我国管桩行业值得研发的一些技术问题
2008-11-05 00:00
我国管桩行业值得研发的一些技术问题
1、前言
自1987年我国首条管桩生产线引进至今已有20多年，在科技人员、政府部门、企业家等的大力努力下，我国的管桩生产及施工技术得到了很好的开发，我国的管桩行业也得益于国家大规模基础建设的需要，同时，一系列管桩的标准、规范、设计图集、应用技术规程等的实施为管桩产品的推广应用打下了坚实的技术基础，形成了在全国普遍开花结果的良好局面。
近年来，我国的工业产业化发展得到了现代信息化数字化技术的强有力的支撑，许多传统的生产工艺已经被自动化所取代，但是，我国管桩行业在仍然是一个劳动密集型的制造产业，在劳动力成本不断提高的今天，我们必须顺应高科技发展的潮流，加快技术进步，运用现代科学技术文明，发展改造管桩的生产技术装备，开发管桩新的生产应用技术。
2、我国管桩行业值得研发的一些技术问题
2.1 利用现代信息技术改造传统管桩生产线
纵观我国早期从日本引进的管桩生产流水线，和对日本流水线进行消化吸收再创新研发的生产工艺装备至今，我国现有的400多家管桩生产企业管桩生产工艺技术和装备基本上仍停留在上世纪日本60～70年代的技术水平上。
管桩各生产工序环节仍以单机运作为主，单机与单机之间的联系仍靠操作工人手工作业，没有开展单机与单机之间的联动作业的技术开发，这样造成一条生产线所需的工人数量高居不下，客观上在工人工资大幅提高的今天，使劳动力成本在产品成本中所占比例不断提高，同时这种劳动密集型产业仍主要依靠手工作业的产品品质的不确定性增加，产品质量难以满足建设工程的要求，同时大量重体力老作造成企业工伤事故频发，使管桩成为建材行业的高危产业，影响行业的健康发展。
1996年中国水泥制品工业协会预制混凝土桩专业委员会首次组织专家考察日本时就了解到，日本等科技先进的国家，已经实现了管桩生产线的全自动信息化控制，一条年产100万米的PHC管桩生产线仅需5～6位操作控制管理人员。相比之下，我国相同产能的管桩生产线，需要操作工人50～60人，几乎是日本的10倍。
20多年来，我国机械生产企业研发了用于管桩生产的混凝土双卧轴搅拌机、离心机、预应力张拉机、钢筋定长切断机、镦头机、骨架焊接机、蒸汽养护温控仪、起重行车、蒸压釜等，其单机性能已经达到或基本达到国外同类产品的性能指标，但是有关企业均以单机组织生产，还没有一家企业开展整条生产线自动化的研发。
信息技术高速发展到数字化的今天，我国管桩行业现行的生产线装备已经远远落后于时代的发展！利用现代信息技术改造传统产业，已经被确定为我国下一个阶段工业产业发展的一个工作重点。目前我国已经具备研发管桩全自动生产控制的技术和装备开发的实力，同时，劳动力成本的快速提高，也已经造就了全自动管桩生产线的市场，有志于管桩装备研发的企业家们，应该看到这一巨大的新兴市场。
2.2 管桩生产的高效节能技术
管桩生产中的能源消耗主要体现在：
1）管桩生产中各种机械设备正常运转所需的电力能耗；
2）管桩离心成型后的两次蒸汽养护过程中的能耗。
离心作业是管桩生产中电力能耗的主要环节，近年来大力发展的变频技术在管桩离心成型设备的应用，节省了30％左右的管桩生产的离心电耗，被行业同仁们确定的一项高效节能技术，取得了非常显著的技术经济效益。变频控制技术若能在管桩起重设备、混凝土搅拌设备、钢筋加工设备、混凝土喂料设备、空压机、卷扬机等开发推广应用，同样将大大节省电力的消耗，将产生显著的技术经济效益。
在管桩生产中，传统的PHC管桩必须经过二次蒸汽养护：常压初级养护和高温高压蒸汽养护。初级养护可以使混凝土强度得到迅速增长，实现快速脱模，提高模具的周转；高温高压蒸汽养护使管桩能在短时间内出厂供桩，同时充分保证混凝土强度及管桩的质量。但是，近年来生产蒸汽所需要的重油或燃煤价格的大幅提升，大大提高了管桩的生产成本。
同时，管桩在二次蒸汽养护过程中造成的热能的低效利用，也是需要我们给与关注和重视的一个问题。一些企业在管桩生产线设计建造过程中，没有充分考虑节能环节，造成如下技术隐患：养护池壁和养护池盖没有采用高效的节能材料或干脆没有填充节能材料；养护池的池底没有进行基础加固，造成养护池基础沉降、开裂和蒸汽泄漏；
养护池壁过于单薄，池壁在管桩吊运过程中磕碰、破损、开裂，造成蒸汽泄漏；养护池盖的钢板破损，水蒸汽进入保温材料，保温材料吸水后失去保温功能；养护池盖变形后与养护池的密封没有达到设计要求，造成大量蒸汽无为泄漏；养护池内蒸汽管道着地放置，管道的通气孔被池内冷凝水堵塞，蒸汽出汽不畅，或出汽时必须先加热池内的冷凝水，使之汽化后再加热管桩，造成传热效率大大降低等等。
在管桩高压蒸汽养护过程中，同样也存在值得可以改进的方面：
1）多条蒸压釜之间高压余汽的合理利用；
2）蒸压釜余汽互通利用后，釜内剩余低压余汽通入常压养护池的利用问题；
3）蒸压釜内大量高温冷凝水的余热回收；
4）将热电厂低压蒸汽人工升压为高压蒸汽，以满足管桩生产需要等等。
上实际80年代大力推广的前苏联“热介质定向循环”课题，在一些混凝土电杆、混凝土管道、混凝土房屋建筑构件等生产企业中取得了较好的应用，但这项技术目前已经很少见到应用，如果能够在现阶段高新科技发展背景下，融合新技术的成果，相信在管桩生产节能领域再次发挥出良好的技术效益。
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2.3 管桩生产线的减排技术
目前，管桩生产中产生的主要环境问题有：
1）管桩离心成型作业中产生的大量的废浆处理问题；
2）离心作业中离心机与钢模之间摩擦碰撞产生的高分贝噪音；
3）砂石等原材料清洗过程中产生的泥质废水处理问题；
4）混凝土搅拌机、喂料机、摆渡车等日常清洗产生的废水处理问题；
5）养护池、高压釜等高温高碱性的冷凝废水的排放问题；
6）燃煤锅炉工作时产生的废气排放；
7）水泥、硅砂粉、粉煤灰、矿渣微粉等在运输、装罐等过程中的溢流和散落等等问题。
近年来，广东一些生产企业已经开展了离心混凝土废浆在管桩生产中循环利用工作，并取得了很好的技术经济效益。
管桩离心作业过程中产生高分贝噪音，不仅严重影响生产操作工人的身心健康，同时还影响了工厂周围的人居环境。
交通部三航局（上海）混凝土预制构件厂1987年从日本休谟公司引进整条生产线时的离心机噪音隔音罩机构，苏州混凝土水泥制品研究院已经进行了消化吸收，但由于该装备安装后会一定程度上影响生产效益的提高，同时增加投资成本，所以一直没有能在国内管桩生产企业中得到推广应用。
2.4 管桩用钢棒二次蒸气养护（常压蒸养－高压蒸养）的应力损失的研究
生产企业经常发生管桩经过常压蒸汽养护后预应力钢棒镦头的脱帽事故和管桩脱模后桩身产生横向裂缝。但检验钢棒原材料的延伸率和钢棒的强度等技术指标时，一般均能满足钢棒的国家标准要求，若将脱帽后的管桩或产生横向裂缝的管桩的桩身混凝土打烂，抽取其预应力钢棒，再检验其力学性能指标。
通常就会发现：钢棒的延伸率往往小于5％（很多时候只有3～4％），强度大于1500MPa（大于钢棒的标准强1420MPa）。
有文献资料表明，钢材（特别是热处理钢材）在应力状态下，受到环境中的污蚀物作用时容易产生应力腐蚀，大大降低钢材的延伸性，钢材的脆性增加。
初步试验表明，钢棒在二次蒸气养护中在PH>12的高碱环境中钢棒的应力松弛所造成的应力损失与GB50010－2002规范规定值相比要大得多，与日本JISA5337-1995编制说明的计算方法相差较小。
对PHC管桩二次蒸气养护（常压蒸养－高压蒸养）的应力损失的研究，对管桩生产原材料技术指标的控制要求、掌握管桩力学性能、生产合格管桩产品和建筑工程的质量等具有十分重要的意义。
2.5 管桩在高碱高盐环境中的耐久性研究
近年来，管桩应用面不断扩大，在高碱高盐环境下的使用中的情况越来越普遍，高碱高盐环境下混凝土及钢棒的耐久性问题十分突出。
前些年，一些高校、研究机构与管桩生产企业联合开展了对管桩用混凝土的耐久性研究，取得了一些实验室内的研究成果，为管桩在高碱高盐环境下的工程管桩使用提供了一定的技术指导，具有一定的积极意义。
但是，管桩是由混凝土与预应力钢棒、端板、冷拔低碳钢丝等组成的复合构件，混凝土的耐久性并不能代表整个管桩的耐久性。特别是，管桩产品通常采用锤击法或静压法施工，在经数百次、数千次锤击力作用或高压力施工（顶压或抱压力作用）后，管桩混凝土内部将产生大量的细观裂缝（有些还产生少量的可见裂缝），同时混凝土强度将下降30～40％。对经施工后的管桩进行耐久性研究，才具有可比性，对管桩的工程使用环境的耐久性研究才具有实际意义。
另外，现在几乎99％以上的管桩企业生产采用的端板均由铸钢或地条钢制作，铸钢或地条钢的耐久性与传统的钢板相比，其耐久性应有较大的差异，但现阶段尚没有开展对端板耐久性的系统基础研究，给管桩的应用带来许多潜在的危害，给基础工程的质量造成巨大的隐患。
2.6 多组分混凝土掺合料在管桩生产中的应用开发
与普通混凝土生产中使用多组分掺合料技术一样，管桩生产中多组分掺合料技术的应用，不但可以减少优质高标号水泥的用量，同时可以改善管桩用混凝土的性能，利用工业固体废弃物，降低管桩的生产成本。
近年来使用的单组分混凝土掺合料有：硅砂粉、粉煤灰、矿渣微粉、硅灰等，单组分掺合料一般掺量在15～35％，具体与掺合料的活性、蒸汽养护、制品类型等相关，但由于硅粉价格昂贵，在管桩生产中几乎没有实际应用；复合掺合料有：硅砂粉－矿渣微粉、粉煤灰－矿渣微粉、粉煤灰－硅砂粉等三类，可以等量替代优质高标号水泥40～60％，目前已经在一些企业中取得良好的应用，取得显著的技术经济效益。
但是，多组分混凝土掺合料在管桩生产中的应用开发，常常带来混凝土技术的另外一个问题――单位立方混凝土中水泥用量小于标准的要求的300kg/m3。混凝土中过少的水泥用量，就将难以保证混凝土的碱度，PH值小于标准规定的最小值，将对混凝土中钢材的长期耐久性产生严重的不利影响，如何确定管桩用离心混凝土的最小水泥用量，也将是一个需要开展的基础理论课题。
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2.7 人工砂替代河砂生产管桩应用技术
随着建筑工业技术的发展，河砂等自然资源不断减少，河砂的市场价格高居不下，管桩生产成本不断上涨；采用人工砂替代优质河砂生产管桩将是技术发展的必然。日本等国家早就开展人工砂生产应用技术，我国自1998年起对石屑（也称石粉）代替优质河砂生产管桩就有研究，并在工程中得到很好的应用。
人工砂应用技术目前主要表现为混凝土强度指标，但对人工砂替代河砂后的混凝土耐久性，特别是混凝土的抗渗性等研究迫切需要行业技术专家进行系统研究。
2.8 低品位磨细硅砂粉在管桩生产中的应用开发
随着我国天然石英砂资源的越来越匮乏，SiO2含量大于90％的优质砂源将成为稀缺资源，而采用高SiO2含量的石英矿磨细生产硅砂粉的生产成本将大大提高，同时SiO2含量小于90％的低品位石英砂或石英尾矿磨细后作为PHC管桩生产的掺合料将是发展的一个趋势。
初步研究表明，SiO2含量为70～90％的硅砂粉，可以等量取代20％左右的水泥，以生产C80强度等级的PHC管桩，同时工程施工表明，完全可以满足建筑工程的质量控制要求。
2.9 异型（竹节）管桩单桩承载力特性的研究
日本异型（竹节）管桩的生产及工程使用已经占预制混凝土桩基总量的30％以上，工程试用表明，异型（竹节）管桩地基的承载力可以提高20～40％，大大降低工程造价，提高技术经济效益。
我国对竹节桩研究也有多年，浙江天海管桩有限公司还在竹节桩基础上开发了无端板竹节管桩，同时在一些基础工程中开展应用，取得了较好的技术经济效益，该成果得到了浙江省建设厅的专家鉴定，但对竹节桩使用的工程地质条件适用性、承载力提高的力学模型、成桩质量的检验等还存在许多有待深入研究的课题。
对异型（竹节）管桩单桩承载力特性等课题的研究，十分有必要。
2.10 管桩采用植桩法施工单桩承载力特性的研究
我国目前管桩一般采用锤击法施工或静压法施工，但这样的施工手段对桩身结构的破坏较大，使桩身结构承载力得不到充分的发挥，同时还会影响桩身的长期耐久性。日本管桩施工技术的发展现已逐渐淘汰上述方法，大多采用植桩法施工。
管桩的植桩法施工所具有优越的工程性能，也毕将成为我国管桩施工技术发展的一个方向。我国深圳、河南等地的一些技术人员开展了少量的研究，取得了初步的研究成果，但要在工程中大量的应用，还需要开展在不同地质、不同环境等条件下的系统研究，积累大量的工程实践，并将此上升为国家的技术法规，因此，对它的研究也是十分必要。
2.11 管桩采用水冲法沉桩施工的技术条件及措施
我国福建、江西一些地区的地质条件中硬土（砂）层较厚，采用静压法施工或锤击法施工时难以穿透硬夹层，实践表明，采用水冲法施工是一项较好的施工办法，也取得了一些工程经验。但目前，表明这一方法的施工速度非常慢，效益低下，同时施工中出现的对管桩桩身质量具有较大的损伤，不利于这项技术的推广应用。
针对特殊地质条件下管桩施工技术，研究确定水冲法施工的技术条件及措施对保证工程质量具有十分重要的意义。
3、结束语
回顾20多年的发展历程，展望管桩发展的未来，在全国行业同仁的共同努力下，我们有勇气相信，我国的管桩生产技术装备一定能跟上先进国家的技术发展水平，同时，在某些领域拥有我们自己的研究成果。
原作者：蒋元海
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