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优质灌浆质量+专业设备=密实灌浆——中交武汉港湾工程设计研究院有限公司新材料研究所所长屠柳青
- 发布日期：2023-04-06 14:21:20
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- 来源：灌浆料网
桥梁预应力管道CG-100高性能灌浆材料现场工艺试验研究
2.管道灌浆问题分析及现状
据有关文献资料研究结果，导致我国预应力混凝土结构管道灌浆质量普遍较差的主要原因有以下几点：
（1）灌浆材料：灌浆用的水泥浆质量好坏将直接关系到管道灌浆质量的好坏，目前国内市场上充斥着良莠不齐的灌浆料产品，由于没有专门的质量要求及检测方法，很难考证其质量的优劣，更无法判定其对预应力筋耐久性的影响。
（2）灌浆工艺：由于缺乏系统试验资料，目前灌浆工艺较为简单，设备要求及工艺等很不规范，灌浆中存在的隐患较多。
（3）管道灌浆技术规范：我国现行的管道灌浆技术规范对灌浆材料、灌浆设备和灌浆工艺要求都十分低，同时对一些关键技术指标缺乏相应规定，如灌浆材料的耐久性指标，这也间接导致了我国所用的灌浆材料品质差，灌浆工艺落后。
（4）缺乏对灌浆质量的优劣进行评价的有效检测手段：缺少有效的检测手段致使预应力管道灌浆质量得不到有效的监督。由于灌浆质量从表面看来只影响预应力筋的使用效率及寿命，一般不会导致构件短时间内被破坏。因此，该问题一直没有引起足够的重视，但到了一定时间，隐疾突发，后果将不堪设想。
（5）思想上重视不够：在具体施工质量控制中，业主、监理、施工单位往往将预应力工程的质量重点放在预应力钢筋的张拉上，很少人关注灌浆的质量。
2.1.管道灌浆料现状
在国内，预应力管道灌浆所使用的传统灌浆料一般为纯水泥浆，施工时，采用水泥、水、减水剂、膨胀剂、增稠剂等进行现场配制。现场配制的灌浆料必须满足：水灰比为0.40-0.45，掺入适量的减水剂，可以减小到0.35；灌浆料**大泌水率不得超过3%，泌水应在24小时内重新被灰浆吸收；灌浆料的粘稠度应控制在14-18s；灌浆料在凝固前具备一定的膨胀作用；灌浆料试块的抗压强度不低于30MPa。现场采用水泥、各种外加剂和水配制灌浆料，通常存在各种外加剂兼容性不良、水泥与减水剂适应性差等问题，造成管道灌浆存在以下严重问题：（1）浆体质量稳定性差、流动性差、流动性损失快，体积稳定性不良；（2）新拌浆体泌水大，易离析分层，浆体中微沫多，流动性不好，凝结时间不适中，浆体压浆时往往不顺畅，易堵管，施工速度慢，管道也很难成饱满状态等；（3）硬化后浆体不密实，气泡、针隙类空隙多，与预应力筋粘结不实，浆体中甚至有断纹，管道不饱满，高点处浆体起粉等。上述问题不仅影响施工，而且直接关乎桥梁结构的耐久性及安全使用。
近年来，国内对现场配制的传统灌浆料进行了一定的改善，采用水泥、水和外加剂包进行配制，有效解决现场各种外加剂兼容性不良的问题，但由于我国地缘辽阔，各个地方用于生产水泥的原料性不同，生产出来的水泥差异很大，因而水泥与外加剂包适应性差的问题仍然存在。
在国外，管道灌浆现场使用的灌浆料通常为预拌商品灌浆料，预拌商品灌浆料是工厂化的产品，事先通过试验设计，然后在工厂配成均匀的粉体，包装成袋，在施工现场只需按说明加水搅拌成浆体即可。采用预拌商品灌浆料可以有效解决各种外加剂兼容性不良、水泥与减水剂适应性差等问题。
目前，对预拌商品灌浆料的研究主要集中在灌浆料的改性，而采用超细水泥对水泥灌浆料进行改性是目前研究的热点。
美国的工程实践表明超细水泥灌浆是一种极好的方法，可以灌入细砂和细裂缝的岩石与混凝土中，其可灌性能与化学浆材相当。德国的P.Noske指出超细水泥可以制成悬浮液应用于岩土灌浆工程，成为化学灌浆材料的替代物，并且有不污染环境的优点。加拿大K.Salen和T.Mirzx在论文中指出200年以来灌浆浆液的特性己发生很大变化，由简单泥浆悬浮液到水泥浆悬浮液、化学浆液(聚氨脂、环氧树脂等)和超细水泥新品种。对于浮动裂隙或低温下进行灌浆还要保持结构完整性，则推荐使用超细水泥。瑞典P.Borchardt指出超细水泥及其添加剂的生产，使灌浆工艺获得了新的可行方法，很多化学浆材耐久性差，并对环境有污染。T.A.Melbye指出超细水泥有许多优点，可以用普通水泥的灌浆技术和设备，比普通水泥具有更好的可灌性，可以代替化学浆材，具有良好的工作环境、耐久性好、强度高、比化学浆材更经济。
在国内，高校、科研机构同样对灌浆材料的改性做了大量研究工作。同济大学混凝土材料国家重点试验室对掺矿物微粉的水泥浆体进行了一系列的研究。他们主要考察了矿物微粉颗粒特征及掺量与水泥浆体流变性能之间的关系。并且在几个颗粒群特征参量中，分别确定其一，变化其它参量进行对比试验，以确定水泥浆体流变性能的变化规律。张雄等人在这一方面也进行了一些研究。他们在研究中发现，特殊混合材的掺量对水泥浆的屈服应力与粘度有着很大的影响。并且不同的混合材对浆体流变性能的影响也有着很大的差异。长江水利委员会的陈明祥针对目前国内外出现大坝基础灌浆帷幕衰减和失效的事例，认为对于水泥灌浆存在的问题应从材料本身来解决，并对灌浆水泥的原材料选择提出了建议。国家建材研究院在研究灌浆材料过程中，探索了不同矿物掺和料对材料可灌性的影响，得出了很多工程上的实际数据。他们认为，矿物掺和料的细度是对水泥浆体流变性能影响的主要因素，不同掺量时对浆体的流变性能影响有很大的差异。重庆大学材料学院的张驰等人利用磨细粉煤灰、磨细矿渣和硅灰作为矿物掺和料，分别研究了矿物掺合料、高效减水剂以及它们的复合作用对水泥浆体流变性能的影响情况。他们在研究中发现：矿物掺合料和高效减水剂双掺时，大大提高了水泥浆体的流动性。
对比国内外管道灌浆料应用和研究现状可知，国内管道灌浆料应用水平较国外差，这直接导致国内管道灌浆质量差。因此，尽快与国际接轨，发展预拌商品灌浆料是我国管道灌浆料的发展方向。
2.2.管道灌浆设备及工艺现状
（1）浆体的拌制
国内拌制灌浆料浆体时，通常采用慢速搅浆机，其搅拌原理为慢速剪切，转速一般低于100转分钟。慢速搅搅浆机适用于水灰比大、易分散的灌浆料。对于新型高性能灌浆料，由于水灰比小、粘度大，已不再适用。有研究资料表明，采用高速搅拌机拌制的低水灰比(水灰比为0.35)灌浆料浆体流锥时间、泌水率、强度、膨胀率指标，均好于慢速搅浆机。因此，开发与新型高性能灌浆料相配套的搅浆设备十分必要，它不仅能够提高现场工作效率，而且非常有利于提高灌浆质量。
（2）常规灌浆工艺
常规灌浆工艺是压力灌浆，使用柱塞泵，压力在0.5-1.0MPa，将浆体压入管道，并沿管道设置的高点和低点排气孔排气。常规灌浆工艺有一定的局限性，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，成为渗透雨水的聚积地，这些水可能含有有害成分，易造成对构件的腐蚀；同时，在北方严寒地区，由于温度低，这些水会结成冰，可能胀裂构件，造成严重的后果；另外水泥浆容易泌水离析，干硬后收缩，泌水处可能产生空洞，致使强度不够，粘结不好，为工程留下隐患。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，目前国外已开始普遍采用真空灌浆工艺。
（3）真空灌浆工艺
真空灌浆工艺不同于常规灌浆工艺，它是采用真空泵抽吸预应力管道中的空气，使管道达到负压0.1MPa左右的真空度，然后在管道的另一端用压浆机以不小于0.7MPa的正压力将水泥浆压入预应力管道，以此提高管道灌浆的密实度。
真空灌浆工艺和传统的常规灌浆工艺相比，灌浆过程连续迅速，减小了曲线管道中将体自身引起的压力差，特别对于一些异形管道的关键部位，提高了管道灌浆的密实性，在钢束曲率半径较小及钢束过长的情况下、常规灌浆工艺不好施工的结构中取得了良好的效果。
必须引起重视的是，真空灌浆工艺并不是万能的。润扬长江大桥研究表明：在两端高差较大的情况下，真空灌浆工艺的效果比常规灌浆工艺的效果差，钢管顶部出现空管现象，需要采用二次补浆的措施。因此在实际桥梁具体施工环境下如何把握真空灌浆工艺还有待进一步研究。
综合常规灌浆工艺和真空灌浆工艺的研究现状，两种灌浆工艺法都存在一定的不足。尤其值得关注的是：无论采用常规灌浆工艺还是真空灌浆工艺，现场灌浆料搅拌时，各种配料几乎采用人工计量，掺量得不到严格控制，搅拌出的浆体与设计的配比不符。因此，开展改进灌浆工艺的研究，开发全机械化、全自动化控制的计量控制系统，对于提高工作效率、保证管道灌浆施工质量有着重大意义。
2.3管道灌浆相关技术规范现状 2.3.1国外管道灌浆技术规范
（一）欧盟规范
欧盟规范BS EN 445446447:2007——Grout for prestressing tendons详细规定了管道灌浆料的技术指标要求、灌浆料各种性能指标测试方法以及管道灌浆施工工艺，是目前国际上**为先进的预应力管道灌浆技术规范，本节将重点介绍。
欧盟标准BS EN 445446447:2007——Grout for prestressing tendons中规定用于预应力管道灌浆的灌浆料技术指标包括有害离子含量、细度、流动性、泌水性、体积稳定性、强度、凝结时间和密度八大指标，具体技术要求及测试方法如下：
（1）有害离子含量
预应力管道灌浆料中的有害离子包括Cl-、SO32-和S2-，规范规定Cl-、SO32-和S2-含量分别不超过水泥重量的0.1%、4.5%和0.01%。
（2）细度
采用筛孔通过率来表征灌浆料细度，规定2mm筛孔通过率为100%。
（3）流动性
采用流出时间或扩展度来表征灌浆料流动性。规定初始流出时间不大于25s，30min后流出时间在0.8-1.2倍初始流出时间之间，同时不大于25s；规定初始扩展度不小于140mm，30min后扩展度在0.8-1.2倍初始扩展度之间，同时不小于140mm。
（4）泌水性
采用泌水率来表征灌浆料泌水性。规定灌浆料3h后泌水率不大于0.3%。泌水率测试方法分斜管法和直管法。
（5）体积稳定性
采用体积变化率表征灌浆料体积稳定性，规定体积变化率在-1%~+5%之间。体积变化率采用直管法测定，体积变化率表示为(hg-h0)h0×100%。
（6）强度
成型40×40×160mm棱柱体用于测定灌浆料抗压强度，规定3d抗压强度不小于27MPa，28d抗压强度不小于30MPa。
（7）凝结时间
规定初凝时间不小于3h，终凝时间不大于24h。
（8）密度
要求测试灌浆料密度，但对密度具体指标无要求。
（二)美国后张预应力协会(PTI) 规范
美国后张预应力协会(PTI) 规范"Specification for Grouting of Post-Tensioned Structures"中对预应力管道灌浆料技术指标规定包括流动性、泌水性、体积稳定性、凝结时间、强度和抗渗性，具体指标要求见表2-1。相比欧盟标准BS EN 445446447:2007，后张预应力协会(PTI) 规范增加了对灌浆料的抗渗性要求，但缺少对有害离子含量和细度的规定。
1.概述 随着我国基础建设设施的蓬勃发展，预应力混凝土结构因其显著的技术经济优势而在大型桥梁结构中广泛应用。预应力混凝土结构的所有优势，都必须建立在预应力筋与结构混凝土粘结完好的基础上。预应力混凝土结构体系中，管道灌浆的作用主要有三点：一是保护预应力钢筋不外露而遭锈蚀，保证预应力混凝土结构的安全；二是使预应力钢筋与混凝土有良好的粘结，保证它们之间预应力的有效传递，使预应力钢筋与混凝土共同作用；三是消除预应力混凝土结构在反复荷载作用下应力变化对锚具造成的疲劳破坏，延长锚具的使用寿命，提高结构的可靠性。因此，管道灌浆质量的好坏，将直接影响整个预应力混凝土结构的安全性和可靠性，管道灌浆已是预应力混凝土结构施工过程中的一道关键工序。 实际工程中，因预应力管道灌浆质量造成桥梁坍塌事故的报道屡见不鲜。1985年l2月位于英国南威尔士的Ynys-y-Gwas桥在清晨突然倒塌。桥梁倒塌时，中间的9根I梁全部损坏，纵向接缝和横向缝处的预应力钢索严重锈蚀。事后英国运输与道路研究实验室(TRRI)对倒塌原因做了深入调查。检查的I梁中24根纵向管道，其中的18根管道灌浆密实或只有小孔隙，4根管道存在使钢丝束暴露在空气中的大孔隙，还有两根管道在一定长度内中空，**大的孔隙通常出现在曲线管道的锚固端；检查的14根横向预应力管道中，8根管道灌浆密实或只有小孔隙，3根管道存在使钢丝束暴露在空气中的大孔隙，另外三根管道几乎全部是空的。调查还发现，虽然在每根梁段内仅含有微量的氯化物，但在纵向接缝和横向接缝处氯化物的含量要高得多，使得纵向和横向接缝处的预应力钢丝束锈蚀严重。由于管道压浆质量差，特别是对于横向管道存在着大量的孔隙，导致接缝处的锈蚀在灌浆不饱满的管道内沿梁宽方向延伸开，钢丝束大面积锈蚀，承载截面损失，当钢丝束截面面积减小到无法承受外荷载时桥梁突然倒塌。类似倒塌的桥梁还有英国汉普郡的Bickton Meadows人行桥和比利时Schelde河上的一座桥梁。
国内，在对钱江三桥随机抽检的35根管道检查中发现，管道内无浆高达72%，不饱满占11.42%，开孔流水达40%。这基本代表了我国管道灌浆的质量现状——管道灌浆质量普遍很差，管道灌浆不实。这给我国预应力混凝土结构的质量和耐久性埋下了巨大隐患。
为了保证我国预应力混凝土工程的质量和耐久性，必须对管道灌浆技术进行认真深入的研究。本项目分别选取四种典型灌浆料，通过30m矩形梁和300m超长索试验，开展现场灌浆工艺研究，验证中桥CG-100高性能灌浆料及灌浆设备的技术先进性。
预应力混凝土结构管道灌浆由浆体的拌制和灌浆工艺两部分组成，灌浆工艺包括传统的常规灌浆工艺和近年来兴起的真空灌浆工艺。
国外管道灌浆技术规范以欧盟规范BS EN 445446447:2007——Grout for prestressing tendons和美国后张预应力协会(PTI) 规范"Specification for Grouting of Post-Tensioned Structures"**具有代表性，其他还包括美国佛罗里达交通局(FlaDOT)制定的管道灌浆技术规范。
