211026801_基于TRIZ钢筋套筒灌浆浆体回流问题解决策略探讨

0引言
近年来，国家陆续出台相关政策，
大力推动装配式建筑的发展。

钢筋套筒灌浆连接是装配整体式混凝土结构中
最为重要且常用的一种钢筋竖向连接方式，
但是在实际操作过程中，接头的质量不太令人满意，
套筒连接处灌浆料容易出现填充不密实。

造成该问题的原因是多方面的，但是浆体回流问题往往是导致套筒连接处灌浆料填充不密实，连接强度不足的重要原因之一。

针对钢筋套筒灌浆过
程中浆体回流的问题，
国内的技术专家和学者也给出了一些解决方法，主要是集中在监测和改进灌浆的压力输出、
改进施工操作、施工质量控制与管理这几个方面[1-2]，
这些方法对减少浆体回流有一定的效果，
但并没有完全解决这一问题。

该问题的存在将直接影响到装配整体式混凝土结
构的安全、
质量和施工效率。

TRIZ 即发明问题解决理论，是由苏联人根里奇
·阿奇舒勒和他的弟子们通过分析大量不同领域的专利，
从而得出一套发明和解决问题的方法理论。

TRIZ 作为一个强有
力的创新和解决问题的工具，
已经成为众多世界领先企业工程文化的一部分[3-5]，
因此尝试运用TRIZ 理论解决钢筋套筒灌浆施工中的技术难题，
从而更高效的得到问题解决方案。

TRIZ 理论在机械工程领域应用较多，
而在土木工程领域方面的应用相对比较少，在国内还没有相关技术人员
和学者将TRIZ 理论应用于解决装配式建筑施工难题，
因此这是一个非常值得研究和探索的方向。

1技术问题解决流程
如图1所示，
该流程也适用于土木工程领域其它技术难题的解决，
在应用过程中，并不需要每一步都严格依照该流程，可根据具体情况，
选择其中几个步骤进行，步骤的顺序可以调整，只要能寻找到理想的解决方案即可。

即便
每一步形成的是不成熟、
有缺陷的方案也可以作为创意记录下来，后面再进一步完善。

2运用TRIZ 工具解决施工技术难题
2.1套筒灌浆系统浆体回流问题的项目概况
以某预制构件套筒灌浆连接为例进行研究，
套筒为半灌浆套筒。

整个套筒灌浆的材料及机具设备，
我们称之为一个工程系统。

此工程系统的设计是将套筒预先埋置在上部预制构件中，套筒的一端与上部预制构件的钢筋机械连
接（一般为螺纹连接），
套筒的另一端为空腔，插入下部预制构件钢筋，利用手动灌浆枪或电动灌浆泵等设备将灌浆料从套筒灌浆口注入上下预制构件连通腔及套筒空隙中，
浆体首先流入上下预制构件混凝土间的连接空隙
（常称为连通腔），然后再依次向上流入各套筒空隙中，
待排浆口出浆后，
用专用橡胶塞封堵[6-9]。

2.2确定项目目标及问题的进一步描述
项目目标：
减少浆体回流，提高套筒接头浆料填充的密实度。

浆体回流问题出现的部位是在套筒内部空隙和连通
腔，
存在问题的接头一般很难通过肉眼观察发现，目前还——————————————————————
—课题项目:广西高校中青年教师科研基础能力提升项目
“基于TRIZ 理论的装配式混凝土建筑施工难点解决方案研究”（2019KY1304）；广西职业教育教学改革研究项目
“高等职业院校“三创教育贯通”
创新型人才培养模式的研究实践”（GXGZJG2019B041）。

作者简介:饶晓文（1982-），女，广西容县人，工学硕士，副教授，研
究方向为装配式建筑施工、
网架结构、工程抗震。

基于TRIZ 钢筋套筒灌浆浆体回流问题解决策略探讨
Discussion on Solving Cementitious Grout for Rebar Sleeve Splicing Backflow Problem during Sleeve
Grouting Based on TRIZ Theory
饶晓文RAO Xiao-wen
（广西机电职业技术学院建筑工程学院，
南宁530007）（Architectural Engineering Department ，Guangxi Technological College of Machinery and Electricity ，Nanning 530007，China ）摘要:针对装配整体式混凝土结构钢筋套筒灌浆连接接头在灌浆过程中，
浆体易产生回流这一施工技术难题，首先运用TRIZ 理论分析问题解决流程，然后依次运用最终理想解、
因果分析、资源分析、矛盾分析、物场分析及创新设计软件等工具，得到创意解。

最后，对创意解进行评价，提出灌浆扩大套筒、
灌浆料提前置于磁场中、超声波振动浆料、灌浆口自动封堵等一系列简单易行且值得进一步研究的解决方案，
为解决浆体回流问题提供思路，同时也为TRIZ 理论在土木工程领域的应用提供参考。

Abstract:In response to the construction technical problem that the grout is prone to backflow during the grouting process of the steel sleeve grouting connection joint of the assembled integral concrete structure,the problem solving process is first analyzed using TRIZ theory,and then the creative solution is obtained using tools such as final ideal solution,causal analysis,resource analysis,contradiction analysis,physical field analysis,and innovative design software.Finally,the creative solution is evaluated and a series of simple and feasible solutions that are worth further research are proposed,such as expanding the grouting sleeve,placing the grouting material in a magnetic field in advance,ultrasonic vibration of the grouting material,and automatic sealing of the grouting opening.This provides ideas for solving the problem of slurry backflow,and also provides a reference for the application of TRIZ theory in the field of civil engineering.
关键词:钢筋套筒；灌浆；TRIZ ；浆体回流；
装配整体式混凝土结构Key words:sleeve of rebar ；grouting ；TRIZ ；cementitious grout backflow ；prefabricated monolithic concrete building 中图分类号:TU756文献标识码:A 文章编号:1006-4311（2023）09-128-05doi:10.3969/j.issn.1006-4311.2023.09.042
没有很好的无损检测的手段，
即便发现灌浆不饱满，也很难补救。

2.3分析问题的最终理想解
解决方案的理想愿景：没有带来其他任何有害作用
（包括整个系统保持不变或变得更不复杂）
，灌浆料在连通腔和套筒空隙中自动填充密实。

创意解1：
对施工人员开展技术培训，使其熟练掌握连通腔周边接缝封堵，分仓，注浆，灌浆口封堵等关键施工
技术要点，同时注重规范操作，严格监督管理。

很多专家学者都提出了管理操作的问题，从TRIZ 理论的角度来理解，这是不改变系统又提高理想度的好办法。

2.4因果分析
采用因果链分析法，
对浆体回流问题产生的深层次原因进行分析，
如图2所示。

创意解2：
调整灌浆料的成分，如调整减水剂、缓凝剂等外加剂的比例，提高灌浆料的流动性。

创意解3：
设计阶段对预制构件钢筋进行优化，在满足规范和受力的前提下，
尽量设计为数量少，间距较大，分布均匀。

2.5资源分析
运用九屏幕法对系统进行研究，围绕存在的问题，
分析其输入、
输出、过去、现在、将来、原因、结果、系统内部和图1技术问题解决流程图
项目概况
明确项目限制条件，
确定目标，进一步描述问题。

确定项目目标并描述清楚问题分析问题的最终理想解
因果分析资源分析功能分析
矛盾分析
物场分析
是TRIZ 创新设计软件、科学效应库方案有效？
结束
可以采用九屏幕法、
资源列表等分析方法可以采用5why 、鱼骨图、因果链等因果分析工具包括技术矛盾、
物理矛盾国内外TRIZ 研究者都开发了类似软件
方案评价及优化
否
ARIZ
重新定义阐述问题
图2因果链分析图
套筒灌浆料回流
or
连通腔漏浆
or or
持续压浆时间不充分
浆体流动慢，
渗透差and
or
or
灌浆料自身特性
部分缝隙太小且分布不均匀
钢筋、套筒数量多
钢筋、套筒分布不均匀
钢筋与套筒内径仅差1-1.5cm
非专用
材料
养护不够人员操作不熟练、不规范
机电管道通过
密封工艺不到位
封
缝材料
开裂灌浆结束前浆体未填充各类微小缝隙
封堵灌浆口不及时
封堵人
员责任心不强
注浆与封堵人员配合不到位
表1技术矛盾分析
序号
问题描述
工程参数
发明原理
创意概念
1
想要灌浆套筒的内径大一些，方便灌浆料的填充，但是会减少预制构件的保护层厚度以及套筒之间的净距。

改善的参数：静止物体的体积；恶化的参数：结构的稳
定性。

40，35，31，34，30，2，5，
28
根据5号发明原理：组合、合并
创意解5：把多个套筒合并，设计成连通
式的扩大套筒，一个套筒可以连接2根或多根钢筋，套筒底部连通面积扩大，不但有利于灌浆，钢筋对位也容易。

2
想要改善灌浆料的流动性和渗透性，以提高填充
的密实度，但是会使得灌浆料凝固后的强度降低，
或者是容易出现分层、泌水。

改善的参数：速度；
恶化的参数：强度。

28，8，3，14，5，40，26根据8号发明原理：重量补偿
创意解6：抬高灌浆泵的高度，压力灌浆，
当所有套筒封堵后，不再加压，灌浆料利
用重力势能产生的动能持续填充到连通
腔和套筒缝隙中，保持几分钟。

3
想要减小泵送的压力，以使灌浆料缓慢填充到缝
隙中，但是会导致泵送不到位。

改善的参数：压力；
恶化的参数：可靠性。

40，13，35，19，4，25，9，
12，28
根据19号发明原理：周期性动作
创意解7：灌浆泵输出的液压是周期性变
化的。

系统外部资源环境，
以此寻求解决方案。

创意解4：
在预制构件生产阶段，在套筒内壁预埋微型压力传感器，
如果套筒灌浆饱满，则浆料会对套筒内壁产生侧向压力，
通过传感器可以检测出来。

2.6矛盾分析
将问题转化为技术矛盾问题模型，
运用48×48矛盾矩阵找到对应发明原理，
得到创意解，如表1所示。

2.7运用TRIZ 创新设计软件
使用国外创新设计软件IWB ，
如图3所示，依据项目描述创建功能模型，
IWB 软件利用自带的算子给出提示，产生解决问题的创意。

图3中箭头→代表产生、导致，有短线的箭头→代表反作用、
阻碍，绿色方块代表系统具有的积极作用，红色方块代表系统具有的负面作用，
黄色方块代表既有积极作用又产生负面作用。

创意解8：
在灌浆料中添加长条线状分子的物质。

创意解9：
设计自动封堵配件，注浆人员拔出灌浆设备外接口的同时，
灌浆口可自行封堵。

创意解10：
将具有磁性的微粒混入灌浆料中，引入振动式电磁场，
加速灌浆料的流动和密实。

创意解11：将高频的电能转换成机械振动并发射至灌浆料中，也就是在灌浆料中引入一个高频率的超声振动
波，产生“气穴效应”
即空化现象，提高灌浆料填充的密实性。

图3创新设计软件功能模型图
灌浆泵
浆料压力
浆料流动浆料填充连通腔及套简空隙
浆体回流浆料的粘结性连接预制构件
浆体流动渗透速
度慢
部分缝隙太小且分布不均
不均匀
钢筋、套简分布钢筋、
套简数量多
套简内径小
持续压浆时间不
充分
灌浆结束前浆体未填充各类微小
缝隙
连通腔漏浆
人员封堵灌浆口
不及时
实
套筒灌浆料不密
连接强度不足
图7灌浆料提前置于磁场中
创意解12：连通腔内壁和金属套筒表面加入电荷，
在灌浆料中添加相反的电荷，
使得灌浆料更易填充到微小缝隙中。

创意解13：
灌浆过程中抽取空气，提高灌浆料填充的密实性。

创意解14：
将压力灌浆处理为脉冲灌浆，脉冲速率与灌浆料的自振频率一致。

创意解15：
在灌浆之前先将灌浆料置于磁场中，灌浆料流动性更好，
更易于填充到套筒缝隙中，且快硬早强。

可通过产生磁场脉冲控制磁场效应。

2.8物场分析
如图4所示，
对于不充分的物场模型，根据标准解法29转变为复杂的铁磁场模型和标准解法35应用电流产生磁场。

创意解16：
用电磁场活化水伴制灌浆料，提高灌浆料的流动性和强度。

创意解17：
在浆料中添加磁致伸缩材料，材料在施加磁场时会改变其形状，
从而利用磁场控制灌浆料产生振动或运动，
改善浆料填充效果。

2.9创意解评价及优化
我们将取得的创意解分为下列几类：①灌浆料的改进；
②灌浆套筒的改进；③改进灌浆设备的工作方式；④对套筒进行预处理；
⑤施工质量控制与管理；⑥设计优化。

通过影响-努力矩阵图法[5]
进行分析，
从经济性和技术难度两个方面考虑，
创意解1、创意解4、创意解5、创意解8、创意解9、
创意解11、创意解12、创意解14、创意解17，对解决该问题的效果是比较好的。

2.10问题解决方案
2.10.1针对套筒灌浆回流问题较为简单可行的解决方案
在重视施工质量管理和设计优化的前提下，
可以采用灌浆扩大套筒、灌浆料提前置于磁场中、
自动封闭灌浆口、超声波振动等较为简单易行的解决方案。

①灌浆扩大套筒。

如图5、
图6所示，在预制剪力墙和柱中，把多个套筒合并，设计成连通式的扩大套筒，
一个套筒可以连接2根或多根钢筋，空间大浆料容易填充密实，钢筋对位也容易。

扩大套筒中部有圆弧形横肋，增加锚固；端部有定位凸块，
帮助钢筋对中。

②灌浆料提前置于磁场中。

如图7所示，在灌浆之前先将灌浆料置于磁场中，
灌浆料流动性更好，
更易于填充到套筒缝隙中，且快硬早强。

可通过在灌浆嘴的后端增加一个可以产生磁场的线圈，以磁化灌浆料。

图5预制剪力墙灌浆扩大套筒
预制剪力墙灌浆扩大套筒上部构件预埋钢筋
灌浆料
横肋
排浆口
灌浆口灌浆套筒
定位凸块
连通腔
1-1剖面
封缝料
下部构件预埋钢筋
1
1
图4物场模型-灌浆料填充
液压
空隙
灌浆料
图6预制柱灌浆扩大套筒
预制柱灌浆扩大套筒
图8
自动封闭灌浆口配件
图9
超声波振动棒插入灌浆料
图10
超声波振动棒
③自动封闭灌浆口。

如图8所示，
该自动封闭灌浆口的配件，在注浆人员拔出灌浆设备外接口的同时，
灌浆口可自行封闭，该配件内部多余的浆料可以后续再清除。

④超声波振动棒插入灌浆料。

如图9、
图10所示，将封堵排浆口的塞子与超声波振动棒结合，插入灌浆料中，在浆料中引入超声振动波，
提高灌浆料填充的密实性。

2.10.2值得进一步研究的创意概念解
①在灌浆料中添加长条线状分子的物质。

②将压力灌浆处理为脉冲灌浆，
脉冲速率与灌浆料的自振频率一致。

③连通腔内壁和金属套筒表面加入电荷，
在灌浆料中添加相反的电荷，
使得灌浆料更易填充到微小缝隙中。

④在浆料中添加磁致伸缩材料，
材料在施加磁场时会改变其形状，从而利用磁场控制灌浆料产生振动或运动，改善浆料填充效果。

3结论
本文应用TRIZ 创新方法依据问题解决流程，提出在
重视施工质量和设计优化的前提下，
可以采用灌浆扩大套筒、灌浆料提前置于磁场中、
超声波振动灌浆料、灌浆口自动封堵等较为简单易行的方案来解决浆体回流问题。

同
时，还提出了添加长条线状物质、
脉冲灌浆、添加相反电荷、
磁场控制灌浆等值得进一步研究的概念方案。

拓宽了灌浆套筒浆体回流问题的解决思路，
为该问题的解决提供了基础资料和技术参考。

灌浆过程中造成套筒内浆料不饱满的原因除了浆体
回流之外，还有一些其他原因，
比如：插入的钢筋在套筒内的位置没有居中，而是偏到一边甚至是贴到套筒内壁上，
严重影响灌浆的效果，
这个关于钢筋定位的问题也是比较突出的，对于这一类问题，我们后续仍然可以考虑采用TRIZ 理论的方法来寻求解决方案。

TRIZ 方法是一个非常
强大的创新和解决问题的工具，
应用和推广该方法解决装配式建筑设计、生产、
施工中的难题，对我国装配式建筑的发展将起到很好的促进作用。

参考文献:
[1]高润东，
李向民，许清风.装配整体式混凝土建筑套筒灌浆存在问题与解决策略[J].施工技术，2018，47（10）：1-4，10.
[2]陈炜宁，石小虎，
周磊，等.预制构件节点套筒灌浆技术及设备研究[J].建筑机械化，2017，38（08）：41-42.
[3]Mok H S,Kim H J,Moon K S.Disassemblability of Mechanical Parts in Automobile for Recycling[J].Computer Industry Engineering,1997,33:621-624.
[4]孙永伟，
（美）谢尔盖·伊克万科.TRIZ 打开创新之门的金钥匙-I[M].北京：科学出版社，2015.
[5]颜惠庚，
赵昊昱.技术创新方法提高—TRIZ 流程与工具[M].北京：化学工业出版社，2012.
[6]中国建设教育协会，
远大住宅工业集团股份有限公司.预制装配式建筑施工要点集[M].北京：中国建筑工业出版社，2018.
[7]装配式混凝土结构技术规程（附条文说明）：JGJ 1-2014
[S].2014.
[8]钢筋套筒灌浆连接应用技术规程（附条文说明）：JGJ 355-2015[S].2015.
[9]中华人民共和国住房和城乡建设部.钢筋连接用套筒灌浆料：JG/T 408-2019[S].2019.。