預應力孔道循環(huán)壓漿試驗與數值分析

房慧明， 錢 波， 羅 輝， 郭昊文， 馮亞麗

(1. 華中科技大學 土木工程與力學學院， 湖北 武漢 430074；2. 中南工程咨詢設計集團有限公司， 湖北 武漢 430070)

孔道壓漿密實度在一定程度上決定了預應力橋梁的承載能力與耐久性而被廣泛關注[1]。Cavell, Waldron[2]對英國的全部后張法預應力孔道灌漿的混凝土橋梁進行了檢測，發(fā)現孔道存在非常多的缺陷，主要是壓漿不密實導致的空洞以及預應力鋼筋銹蝕等問題。Rouanet等[3]認為壓漿密實度結果取決于壓漿工藝是否正確。Hirose等[4]發(fā)明了一種全新的壓漿工藝，真空壓漿法。

孔道壓漿具有多種不同的壓漿工藝，包括傳統(tǒng)壓漿工藝、真空輔助壓漿工藝、循環(huán)壓漿工藝等[5～8]。過去的壓漿方法中，對孔道內空氣及水，采取的是“堵”的方法，無法排出的水和雜質一般堵在孔道內[9, 10]；循環(huán)壓漿工藝則顛覆了以往的理念，采用的是“疏”的方法，通過漿液在孔道內持續(xù)循環(huán)的方式排出孔道內所有空氣，保證壓漿完成后管道里都是水泥漿[11]，循環(huán)壓漿系統(tǒng)如圖1所示。本文主要通過雙孔循環(huán)壓漿試驗研究，測試灌漿質量并與數值結果對比分析。

圖1 循環(huán)壓漿系統(tǒng)

1 預應力孔道循環(huán)壓漿試驗

1.1 循環(huán)壓漿試驗孔道及準備工作

本文依托宜昌廟嘴長江大橋西壩岔道梁實際工程案例，根據實際工程中波紋管孔徑及雙孔注漿方式，利用橋下支撐混凝土墩制作試驗孔道，對預應力孔道進行循環(huán)壓漿試驗。試驗梁及預應力循環(huán)壓漿試驗孔道現場情況如圖2所示。

現澆支撐混凝土梁混凝土強度為C30，此現澆混凝土構件長40 m，寬1.5 m，高0.5 m，在制作該梁時，提前在梁下部平行放置3根塑料波紋管，波紋管為水平直線，三根預應力孔道長度均為40 m，塑料波紋管型號為SBG-100Y，內徑為100 mm。為使試驗結果更接近工程實際情況，在每根孔道內均放置12根預應力鋼筋。

圖2 試驗梁及預應力循環(huán)壓漿試驗孔道

1.2 循環(huán)壓漿試驗方案及過程

1.2.1 循環(huán)壓漿試驗主要材料及設備

(1)壓漿材料

本次試驗中選用的預應力孔道壓漿劑為湖北某公司開發(fā)的CG-100預應力管道高性能壓漿料，具有零泌水、微膨脹作用。

(2)智能循環(huán)壓漿設備

選用的壓漿設備為西安璐江橋隧設備有限公司生產的LJ-YJA1智能壓漿系統(tǒng)。該設備為可移動式循環(huán)壓漿機，主要包括三大系統(tǒng)：壓漿及動力系統(tǒng)、自動控制操作系統(tǒng)、漿液攪拌系統(tǒng)。

1.2.2 循環(huán)壓漿試驗方案

試驗梁共有3根孔道，編號分別為N1，N2，N3，分為兩組試驗。孔道N1采用單孔壓漿方式，孔道N2，N3采用雙孔循環(huán)壓漿方式，兩個預應力孔道由一根高壓U型連接管連接(圖3)。本文主要研究雙孔循環(huán)壓漿。

圖3 循環(huán)壓漿設計方案

1.2.3 循環(huán)壓漿試驗過程

循環(huán)壓漿試驗包括以下幾個步驟：

(1)張拉預應力鋼筋，將鋼筋拉直即可，張拉控制應力設置為0.3σk=418.5 Mpa,σk為張拉控制應力；

(2)采用強度等級為42.5 Mpa的低堿普通硅酸鹽水泥將錨固連接部位所有裂縫包裹嚴實，連接各壓漿管道及設備；

(3)在正式壓漿試驗前，對壓漿設備進行檢查，并用清水進行管道試壓；

(4)在智能壓漿系統(tǒng)中設置好材料用量、攪拌時間等參數，嚴格按照試驗室計算的配合比對所有材料精確計量并進料，通過智能壓漿設備測試，得出漿體初始流動度為13 s，水膠比為0.28，初始粘度為0.9 Pa·s，初始密度為2040 g/cm3；

(5)壓漿機通過電腦智能技術，控制入口壓強(0.5 Mpa)、出入口流量、水灰比等參數。當出漿口漿體飽滿，流動度與初始流動度相同，且入口流量與出口流量相同時，可認為壓漿充盈度達到要求；

(6)清洗壓漿設備。

循環(huán)壓漿現場安裝圖如圖4所示。

圖4 循環(huán)壓漿現場安裝

1.3 循環(huán)壓漿試驗結果

雙孔循環(huán)壓漿試驗的壓漿持續(xù)時間由系統(tǒng)自動計時，本次雙孔循環(huán)壓漿試驗的持續(xù)時間為447 s。

采取沖擊回波法[12，13]對試驗的兩根預應力孔道灌漿密實度進行檢測。

每根孔道定位測試結果共分5個測試頻譜圖，每個測試頻譜圖的測線長度均為8 m，測點布置在預應力孔道上方，間距10 cm，各孔道按測線從左至右分別編號為：N2-1，N2-2，N2-3，N2-4，N2-5；N3-1，N3-2，N3-3，N3-4，N3-5，部分測試等值線圖如圖5所示。

由圖5可知，N2-1測試等值線圖，錨頭部位約有10 cm不密實區(qū)域，整體灌漿質量良好；N3-1測試等值線圖，錨頭部位約有10 cm不密實區(qū)域，整體灌漿質量良好；其余測試等值線圖，整體灌漿質量良好。

圖5 部分測線測試等值線

測試結果直觀示意如圖6和表1所示。

圖6及表1表明，雙孔循環(huán)壓漿模型整體壓漿質量非常好，壓漿時間為447 s，處于規(guī)范允許的范圍內，壓漿密實度達到98%以上。存在一些零星缺陷，主要位于錨頭位置。該位置位于截面突變處，屬于壓漿盲區(qū)，氣泡不易被水泥漿帶走，可在壓漿結束后，對錨頭位置進行人工補漿。因此，循環(huán)壓漿利用漿液持續(xù)循環(huán)的方式，帶走孔道中絕大部分的空氣，試驗驗證可實現高質量灌漿。

圖6 部分測線測試等值線

測試孔道測線測線長度/m缺陷壓漿密實度/%N218錨頭部位約0.1m不密實(空洞型)28正常38正常48正常58正常98.54N318錨頭部位約0.1m不密實(空洞型)28正常38正常48正常58正常98.61

2 預應力孔道循環(huán)壓漿數值模擬

2.1 模型的簡化及假設

由于在實際中，水泥漿的材料屬性及流動過程很復雜，數值模擬時，對于孔道和水泥漿需要進行一定的合理性簡化和假設：

(1)假設水泥漿為連續(xù)均勻介質且具有穩(wěn)定性，在模型的參數設置中體現為將水泥漿設置為密度為2.040 g/cm3的由單一物質組成的純凈物，入口水泥漿體積分數設置為100%，空氣體積分數設置為0；

(2)將模型簡化為二維模型，二維模型取管道過圓心的垂直切面，考慮重力，并將U形管長度拉直，則該模型模擬簡化為同一垂直二維面上兩根直線連接的預應力孔道。通過調節(jié)簡化后的連接管粗糙度系數，來考慮U形管局部阻力影響；

(3)不考慮預應力鋼筋對水泥漿流動的影響；

(4)假設在流動過程中，忽略流體壓強對波紋管的擠壓，即不考慮波紋管的變形，波紋管為剛性；

(5)實際工程中，往管道注漿的軟管一般是彎曲的，因此注入管道內的水泥漿一般有一定的傾角。數值分析過程中，在管道入口處設置了一段0.5 m長的入口導管，將水泥漿的流速矯正成垂直于管道入口面，因此可假設水泥漿在入口處只有垂直于進口方向的速度；

(6)每根管道壓漿過程持續(xù)時間不長，且溫度對壓漿的影響非常微小，因此壓漿過程中溫度恒定。

2.2 循環(huán)壓漿數值模型的建立

2.2.1 幾何模型的建立

通過AutoCAD建立幾何模型(圖7)。試驗模擬為同一垂直二維面上兩根直線連接的預應力孔道，每根預應力孔道的長度均為40 m，波紋管管徑為100 mm，波紋管左右兩側均設置一根連接導管，出口導管與入口導管長度均為0.5 m，管徑為30 mm；兩根預應力孔道間有一根長度為1 m的連接管。

圖7 雙孔注漿二維幾何模型/mm

2.2.2 網格劃分

將幾何模型導入到ANSYS ICEM,進行網格劃分。最大單元尺寸為12 mm，網格類型為四邊形網格(圖8)。

2.2.3 模型參數設置

通過Ansys Fluent 16.0進行孔道灌漿的數值

圖8 部分區(qū)域網格劃分

計算，導入ICEM劃分好的網格并進行網格質量檢查，確保沒有負體積以后就進行模型各項參數設置。

(1)水泥漿密度

模型中水泥漿的密度參數輸入為現場測得數據2.040 g/cm3。

(2)重度

重力加速度g為9.8 m/s2。

(3)水泥漿粘度

現場測得水泥漿的粘度為0.9 Pa·s。

(4)壓縮性

水泥漿的固液分子平均間距均比較小，不容易被壓縮，工程中通常將其忽略不計，在數值模型設置中將其假設為不可壓縮流體。

(5)液氣表面張力

水泥漿是一種固液混合物，水泥漿與空氣的表面張力即為水與空氣的表面張力，將此參數輸入為25 ℃時水的表面張力0.072 N/m。

(6)雷諾數Re與流態(tài)

本模型中的管道直徑非常小，流動軌跡相對簡單，在溫度為25 ℃情況下，壓漿料的密度ρ為2.040 g/cm3，孔道中壓漿液的最大流速v為5 m/s，粘度μ為0.9 pa· s，孔道管徑d為100 mm。雷諾數Re=ρvd/μ=1133.3﹤2300，流動狀態(tài)屬于層流。

(7)管壁粗糙高度

波紋管管壁粗糙高度設置為5 mm。

(8)邊界條件

入口邊界條件設置為壓力入口條件，由于試驗段長度管道長度比較短，雙孔注漿模型入口壓強均設置為0.5 Mpa；出口邊界條件設定為壓力出口條件，由于水泥漿流出后直接排到與大氣相連的攪拌桶中，所以出口壓強為0；水泥漿進入管道時不含氣泡，流出管道時為固液混合物，所以在進口處，空氣體積分數為0，流體體積分數為1，出口處為混合相。

(9)相設置

第一相為空氣，第二相為水泥漿。

(10)邊界滑移條件

因為管壁擁有相當程度的粗糙度，所以流體在壁面的相對速度為0，取水泥漿速度對管壁為無滑移邊界條件。

(11)多相流模型

本次計算參數選擇VOF多相流模型，VOF采用一階迎風離散。

(12)方程求解算法

方程的計算采取瞬態(tài)計算方法，因此使用PISO算法。

(13)初始條件

本次仿真需要模擬流體充滿孔道的全過程，因此，初始條件設置為整個計算域內初始空氣體積分數為1，初始壓強為0，初始速度為0。

(14)時間步長

將時間步長設置為0.001 s，并設定每20個步長保存一次數據。

2.3 循環(huán)壓漿數值計算結果分析

分別截取了壓漿期間各特征時間點在孔道出入口等位置的體積云圖、速度云圖及壓強云圖，以分析水泥漿在預應力孔道內的流動情況，如圖9～13所示。

圖9體積云圖中，Fluent以單元為基本單位，計算每個單元內空氣的體積分數。當單元內空氣體積分數為0時，即單元內流體均為水泥漿時，顯示為藍色；當單元內空氣體積分數為1時，即單元內均為空氣時，顯示為紅色；當單元內空氣體積分數界于0與1之間時，則顯示圖左側所示的其它顏色。

流動時間為5.67 s時，流體已由入口導管進入孔道內，流動比較平穩(wěn)，水泥漿與空氣交界面可能有少量微小氣泡，由于氣泡尺寸過小，部分網格尺寸大于氣泡尺寸，所以無法形成比較清晰的兩相界面。

由速度云圖可以看出，水泥漿在孔道下部的流入，帶動了孔道上部空氣的流動。由靜壓云圖可以看出流動時間為5.67 s時，入口處水泥漿的靜壓為0.5 Mpa，水泥漿進入孔道以后便接觸到外部大氣壓，其靜壓為0。而總壓為靜壓與水泥漿的動能之和，與速度有關。

流動時間為5.67 s時，孔道中的水泥漿已流至8 m處，由于水泥漿粘性、管道的阻力及液氣表面張力存在的原因，水泥漿不同位置的液面高度并不相同，不同位置流體速度也不同，流體端部水泥漿流動速度為0。

速度云圖中顯示的是整個管道內混合相的流速，可以看出空氣被水泥漿帶動以一定的速度往出口流動，整個管道橫向截面上，由于管壁粗糙的原因，靠近管壁處混合相速度為0，管道中部速度最大。8 m位置處，流體直接接觸空氣，流體靜壓為0，存在一定的動壓強。

圖9 5.67 s入口處云圖

圖10 5.67 s時8 m處云圖

圖11 48.01 s時入口處云圖

圖12 48.01 s時20 m處云圖

流動時間為48.01 s時，由于入口處水泥漿壓入的速度比較快，在管道左上角與導管交界面附近形成一個盲區(qū)，該位置的空氣不容易被水泥漿帶走，形成兩個約400 mm左右大小的氣泡，隨著流動時間的增加，該位置氣泡會逐漸被水泥漿帶走一部分，但無法完全被帶走。

隨著流動時間的增加，管道內相當多的區(qū)域已經被水泥漿所充滿，水泥漿在入口處的流動中心由底部逐漸上升，在速度云圖及總壓云圖中顯示為代表流速最快的黃色區(qū)域的升高。入口處雖然有兩個大氣泡，但是為封閉氣泡，不與外界大氣相連，因此此位置無論水泥漿還是該處氣泡壓強都比較大。

流動時間為48.01 s時，此時水泥漿剛剛流動至第1根管道的出口導管處。由體積云圖可以看出，20 m處孔道內大部分已被水泥漿所充滿，但仍存在部分條狀氣泡分布在孔道上壁，隨著流動的繼續(xù)，孔道內的氣泡將逐漸被排出。

圖13 425.77 s時各位置體積云圖

由圖13可以看出，孔道在截面突變處，特別是小截面突變?yōu)榇蠼孛鏁r，該位置會出現一個壓漿盲區(qū)，該盲區(qū)均有一個約10 mm的氣泡，如圖13a，13b所示。圖13c，13d中可以看出60 m處及出口位置的管壁附著有少量氣泡。一般在實際工程中，出口位置不出現連續(xù)氣泡就可認為壓漿結束。壓漿密實度已達到98%以上，符合規(guī)范要求，且少量的管壁處氣泡遠離預應力鋼筋，對橋梁的安全幾乎沒有影響，繼續(xù)進行循環(huán)壓漿會浪費能源和材料。

通過數值仿真，雙孔循環(huán)壓漿模型壓漿425.77 s后可認為壓漿完成，壓漿密實度為98.15%?，F場試驗雙孔循環(huán)壓漿試驗的壓漿持續(xù)時間為447 s，數值結果與試驗結果相差4.75%；現場試驗雙孔循環(huán)壓漿試驗的壓漿密實度為98.54%，數值模擬的壓漿密實度結果為98.15%，數值結果與試驗結果基本一致，說明數值模擬較可靠。

3 結 論

通過對預應力孔道循環(huán)壓漿試驗研究和數值分析，得到如下結論：

(1) 理論分析和試驗均表明，循環(huán)壓漿工藝利用漿液持續(xù)循環(huán)的方式帶走孔道中絕大部分空氣，達到較高壓漿質量；

(2)數值模擬重現了循環(huán)壓漿過程中水泥漿的流動情景。發(fā)現壓漿完成以后，仍有少量氣泡分布在波紋管管壁及截面突變處，試驗結果也驗證了在入口處及界面突變處較容易出現壓漿缺陷。建議實際施工時采用人工二次補漿方法消除這些缺陷。

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