關于砼管樁一些問題的探討

盛思仲,陳 敏,金衛華,劉偉明

(1.南京友西科技有限責任公司,南京 210019;2.南京濱江建材科技集團

雨江混凝土有限公司,南京 210000;3.雙威管樁(珠海)有限責任公司,珠海 519180)

關于砼管樁一些問題的探討

盛思仲1,陳 敏2,金衛華1,劉偉明3

(1.南京友西科技有限責任公司,南京 210019;2.南京濱江建材科技集團

雨江混凝土有限公司,南京 210000;3.雙威管樁(珠海)有限責任公司,珠海 519180)

文章對砼管樁生產過程中離心成型工藝和壓蒸工藝的存在問題進行了分析探討,并提出了采用澆注成型工藝和免壓蒸技術方案,采用此方案,可以大大降低能耗并提高砼管樁質量,也降低了生產成本。文章還從工程質量和耐久性方面的考慮,對砼管樁的植樁方法提出了改進意見。

離心成型; 澆筑成型; 免壓蒸; 砼管樁

預應力高強砼管樁(PHC)由于其獨特的優越性,發展很快。1988年PHC樁開始生產,經過20多年的發展,砼管樁的生產和應用已經形成了一個獨立的新興行業。據統計,1993年全國管樁產量僅300萬m, 2003年達1.5億m,2012年達3.8億m。雖然產量高,分布面廣,但對其生產技術的創新力度不夠,仍是一種高污染高能耗的勞動密集型行業,有必要加大科研投入,依靠技術進步,將我國的砼管樁技術推上一個新的臺階,文中對砼管樁生產和應用方面的一些存在問題進行探討。

1 成型工藝探討

1.1 離心成型工序

對于制造砼管樁來說,離心成型是一個十分重要的工序,通過離心作用將澆注的砼混合物形成最終的管樁形狀。離心工序的噪音大、能耗高、設備的損耗也大,而且離心后,砼結構發生了重要變化,雖然砼密實性提高了,但砼結構出現了嚴重的分層狀態,外層為砼,中層為砂漿,內層是水泥漿層。

離心工藝還對砼強度產生重大影響。砼的質量控制,是在砼布料過程中取樣澆注砼立方體試件,試件放置4 h左右,帶模放入蒸氣養護池同帶模管樁一起蒸養,蒸養后脫模再入蒸壓釜壓蒸養護,分別測定砼的脫模強度和壓蒸強度,作為砼的質量控制指標。

砼管樁的質量評定,砼強度是最重要的指標之一,出口澳門等地的砼管樁,通常派人前來在樁身上鉆芯取樣。國內管樁生產企業,雖然都用立方體試塊來測定管樁樁身砼強度,但遇到打爛樁承擔責任時,常常要在樁身鉆芯取樣,這種情況在廣東省非常普遍。

在管樁樁身鉆芯取樣后發現,樁身砼強度與生產線上取樣的立方體試塊強度有較大差別。離心法生產的管樁樁身砼強度要達到80 MPa,按照GB/T 19496—2004《鉆芯檢測離心高強混凝土抗壓強度試驗方法》檢測,則在生產線上制作的100 mm×100 mm×100 mm立方體試塊強度要在100 MPa[1]以上。這種現象的發生,主要有如下兩個原因:

1)砼經過離心成型,影響了砼混合料的均勻性,不僅形成了外層為砼層,中間為砂漿層,內層為水泥漿層的分層狀態,而且砼層也出現了明顯的不均勻性,表現在砼層中的外層粗骨料粒徑比內層粗骨料的粒徑要大,這也是離心作用導致的粗骨料分層現象。

2)余漿的流失

由于各管樁廠所用的原材料不同、砼配合比不同以及離心制度的差異,所分離出來的余漿量也各不相同,在80～140 kg/m3之間,平均為100 kg/m3砼,余漿的含固量為65%左右,固含量中水泥(含磨細硅砂粉或礦粉等礦物外加劑)占80%。這樣,每m3砼余漿中含有水泥(含礦物外加劑,下同)52 kg,即管樁砼經離心工序僅余漿就流失了膠凝材料52 kg/m3。

1.2 離心分層產生的水泥流失

由于離心工序,管樁從外到內分成砼層、砂漿層和水泥層,而砂漿層和水泥層的強度比砼層低,而且彈性模量差別大,難以和砼層共同承載,因此通常不考慮這二層的承載作用。下面以φ400×95為例,分析砂漿層和水泥層中水泥含量,通常φ400×95管樁的砂漿層和水泥層的厚度為15 mm左右,其計算結果列入表1。

如果扣除水泥層和砂漿層所占的體積,砼層的內徑為240 mm,砼層的有效面積為80 425 mm2,也就是說由于分層現象,砼層的有效面積只有88.4%。這樣,按φ400×95長10 m管樁用1 m3砼計算,水泥層中占用了水泥42.5 kg,砂漿層中占據了40.4 kg,加上隨余漿流失的水泥52 kg,管樁砼中共分離出水泥134.9 kg,如果原砼配料中用水泥450 kg/m3,則留在有效砼層中的水泥只有315.1 kg,扣除水泥層和砂漿層的體積,按實際砼層面積換算,留在砼中的水泥也只有356.4 kg/m3,減少了93.6 kg/m3。

如果沒有水泥層和砂漿層的分離層,而僅有余漿流失的52 kg/m3,則留在砼層中的水泥應為398 kg/m3,如果加上離心分層,水泥層和砂漿層的厚度為15 mm時,砼層的水泥含量僅為356.4 kg/m3,可見離心成型工序導致的分層對管樁砼產生了較大影響。

1.3 非離心成型工藝技術的探討

由于離心成型工藝存在許多弊端,如水泥漿的大量流失,砼出現砼層、砂漿層和水泥漿層的嚴重分層狀態,導致管樁砼有效斷面縮小,噪音污染嚴重,離心機的維護成本和能耗高等,深入研究砼管樁的非離心成型工藝很有必要。

由于砼技術的發展,配制C80以上砼也不是一件困難的事,而采用離心成型的管樁砼,立方體試塊的強度要達到C100,才能保證樁身鉆芯取樣的強度達到C80的標準要求。很顯然,用常規的澆注成型法只要立方體試塊的強度達到C80就可以了,這樣可以顯著減少管樁砼的水泥用量。

現在的問題是如何實現管樁砼的澆注成型替代離心成型,關鍵在于模具設計制作和砼的振搗工藝。目前砼管樁有方樁和圓樁二種,方樁改用澆筑法成型比較容易,模具制作也比較簡單,上部開口作為澆筑砼的下料口,底部基臺加裝氣囊振動臺,管樁的中空部位用可充水的軟質塑料管造孔,只要加一些聯結件定位也是不難做到的。而圓樁要復雜一些,需要在模具的上蓋開口,這樣在砼澆筑口的外觀要差一些,而且砼外表層的氣孔難于排除,但對砼的內在質量影響不大。

澆注成型法砼的勻質性好,沒有砼的分層現象,可以有效增加砼的實際承載面積,如以上所述,因離心工序砼層的有效面積實際只有88.4%,改用澆注法成型,相當于砼層的有效面積增加了13%。

2 壓蒸問題

2.1 壓蒸存在的問題

壓蒸養護高強砼構件的生產存在如下幾個問題:

1)壓蒸養護的能耗高

砼管樁采用蒸壓釜的壓蒸養護工序,每立方砼需用標準煤40 kg,釋放100多kg二氧化碳,2012年我國砼管樁產量達到3.8億m,僅蒸壓釜的壓蒸養護就需要耗煤220萬t,釋放的二氧化碳高達550萬多t,這是一個巨大的污染源。現在已限制使用煤和重油,不得不改用柴油,這樣勢必會增加生產成本。

2)壓蒸養護對砼性能產生不利影響

壓蒸養護雖然能快速提高砼強度,實現了快速生產,但對砼的結構和性能產生了一些不利影響:壓蒸養護砼的孔隙率比普通養護砼的孔隙率大,而且大孔含量也多;壓蒸養護生成的新生物分散度低,也就是結晶水化物變粗,致使連生體中的連生接點數量減少,其膠結性能下降;蒸壓釜排氣及其內部壓力降至大氣壓時,壓力降幅要求較高,如果操作不當,往往砼內部會“沸騰”起來,由于急熱的氣化產生很大的內應力,易產生一些微裂縫甚至肉眼可見裂縫而導致砼耐久性下降。

由于上述這些原因,普通砼(摻磨細硅砂粉除外)經壓蒸養護的強度比常規條件養護(標養)的強度要低。因此,合理的養護制度是確保砼管樁等高強砼構件質量的關鍵之一。

3)蒸壓釜存在安全隱患

蒸壓釜是一種壓力容器,蒸壓釜的制造、安裝和使用等都有一套嚴格的要求。如果使用不當或稍有疏忽,容易發生事故,管樁廠蒸壓釜的大小事故也時有發生。已發生過多次蒸壓釜的釜蓋飛出,造成人員傷亡的嚴重事故。

2.2 免壓蒸技術的探討

南京友西科技有限責任公司研制了一種適合免壓蒸工藝的復合礦物外加劑,由4種常用礦物外加劑組成,經過精確計量并經機械混合均勻,制成一種復合礦物外加劑(粉劑)。

復合礦物外加劑摻量為30%,可明顯提高蒸養砼的強度,砼試件經蒸養后再養護,強度還可提高1個等級。

何友林等[3]用微珠和硅粉作為管樁砼的礦物摻合料,膠凝材料達到600 kg/m3時,只經蒸養后自然停放7 d即可達到C105。

由于混凝土技術的發展,配制C80以上混凝土已不是一件困難的事,因此推廣免壓蒸技術已無技術上的障礙。

3 砼管樁應用技術

砼管樁的施工主要有錘擊法和靜壓法二種,用單樁一次植入的較少,通常需要接樁,接樁時對焊接和接樁垂直度都有嚴格的要求,尤其是垂直度,一般插入地面的垂直度偏差,不得超過樁長的0.5%。國內都是采用每樁一氣呵成的施工方法,對接樁垂直度的控制難度較大,監管也不嚴,而且也不易被發現。澳門的管樁施工是用履帶式錘擊機打樁為主,先將一個區段多個甚至幾十個定位樁全部打好,再把各樁位的第二根樁全部接好后一次打完,再接第三根樁,也一次接好,一次打完,用這種方法植樁,接樁的垂直度暴露無疑,有的甚至看上去東倒西歪,勢必會影響整個樁位的承載力。

我們認為,砼管樁的端板接頭部位是整個樁的薄弱環節,影響到整個樁的垂直度,也影響到樁的承截能力,從而影響其耐久性。端板與周圍介質是直接接觸的,如有腐蝕介質,在水的參與下,氯離子和氧共同作用下產生腐蝕反應,端板和預應力鋼筋的墩頭首先受到傷害,并逐步擴散到砼內部,后果極為嚴重,必須引起我們的重視,可從以下幾個方面改進。

3.1 植樁時控制接頭的位置

鋼的腐蝕是有條件的,鋼在高堿性介質中表面會生成一層非常致密的鈍化膜,保護了鋼不被腐蝕,但遇到氯離子等極強的去鈍化劑時,在水與氧的參與下,就會發生鋼的腐蝕[4]。因此管樁的接頭應在樁的下部,那里缺少產生腐蝕的必要條件—氧,盡量避免樁的上部接頭。例如,植樁深度為18 m,用12 m和6 m兩支樁配樁,如果先用12 m管樁植樁,那么接樁的位置在地下6 m處;如果先用6 m樁,則樁的接頭則在地下12 m處,后者的接頭比前者深6 m,很顯然,后者接觸氧的幾率要比前者低得多,也就是說,后者接頭處產生鋼腐蝕的可能性要低得多。

3.2 接頭改進

現行的砼管樁,其端板是外裸的,最好端板外徑要比管樁外徑小,這樣在接樁焊接后可以加設防護層。

3.3 多用長樁,少用短樁

為了提高樁的垂直度和改善接樁帶來的一些弊端,盡量用長樁可減少接頭,也是一種簡單可行的辦法。

4 結 語

文中對砼管樁生產和應用中存在的幾個問題進行了分析和討論,并提出了切實可行的解決方案,在生產中還存在一些高強度勞動(裝籠和布料的操作工序),因尚未有合適的解決方案,雖然已有將布料改用泵送灌料的試行方法,但仍在探索之中,故未在探討之列。

1)砼管樁的離心成型工藝是生產過程中最為嚴重的噪音污染源,從事此項工作的人員聽力明顯受損,還波及周邊的操作人員,不僅如此,還對砼管樁的質量產生不利的影響,將離心成型工藝改為澆注法成型工藝是可行的。

2)砼管樁的壓蒸工藝有很多弊端,大家都很重視,也取得了一些可喜的成果,用于推廣,砼管樁的免壓蒸工藝,可以降低能耗,減少大氣污染,是一項利國利民的好措施。

3)必須重視砼管樁的施工技術和方法,改變目前采用的先植長樁后用短樁的施工方法,改用先植短樁后用長樁的方法,同時盡量用長樁以減少接頭數量,提高其耐久性。

[1] 嚴志隆.用“鉆芯法”測定管樁混凝土抗壓強度的有關情況介紹[J].廣東建材,2003(8):9-12.

[2] 阮起楠.預應力混凝土管樁[M].北京:中國建材工業出版社,2000:63.

[3] 何友林.C105免壓蒸管樁混凝土的試驗研究[J].混凝土與水泥制品,2013(3):30-33.

[4] 洪定海.混凝土中鋼筋的腐蝕和保護[M].北京:中國鐵道出版社,1998:20-26.

Study on Several Problems of Prestressed High Strength Concrete Pipe Pile

SHENG Si-zhong1,CHEN Min2,JIN Wei-huɑ1,LIU Wei-ming3
(1.Nanjing UC Science and Technology Co,Ltd,Nanjing 210019,China;2.Nanjing Binjiang Building Materials Technology Group,Yujiang Concrete Co,Ltd,Nanjing 210000,China;3.Sunway Spun Pile(Zhuhai)Co,Ltd, Zhuhai 519180,China)

The problems of centrifugal molding and casting molding in the production process of PHC pile were discussed.The casting molding and non-autoclaved process can significantly reduce energy consumption and improve the quality of PHC pile,also reduce the production cost.The improvements of planting pile were proposed considering the quality and durability of PHC pile.

centrifugal molding; casting molding; non-autoclaved; prestressed high strength concrete pipe pile

2014-04-16.

盛思仲(1972-),工程師.E-mail:shengsizhong@163.com

10.3963/j.issn.1674-6066.2014.04.036