真空灌浆工艺在预应力混凝土 结构中的应用研究

一、概述
后张预应力混凝土结构中，预应力筋的腐蚀大部分是由于施工和混合料配制不好的结果，配合比是影响混凝土内在质量的一个主要因素，配合比是否合理，直接影响到灰浆强度和灌注密实度是否达到预定的设计要求。传统的灌浆手段是压力灌浆，浆体本身和施工工艺带有一定的局限性，主要表现为：灌入的浆体中常会含有气泡，当混合料硬化后，存积气泡处会变为孔隙，成渗透雨水的聚积地，这些水可能含有有害成分，易造成构件的腐蚀；同时，在北方严寒的地区，由于温度低，这些水会结成冰，可能会胀裂构件，造成严重的后果；另外，水泥浆容易离析、析水，干硬后收缩，析水会产生孔隙，致使强度不够，粘结不好，为工程留下了隐患。采用压力灌浆的英国Ynys-Gwas大桥就因为预应力筋被腐蚀而倒塌，事后的调查研究表明，该桥预应力筋的腐蚀与浆体材料、施工方法有较大的关系。目前，预应力混凝土结构中有平直束、弯束、U形束的布筋方法，为了防止预应力筋被腐蚀，提高结构的安全度和耐久性，确保工程质量，目前国外尤其是欧洲已开始普遍采用真空灌浆工艺，并取得了良好的效果。据了解，在我国，仅在南京长江二桥上试用真空灌浆。为了推广应用这一新技术、新工艺，现将我公司对该工艺的有关研究、试验情况以及在武汉军山长江大桥足尺节段模型试验中的成功应用，介绍如下。

二、灌浆浆体配比设计及试验
1．配制的基本原则
①改善灰浆的性质，降低水灰比，减少孔隙、泌水，消除离析现象。
②降低硬化灰浆的孔隙率，堵塞渗水通道。
③减少和补偿灰浆在凝结硬化过程中的收缩变形，防止裂缝的产生。
这种高性能灰浆与普通灰浆相比，在原材料的配比方面主要差异为低水灰比和多成分，其目的是为了增加灰浆的密实度，改善灰浆性能，从而达到高强和耐久的目的。
2．浆体特性要求及对应配比试验
①流动度要求：搅和后的流动度为30～50s。采用流锥仪测定流动度，试验结果表明，配比和水灰比不同，流动度也不同。水灰比越大，则流动度越大。
②水灰比：为满足可灌性要求，一般选用水泥浆，水灰比应在0.3～0.4之间。
③泌水性：a．小于水泥浆初始体积的2％；b.四次连续测试结果的差值小于1％；c．拌和后24h水泥浆的泌水应能被吸收。
将搅拌好的灰浆装人玻璃量筒内，稍加振动后，加盖玻璃板，防止水分蒸发。在室温下静置地后测定其泌水性。试验结果如下：水灰比为0.33时，泌水性约为3.3％～5％；水灰比为0.3时，泌水性约为0.02％～l％。
④初凝时间：3h。
⑤体积变化率：0～2％。
将搅拌好的水泥浆装人玻璃量杯内，在室温下静置3h后测定其体积变化率。试验结果如下：水灰比＜0.3时，体积变化率＜1％，水灰比＞0.33时，体积变化率＞4％。以上体积均呈收缩性。
⑤强度：7天龄期强度＞40MPa。
水泥浆试块采用70.7mm*70.7mm*70.7mm的钢模型，在常温下24h后拆模，进行试验室养护。试验结果表明：水灰比越小，强度越高，用525号普硅水泥7d强度最大达到78MPa，大大超过所要求的强度。改选用425号普硅水泥，乃强度最大达到55MPa以上。因此，选用425号普硅水泥即可达到要求。根据以上试验结果选出两组效果最好配比，进行现场灌浆试验。最后锯开试块检查，选择最优的结果用于真空灌浆。
⑦浆体对钢绞线无腐蚀作用。

三、真空灌浆施工工艺
1．各项装置的布置如图1所示。

2．预应力筋成孔管材
预应力混凝土构件中有采用直束、弯曲和U形束、圆形束等布筋方式，金属波纹管在预应力筋管成孔方面将不能满足小半径的弯曲及U形束、圆形束的布筋要求，故采用新型成孔材料--塑料波纹管。与金属波纹管相比，具有更好的密封住和耐腐蚀性，能为预应力筋提供更好的保护作用，其技术要求见表1。

3．主要施工设备
①排量为2立方米／min的SZ-2水环式真空灌浆泵1台；
②真空压力表1个，QSL-20型空气过滤器1个，15kg左右秤1台；
③灌浆泵1台，配套高压橡胶管1根；
④灰浆搅拌机1台；
4．施工步骤
（l）准备工作
a．检查确认材料数量，种类是否齐备，品质是否保证；
b．检查机具是否齐备、完好；
C．检查供水、供电是否齐全、方便；
d．按配方秤量浆体材料，减水剂首先溶于一部分水，待用。
e．按图1所示连接装好各部件。
（2）试抽真空
将灌浆阀、排气阀全都关闭，抽真空阀打开；启动真空泵抽真空，观察真空压力表读数，即管内的真空度，当管内的真空度维持在时（压力尽量低为好），停泵约lmin时间，若压力能保持不变即可认为孔道能达到并维持真空。
（3）搅拌水泥浆
A．搅拌要求
搅拌水泥浆之前，加水空转数分钟，将积水倒净，使搅拌机内壁充分湿润。搅拌好的灰浆要做到基本卸尽。在全部灰浆卸出之前不得再投入未拌合的材料，更不能采取边出料边进料的方法。
B．装料顺序
a．首先将称量好的水（扣除用于溶化减水剂的那部分水）、水泥、膨胀水泥、粉煤灰倒入搅拌机，搅拌2min；
b．将溶于水的减水剂倒入搅拌机中，搅拌3min出料；
C．水泥浆出料后应尽量马上进行泵送，否则要不停地搅拌。
d．必须严格控制用水量，否则多加的水全部泌出，易造成管道顶端有空隙。
e．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灰浆的流动性。
（4）灌浆
a．将灰浆加到灌浆泵中，在灌浆泵的高压橡胶管出口打出浆体，待这些浆体浓度与灌浆泵中的浓度一样时，关掉灌浆泵，将高压橡胶管此端接到孔道的灌浆管上，扎牢。
b．关掉灌浆阀，启动真空泵，当真空度达到并维持在-0.06～-0.09MPa值时，启动灌浆泵，打开灌浆阀，开始灌浆，当浆体经过空气滤清器时，关掉真空泵及抽气阀，打开排气阀。
C．观察排气管的出浆情况，当浆体稠度和灌入之前稠度一样时，关掉排气阀，仍继续灌浆2～3min，使管道内有一定的压力，最后关掉灌浆阀。
（5）清洗
拆下抽真空管的两个活接，卸下真空泵；拆下空气滤清器和灌浆胶管，清洗灌浆泵、搅拌机、阀门、空气滤清器以及粘有灰浆的工具。
4．注意事项
（l）锚头一定要密封好，最好在密封后24h开始灌浆。
（2）灌浆管应选用牢固结实的高强橡胶管，抗压能力≥1MPa，带压灌浆时不能破裂，连接要牢固，不得脱管。
（3）严格掌握材料配合比，否则多加的水会全部泌出，易造成管道顶端有空隙。对未及时使用而降低了流动性的水泥浆，严禁采用加水的办法来增加其流动性。浆体材料误差不能超过表2的规定值。

（4）灰浆进入灌浆泵之前应通过70目的筛子。
（5）灌浆工作宜在灰浆流动性没有下降的30～45min时间内进行，孔道一次灌注要连续。
（6）中途换管道时间内，继续启动灌浆泵，让浆体循环流动。

四、应用试验
在进行了大量的材料配比试验确定最佳配比后，根据以上制定的施工工艺，在公司内进行了6组真空灌浆试验（试件长7m），并于1999年8月至9月在大桥局桥研院进行了"武汉军山长江大桥索塔锚固区大曲率预应力筋足尺节段模型实地灌浆试验"。试件尺寸为：700cm*400cm*255cm。共灌浆12根，其中8根为U形束，灌浆段长12m，其余4根为直束，灌浆段长7.5m，平均每灌一根约需要25min。28d之后打开试件两端进行检查，结果如下。
（1）从外形上看，整根波纹管呈圆形。剥开顶部局部的波纹管，整个浆体结构呈圆形，浆它密实无空隙，与波纹管结合密实。
（2）均匀性：灌浆口近端和排气孔近端的浆体的结构形状几乎一样，表明均匀性较好。
（3）用从排气孔处接的灰浆进行浆体特性试验，结果完全符合要求，如表3所示。

1999年12月12日由京珠高速公路武汉军山长江大桥项目部主持，在武汉召开了“军山长江大桥索塔锚固区足尺节段模型试验研究”项目评审会。来自铁道部大桥局设计院、中交公路规划设计院、西南交大、浙江大学等单位的专家、教授出席了会议。会议一致认为，该桥模型试验中采用的真空灌浆材料和施工工艺都是可行的，建议采用。
为了确保武汉军山长江大桥索塔锚固区的灌浆万无一失，2000年4月又在军山长江大桥工地进行了一个足尺节段模型真空试验，共灌浆10根，其中6根为U形束，灌浆段长12m，其余4根为直束，灌浆段长7.5m，平均每灌一根约需要20min。同时在模型外做了两根U形裸管真空灌浆试验，一根为15m，另一根为6.5m。7天后打开试件观察，效果较好，经计算，灌满率在99％以上，通过了由京珠高速公路武汉军山长江大桥项目部主持的专家评审，现正应用于武汉军山长江大桥。

五、结论
研究试验结果表明，与普通压力灌浆相比，真空灌浆具有以下优点：

（1）可消除气泡的产生。在灌浆之前，孔道中90％的空气被抽出；
（2）可消除混在稀浆中的气泡，减少有害水分的聚积地；
（3）真空灌浆工艺能提供连续、快速的施工，对于长15m、内径φ92mm的管道，抽真空只需几秒钟，灌浆只需2～3min；
（4）能提供均匀、密实的灰浆，灌满率在99％以上；
（5）对于弯束、U形束、竖向束的孔道灌浆，则更能体现真空灌浆的优越性。
总之，由于真空灌浆施工工艺本身有较高水平的质量控制，加上采用合理配比的混合料，采用真空灌浆技术将能保证孔道灌浆的均匀性，能形成一个密实、不透水的保护层，并能消除孔隙。另外，塑料波纹管是绝缘体，与金属波纹管相比，具有更强的耐腐蚀性，大大改善了构件的防腐蚀性能。因此真空灌浆技术是确保高质量灌浆的一个强有力的手段。

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