30m预制预应力箱梁真空压浆施工技术控制要点

吴爱国

中冶京诚工程技术有限公司，北京 100053

1 真空压浆工艺概述

在后张预应力结构中，预应力筋主要依靠成孔材料和浆体包裹这两层屏障进行防护。浆体除了具有保护预应力筋的作用外，还会对后张预应力混凝土强度产生重要影响。如果压浆不饱满，不仅会使梁的整体强度有所降低，还会导致裂缝提早出现。管道内浆体的空隙、裂缝和残留的空气和水也会导致预应力筋产生锈蚀，直接威胁到结构的安全性和耐久性。真空压浆是近年发展起来的一项技术，他克服了传统压浆工艺的不足，从根本上解决了普通压浆工艺固有的各种缺陷，既提高了孔道压浆的饱满度与密实性，确保预应力筋的防腐效果，也大大调高了结构的耐久性，延长了桥梁的使用寿命。

真空压浆是将孔道系统封闭，一端用真空泵对孔道先进行抽真空，使之产生-0.06MPa～-0.1MPa的真空度，然后用压浆泵将搅拌好的水泥浆体从孔道的另一端压入，直至充满整条孔道，并加以0.5MPa～0.7MPa的正压力，当水泥浆从抽真空端流出且稠度与压浆端基本相同，再经特定的位置采取排气和保压措施，从而使浆体获得饱满、密实的一种施工工艺。

2 真空压浆的优点

1）由于孔道内和真空泵之间的正负压力差，孔道中原有的空气和水被清除。同时，混杂在水泥浆中的气泡和多余的自由水被释放，大大提高孔道内浆体的饱满和密实度；

2）由于密度的差异，浆体中的微沫及稀浆在真空负压下将率先排出孔道，进入负压容器。待稠浆流出后，孔道中浆体的稠度既可保持一致；

3）可以避免普通压浆工艺浆体流动引起的气泡。孔道中残留的水分在接近真空的状态下可被汽化，随空气一同被抽出；

4）在真空状态下，减小了由于孔道高低弯曲而使浆体自身形成的压力差，便于浆体充盈整个孔道。对于弯型、U型、竖向预应力筋更能体现真空压浆的优越性；

5）真空压浆其孔道必须具有良好的密封性，这就使浆体的各向压力一致，浆体保压及充满整个孔道得到保证；

6）工艺及浆体的优化，可减少浆体的离析、泌水和干硬收缩，同时提高浆体的强度。

真空压浆过程是一个连续且迅速的过程，缩短了压浆时间。

2 真空压浆的质量控制

2.1 优化真空压浆浆体的配合比设计

2.1.1 浆体配合比确定原则

浆体设计是压浆工艺的关键环节之一，合适的水泥浆应具有以下特性：

1）流动性能好；

2）均质性好，孔隙率低，渗透性小；

3）具有轻微的膨胀性；

4）抗压强度满足要求；

5）与孔道各单元牢固粘结；

6）泌水性小。

为防止水泥浆在灌注过程中产生析水以及硬化开裂，并保证水泥浆在管道中的流动性，需掺加少量的外加剂。其作用是：

1）改善水泥浆的性质，降低水灰比，减少空隙泌水，消除离析现象；

2）降低硬化水泥浆的孔隙率，堵塞渗水通道；

3）减少和补偿水泥浆在凝结硬化过程的收缩和变形，防止管道脱空现象和裂缝的产生。

2.2 对材料的要求

1）水泥：采用普通硅酸盐水泥，水泥强度等级不低于42.5MPa；

2）水：水中硫酸盐含量不能大于0.1%，氯盐含量不能大于0.5%，水中不能含有糖分或悬浮有机质；

3）外加剂：不得含有对预应力筋或水泥有害的化学物质。尤其不得含有氯化物成分和硝酸钙等腐蚀性介质。另外，添加剂中所含的膨胀成分严禁含有铝粉。

2.3 技术指标

1）水灰比控制在0.3～0.38；

2）流动度30s～50s（青临高速）；

3）浆体泌水性小于水泥浆初始体积的2%，四次连续测定的结果平均值<1%；拌合24小时内泌水被浆体吸收；

4）浆体初凝时间>6小时，终凝时间<24小时；

5）浆体膨胀率<2%；

6）充盈度：无肉眼可见水囊，无直径>3mm的气囊；

7）浆液温度：5℃《T《35℃；

8）浆体强度指标满足要求（青临高速为50MPa）；

9）浆体对钢绞线无腐蚀作用。

2.4 配合比设计实例

青临高速第*标段30m箱梁真空压浆配合比设计：采用山铝水泥有限公司所产P.O42.5水泥、淄博华伟NOF-KG灌浆剂，水灰比分别选用0.30、0.34、0.38；灌浆剂剂量分别采用8%、10%、12%。拌合采用水泥胶砂搅拌机（转速为120转/分）。经各项技术指标对比筛选，确定水灰比0.34，灌浆剂量为10%。

3 加强真空压浆浆体的拌合

在真空压浆工艺中，拌合方式对浆体质量有很大影响，但这个环节往往不为人重视，水泥浆拌合是利用机械力和重力等，将多种物料均匀混合的过程。水泥浆拌合的目的主要有：

1）使外掺剂充分溶解，均匀分布在水泥浆体中；

2）使水泥材料以最小粒度（单颗粒）形态均匀地悬浮在浆体中；

3）排除外加剂和水泥粉料带入浆体中的空气。

水泥颗粒的细度一般较小，其粒径大致分布于3um～32um。干燥状态下，水泥颗粒之间的主要作用为静电吸附作用，使其形成大小不一的团块。当水泥加入水中后，水泥粉团迅速被水分子包裹，在其表面形成一层水膜，这层水膜的表面张力会维持粉团以固定形式存在，并抵抗搅拌产生的破坏作用。

3.1 水泥浆的拌合原理

在搅拌过程中，机械的运动部件在旋转时对液体产生剪切作用，液体在流经器壁和安装在容器内的各种固定构件时，也要受到剪切作用，这些剪切作用范围内形成紊乱对流扩散，引起许多局部涡流扩散。

搅拌引起的主体对流扩散和涡流扩散，增加了不同物料间颗粒接触的表面积，减少了扩散距离，从而缩短了扩散时间。若物料成分和掺量相同，不同效率的和设备，使浆体达到理想混合状态所需的时间不同。

3.2 普通拌合

低速拌合设备因为产生涡流的冲击力过小，可能无法克服粉团静电吸附作用和水膜表面张力，从而难以达到上述的3条理想状态。在试验室条件下，因为拌合速度设备转速有限，容易造成粉团存在。虽然肉眼无法分辨，但从不同转速下浆体流动的显著改变，明显能证明这一点。尤其当粉团在重力作用下，其沉降速度大于液体流动速度时，则无法形成均匀的悬浮液。

3.3 高速拌合

当采用高速拌合机时，搅动引起的液体流速更高，在高速液流与周围低速液流之间的界面上出现剪切作用，从而产生大量的局部性漩涡。这些漩涡迅速向四周扩散，又把更多的液体卷进漩涡中来，在小范围内形成涡流扩散。更高的剪切作用和瞬间真空状态导致的高速液体碰撞，能更有效地粉碎粉状团块、挤出其空隙中残留的空气，从而得到密度和材质更均匀的混合液体。

当然不管何种拌合，并不能改变粉状固体的粒度。

高速拌合设备除了能改善浆体均匀状态外，另一个更直观的效果是大大提高了浆体的流动度。而流动度的提高显然更有利于浆体的渗透、扩散，可以有效填充孔道空间，充满孔道的角落和缝隙。

通过实践比较，水灰比与灌浆剂掺量在合理范围内的选择对浆体的流动性有一定的影响，对其他指标无明显影响。而拌合机的转速对水泥浆的流动特性有较大影响，相对于普通拌和机，高转速拌和机具有明显优势。所以在拌和机的选型上应加以注意，建议拌和机主轴转速不低于1 000转/min。

对流动度的控制，现场测试为主，建议10s～18s为宜。

另外，为了灌浆施工的连续性，拌好的浆体需卸至集浆桶中存放。为防止固体颗粒发生沉淀，集浆桶应具备慢速搅拌功能，压浆期间保持叶片持续转动。

4 管道系统密封方法选择措施

真空压浆工艺的优点要得以实现，达到规定的真空度并在压浆期间保持稳定是关键，这就要求管道系统具有良好的密封性。各单元体的密封包括成孔管材密封、管道接头密封、锚垫板与工作锚间密封、预应力筋穿孔处密封、管道各接头处密封。

成孔材料主要采用高强塑料波纹管，它具有密封性好、耐腐蚀、弯曲度和环刚度大、易于连接等优点，施工中不易被振捣棒漏浆。目前主要有螺旋形和竹节形两种，应尽量采用螺旋结构，可自旋入连接，操作方便，易于密封。

管节间和管道与锚垫板的密封采用胶带缠绕即可。但管道自身强度不足于抵抗灌浆时产生的高压，还需要管道外混凝土的握裹作用提供支撑，若包裹管道或锚后混凝土不密实，极易撑破管道，造成漏浆或串浆。所以要加强管道附近的混凝土振捣，以保证密封性能。

管路接头只要做好设备选型，采用优质连接部件，加强工前检查，较易达到密封效果。

而锚头部位的密封有一定难度，因为没有统一规定，各项目采用的方法和工具混乱，存在较大质量隐患。

4.1 砂浆封锚的弊端

砂浆封锚是采用高强砂浆将工作锚、夹片、外露力筋全部包裹，等待40小时以上，砂浆达到一定强度后进行压浆。

这种封锚方式存在如下弊端：

1）水泥砂浆易裂缝，不密实、强度低；

2）砂浆强度增长需要一定时间，所以张拉与压浆间隔时间较长，钢绞线张拉后易生锈。（有资料表明，钢绞线张拉后锈蚀速度增加6倍以上，应于24小时内压浆）；

3）对于曲线预应力管道，锚头均设在管道最高处，压浆完成后对该处浆体的密实程度无法检测；

4）采用此法封锚，若真空度达不到要求，需敲掉重新封锚，延误施工，相邻孔道无法连续施工；

5）一旦砂浆密实性差造成漏气，在0.7MPa稳压期时必然漏浆。严重者封锚砂浆破碎，压力损失造成孔道浆体流失。这时真空压浆就蜕变成普通压浆。

6）如果造成孔道内浆体不密实甚至脱空，难以补救。

4.2 密封罩封锚

密封罩是通过铸造或车削形成的杯状金属护罩，其杯底预留排气孔，并与留有丝扣的金属管焊接，金属管外端设置球型阀门，可以在压浆期间密闭。杯口外沿车出环形凹槽，以备安装O型密封圈。杯口直径与工作锚直径或锚垫板匹配，便于对应安装挤紧。杯口四角预留螺栓孔，与锚垫板四角的丝孔对齐，用螺栓固定。

目前，已有几个国内知名的锚具厂家生产配套的锚垫板和密封罩，尺寸精度高，密封效果好。但大部分厂家不供应定型密封罩，需自行加工。自行加工的密封罩两端直径应不等，内端直径易大出7mm，内径经过车削比较光滑，这样更容易脱模，不致破坏封锚混凝土。

使用密封罩能完全克服砂浆封锚的缺点，具有以下优点。

1）施工简单，将密封罩安装在锚垫板上，螺栓拧紧即可压浆。底面与锚垫板间加橡胶密封圈，密封性好；

2）密封罩可重复使用，水泥浆终凝后即可拆除；

3）密封罩自带排气孔，管道顶部残留的水分、空气、混夹在水泥浆的气泡和多余的自由水可全部排除，减少空隙；

4）密封罩拆除后，通过锚头浆体的密实和饱满状况，可直观判断出管道内浆体密实程度。这也可能是评定压浆质量的唯一手段；

5）使用密封罩封锚，施工过程连续、迅速，有效地缩短了压浆时间，提高了生产工效。

5 设备选用

1）抽真空设备首选水环式真空泵，其工作原理是利用偏心叶轮带动工作液，通过截止阀和调节阀直接进入泵的工作室，同时泵工作时的工作液随气体一起排出，这种连接可获得高的极限真空，很容易达到-0.07MPa以上的真空度；

2）压浆机首选螺杆式压浆机，它具有出浆速度快、流量和压力调节简单方便的特点，适用于各种长度、各种直径的预应力孔道压浆。灌浆过程中，水泥浆在密封腔内被螺杆匀速推进，故输送量均匀，压力平稳，无空气渗入，且停止输送后可保压。

而活塞式压浆泵的缺点是转速低、结构复杂。由于活塞往复式运动的特点，排气不连续，导致气流脉动，且有较大的振动。造成浆体前进速度和压力不均匀；

3）拌和设备推荐拌和一体机，它集成了拌和、储浆、压浆等各项功能，结构紧凑、操作简单，减少了大量外露接头和连接部件，具有较高的可靠性。

6 真空压浆的质量控制

真空压浆工艺的核心是保证孔道内的浆体饱满密实，所有的质量控制都应该围绕这个核心考虑。下面分别分析孔道压浆不密实的症状和原因。

6.1 孔道压浆不密实的表现症状

1）压浆初凝后，从进浆孔或排气孔用探测棒可探测到是否饱满，有无空洞；

2）计算浆体压进孔道总量小于孔道总空隙量；

3）曲线孔道，特别是竖向多波曲线孔道波峰顶排气孔未冒浆；

4）压浆增压时，不能保证恒定的压力；

5）梁体因蜂窝、凹洞、裂缝等内部隐蔽缺陷而漏浆；

6）封锚不严而漏浆；

7）上下或左右孔道串孔等。

通过上述现象均可判断孔道浆体不密实，内部缺陷的部位往往隐蔽且隐患程度不易判断。如果这些缺陷未及时发现并妥善处理，将直接影响结构物的使用寿命。

6.2 造成孔道压浆不密实的原因分析

设计方面的原因：

1）设计孔道空隙狭窄，穿入力筋后拥堵孔道，水泥浆不宜压入；

2）设计孔道曲线长、曲率小、曲折点多；

3）设计规定的材质不佳，孔道内摩阻系数大。

施工工艺方面的原因：

1）施工中成孔质量不好。孔道直径粗细不均匀或有偏孔、颈缩现象，力筋勉强可以穿入，但水泥浆无法通过；

2）成孔材质选用不当。孔壁粗糙、坍落、掉皮、波浪、折皱等；

3）孔道串孔、内漏、封锚不严，不能保压持荷；

4）排气孔设置不当。特别是连续梁、多波段、竖曲线超长孔道若波峰处的排气孔不通，在某些曲线段易形成空气滞留穴，阻止进浆而造成空洞；

5）力筋编束捆扎时，扎丝过密、松弛，穿束时扎丝在孔道不畅处受阻，堆积挤压形成网状栓塞，压浆时此处过水过气而不过浆；

6）制浆不规范。稀稠失控或过滤不好，有硬块杂物造成孔道堵塞。水灰比不当。水灰比过大，不但强度降低，而且泌水率增大，水被吸收或蒸发后，即形成空洞；

7）外加剂用量不当。如膨胀剂，用量过小膨胀效果不明显，若膨胀系数小于水泥收缩系数，会造成脱空；

8）压浆机性能不好。压力不够或无法保压持荷，致使孔道内水泥浆不能长距离运送，也无法借助压力使水泥浆充实到孔道各处不易畅通的细微空间。

在以往的项目上，我们通过调查总结，对易发问题进行了排列，图表如下：

箱梁压浆质量问题调查表

经计算，影响箱梁压浆施工质量的主要因素是端头处饱和度、拆阀时间、浆体质量、机械设备，其累计频率达92%，是解决问题的主要对象。其中端头不饱满是关键，因为它是密封管道系统的一部分，且处在最不利位置，所以它既是判断孔道内浆体状况的最直观依据，也是其它问题的间接反映，下面着重分析：

通过QC方法的人、机、物、法、料5个方面的分析调查，我们总结出相关因素的逻辑关系，见以下关联图。

经过判定和筛选，以下问题需要重点解决：

1）拆阀时间过早

为防止水泥凝固后导致阀门报废，操作人员倾向于尽早拆阀，致使端头浆体流失，其本质上也导致孔道内浆体外泄。解决的方法是每次使用前，将阀门拆开，涂上油脂材料隔离灰浆，即可保证循环利用。（压浆后6小时内所有的阀门不宜打开）

2）放气放浆量不够

由于排气、放浆控制不到位，致使管道端部和孔道高点存留空气、水汽和稀浆。所以应严格遵守排气—放浆—排气—放浆的步骤。首先在抽真空端，依次开放真空阀门和排气阀门进行排气、放浆操作，有均匀浓浆出现才能停止，保证浆柱前部的气体和稀浆全部排净。在压浆端重复同样步骤。

3）保压时间不够

放浆完成后，关闭除进浆口外的阀门，在压力大于0.7Mpa的条件下保压2min。这是必不可少的步骤，不能省略。这既是对放气、放浆过程中可能的压力损失的一种补偿。亦可防止在自身重力和内外压力差的作用下，浆体可能流出而不饱满。

4）阀门和连接部位进气

在施工过程中经常出现连接部位漏浆现象，降低了压浆质量。主要原因是橡胶圈老化变形、凹槽内有杂物使其不能紧贴；有时由于锚垫板密封罩的螺丝孔被水泥浆堵塞，螺杆安装不全，使密封罩偏心受压、被挤开而漏浆。应加强清理检查，易损件及时更换。密封罩安装时，应对角交替拧紧其固定螺栓，使其密贴于锚垫板。排气孔应位于上端。

5）底板混凝土振捣质量差

由于底板混凝土振捣质量差而不密实，造成压浆时孔道串浆，即压某一管道时，浆体从邻侧管道流出，或浆体胀破薄弱部位外泄。解决这个问题，需高度重视底板混凝土和波纹管密集区域混凝土的振捣，采取有效措施保证混凝土密实。

压浆前需进行孔道密闭性检查，即往孔道内灌注清水以查清是否泄漏，同时起到冲洗管道的作用；也可以防止干燥的孔壁吸收水泥浆中的水分而降低浆液的流动性，试水过后必须用压缩空气清理孔道，

6）计量不准确

拌浆过程中，由于水泥材料计量不准确，可能造成浆体的稠度忽高忽低，无法满足要求。应根据每桶浆体的材料用量提前称量装袋，拌浆时直接倒入拌浆桶，水箱中做好每次用水量的标记。此项措施即保证了计量准确，又方便工人操作。

7）搅拌时间不够

搅拌时，原材料添加顺序应为水—外加剂—水泥，水泥应缓慢添加，不得整袋一次倒入。水泥加入后搅拌时间不少于5min。总搅拌时间不少于6min。

8）水泥温度高

压浆时，灰浆温度为5℃～35℃，温度过低会发生离析，过高易发生早凝。灰浆温度过高一般由水泥温度过高导致，或者直接使用到场温度较高的水泥，或者水泥金属罐在阳光下暴晒，温降较慢。

解决这个问题应采用水泥提前几天分装成袋，阴凉处存放降温。夏季环境温度较高时，各种原材料经热工计算无法满足上述温度限制时，可采用冰块降温。

[1]青临高速山东省项目办编制的《青临高速施工技术规范》.

[2]《公路桥涵施工技术规范》（JTJ041-2000）.

[3]《公路工程质量检验评定标准》(JTG-F80-2004).