公路預應力孔道壓漿材料高速制漿設備與應用

邊 江，陳 超

(1．深圳市交通公用設施建設中心，深圳 518040；2.中交(廣州)建設有限公司，廣州 511458)

預應力管道壓漿材料及施工質量是確保預應力混凝土橋梁結構工程質量的關鍵，預應力管道壓漿材料在橋梁預應力結構中可以起到：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構安全；2)使預應力鋼筋與混凝土良好結合，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)消除預應力結構在反復荷載作用下，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構工程質量、延長預應力橋梁結構安全使用的關鍵因素。交通運輸行業標準JTG/T F50—2011《公路橋涵施工技術規范》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量、結構安全性和耐久性。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，對制漿設備沒有做出嚴格的規定，僅對攪拌轉速和線速度做了簡單規定，致使部分地區因檢測及現場制漿設備的問題導致檢測結果或工程質量不合格。因為制漿問題，國內已經建成使用或正在建設的橋梁大多存在預應力管道壓漿不密實的質量通病，為橋梁長期安全運營留下不同程度的安全隱患。隨著高速公路建設向山區延伸，橋梁建設比例大幅提高，進一步改進或提升壓漿材料的勻質性和可操作性，對保障公路工程橋梁結構質量具有重要意義。

1 預應力孔道壓漿漿體制備實際情況分析

為系統了解預應力孔道壓漿料制備與工程應用情況，對國內河北、廣西、內蒙古、新疆、云南、湖北等地區多個項目進行了調研。經過近10年的推廣應用，公路工程預應力結構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量。從室內檢測結果可以看出，含水率、細度、氯離子含量等勻質性指標廠家質量控制較好，很少出現不合格現象，其他的技術指標中，凝結時間、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。根據經驗分析，流動度出現不合格有三方面因素，一是試驗人員經驗不足，讀取數據時漿體完全流出的時間把握不準，導致試驗結果不合格；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；三是試驗室內制漿設備不合格，漿體攪拌不到位，漿體出現團塊。

從預應力孔道壓漿材料現場施工及質量控制來看，76家單位均采用專用的施工制漿設備。因專用制漿設備目前沒有標準，各種專用設備基本上是滿足攪拌速度即可，對其他性能沒有明確要求。調研結果顯示，目前制漿設備基本都是采用立軸式攪拌機，轉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的7%不到)。從現場計量的方式來看，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整。從制漿效果來看，在制漿過程中普遍存在團塊現象，約50%的現場觀測發現有分層現象。從中可以看出，目前制漿的效果沒有完全達到材料設計的要求。從整體的預應力孔道壓漿材料應用情況調研結果來看，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，對提高預應力結構的耐久性起到了一定的促進作用，但從現場調研的結果可以看到，現場制漿效果存在一定的問題。

2 立軸式制漿設備的應用效果分析

2.1 攪拌設備的結構分析

現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構。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構原因，易造成漿液在罐內隨著槳葉的運動，形成規則的旋轉流場，部分粉料在漿液中形成包團(水包粉)，極不容易分散。目前市場上攪拌結構和攪拌器種類繁多，根據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、穩定劑、礦物摻合料等多種外加劑，由工廠預拌生產的干混料，在施工現場直接加水，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量的重要環節。

綜合考慮預應力孔道壓漿材料的制備過程，高速旋轉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成。槳式攪拌器結構簡單，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，液體在容器內不僅可以做圓周運動，各層之間還有相對運動，可以實現有效的分散。

攪拌器使用效果與攪拌容器的形狀息息相關。在使用過程中，經常會出現選型符合，轉速也很高，但是漿液混合效果很差的情況。經研究發現，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置不合理。設置不合理會導致攪拌容器內所有的介質都在高速旋轉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 攪拌設備的結構仿真分析

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，得到相關設備流體動力學特性，分析不同設備攪拌效果。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。

重力加速度設置為9.81 m/s2。流體設置為水。螺旋槳旋轉使用MRF模型，轉速設置為1 980 r/min，繞y軸旋轉。模型選擇為湍流K-Omega模型，默認參數。設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中速度大小關于軸線部分對稱，工況B中速度大小關于軸線對稱。工況A和B中主軸下面均存在一定范圍的靜止區域。在攪拌器直徑相同和轉速相同的情況下，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 臥式制漿設備的應用效果分析

3.1 臥式攪拌設備結構

壓漿料在稱重器稱重后取出振動器，經上料斗將壓漿料加入制漿罐中，同時由計量泵將水箱內的水送入制漿罐中，由伺服電機通過聯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 臥式攪拌設備仿真分析

重力加速度設置為9.81 m/s2。流體設置為水。螺旋槳旋轉使用MRF模型，轉速設置為1 980 r/min，繞y軸旋轉。模型選擇為湍流K-Omega模型，默認參數。設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。

臥式結構槳葉攪拌的漿體在攪拌過程中不存在靜止流場，故流動度比立式結構流動度更好，漿體勻質性更好、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備。

4 結 論

a.自JTG/T F50—2011《公路橋涵施工技術規范》實施以來，超低水膠比預應力孔道壓漿料的應用得到普及，但從壓漿料現場施工及質量控制調研結果可以看出，部分漿體存在團塊和分層現象，未能達到材料的設計要求，影響后期梁體壓漿效果。

b.對于立軸式攪拌設備而言，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，臥式攪拌結構相比立式攪拌結構，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備。