我國管樁行業(yè)值得研發(fā)的一些技術(shù)問題
2008-11-05 00:00
我國管樁行業(yè)值得研發(fā)的一些技術(shù)問題
1、前言
自1987年我國首條管樁生產(chǎn)線引進至今已有20多年，在科技人員、政府部門、企業(yè)家等的大力努力下，我國的管樁生產(chǎn)及施工技術(shù)得到了很好的開發(fā)，我國的管樁行業(yè)也得益于國家大規(guī)?；A(chǔ)建設(shè)的需要，同時，一系列管樁的標準、規(guī)范、設(shè)計圖集、應(yīng)用技術(shù)規(guī)程等的實施為管樁產(chǎn)品的推廣應(yīng)用打下了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)，形成了在全國普遍開花結(jié)果的良好局面。
近年來，我國的工業(yè)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展得到了現(xiàn)代信息化數(shù)字化技術(shù)的強有力的支撐，許多傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝已經(jīng)被自動化所取代，但是，我國管樁行業(yè)在仍然是一個勞動密集型的制造產(chǎn)業(yè)，在勞動力成本不斷提高的今天，我們必須順應(yīng)高科技發(fā)展的潮流，加快技術(shù)進步，運用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)文明，發(fā)展改造管樁的生產(chǎn)技術(shù)裝備，開發(fā)管樁新的生產(chǎn)應(yīng)用技術(shù)。
2、我國管樁行業(yè)值得研發(fā)的一些技術(shù)問題
2.1 利用現(xiàn)代信息技術(shù)改造傳統(tǒng)管樁生產(chǎn)線
縱觀我國早期從日本引進的管樁生產(chǎn)流水線，和對日本流水線進行消化吸收再創(chuàng)新研發(fā)的生產(chǎn)工藝裝備至今，我國現(xiàn)有的400多家管樁生產(chǎn)企業(yè)管樁生產(chǎn)工藝技術(shù)和裝備基本上仍停留在上世紀日本60～70年代的技術(shù)水平上。
管樁各生產(chǎn)工序環(huán)節(jié)仍以單機運作為主，單機與單機之間的聯(lián)系仍靠操作工人手工作業(yè)，沒有開展單機與單機之間的聯(lián)動作業(yè)的技術(shù)開發(fā)，這樣造成一條生產(chǎn)線所需的工人數(shù)量高居不下，客觀上在工人工資大幅提高的今天，使勞動力成本在產(chǎn)品成本中所占比例不斷提高，同時這種勞動密集型產(chǎn)業(yè)仍主要依靠手工作業(yè)的產(chǎn)品品質(zhì)的不確定性增加，產(chǎn)品質(zhì)量難以滿足建設(shè)工程的要求，同時大量重體力老作造成企業(yè)工傷事故頻發(fā)，使管樁成為建材行業(yè)的高危產(chǎn)業(yè)，影響行業(yè)的健康發(fā)展。
1996年中國水泥制品工業(yè)協(xié)會預(yù)制混凝土樁專業(yè)委員會首次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(jīng)實現(xiàn)了管樁生產(chǎn)線的全自動信息化控制，一條年產(chǎn)100萬米的PHC管樁生產(chǎn)線僅需5～6位操作控制管理人員。相比之下，我國相同產(chǎn)能的管樁生產(chǎn)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(chǎn)企業(yè)研發(fā)了用于管樁生產(chǎn)的混凝土雙臥軸攪拌機、離心機、預(yù)應(yīng)力張拉機、鋼筋定長切斷機、鐓頭機、骨架焊接機、蒸汽養(yǎng)護溫控儀、起重行車、蒸壓釜等，其單機性能已經(jīng)達到或基本達到國外同類產(chǎn)品的性能指標，但是有關(guān)企業(yè)均以單機組織生產(chǎn)，還沒有一家企業(yè)開展整條生產(chǎn)線自動化的研發(fā)。
信息技術(shù)高速發(fā)展到數(shù)字化的今天，我國管樁行業(yè)現(xiàn)行的生產(chǎn)線裝備已經(jīng)遠遠落后于時代的發(fā)展！利用現(xiàn)代信息技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，已經(jīng)被確定為我國下一個階段工業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個工作重點。目前我國已經(jīng)具備研發(fā)管樁全自動生產(chǎn)控制的技術(shù)和裝備開發(fā)的實力，同時，勞動力成本的快速提高，也已經(jīng)造就了全自動管樁生產(chǎn)線的市場，有志于管樁裝備研發(fā)的企業(yè)家們，應(yīng)該看到這一巨大的新興市場。
2.2 管樁生產(chǎn)的高效節(jié)能技術(shù)
管樁生產(chǎn)中的能源消耗主要體現(xiàn)在：
1）管樁生產(chǎn)中各種機械設(shè)備正常運轉(zhuǎn)所需的電力能耗；
2）管樁離心成型后的兩次蒸汽養(yǎng)護過程中的能耗。
離心作業(yè)是管樁生產(chǎn)中電力能耗的主要環(huán)節(jié)，近年來大力發(fā)展的變頻技術(shù)在管樁離心成型設(shè)備的應(yīng)用，節(jié)省了30％左右的管樁生產(chǎn)的離心電耗，被行業(yè)同仁們確定的一項高效節(jié)能技術(shù)，取得了非常顯著的技術(shù)經(jīng)濟效益。變頻控制技術(shù)若能在管樁起重設(shè)備、混凝土攪拌設(shè)備、鋼筋加工設(shè)備、混凝土喂料設(shè)備、空壓機、卷揚機等開發(fā)推廣應(yīng)用，同樣將大大節(jié)省電力的消耗，將產(chǎn)生顯著的技術(shù)經(jīng)濟效益。
在管樁生產(chǎn)中，傳統(tǒng)的PHC管樁必須經(jīng)過二次蒸汽養(yǎng)護：常壓初級養(yǎng)護和高溫高壓蒸汽養(yǎng)護。初級養(yǎng)護可以使混凝土強度得到迅速增長，實現(xiàn)快速脫模，提高模具的周轉(zhuǎn)；高溫高壓蒸汽養(yǎng)護使管樁能在短時間內(nèi)出廠供樁，同時充分保證混凝土強度及管樁的質(zhì)量。但是，近年來生產(chǎn)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(chǎn)成本。
同時，管樁在二次蒸汽養(yǎng)護過程中造成的熱能的低效利用，也是需要我們給與關(guān)注和重視的一個問題。一些企業(yè)在管樁生產(chǎn)線設(shè)計建造過程中，沒有充分考慮節(jié)能環(huán)節(jié)，造成如下技術(shù)隱患：養(yǎng)護池壁和養(yǎng)護池蓋沒有采用高效的節(jié)能材料或干脆沒有填充節(jié)能材料；養(yǎng)護池的池底沒有進行基礎(chǔ)加固，造成養(yǎng)護池基礎(chǔ)沉降、開裂和蒸汽泄漏；
養(yǎng)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(yǎng)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(yǎng)護池蓋變形后與養(yǎng)護池的密封沒有達到設(shè)計要求，造成大量蒸汽無為泄漏；養(yǎng)護池內(nèi)蒸汽管道著地放置，管道的通氣孔被池內(nèi)冷凝水堵塞，蒸汽出汽不暢，或出汽時必須先加熱池內(nèi)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(yǎng)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(nèi)剩余低壓余汽通入常壓養(yǎng)護池的利用問題；
3）蒸壓釜內(nèi)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(chǎn)需要等等。
上實際80年代大力推廣的前蘇聯(lián)“熱介質(zhì)定向循環(huán)”課題，在一些混凝土電桿、混凝土管道、混凝土房屋建筑構(gòu)件等生產(chǎn)企業(yè)中取得了較好的應(yīng)用，但這項技術(shù)目前已經(jīng)很少見到應(yīng)用，如果能夠在現(xiàn)階段高新科技發(fā)展背景下，融合新技術(shù)的成果，相信在管樁生產(chǎn)節(jié)能領(lǐng)域再次發(fā)揮出良好的技術(shù)效益。
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2.3 管樁生產(chǎn)線的減排技術(shù)
目前，管樁生產(chǎn)中產(chǎn)生的主要環(huán)境問題有：
1）管樁離心成型作業(yè)中產(chǎn)生的大量的廢漿處理問題；
2）離心作業(yè)中離心機與鋼模之間摩擦碰撞產(chǎn)生的高分貝噪音；
3）砂石等原材料清洗過程中產(chǎn)生的泥質(zhì)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(chǎn)生的廢水處理問題；
5）養(yǎng)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(chǎn)生的廢氣排放；
7）水泥、硅砂粉、粉煤灰、礦渣微粉等在運輸、裝罐等過程中的溢流和散落等等問題。
近年來，廣東一些生產(chǎn)企業(yè)已經(jīng)開展了離心混凝土廢漿在管樁生產(chǎn)中循環(huán)利用工作，并取得了很好的技術(shù)經(jīng)濟效益。
管樁離心作業(yè)過程中產(chǎn)生高分貝噪音，不僅嚴重影響生產(chǎn)操作工人的身心健康，同時還影響了工廠周圍的人居環(huán)境。
交通部三航局（上海）混凝土預(yù)制構(gòu)件廠1987年從日本休謨公司引進整條生產(chǎn)線時的離心機噪音隔音罩機構(gòu)，蘇州混凝土水泥制品研究院已經(jīng)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(chǎn)效益的提高，同時增加投資成本，所以一直沒有能在國內(nèi)管樁生產(chǎn)企業(yè)中得到推廣應(yīng)用。
2.4 管樁用鋼棒二次蒸氣養(yǎng)護（常壓蒸養(yǎng)－高壓蒸養(yǎng)）的應(yīng)力損失的研究
生產(chǎn)企業(yè)經(jīng)常發(fā)生管樁經(jīng)過常壓蒸汽養(yǎng)護后預(yù)應(yīng)力鋼棒鐓頭的脫帽事故和管樁脫模后樁身產(chǎn)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(shù)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(chǎn)生橫向裂縫的管樁的樁身混凝土打爛，抽取其預(yù)應(yīng)力鋼棒，再檢驗其力學(xué)性能指標。
通常就會發(fā)現(xiàn)：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1420MPa）。
有文獻資料表明，鋼材（特別是熱處理鋼材）在應(yīng)力狀態(tài)下，受到環(huán)境中的污蝕物作用時容易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，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(yǎng)護中在PH>12的高堿環(huán)境中鋼棒的應(yīng)力松弛所造成的應(yīng)力損失與GB50010－2002規(guī)范規(guī)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(yǎng)護（常壓蒸養(yǎng)－高壓蒸養(yǎng)）的應(yīng)力損失的研究，對管樁生產(chǎn)原材料技術(shù)指標的控制要求、掌握管樁力學(xué)性能、生產(chǎn)合格管樁產(chǎn)品和建筑工程的質(zhì)量等具有十分重要的意義。
2.5 管樁在高堿高鹽環(huán)境中的耐久性研究
近年來，管樁應(yīng)用面不斷擴大，在高堿高鹽環(huán)境下的使用中的情況越來越普遍，高堿高鹽環(huán)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(gòu)與管樁生產(chǎn)企業(yè)聯(lián)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(nèi)的研究成果，為管樁在高堿高鹽環(huán)境下的工程管樁使用提供了一定的技術(shù)指導(dǎo)，具有一定的積極意義。
但是，管樁是由混凝土與預(yù)應(yīng)力鋼棒、端板、冷拔低碳鋼絲等組成的復(fù)合構(gòu)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(chǎn)品通常采用錘擊法或靜壓法施工，在經(jīng)數(shù)百次、數(shù)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(nèi)部將產(chǎn)生大量的細觀裂縫（有些還產(chǎn)生少量的可見裂縫），同時混凝土強度將下降30～40％。對經(jīng)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(huán)境的耐久性研究才具有實際意義。
另外，現(xiàn)在幾乎99％以上的管樁企業(yè)生產(chǎn)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(tǒng)的鋼板相比，其耐久性應(yīng)有較大的差異，但現(xiàn)階段尚沒有開展對端板耐久性的系統(tǒng)基礎(chǔ)研究，給管樁的應(yīng)用帶來許多潛在的危害，給基礎(chǔ)工程的質(zhì)量造成巨大的隱患。
2.6 多組分混凝土摻合料在管樁生產(chǎn)中的應(yīng)用開發(fā)
與普通混凝土生產(chǎn)中使用多組分摻合料技術(shù)一樣，管樁生產(chǎn)中多組分摻合料技術(shù)的應(yīng)用，不但可以減少優(yōu)質(zhì)高標號水泥的用量，同時可以改善管樁用混凝土的性能，利用工業(yè)固體廢棄物，降低管樁的生產(chǎn)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、硅灰等，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(yǎng)護、制品類型等相關(guān)，但由于硅粉價格昂貴，在管樁生產(chǎn)中幾乎沒有實際應(yīng)用；復(fù)合摻合料有：硅砂粉－礦渣微粉、粉煤灰－礦渣微粉、粉煤灰－硅砂粉等三類，可以等量替代優(yōu)質(zhì)高標號水泥40～60％，目前已經(jīng)在一些企業(yè)中取得良好的應(yīng)用，取得顯著的技術(shù)經(jīng)濟效益。
但是，多組分混凝土摻合料在管樁生產(chǎn)中的應(yīng)用開發(fā)，常常帶來混凝土技術(shù)的另外一個問題――單位立方混凝土中水泥用量小于標準的要求的300kg/m3?；炷林羞^少的水泥用量，就將難以保證混凝土的堿度，PH值小于標準規(guī)定的最小值，將對混凝土中鋼材的長期耐久性產(chǎn)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(chǔ)理論課題。
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2.7 人工砂替代河砂生產(chǎn)管樁應(yīng)用技術(shù)
隨著建筑工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，河砂等自然資源不斷減少，河砂的市場價格高居不下，管樁生產(chǎn)成本不斷上漲；采用人工砂替代優(yōu)質(zhì)河砂生產(chǎn)管樁將是技術(shù)發(fā)展的必然。日本等國家早就開展人工砂生產(chǎn)應(yīng)用技術(shù)，我國自1998年起對石屑（也稱石粉）代替優(yōu)質(zhì)河砂生產(chǎn)管樁就有研究，并在工程中得到很好的應(yīng)用。
人工砂應(yīng)用技術(shù)目前主要表現(xiàn)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?jié)B性等研究迫切需要行業(yè)技術(shù)專家進行系統(tǒng)研究。
2.8 低品位磨細硅砂粉在管樁生產(chǎn)中的應(yīng)用開發(fā)
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(yōu)質(zhì)砂源將成為稀缺資源，而采用高SiO2含量的石英礦磨細生產(chǎn)硅砂粉的生產(chǎn)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(chǎn)的摻合料將是發(fā)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(chǎn)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(zhì)量控制要求。
2.9 異型（竹節(jié)）管樁單樁承載力特性的研究
日本異型（竹節(jié)）管樁的生產(chǎn)及工程使用已經(jīng)占預(yù)制混凝土樁基總量的30％以上，工程試用表明，異型（竹節(jié)）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(shù)經(jīng)濟效益。
我國對竹節(jié)樁研究也有多年，浙江天海管樁有限公司還在竹節(jié)樁基礎(chǔ)上開發(fā)了無端板竹節(jié)管樁，同時在一些基礎(chǔ)工程中開展應(yīng)用，取得了較好的技術(shù)經(jīng)濟效益，該成果得到了浙江省建設(shè)廳的專家鑒定，但對竹節(jié)樁使用的工程地質(zhì)條件適用性、承載力提高的力學(xué)模型、成樁質(zhì)量的檢驗等還存在許多有待深入研究的課題。
對異型（竹節(jié)）管樁單樁承載力特性等課題的研究，十分有必要。
2.10 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(jié)構(gòu)的破壞較大，使樁身結(jié)構(gòu)承載力得不到充分的發(fā)揮，同時還會影響樁身的長期耐久性。日本管樁施工技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)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(yōu)越的工程性能，也畢將成為我國管樁施工技術(shù)發(fā)展的一個方向。我國深圳、河南等地的一些技術(shù)人員開展了少量的研究，取得了初步的研究成果，但要在工程中大量的應(yīng)用，還需要開展在不同地質(zhì)、不同環(huán)境等條件下的系統(tǒng)研究，積累大量的工程實踐，并將此上升為國家的技術(shù)法規(guī)，因此，對它的研究也是十分必要。
2.11 管樁采用水沖法沉樁施工的技術(shù)條件及措施
我國福建、江西一些地區(qū)的地質(zhì)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(jīng)驗。但目前，表明這一方法的施工速度非常慢，效益低下，同時施工中出現(xiàn)的對管樁樁身質(zhì)量具有較大的損傷，不利于這項技術(shù)的推廣應(yīng)用。
針對特殊地質(zhì)條件下管樁施工技術(shù)，研究確定水沖法施工的技術(shù)條件及措施對保證工程質(zhì)量具有十分重要的意義。
3、結(jié)束語
回顧20多年的發(fā)展歷程，展望管樁發(fā)展的未來，在全國行業(yè)同仁的共同努力下，我們有勇氣相信，我國的管樁生產(chǎn)技術(shù)裝備一定能跟上先進國家的技術(shù)發(fā)展水平，同時，在某些領(lǐng)域擁有我們自己的研究成果。
原作者：蔣元海
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