预应力高强混凝土管桩工艺技术及发展.pdf
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1、2 0 1 2年第 4期 4月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA C0NCRETE AND CEMENT PRODUCTS 2 01 2 No 4 Ap r i l 预应力高强混凝土管桩工艺技术及发展 纪爱 民 一 , 任伟 记 , 李名远 ( 1 沧兴集团管桩有限公 司, 0 6 1 1 0 0; 2 沧兴集团商砼有限公司 , 0 6 1 1 0 0 ) 摘 要 : 阐述 了预 应力 高强混 凝土管桩 的工艺技 术原理 、 应 用及 发展 , 论述 了 C 8 0高强混凝 土配合 比设计 以及 C8 0高强管桩 混凝 土与普通混凝土 离心成 型工艺的特点及发展 。指 出管桩 的工
2、艺技 术主要 涉及 C 8 0高强混凝 土配 制 外加 剂技 术、 预 应力张拉技 术 、 离心 成型工 艺技 术 以及 压蒸养 护工艺技 术 4方 面 内容 , 其 中, C 8 0高强混凝 土配 制 外加剂技 术和压蒸养护工艺技 术是 管桩 工艺技 术的核心 。 关键词 : 预应力高强混凝土管桩 ; 工艺技术 ; 发展 Ab s t r a c t : Th e t e c h n o l o g y p ri n c i p l e a p p l i c a t i o n a n d d e v e l o p me n t o f P HC p i l e s a r e d e
3、s c r i b e d T h e mi x t u r e p r o p o r t i o n d e s i g n o f C 8 0 h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e t h e c e n t ri f u g a l mo l d i n g p r o c e s s c h a r a c t e ri s t i c s a n d t h e d e v e l o p me n t o f C 8 0 g h s t r e n g t h p i l e s c o n c r e t e a n d o r d i
4、 n a r y c o n c r e t e a r e d i s c u s s e d I t p o i n t s o u t t h a t t h e P HC p i l e t e c h n o l o gy ma i n l y i n c l u d e s f o u r a s p e c t s w h i c h a r e C 8 0 h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e p r e p a r a t i o n a d d i t i v e s t e c h n o l o gy,p r e s t r e
5、 s s e d t e n s i o n t e c h n o l o gy,c e n t ri f u g a l mo u l d i n g t e c h n o l o g y a n d p r e s s u r e s t e a m c u r i n g p r o c e s s t e c h n o l o g y An d C8 0 h i g h s t r e n gth c o n c r e t e p r e p a r a t i o na d d i t i v e s t e c h n o l o gy a n d p r e s s u
6、r e s t e a m c u ri n g p r o c e s s t e c h n o l o gy a r e t h e k e y s o f P HC p i l e s t e c h n o l o g y a mo n g t h e f o u r t e c h n o l o g i e s Ke y wo r d s : P HC p i l e s ; T e c h n o l o gy ; De v e l o p me n t 中图分类号: T U 5 2 5 文献标 识码 : A 文章编号 : 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 2 )
7、 0 4 3 0 0 6 0前 言 先 张 法 预应 力 混 凝 土 管桩 包 括 预 应 力 混 凝 土 管桩和预应力高强混凝土管桩。随着市场的发展需 要 , 预应力高强混凝 土管桩越来越受欢迎 , 本文主 要阐述预应力高强混凝土管桩( 以下简称“ 管桩” ) 。 管桩是 近 3 0年发展 起来 的一种新 型水 泥制 品 , 是一种重要的桩基材料 , 被广泛用于工业与 民 用建筑 、 港 口、 市政 、 桥梁 、 铁路 、 公路 、 水利等基础 工程。与其它桩基相 比, 具有制作工艺简单 、 质量容 易保证 、 植桩方便 、 耐打性好 、 造价便宜 、 检测方便 、 施工速度快、 桩基抗震性
8、能好等优点 。 1 9 8 7年 , 我国 从 日本引进该生产工艺技术及设备 , 经过几十年尤 其是最近 1 0年的应用与发展 ,管桩工艺技术得到 了巩 固与提高 , 并通过对引进的管桩生产线消化吸 收 , 自主开发 了国产化管桩生产线 , 生产工装设备 如离心机 、 张拉机 、 模具 、 镦头机 、 钢筋骨架滚焊机 、 计量配料 搅拌机 、 蒸压釜 、 空压站以及打桩机械 ( 如 压桩机) 等都能 自主研制与配套发展。 近年来 , 随着国家建设工程 的增多以及管桩应 用领域 的扩展 , 使得对管桩的要求不断提高 。在水 泥制品中 , 管桩 的技术含量相对较高 , 生 产过程较 复杂 , 因此
9、 , 需要从业人员尤其是技术管理人员具 有一定 的专业技术能力 , 以技术 、 质量赢得市场和 用户。本文在阐述管桩工艺技术原理的基础上 , 介 一 3 0一 绍、 分析了管桩工艺技术及发展。 1 工 厂工 艺布局 水 泥制 品 的生 产 工艺 一 般 分 为 3种 , 即 台座 法 生产工艺 、 机组流水法生产工艺 和流水传送法生产 工艺 。目前 国 内管桩较多采用机组流水法 生产工 艺 , 也有部分采用流水传送法生产工艺。生产工艺 布局设计的基本原则是工艺流水顺 畅、布置紧凑 、 各生产过程前后呼应 , 避免出现“ 倒流水” 现象 。机 组流水法的平面工艺布置按管桩在车间内流动时 的方位
10、, 可分为横 向工艺( 管桩在车间内横向流动 ) 布置和纵 向工艺 ( 管桩在 车间内纵 向流动 ) 布置两 种 。横 向工艺紧凑 , 生产线较短 , 车间跨度大 , 一般 要在 2 1 m以上 , 同产量成本较低 、 劳动生产率较高 , 适合 0 6 0 0 mm以下的管桩生产, 工艺布局较纵 向工 艺顺畅 ; 纵向工艺生产线较长 , 车间跨度小 , 在 1 8 m 以上 即可 , 适合大直径管桩生产 , 但 因“ 倒流水 ” 存 在一定的交叉作业 。当前国内大多生产 0 6 0 0 mm以 下 的管桩 , 所 以, 综合 比较 以上两种工艺 , 较常采用 横 向工艺。 工艺布局设计 的合理
11、 性与顺 畅性对整条生产 线 的产量 、 质量 、 成本 以及安全环保等都会产生很 大影响 。经过 2 0多年 的应用与发展 ,不断得到改 进 、 完善与优化。在消化吸收国外管桩工厂工艺布 局设计的基础上 , 还结合 了生产线 的实际情况如年 纪爱民 , 任伟记 , 李名远 预应力高强混凝土管桩工艺技术及发展 产量 、 厂址地形 以及现有条件( 交通 、 物流方 向等 ) , 统筹考虑 , 优化定位 , 顺畅合理 , 取得了令人满意的 设计效果。 目前一般采用单层厂房平 面流水布局 , 同时 , 也 出现 了少量 的双层立体空 间( 上下行车立 体循环 ) 流水布局。 2工艺技 术原 理 2
12、1 管桩 的核心技术 由生产实践可知 ,管桩生产工艺主要包含 C 8 0 高强混凝土 ( 外加剂 ) 的配制 、 预应力张拉 、 离心成 型和高温高压蒸汽养护( 简称“ 压蒸养护” ) 4个过 程 , 即涉及高强混凝土配制 夕 卜 加剂技术 、 预应力 张 拉技术 、离心成型工艺技术和压蒸养护工艺技术 4 个方面 。 其中 C 8 0高强混凝土配制 # t , H N技术和压 蒸 养护工艺技术决定着整个生产工艺 的技术 与质 量 , 是管桩工艺技术的核心。 由管桩的核心技术可知 , 管桩混凝土高强的来 源主要有两种途径 : 一是 混凝 土外加剂 ( 高效减水 剂)技术的应用 ;二是高温高压蒸汽
13、养护技术 , 此 外 , 还包括高速离心密实增强作用。 2 2 预应力技术 预应力技术 在水 泥混凝 土制品 中的应用如 预 应力混凝土电杆 、 预应力输水管以及管桩等方 面已 有几 十年的历史 , 其技术 已经相 当成熟 , 主要 目的 是 提高产品的抗 裂性 。管桩采用先张法预应力技 术 , 其基本原理是通过张拉组装于钢模 中的预应力 主筋 ( 钢棒 ) , 再锚 固在钢模 上 , 在混凝土达 到放 张 强度 时对 预应力 主筋进行放 张 , 此 时 , 钢筋产生收 缩 回弹并对混凝 土施加压应力 ,从而获得预压应 力 。这样制 品或构件在承受外荷载受拉时 , 就要先 克 服预压应力 ,
14、推迟 了裂缝 出现 的时间 , 使受拉 区 的抗裂性提高 、 制 品的承载能力增强 、 刚度提高 、 耐 久 性增 强 。 2 3 混凝土外加剂技术 混凝 土外 加剂 技术的应用开始 于 2 0世纪 6 0 年代 , 对混凝土性能有较好 的改善作用 , 尤其是高 效减水剂的应用给混凝土带来 了革命性的变化 。水 泥 或 胶凝 材 料 的用 量 明 显减 少 , 混 凝 土 的 工作 性 能 大大改善 , 并 由此发展 了高性能混凝土 、 高强混凝 土 。 因管桩需 要先后经过常压蒸汽养护 和压蒸养 护两次养护工艺 , 所以必须选用具有优 良蒸养和压 蒸性能的高效减水剂 。我们 曾用聚羧酸系高效
15、减水 剂与萘 系高效减水剂进行对 比蒸养试验 ( 同配合 比、 同条件蒸养 ) , 结果表 明, 采用聚羧酸系高效减 水剂混凝土试件 的蒸养强度 明显低 于萘 系高 效减 水剂混凝土试件的蒸养强度 。因此 , 高效减水剂投 入使用前必须经过实验室检测或进行蒸养 、 压蒸等 试 验 。 2 - 4 离心成型工艺技术 2 4 1 离 心成 型工 艺原 理 和过去相 比, 现在 的管桩离心成型工艺 已发生 很大的变化 , 尤其是离心工艺制度变化较大 , 已由 三阶段改进成 四阶段 , 甚至有的已执行 五阶段。但 无论 怎样 变化 , 其原 理是 一样 的 。 离心脱水密实成型工艺简称为离心成型工艺
16、。 其原理是 : 将喂好混凝土混合料 的管模平卧在离心 机上 , 通过离心机 的旋转 , 使混凝 土混合料受到离 心力作 用 , 并 沿管壁 圆周均匀分布 , 逐步形成环形 中空管状结构 。随着旋转速度的不断增快 , 混凝土 中的粗 细集料 、 胶凝 材料( 水泥 、 矿粉 、 磨细砂等掺 合料 ) 或其 它细粉粒子沿着离心力方向沉降 , 从而 排 出混凝土中的空气和多余的水分 , 使混凝土达到 密实 。 2 4 2 离心成型工艺技术特点分析 由于管桩采用离心成型且需 为 C 8 0高强混凝 土 , 所 以, 必须 同时具备高强混凝土 和离心成型工 艺的双重特点。表 1为一般离心工艺与管桩离心
17、工 艺特点对照表。 由表 1可知 , 管桩生产所采用的离心工艺与其 它传统水泥制品的离心工艺如电杆 、 离心水泥管等 有所不同 :所采用 的混凝土已不再是 塑性混凝土 , 水胶 比小 、砂率低 、坍落度从 5 0 7 0 m m变成 1 0 - 3 0 mm,基本上已属干硬性或半干硬性范畴 ; C 8 0高 强混凝土掺用了高效减水剂 ,存在坍落度损失 , 尤 其是在夏季 。这些特点是设计管桩混凝土配合比和 制定离心工艺制度 以及进行质量控制等的基本 依 据和准则。 2 5 压蒸养护工艺技术原理 压蒸条件下水 化产 物的性 能与常压蒸 汽养 护 下 的产物有本质上的不 同, 而且压蒸养护机理有不
18、 同的观 点 。 在 国内 , 管桩养护基本上均采用先常压蒸汽养 护再压蒸养护两次蒸养工艺。常压( 0 1 MP a ) 蒸汽养 护一般在蒸养坑 池或蒸养窑 中进行 ; 高压蒸汽养护 是在 1 MP a 、 1 8 0 C 左右 的饱和蒸汽条件下于蒸压釜 中进行 , 制品经过蒸养脱模后转入压蒸养护 。按 升 压方法的不同 , 压蒸养护 可分为排气法 、 真空法和 快速升压法等 , 管桩一般采用快速升压法。 活性硅质材料的添加能提高混凝土的强度 , 因 此 , 进行压蒸养护的混凝土构成组分必须含有钙质 一 31 2 0 1 2年第 4期 混凝土与水泥制 品 总第 1 9 2期 材料和 S i O
19、 含量较高 ( 9 0 以上 ) 的硅质材料 , 因为 低活性 S i O z 只有在高温下才能与钙质材料 发生火 山灰反应 , 起到火 山灰作用 。钙质材料来源于普通 ( 常压 ) 蒸 汽养护水化反应生成的 C , S : H 。 ( 水化硅酸 钙胶凝物) 和 C a ( O H ) : 或材料中的 C a O; 硅质材料来 源 于磨 细石 英砂 、矿 粉等 矿物 掺 合料 。两者 在 1 MP a 、 1 8 0 左右 的饱和蒸 汽养护条件下 , C 3 S : H。 很 大程度地转化为 C S 6 H ( 托勃莫来石 ) 结晶体 , 同时 水泥 中 C s S 、 C , S的水 化产物
20、 C , S H 3 也 与 S i O 起反 应 , 生成 c s S 6 H , 而 C s S 6 H 具有很高的强度 , 因此 , 混 凝土强度得到了明显的提高。 压蒸条件下 , 主要化学反应式为 : C 3 s + H 2 O C 3 S 2 H3 + C a ( O H) 2 C 2 S + H 2 O C 3 S 2 H3 + C a ( O H) 2 C a ( O H) 2 + S i 0 2 - - - C 6 H5 C 3 S 2 H3 + S i 02 - - - * C 5 S 6 H5 + CS H 由此可见, 压蒸养护是对常压蒸汽养护胶凝材 料 的水化硬化 、 固
21、化反应这一物理化学过程的促进 与继续 。 压蒸养护的 目的是加速 硬化 ,增加混凝土强 度 , 1 d即可获得 自然养护 2 8 d龄期 的强度。 压蒸养护的条件为 : 必须有钙质材料和硅质 一 3 2一 材料 ; 高温高压 , 即 1 MP a 、 1 8 0 C 左右的高温。 压蒸养护 的实质是在 1 MP a 、 1 8 0 C 左右 的饱 和 蒸汽介质中进行水热合成反应 ,生成结晶度较好 、 强度较高的 C s S 6 H ,是蒸汽养护过程中水化反应产 物胶凝物质的进一步硬化 。压蒸过程既有水化 ( 液 相) 反应( 简称水化) , 又有 固相反应 ( 简称固化) 。饱 和蒸汽的温度
22、t ( o c) 与压力 P ( MP a ) 的关系可按 P = 0 0 9 6 5 ( 9 1 0 0 ) 。因此 , 只要有效地控制饱和蒸汽压 力 , 就可 以保证 所需 的 温度 。 压蒸养护制 品的强度主要来 自钙与硅 的水热 反应 , 钙是 C a ( O H) , 硅主要是矿粉、 磨细石英砂 等。 国外对压蒸材料 的研究结 果是 :当钙硅 比等于 1 时 , 压蒸强度较高。压蒸强度主要取决于胶凝材料 的矿物组成 、 细度 、 化学成分、 压蒸制度以及水泥品 种 、 混凝土品种和配合 比等。 压蒸养护强度形成机理 目前有三种观点 : 在 高温高压下 ,水与胶凝物质直接进行化学反应
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- 预应力 高强 混凝土 工艺技术 发展
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