预应力管道压浆用水胶比测试仪的设计与应用

摘要：预应力管道压浆施工中，水胶比是决定浆液性能的关键参数。本文根据差动电容压力变送器的的原理，通过测量浆液流经标准量筒时的压差实现了对密度及水胶比的测试。

关键词：水胶比;预应力; 压浆

中图分类号： TU394 文献标识码： A 文章编号：

Key Word:Water cement ratio; Prestressed; Grouting

引言

后张法预应力管道管道压浆施工中,要求浆液具有“低水胶比、高流动度、零泌水率”的性能。而决定浆液性能的关键技术参数为水胶比，水胶比过大，则泌水率定会超出规范要求，最终导致管道内产生泌水空洞，因此，如何加强对压浆施工过程中浆液水胶比的控制十分重要，但就目前的施工现状来看，施工现场对水胶比的控制比较随意，甚至有直接采用水管往制浆机内加水的现象，本文从实际需求出发，阐述了一种基于压力变送器原理的浆液密度及水胶比测试仪的原理及其现场应用，此设计在压浆过程中可实时监测浆液水胶比，保证浆液性能符合规范要求。

1基本原理

水胶比测试仪主要电子元件为差动电容式压力变送器。差动电容式压力变送器主要由完成压力与电容转换的容室敏感元件及将电容转换成二线制4-20 mA电子线路板构成，当进程压力从测量容室的两侧（或一侧，水胶比测试仪为单侧，即测试量筒内侧）施加到隔离膜片后，经填充液体（一般用硅油）传至容室的测试膜片中心上（测试膜片为边缘张紧的膜片），在压力的作用下，发生对应的微小位移，该位移构成差动电容的变化，并经历电子线路板的调理、震荡和缩小，转换成4-20 mA信号输入。输入电流与进程压力成反比，差动电容相对变化值与被测压力成正比，而与填充液的介质常数无关。

差动电容式压力变送器结构图如下图1所示，其中心可动模板与两侧固定极板构成两个平面型电容。

图1差动电容式压力变送器结构简图

差动电容式压力变送器由测量部分与转换放大电路组成，如下图2所示。

图2 差动电容式压力变送器测量转换电路

2 水胶比测试仪结构设计

基于压力变送器原理而研制的水胶比测试仪测试水胶比均源于对液体密度的测量，如将其串联在压浆管路中，则由于溢流面的存在将导致不能升压，因此考虑与制浆系统绑定在一起，其工作方式是通过电机带动涡轮式吸浆泵从储浆桶中抽取浆液输送至测试仪量筒的底部，并通过变频器调整电机转速使浆液恰好从量筒的顶面溢流出，其结构简图如下图3所示。

图3 水胶比测试仪结构简图

压差变送器安装在测试量筒侧壁上，测试量筒溢流面（含超出量筒顶面的浆液高度约5mm）至压差变送器中心测试膜片重心处的高差为435mm。为保证测试精度，输送浆液管路直线段长度不小于500mm，测试量筒内径为135mm，动力系统电机转速为2880r/min,变频器（内带滤波器）可调频范围为0～50Hz。

3 水胶比计算公式推导

压差变送器经转换输入的初始信号为4～20 mA的标准电流信号。即i=4～20 mA。i=4～20 mA标准电流信号对应0～20 kPa压力差值P（测试量筒溢流面至压差变送器测试膜片中心的压力差值，此值与密度密切相关），即P=0～20 kPa。电流与压力差P之间为线性函数对应关系，即有：

P=P (i) (1)

以（4,0），（20,20）代入上式化简后得到二者之间的关系式：

P=1.25i-5 (2)

均质流体在某一点的静压力与该点到液面的距离成正比，且在同一深度各处的压强相等，压差变送器测试得到的压力值为测试量筒溢流面往下至测试膜片中心处的压强差值，根据此原理则可得到压力差与浆液密度之间的关系式：

(3)

― 重力加速度，取9.8N/kg；

H ― 溢流面至压差变送器测试膜片中心之间的高差，取0.435m；

― 修正参数，一般接近于1，需标定；

将式（3）转化为浆液密度相关式：

（4）

将式（2）代入式（4）中直接得到浆液密度与输出电流之间的关系式：

(5)

得到浆液密度以后，定义以下参数：

―水泥密度，桥梁压浆常用P.O 52.5水泥，密度为3.16 g/cm3；

―外加剂密度，一般与水泥密度相当，根据试验得到；

―浆液密度，即水、外加剂、水泥混合物充分搅拌后的密度；

―水泥与外加剂混合物中水泥的含量比值，以小数计；

―水泥与外加剂混合物中外加剂的含量比值,以小数计；

―水的密度,通常按照1.00 g/cm3计；

假定水泥与外加剂的混合物为1kg,则水胶比按下式（6）推算：

(6)

将式（6）演算化简后直接得到关于水胶比的算式：

（7）

将式（5）代入式（7）得到水胶比与输入电流之间的关系式：

(8)

4 水胶比计算公式的应用

① 当浆体为压浆剂、水泥混合物时，则水胶比计算式为上式（8）,且当外加剂中含水剂时，水剂重量计入水的重量中；

② 当直接采用压浆料（由厂家将压浆剂和水泥按适宜掺量配合好后的压浆材料）时，则上式可以化简为：

（9）

换算成电流信号的直接关系式为：

（10）

― 压浆料密度值,根据实际试验测试得到。

5 水胶比测试仪的应用

此水胶比测试仪输入信号经数据转换器A/D转换后可直接与计算机连接显示，实时监控浆液的实际水胶比，并将其及时保存便于事后查询，试验证明其测试精度可达±0.02。

表1 水胶比计算快速换算表

现场使用时将水胶比测试仪立于制浆桶旁边，从制浆桶底部开一内径40mm的孔，从该孔连接至水胶比吸浆泵的底部，吸浆泵与测量桶之间以橡胶管连接（此直线段长度大于500mm），启动电机，则吸浆泵从制浆桶内抽取浆液输送至测量桶的底部，通过变频器的控制将浆液缓慢顶升至测量量筒的溢流面，保证浆液刚好可以超出溢流面流出通过浆液收集罩收集后返回至制浆桶内，使浆液在测试仪与制浆桶之间不断循环，持续测试。

此设备现已应用于某高速公路多个梁场的预应力管道压浆施工，对现场制浆规范化起到了很好的推进作用。

结语

此水胶比测试仪配合数据转换器现场使用，可随时监控浆液性能是否符合技术规定要求，杜绝了施工现场浆液性能失控的可能性，是预应力管道管道压浆密实的有力保证，得到业主、监理的普遍认可。

参考文献：

[1] 预应力混凝土施工手册 北京：中国建筑工业出版社，1997

[2] 波纹管灌浆与预应力混凝土构件的耐久性 北京：建筑施工，2002

[3] 公路桥涵施工技术规范（JTG TF50-2011）北京：人民交通出版社，2011

[4] 压力变送器检定规程 (JJG 882-2004). 北京：国家质量监督检验检疫总局，2011