基于FLUENT的预应力孔道压浆机理与缺陷分析

李文锋,习 燕,廖 强,须民健,方宗平

(重庆交通科研设计院,重庆 400067)

基于FLUENT的预应力孔道压浆机理与缺陷分析

李文锋,习 燕,廖 强,须民健,方宗平

(重庆交通科研设计院,重庆 400067)

结合孔道压浆的流体力学机理,以常规曲线孔道和竖向孔道为基本模型,分析了压浆过程中的浆液流动充填及缺陷位置,用FLUENT软件建立了上弯曲线孔道的数值仿真计算模型,计算压浆过程中孔道内浆液的流场分布.结果表明:在曲线孔道曲率发生变化的位置,浆液的流速和压力变化较大;压浆工艺参数与孔道内浆液流体动力学特性不匹配,是导致孔道内缺陷的主要原因.

预应力孔道压浆;质量缺陷;流体力学;气泡缺陷

0 引 言

针对孔道压浆的质量问题,当前多使用专用的孔道压浆材料,尽管存在压浆材料上料体积收缩的问题,但通过添加适量的塑性膨胀剂,可有效补偿浆体早期的收缩[1-3].经过长期研究和应用发现,现有工艺和技术针对常规孔道的施工,能够较大程度减少孔道内的缺陷,但孔道压浆不仅使钢绞线免受锈蚀,而且起着传递预应力至梁体的作用[4-7].因此,孔道内不仅不能存在较大缺陷,也不应该有各种局部孔洞缺陷.而针对孔道的缺陷问题,现有研究较少关注压浆过程中的物理机理,对于压浆过程压浆质量缺陷的成因缺少深入的分析.

本文通过建立孔道内浆液流动模型并分析孔道浆液的充盈过程,基于流体力学仿真分析软件FLUENT分析孔道内部浆液的流动特性,以确定质量缺陷的来源,从理论上探讨减少压浆质量缺陷的工艺措施.

1 孔道压浆的质量缺陷

当前,孔道压浆质量的核心评价指标为孔道密实度.如图1所示,在某40 m 5孔T型梁压浆切片试验中,出现了各种不同的质量缺陷问题.图1(a)为梁体端部位置,其孔道顶部无浆液;图1(b)为距梁端1．5 m处,存在孔洞缺陷;图1(c)也为距梁端1.5 m处,存在粉末状易脱落缺陷,手触后发现系泡沫状浆液凝固的结果;图1(d)为完全密实状态.该试验中,由于采用同样的专用压浆材料施工,因此各孔道的质量缺陷与压浆材料无关.

图1 孔道压浆的各种质量缺陷及密实状态

孔道断面凝固后的浆体缺陷中存在数量较多、大小不同的孔洞,可以推测这些孔洞是由悬浮于浆液中的气泡导致浆液凝固后无法充满孔道而形成;气泡的存在与浆液充盈孔道的复杂过程和流动特性有关.

2 孔道压浆过程分析

2．1 曲线孔道充填过程

在预应力桥梁结构中,曲线孔道多用于纵向预应力或者横向预应力孔道.对于不同结构的曲线孔道,为便于分析,将其简化为上弯孔道和下弯孔道2种基本模型.

对于下弯孔道,进入孔道的浆液会先充满孔道的最低部位,然后挤压孔道中空气至两端排出.根据压浆工艺,只需观察到孔道口有浓浆排出即完成施工,所以孔道端部的空气不易排尽,容易形成压浆缺陷,如图2所示.

图2 下弯孔道充盈缺陷

对于上弯孔道,压浆流量较小时,浆液先填满上弯孔道的最低部位,然后逐渐朝上方挤压孔道内空气,使其排出.如果顶部不设置排气口,则会产生顶部缺陷,如图3所示.但即使设置排气口,当压浆流量较大,浆液快速充填顶部时可能会溢出排气孔,所以根据施工工艺需关闭排气孔;而关闭排气孔后会导致空气排不尽,仍然会产生顶部缺陷.

图3 上弯孔道充盈缺陷

2．2 竖向孔道充填过程

竖向预应力孔道压浆一般将相邻两孔道底部连成U形,分别从两侧压浆和出浆[9],如图4所示.

图4 竖向孔道压浆充盈

压浆浆液从孔道顶部进入管道并先充盈管道底部,进而将空气由下部向上部挤出,但浆液凝固过程中混入浆液的大量气泡也会逐渐上浮,形成顶部压浆缺陷,其余悬浮气泡则形成局部孔洞.

由以上对各孔道的压浆充盈流动过程的分析可知,在曲线孔道中,缺陷容易在孔道的较高部位产生.

3 基于CFD模型的浆液流动特性分析

3．1 孔道压浆CFD模型的建立

在预应力压浆施工中,浆液的黏度时变性、孔道壁表面不平整、内部存在钢绞线等问题使浆液在孔道内部的流动特性较为复杂.在不影响特性分析的情况下,为便于计算和建模,需对其进行简化.

预应力压浆孔道由波纹管与其内部的预应力钢绞线构成.波纹管管壁为螺旋状的波形凸起,波峰为4～5 mm,波距为30～60 mm,其内有多束直径为15.24 mm的钢绞线,如图5所示.根据常规预应力曲线孔道的设计布置,选取波纹管的管径为100 mm,孔道的矢高为900 mm,跨度为15 m.

图5 圆形塑料波纹管

考虑压浆过程中浆液的黏度相对恒定,将其近似看作牛顿流体.孔道内凹凸的管壁与钢绞线对整体孔道流动特性影响较小,为便于数值计算,对孔道做简化处理,不考虑流体的黏度变化、孔壁复杂形状及钢绞线的影响.基于流体力学仿真软件FLUENT建立孔道流体模型(图6),在该模型中,浆液由孔道左端进入自右端流出.

图6 FLUENT中建立的二维CFD计算模型

3．2 孔道流场仿真计算

计算分析时,设定压浆的初始速度为0.1 m·s－1,初始压浆压力为0．7 MPa,出口压力为大气压.根据CFD仿真,得到孔道内部的压力与速度分布场如图7～10所示.

图7 压浆孔道压力分布场

图8 压浆压力与孔道位置关系曲线

图9 压浆孔道压浆流速分布场

图10 压浆浆液流速与孔道位置的关系曲线

根据上述计算结果可知:因压浆孔道较长,压浆泵的输出流量较大,在孔道曲率变化的位置,浆液的压力和流速出现较大的变化,并容易在局部产生涡流现象;而在孔道直线段中,浆液流速与压力分布均匀,孔道浆液充填也较为均匀.

3．3 气泡缺陷成因分析

结合孔道压浆流动过程及CFD仿真计算结果,图1中各种缺陷在本质上都是凝固的浆体中存在数量较多的孔洞或者气泡.由于压浆时尽管采用较大的保压压力,也只能压缩浆液中气泡的尺寸而无法将其消除;在浆液凝固阶段,浆液内部各种不同尺度的气泡会在孔道中不断聚并,形成较大气泡后逐渐上浮至孔道顶部或者较高的位置,无法排出,从而形成缺陷,导致孔道截面的顶部浆体呈现蜂窝状.

另外,按照《公路桥涵施工规范》(JTG/T F50—2011)中的要求,不同的梁型和孔道均采用基本相同的压浆设备以及流量、压力等工艺控制参数,这些相同的工艺参数与不同曲线孔道内部的流体力学特性并不匹配,这是导致孔道内浆液不能平稳填充孔道的另一原因.

4 气泡缺陷的控制

4．1 浆体气泡缺陷来源

4．1．1 浆液制备

在高速搅拌桶内制备浆液时,空气会进入水泥浆,并在搅拌叶片的高速转动下,形成直径较小、数量较多的悬浮气泡.浆液在储浆桶中存放时,悬浮气泡会逐渐聚并形成较大气泡.当气泡体积增大导致气泡受力与其表面张力等平衡时,气泡接近破裂的临界点.超过临界点则气泡破裂,未超过则仍悬浮于浆液中.

由于浆液的黏性随时间逐渐增大,导致气泡聚并上浮至液面的时间较长,而浆液在储浆桶中存放的时间较短,所以浆液中仍然存在较多的悬浮气泡.这些气泡随着浆液压入孔道而无法排出.

4．1．2 压浆泵

常用压浆泵多为连续式压浆泵,包括柱塞泵、螺杆泵等.当压浆泵出现破损后,空气非常容易在压浆泵工作时进入浆液.

4．1．3 孔道内部

孔道内部的空气需要依靠填充的水泥浆将其挤出,但因压浆时的流量大,浆液在孔道中流速较大,孔道壁为波纹状,浆液流入孔道时会形成较大的紊流,导致较多的孔道空气混入浆液.当浆液带着这些气泡充盈孔道后,孔道出浆端封闭并进行保压.孔道封闭后,混入浆液的较大直径的气泡会逐渐上升至孔道的端部或者顶部,较小直径的气泡则悬浮于浆液中无法上浮,从而产生孔道的顶部缺陷与局部孔洞缺陷.

4．2 浆液气泡的消除

4．2．1 设备

导致水泥浆中混入气泡的设备主要是高速搅拌设备和压浆泵.在现行规范中,要求高速搅拌设备的转速不低于1 000 r·min－1;根据流体力学分析,在较高的转速下搅拌叶片的形状、搅拌转速会影响气泡产生的数量,需通过试验研究确定其设计参数并进行改善.压浆泵则必须选择连续工作的螺杆泵或柱塞泵,并完善设备维护管理制度和检修标准.

4．2．2 工艺

普通压浆工艺依靠浆液充盈孔道来挤压排出空气,其充盈过程容易使浆液混入较多的空气,并且不易排尽孔道内的空气;而真空辅助压浆工艺是在压浆前利用真空泵将孔道进行抽真空处理,使孔道保持一定的负压,再将制拌好的浆液压入孔道并充盈,可有效减少浆液中的气泡数量.

同时,对于不同的曲线孔道,应有其最匹配的压浆工艺参数,并能根据孔道曲线的位置调整压浆的流量,使浆液缓慢平稳地充填孔道,减少孔道空气进入浆液.

5 结 语

(1)孔道缺陷的本质是凝固的浆体中存在数量较多、大小不同的孔洞或者气泡,压浆保压只能压缩浆液中气泡的尺寸而无法将其消除.

(2)根据孔道仿真计算结果,在曲线孔道曲率发生较大变化的位置,浆液的流速和压力变化较大.在这些浆液流动特性变化较大的孔道处,压浆工艺参数与曲线孔道浆液的流体力学特性不匹配,是导致孔道内的空气被包裹进高速流动的浆液中无法排出从而形成缺陷的主要原因.

(3)气泡缺陷主要来源于浆液的制备过程、压浆泵及孔道内来不及排出的空气,通过更新、改进设备和采用真空辅助工艺,能够有效减少混入浆液的空气,减少质量缺陷的产生.

[1] 冯大斌,董建伟,孟履祥．后张预应力孔道灌浆现状[J]．施工技术,2006(4):49-51．

[2] 程平阶,宋小婧,李兆星,等．塑性膨胀剂对预应力孔道压浆料体积变形与亚微观结构的影响[J]．硅酸盐通报,2014,33(6): 61-67．

[3] 谢光宁,孙正东．孔道压浆材料的应用研究[J]．筑路机械与施工机械化,2013,30(2):72-74．

[4] 周明华．真空辅助压浆工艺在南京长江二桥索塔预应力施工中的应用[J]．建筑技术,2001,32(12):825-826．

[5] 徐向峰．孔道压浆性能试验及施工质量的研究[D]．南京:东南大学,2005．

[6] 董建伟．预应力孔道灌浆技术研究[D]．北京:中国建筑科学研究院,2006．

[7] 王春生．后张预应力结构管道压浆不实防治措施[J]．筑路机械与施工机械化,2006,23(5):58-59．

[责任编辑:杜敏浩]

Analysis on Mechanism and Defect of Prestressed Duct Grouting Based on FLUENT

LI Wen-feng,XI Yan,LIAO Qiang,XU Min-jian,FANG Zong-ping
(Chongqing Communications Technology Research and Design Institute Co．,Ltd．,Chongqing 400067,China)

Based on the hydrodynamic mechanism of duct grouting,the slurry flow and the defect position in the grouting process were analyzed with the conventional curve duct and the vertical duct being the basic model．The numerical simulation model of the upper curve duct was established by the software FLUENT,and the flow field distribution of the slurry in the grouting process was calculated．The results show that the velocity and pressure of the slurry change greatly where the curvature of the duct varies;the parameters of grouting process do not match the hydrodynamic characteristics of the slurry,which is the main reason leading to defects in the duct．

prestressed duct grouting;quality defect;hydrodynamics;bubble defect

U445．57

B

1000-033X(2017)05-0113-04

2016-12-07

内蒙古自治区交通运输厅项目(NJ-2016-16)

李文锋(1985-),男,四川达州人,工程师,硕士,研究方向为预应力设备开发及控制技术、机器人技术、复杂机电控制系统以及智能化装备.