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        我國管樁行業應解決的一些技術問題

        2018-09-13 16:30:01

        自1987年我國首條管樁生產線引進至今已有20多年,在科技人員、政府部門、企業家等的大力努力下,我國的管樁生產及施工技術得到了很好的開發,我國的管樁行業也得益于國家大規?;A建設的需求,同時,一系列管樁的標準、規范、設計圖集、應用技術規程等實施也為管樁產品的推廣應用打下了堅實的技術基礎,形成了在全國普遍開花結果的良好局面。

        我國管樁行業應解決的一些技術問題

        近年來,我國的工業產業化發展得到了現代信息化、數字化技術的強有力支撐,許多傳統的生產工藝已經被自動化所取代。但是,我國管樁行業現在仍然是一個勞動密集型的制造產業,在勞動力成本不斷提高的今天,我們必須順應高科技發展的潮流,加快技術進步,運用現代科學技術,發展改造管樁的生產技術裝備,開發管樁新的生產應用技術。

        一、我國管樁行業值得研發的一些技術問題

        1. 利用現代信息技術改造傳統管樁生產線

        縱觀我國早期從日本引進的管樁生產流水線,和對日本流水線進行消化吸收再創新研發的生產工藝裝備,我國現有的400多家管樁生產企業,管樁生產工藝技術和裝備基本上仍停留在上世紀日本60?70年代的技術水平上。管樁各生產工序環節仍以單機運作為主,單機與單 機之間的聯系仍靠操作工人手工作業,沒有開展單機與單機之間聯動作業的技術開發,這樣造成一條生產線所需的工人數量居高不下,客觀上在工人工資大幅提高的今天,使勞動力成本在產品成本中所占比例不斷提高,同時,這種勞動密集型產業仍主要依靠手工作業的產品品質的不確定性增加,產品質量難以滿足建設工程的要求,同時大量重體力老作造成企業工傷事故頻發,使管樁成為建材行業的高危產業,影響行業的健康發展。

        1996年中國水泥制品工業協會預制混凝土樁專業委員會組織專家考察日本時就了解到,日本等科技先進的國家,已經實現了管樁生產線的全自動信息化控制,一條年產100萬m的PHC管樁生產線僅需5?6位操作控制管理人員。相比之下,我國相同產能的管樁生產線,需要 操作工人50?60人,幾乎是日本的10倍。

        20多年來,我國機械生產企業研發了用于管樁生產的混凝土雙臥軸攪拌機、離心機、預應力張拉機、鋼筋定長切斷機、鐓頭機、骨架焊接機、蒸汽養護溫控儀、起重行車、蒸壓釜等,其單機性能已經達到或基本達到國外同類產品的性能指標,但是有關企業均以單機組織生產,還沒有一家企業開展整條生產線自動化的研發。信息技術高速發展到數字化的今天,管樁行業現行的生產線裝備已經遠遠落后于時代的發展。利用現代信息技術改造傳統產業,已經被確定為我國下一個階段工業產業發展的一個工作重點。目前,我國已經具備研發管樁全自動生產控制技術和裝備的實力,同時,勞動力成本的快速提高,也已經造就了全自動管樁生產線的市場,有志于管樁裝備研發的企業家們,應該看到這一巨大的新興市場。

        2. 管樁生產的高效節能技術

        管樁生產中的能源消耗主要體現在:(1) 管樁生產中各種機械設備正常運轉所需的電力能耗;(2)管樁離心成型后的兩次蒸汽養護過程中的能耗。

        離心作業是管樁生產中電力能耗的主要環節,近年來,大力發展的變頻技術在管樁離心成型設備中的應用,節省了30%左右的管樁生產離心電耗,被行業同仁們確 、定為一項高效節能技術,取得了非常顯著的技術經濟效益。變頻控制技術若能在管樁起重設備、混凝土攪拌設備、鋼筋加工設備、混凝土喂料設備、空壓機、卷揚機等開發推廣應用,同樣將大大節省電力的消耗,將產生顯著的技術經濟效益。

        在管樁生產中,傳統的PHC管樁必須經過二次蒸汽養護:常溫初級養護和高溫高壓蒸汽養護。初級養護可以使混凝土強度得到迅速增長,實現快速脫模,提高模具的周轉;高溫高壓蒸汽養護使管樁能在短時間內出廠供樁,同時充分保證混凝土強度及管樁的質量。但是,近年來生產蒸汽所需要的重油或燃煤價格的大幅提升,大大提高了管樁的生產成本。

        同時,管樁在二次蒸汽養護過程中造成的熱能低效利用,也是需要我們給與關注和重視的一個問題。一些企業在管樁生產線設計建造過程中,采用早期的蒸汽養護池結構圖,而早期的蒸汽養護池往往沒有充分考慮節能環節,造成如下技術隱患:養護池壁和養護池蓋沒有采用高效的節能材料或干脆沒有填充節能材料;養護池的池底沒有進行基礎加固,造成養護池基礎沉降、開裂和蒸汽泄漏;養護池壁過于單薄,池壁在管樁吊運過程中磕碰、破損、開裂,造成蒸汽泄漏;養護池蓋的鋼板破損,水蒸汽進入保溫材料,保溫材料吸水后失去保溫功能;養護池蓋變形后與養護池的密封沒有達到設計要求,造成大量蒸汽無為泄漏;養護池內蒸汽管道著地放置,管道的通氣孔被池內冷凝水堵塞,蒸汽出汽不暢,或出汽時必須先加熱池內的冷凝水,使之汽化后再加熱管樁,造成傳熱效率大大降低等等。

        在管樁高壓蒸汽養護過程中,同樣也存在值得可以、改進的方面:(1)多條蒸壓釜之間高壓余汽的合理利用;(2)蒸壓釜余汽互通利用后,釜內剩余低壓余汽通入常壓養護池的利用問題;(3)蒸壓釜內大量高溫冷凝水的余熱回收;(4)將熱電廠低壓蒸汽人工升壓為高壓蒸汽,以滿足管樁生產需要等等。

        上世紀80年代大力推廣的前蘇聯“熱介質定向循環”課題,在一些混凝土電桿、混凝土管道、混凝土房屋建筑構件等生產企業中取得了較好的應用效果,如果能夠在現階段高新科技發展背景下,融合新技術的成果,相信能在管樁生產節能領域再次發揮出良好的技術效益。

        3. 管樁生產線的減排技術

        目前,管樁生產中產生的主要環境問題有:(1)管樁離心成型作業中產生的大量廢漿處理問題;(2)離心作業中離心機與鋼模之間摩擦碰撞產生的高分貝噪音; (3)砂石等原材料清洗過程中產生的泥質廢水處理問題;(4)混凝土攪拌機、喂料機、擺渡車等日常清洗產生的廢水處理問題;(5)養護池、高壓釜等高溫高堿性的冷凝廢水的排放問題;(6)燃煤鍋爐工作時產生的廢氣排放;(7)水泥、硅砂粉、粉煤灰、礦渣微粉等在運輸、裝罐等過程中的散落等等問題。

        近年來,廣東一些生產企業已經開展了離心混凝土廢漿在管樁生產中循環利用工作,并取得了很好的技術經濟效益。但是,離心作業過程中產生高分貝噪音,不僅嚴重影響生產操作工人的身心健康,同時還影響了工廠周圍的人居環境。交通部三航局(上海)混凝土預制構件廠1987年從日本休謨公司引進整條生產線時的離心機隔音罩機構,蘇州混凝土水泥制品研究院已經進行了消化吸收,但由于該裝備安裝后會一定程度上影響生產效益的提高,同時增加投資成本,所以一直未能在國內管樁生產企業中得到推廣應用。

        4. 管樁用鋼棒二次蒸氣養護(常壓蒸養-高壓蒸養)的應力損失的研究

        生產企業經常發生管樁經過蒸汽養護后預應力鋼棒鐓頭的脫帽事故和管樁脫模后樁身產生橫向裂縫。但檢驗鋼棒原材料的延伸率和鋼棒的強度等技術指標時,一般均能滿足鋼棒的國家標準要求,若將脫帽后的管樁或產生橫向裂縫的管樁的樁身混凝土打爛,抽取其預應力 鋼棒,再檢驗其力學性能指標,通常就會發現:鋼棒的延伸率往往小于5%(很多時候只有3%?4%),強度大于1500MPa(大于鋼棒的標準強度1420MPa)。

        有文獻資料表明,鋼材(特別是熱處理鋼材)在應力狀態下,受到環境中的污蝕物作用時容易產生應力污蝕,大大降低鋼材的延伸性,鋼材的脆性增加。

        初步試驗表明,鋼棒在二次蒸氣養護pH>12的高堿環境中,鋼棒的應力松弛所造成的應力損失與GB50010-2002規范規定值相比要大得多,與日本JISA5337-1995編制說明的計算方法相差較小。對PHC管樁二次蒸氣養護(常壓蒸養-高壓蒸養)的應力損失的研究,對管樁生產原材料技術指標的控制要求、掌握管樁力學性能、生產合格管樁產品和建筑工程的質量等具有十分重要的意義。

        5. 管樁在高堿高鹽環境中的耐久性研究

        近年來,管樁應用面不斷擴大,在高堿高鹽環境下使用的情況越來越普遍,高堿高鹽環境下混凝土及鋼棒的耐久性問題十分突出。

        前些年,一些高校、研究機構與管樁生產企業聯合開展了對管樁用混凝土的耐久性研究,取得了一些實驗室內的研究成果,為在高堿高鹽環境下管樁的使用提供了一定的技術指導,具有一定的積極意義。

        但是,管樁是由混凝土與預應力鋼棒、端板、冷拔低碳鋼絲等組成的復合構件,混凝土的耐久性并不能代表整個管樁的耐久性。特別是管樁產品通常采用錘擊法或靜壓法施工,在經數百次、數千次錘擊力作用或高壓力施工(頂壓或抱壓力作用)后,管樁混凝土內部將產生大量的細觀裂縫(有些還產生少量的可見裂縫),同時混凝土強度將下降30%?40%。對經施工后的管樁進行耐久性研究,才具有可比性,對管樁的工程使用環境的耐久性研究才具有實際意義。

        另外,現在幾乎99%以上的管樁企業生產采用的端板均由鑄鋼或地條鋼制作,鑄鋼或地條鋼的耐久性與傳統的鋼板相比有較大的差異,但現階段尚沒有開展對端板耐久性的系統基礎研究,給管樁的應用帶來許多潛在的危害,給基礎工程的質量造成巨大的隱患。

        6. 多組分混凝土摻合料在管樁生產中的應用開發

        與普通混凝土生產中使用多組分摻合料技術一樣,管樁生產中多組分摻合料技術的應用,不但可以減少優質高等級水泥的用量,同時可以改善管樁用混凝土的性能,利用工業固體廢棄物,降低管樁的生產成本。

        近年來使用的單組分混凝土摻合料有:硅砂粉、粉煤灰、礦渣微粉、硅粉等,單組分摻合料一般摻量在15%?35%,具體與摻合料的活性、蒸汽養護、制品類型等相關,但由于硅粉價格昂貴,在管樁生產中幾乎沒有實際應用;復合摻合料有:硅砂粉-礦渣微粉、粉煤灰-礦渣微粉、粉煤灰-硅砂粉等3類,可以等量替代優質高等級水泥40%?60%,目前已經在一些企業中應用,取得顯著的技術經濟效益。

        但是,多組分混凝土摻合料在管樁生產中的應用開發,常常帶來混凝土技術的另外一個問題--單位m3混凝土中水泥用量小于標準要求的 300kg/m3?;炷林羞^少的水泥用量,就難以保證混凝土的堿度,pH值小于標準規定的最小值,將對混凝土中鋼材的長期耐久性產生 嚴重的不利影響,如何確定管樁用離心混凝土的最小水泥用量,也將是一個需要開展的基礎理論課題。

        7. 人工砂替代河砂生產管樁應用技術

        隨著建筑工業技術的發展,河砂等自然資源不斷減少,河砂的市場價格居高不下,管樁生產成本不斷上漲;采用人工砂替代優質河砂生產管樁將是技術發展的必然。日本等國家早就開展人工砂生產應用技術研究,我國自1998年起對石屑(也稱石粉)代替優質河砂生產管樁就有研究,并在工程中得到很好的應用。

        人工砂應用技術目前主要表現為混凝土強度指標,但對人工砂替代河砂后的混凝土耐久性,特別是混凝土的抗滲性等研究迫切需要行業技術專家進行系統研究。

        8. 低品位磨細硅砂粉在管樁生產中的應用開發

        隨著我國天然石英砂資源的越來越匱乏,SiO2含量大于90%的優質砂源將成為稀缺資源,而采用高SiO2含量的石英礦磨細生產硅砂粉的生產成本將大大提高,同時,SiO2含量小于90%的低品位石英砂或石英尾礦磨細后作為PHC管樁生產的摻合料將是發展的一個趨勢。

        初步研究表明,SiO2含量為70%?90%的硅砂粉,可以等量取代20%左右的水泥,以生產C80強度等級的PHC管樁,同時工程施工表明,完全可以滿足建筑工程的質量控制要求。

        9. 異型(竹節)管樁單樁承載力特性的研究

        日本異型(竹節)管樁的生產及工程使用已經占預制混凝土樁基總量的30%以上,工程試用表明,異型(竹節)管樁地基的承載力可以提高20%?40%,大大降低工程造價,提高技術經濟效益。

        我國對竹節樁研究也有多年,浙江天海管樁有限公司還在竹節樁基礎上開發了無端板竹節管樁,同時在一些基礎工程中開展應用,取得了較好的技術經濟效益,該成果已經通過浙江省建設廳的專家鑒定,但對竹節樁使用的工程地質條件適用性、承載力提高的力學模型、成樁質量的檢驗等還存在許多有待深入研究的課題。

        10. 管樁采用植樁法施工單樁承載力特性的研究

        我國目前管樁一般采用錘擊法施工或靜壓法施工,但這樣的施工手段對樁身結構的破壞較大,使樁身結構承載力得不到充分的發揮,同時還會影響樁身的長期耐久性。日本管樁施工技術的發展現已逐漸淘汰上述方法,大多采用植樁法施工。

        管樁的植樁法施工所具有優越的工程性能,也畢將成為我國管樁施工技術發展的一個方向。我國深圳、河南等地的一些技術人員已開展了這方面的研究,取得了初步的研究成果,但要在工程中大量的應用,還需要開展在不同地質、不同環境等條件下的系統研究,積累大量的工程實踐,并將此上升為國家的技術法規,因此,對它的研究也是十分必要。

        11. 管樁采用水沖法沉樁施工的技術條件及措施我國福建、江西一些地區的地質條件中硬土(砂)層較厚,采用靜壓法施工或錘擊法施工時難以穿透硬夾層,實踐表明,采用水沖法施工是一項較好的施工辦法,也取得了一些工程經驗。但目前這一方法的施工速度非常慢,效益低下,同時施工中對管樁樁身質量具有較大的損傷,不利于這項技術的推廣應用。

        針對特殊地質條件下管樁施工技術,研究確定水沖法施工的技術條件及措施對保證工程質量具有十分重要的意義。

        二、結束語

        回顧20多年的發展歷程,展望管樁發展的未來,在全國行業同仁的共同努力下,我們有勇氣相信,我國的管樁生產技術裝備一定能跟上先進國家的技術發展水平,同時,在某些領域擁有我們自己的研究成果。

        標簽: 管樁 技術 問題