灌漿速度,灌漿質(zhì)量隨溫度增大而降低。

5 結(jié)論

基于響應(yīng)面法設(shè)計了20組近似三因素三水平的試驗,詳細(xì)研究了灌漿速度、灌漿材料以及灌漿溫度對灌漿質(zhì)量的影響。結(jié)果表明電阻率法測試結(jié)果與試件內(nèi)部質(zhì)量檢查結(jié)果吻合度高,電阻率法所測數(shù)據(jù)可很好地用于灌漿質(zhì)量檢測。研究結(jié)論如下。

(1)灌漿材料對灌漿質(zhì)量影響顯著,高強無收縮灌漿料較普通灌漿料和鋼筋連接用套筒灌漿料密實度更高,孔隙率更少,質(zhì)量最佳。

(2)灌漿質(zhì)量與灌漿溫度的關(guān)系顯著,相同材料、相同灌漿速度時,溫度在25～35 ℃灌漿質(zhì)量隨灌漿溫度的升高而降低。

(3)灌漿速度在20～40 mL/s不宜過快也不宜過慢,灌漿速度在30 mL/s時,灌漿質(zhì)量最好。