大直径PHC管桩预制厂平面设计及生产工艺

摘要:本文介绍了生产PHC管桩生产厂的工艺、工艺设计及生产工艺要求,论述了通过工艺优化以达到较佳的工艺布置,同时通过各类工艺参数设计的对比优选出适合PHC管桩的合理控制工艺。

Abstract: This article introduces the process, process design and production process requirements of PHC pipe pile production plant, discusses the better process layout achieved by technology optimization, and through the comparison of various process parameters design chooses thereasonable control process of PHC pipe pile.

关键词:PHC管桩;生产工艺;平面布置;参数设计

Key words: PHC pipe pile;production process;layout;parameter design

中图分类号:TU2文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)22-0126-02

0引言

我国从上世纪80年代末从日本引进PHC管桩生产线设备、技术,到目前为止已经有二十年的历史,近年来海上工程建设掀起新一轮高潮,外海深水码头工程、跨海大桥工程看好长管节的大直径混凝土管桩。管桩具有桩身强度高,抗裂、抗弯能力强,可贯入性、耐锤击性好,生产周期短,单桩承载力高。并且,由于单节长度达30m,在一般水工工程中可确保桩的钢质接头进入泥面以下一定深度,并能超过第一零弯矩的深度,有利于接头防腐和结构安全。另外耐海水侵蚀能力比钢管桩好,使用期维护费用小,且价格相对较低,与同直径的钢管桩相比,仅为钢管桩的1/2~2/3。因此说大直径管桩部分取代钢管桩及全部替代砼方桩已大势所趋。

管桩厂工艺布置及工艺控制参数是否合理、是否成功,主要看这样的工艺能否保证和满足产品质量要求,而且要保证一个生产周期内的质量稳定性;同时要求投入的资金、(包括劳动生产率、单位面积的产量)等指标是合理的、先进的,当然还有对安全性、环保的要求。新建制的航通构件基本是按以上原则进行设置和控制,以达到较佳的人、物、财的合理性。

1PHC管桩厂工艺布置

国外的PHC管桩生产最多的是日本和马来西亚,也是目前国际上技术较先进的国家,基本上是采用的机组流水线。国内目前生产PHC大直径管桩企业,均为日本模式的翻版,考虑到中国国情,自动化程度有所降低,但总体布置基本一致。由于设计者的认识程序有所不同,各企业的工艺布置及控制各有千秋,有的较合理,但有的相对较笨拙。

1.1 对总平面布置的基本要求PHC管桩厂的选址一般从运输条件、原材料条件、产品使用密集区方位等因素进行考虑,如要求靠近运输码头,砂石大宗原材料采购运输方便,PHC桩成品易于出厂等。PHC管桩厂总的生产工艺可概括为三大类:即台座法、机组流水法和流水传送法。欧美国家主要采用台座法,此种方法资金投放量小、建厂周期快,易于在较大工程的施工处附近迅速形成生产力,但总体产量较低,产品质量的保证度相对较小;国内主要参照日本及马来西亚八十年代的生产工艺,即机组流水法,此法特点是工艺流水顺畅,各生产工段前呼后应,各工段所采用的生产手段能满足和保证产品质量要求,最终实现投入合量、工艺紧凑;二十一世纪以来,日本等国逐步发展了流水传送法,此工艺布置要求自动化程度相当高,车间生产基本实现全自动化,但前期投入相当大。一般国内目前较先进的企业均选用机组流水法。

机组流水法一般分为横肉向布置和纵向布置二种,两者各有特点。前者工艺布置紧凑,同样的生产量车间面积较后者省(即土建投资小),劳动生产率较高,一般适合小直径的PHC桩生产,但如工艺设计不合理时其安全性较后者差。反之,后者生产工艺线拉得较长,同样产量土建费用较高,但生产安全性大为加强,适合大直径的PHC桩生产,国内企业一般均选用纵向流动方式。

1.2 车间平面布置的基本要求车间平面设计的好坏直接影响产品的产量、质量和安全。一般PHC车间应遵循以下几个原则。①工艺流畅、简洁,整个工艺流程顺序作业,尽量减小运输、减小交叉作业。车间生产的核心是工序节拍,所以要考虑到每道工序的节拍时间,要做到各流程的平衡,不允许出现各工序“打仗”现象的发生。②车间内设备的选型要外购与自制相结合,充分利用现有条件、每个厂的自身特点决定各类工艺设备。③物流方向的选择。在车间内,原材料、半成品、成品立体交叉,相互流动,如何设计最佳的物流方向,特别是行车等运输工具都应有自己的行车路线,在结合处,如何按统畴原理进行优化,以减小辅助等待时间,使其与整个车间合拍。④车间内工艺装备的定置管理。车间生产所需的辅助装备应定位于最佳位置,以提高生产效率和加强安全管理,如气动扳手在布料区和拆模区的位置,气管接头设置在何处有利等等,都应进行考虑。⑤车间的设计是一个系统工程,要全面系统地考虑,以取得最满意的经济、安全效益。

2PHC桩生产各工段的工艺及其参数

合理的生产工艺参数是保证PHC管桩质量的前提,如何正确设立各工序中所涉及的参数,是在设计PHC厂前必须考虑成熟的不可缺少的步骤。

下面我们结合生产实际商讨一下生产各主要工段的工艺及其参数的一些基本要求,以及容易出现的或是易忽视的问题上,其它次要工序的要求及参数应结合实际情况确定,在此就不再累述。

2.1 钢筋加工钢筋加工迁涉到PCB钢棒的定长切断、镦头及滚焊成型三个主要工艺环节。①定长切断。一般要求每一根管桩内的钢棒长度误差控制在L/5000~L/10000之内为宜,每根定长的计算按下式,实际生产可试制几根,只要长度误差在±0.3%内则为合格。②镦头。镦头是PHC管桩锚固钢棒的重要部件,通过它对管桩两端的法兰板施加预应力。所以镦头过程中的热塑影响对其锚固强度的发挥是息息相关的,控制好镦头过程中的强度损失在10%以内是关键,以免在管桩养护过程、放张时或是在锤击应力下出现“脱头”的严重质量事故。另外,钢棒的镦头面应平整,这点也是比较重要的,这将直接影响到镦头的质量,比较理想的是下图中的(A),而(B)、(C)所示的情况应避免。③滚焊成笼。这里要注意焊后强度问题,笼子要求能焊牢不散架,但并非越牢越好,过度的焊接会影响主筋的强度,甚至“烧伤”,这直接威胁管桩的预应力和抗裂抗弯性能。

2.2 管桩混凝土的制备混凝土的制备是心脏环节,其质量的好坏可直接控制着管桩的50%质量事故。一般搅拌方式现在有二种,即一阶式和二阶式,两种方式有各自的特点,一阶式投资较高,自动化程度较高,生产效率相对也较高,运行成本较低,但维护水平及操作水平也较高,平时的设备保养较困难,基本上不允许有大修。二阶式则反之,但近年来自动化水平也上升较快,也被许多企业采用。不论采用哪种方式,只要在设计时充分考虑PHC管桩的生产特点,即每盘料的精准度要求在1%(静态)以内,具体选用哪种方式,笔者认为只要结合建厂的方位、空间、投资额、工厂所外的周边环境、总平面特点等二者均可以,要做到因地制宜,因厂设计。

PHC管桩混凝土强度一般在C80～C100,属于高强混凝土的范畴,它的特点是混凝土单位胶凝材料用量高,一般在500～530kg/m3,同时胶凝材料中矿物外加剂较多,可占到总量的30～50%,粗集料要求5～20mm,采用高效减水剂,水灰比控制在0.28～0.30之间,同时由于需要在喂料车中布料,要求混凝土的工作性能较好,故我们在设计时要选择好搅拌机械和搅拌工艺,一般说搅拌机械应选用双轴卧式,不应选用立式等其它形式,目前国外搅拌方式中只卧式能做到在短时内“搅透”满足上述要求的混凝土,否则管桩在离心中会出现蜂窝、麻面、坍落等质量缺陷。另外,我们要注意搅拌制度的选用,搅拌高强管桩混凝土要求减水剂后掺法,即部分的水和砂、石、胶凝料混拌约20秒后再加入剩余部分的水和高效减水剂。一般来说,从砂石料下到搅拌机内起总的搅拌时间不宜少于100秒,随着搅拌机械的老化,总时间应适当加长。

2.3 预应力张拉和离心成型预应力张拉工艺中要注重千斤顶、张拉方式、张拉速度及张拉设计值的选用。大直径PHC管桩国内均采用外张拉方式,即张拉螺栓通过张拉环直接固定在管桩端板上共同张拉,国外较多的是采用分组张拉,一般说分组式张拉方式较优,但对人员素质及控制仪器设施投入较多。

在这里我们尤要注意张拉精度的控制,张拉显示仪表的选择比较重要,要求最小刻度在0.5MPa为宜。在张拉值计算时,一般按下式取用:σcon=min(0.8×σ屈服,0.7×σ抗拉),一般不允许超张拉,这样容易造成管桩在施工中突然断裂而发生安全事故,但应考虑在张拉过程中端板、锚具与管模间的摩擦力效应。采用一次张拉工艺时,张拉设计值为010%σcon103%σcon后直接锚固;当采用二次张拉工艺时,张拉设计值采用010%σcon105%σcon(持荷二分钟)100%σcon(锚固)。同时要注意应力――应变的关系,在保证应力的情况下应变理论与实际值偏差在5%以内是可以接受的。

离心工艺及其各阶段工艺参数的选择对管桩的质量起着极其重要的作用。管桩在世界上近四十年的探索,得出了较科学的参数。这些成果的主要方面是:①离心分三阶段或四阶段成型,即低速布料(也称二次搅拌),中低速匀料,中速成形,高速密实:②为保证管桩在离心力作用下充分密实,高速下密实压力推荐为0.5～1.0kg.f/cm2,即换算成离心加速度为35～40g,其中g为重力加速度;理想中速的推荐值为高速/■,以起到充分成型作用,达到较佳的内外分层;慢速的作用是充分匀料,使混凝土在管桩内模内进行二次搅拌,恢复成型所需的坍落度,使混凝土料在管桩模内均匀分布,其理论值为k×30/■,R为管桩的平均半径,k为离心系数,k的取值在0.9～1.2之间,按混凝土的不同适当调整。③每一阶段的离心时间应要求拌制的混凝土情况都有一个最佳的时间,不是越长越好,当然太短了也是一样的。

不同的混凝土配方生产的管桩其高速离心最佳时间是有一定差异的,所以不同的生产厂家应根据自己的配方确定一组较好的离心制度。不同的减水剂、外掺矿物外加剂对离心制度是有较大的影响的。航通构件所使用的新拌混凝土其磨细砂使用占到胶凝材料总量的30%左右,其它的厂家如三航四公司、七公司、江门裕大公司等均在新拌混凝土中均掺入了大量的外掺料(磨细矿渣、钢渣、蛇尾矿、磨细粉煤灰等),另外各公司所采用的高效减水剂有萘系列、脂肪族系列、聚羧酸系列等,也造成新拌混凝土的离心初始坍落度、离心布料阶段坍落度恢复时间及离心中速、高速时的三相沉降速率(石子在砂浆中的沉降、砂在水泥浆中的沉降、水在水泥浆中的沉降)不一致,所以生产应根据自身的特点并结合理论研究成果对不同阶段的离心速度、时间进行必要的修正,关键是管桩成型后其离心混凝土应距有良好的内分层和外分层,使二种分层尽量的减小。一般总的离心时间不宜小于18分钟,在离心参数选择时在充分考虑到中速的离心时间和速度,以最大程度的减小内分层。

另外,某企业为增加产量,节省离心结束后的停车时间,采用“刹车”的方式使离心机在短时间内停车,这种方法会造成管桩刚成型的混凝土内部出现许多结构“微裂缝”,这些裂缝沿径向呈放射性分布,在养护过程中有的裂缝是无法自行愈合的,最终造成管桩的内部缺陷。

2.4 普养和压蒸养护使用蒸汽进行养护是加快钢模周转的重要手段,它使混凝土在短时间内获得要求的放张强度。PHC管桩的养护可分为二个阶段,即初级养护(也称普养)和压蒸养护,一般来说,经过压蒸的管桩即便再经水养,其混凝土强度增长是相当缓慢的,有试验表明经压蒸后混凝土其强度在二年内基本变化。

养护制度参数的选择是管桩生产的又一重要设计。管桩是一种“薄壁”的水泥制品构件,同时在普养时是带模养护的,经过离心的混凝土已经获得一定的初始强度,另外脱模时混凝土强度等级在C50左右,以上因素在管桩普养制度制定时应充分考虑的。

制度中静停时间的长短应得到足够的重视,因为离心以后混凝土虽然有一定的强度,但立即升温或是静停时间不足,会引起混凝土的“肿胀”温度效应出现大量的结构缺陷,一般说加入掺合料的静停时间控制在2小时以内,无掺合料时可控制在1小时左右,同时要考虑冬季比夏季多半小时左右。升温速度根据胶凝材料的不同略有不同,一般控制在20～25℃,掺合料多的可取上限,纯水泥的可取下限,冬季时应适当放慢。恒温温度也与混凝土中的掺合料有关系,掺的可适当提高,不掺的应控制在75℃以内,恒温时间一般以脱模强度控制为宜。由于管桩是带模养护的,所以降温时间除特殊原因外一般控制在半小时左右即可。特别的,要意养护池内各方位温度差不可过大,通过改变蒸养汽管的布置或喷口方式以消除温差。

压蒸阶段是使混凝土内部的C-S-H凝胶系统转变成C-S-H的托勃莫来石结构,同时水泥水化过程生成的Ca(OH)2与掺合料中硅质成分发生化学反应生产硅酸盐凝胶,这些凝胶填充在C-S-H结构中空隙中,从而使混凝土进一步提高,经过压蒸后混凝土强度等级可达到C80以上,该过程发生的主要化学反应如下式:

2C3S+6H3C3S2H6+3CH2C2S+4H 3C3S2H6+3CH(水泥水化)

C2SHCSHC5S6H5(托勃莫来石) (在压蒸过程的晶体转化)

CH+SCSH(硅质材料与水化后的氢氧化钙反应生产凝胶)

当然,实际的化学物理反应远不止这么简单,还与水泥及外加的硅质材料中的钙硅比大小有关,但总体上混凝土中的强度胶结材料反映大致如此。

在压蒸制度确定时,要注意合理的升温曲线和降温曲线,恒温压力,温度控制在1.0MPa下的饱和蒸汽温度即可。升温一般35～40℃/小时为宜,不可过快以免造成温度应力裂缝。降温时间及降温压力分配尤为重要,以不出现温差裂缝为前提,在大风或雨天特别注意。降压时要有2～3小时左右的过程,瞬时降压会造成混凝土中孔隙水的突然蒸发而使混凝土暴裂。总的来说压蒸工艺要求既能满足强度要求,又要避免“突变”的影响。

2.5 管节拼接PHC管桩要求先拼接成施工要求的长度,再运输至现场施打,所以拼接水平的高低应直接影响到管桩承台结构的好坏。目前,PHC管桩的拼接均采用卧式拼接,在这里注意的拼接的平直度控制,一般要求不超过0.5%D(D为管桩外径)。现在PHC管桩的拼接头经过几十年发展,出现了如U形接头,碗形接头、T形接头等方式,对保护管桩端面混凝土强度及保证PHC桩的结构一致性均做出了贡献。

3结语

PHC管桩的生产工艺和工艺设计是个复杂的问题,工艺多样,是个统畴的问题,但最终要归结到产品的产量、质量、建设和生产成本控制这几个问题上来。一个合理的设计和各工艺参数的确定,是利用现有的有限资源,找到一个较理想的平衡点才是上策,并不是产量越高越好或是投资越大越好,而是根据投资的大小和掌握的土地、人员、设备等合理设置规模,做到物尽其用。

PHC管桩的工艺参数设计重点是要考虑到如何在保证最终成品的品质,从而控制好每道工序的工艺参数,特别是混凝土的搅拌、张拉、离心、蒸汽养护、接管等关I工序的参数设计,应在理论指导下结合和各厂自己的实际情况而制度出合理的制度。