我國(guó)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(guó)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(guó)首條管樁生產(chǎn)線引進(jìn)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(guó)的管樁生產(chǎn)及施工技術(shù)得到了很好的開發(fā)，我國(guó)的管樁行業(yè)也得益于國(guó)家大規(guī)?；A(chǔ)建設(shè)的需要，同時(shí)，一系列管樁的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、設(shè)計(jì)圖集、應(yīng)用技術(shù)規(guī)程等的實(shí)施為管樁產(chǎn)品的推廣應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)，形成了在全國(guó)普遍開花結(jié)果的良好局面。
近年來，我國(guó)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(qiáng)有力的支撐，許多傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝已經(jīng)被自動(dòng)化所取代，但是，我國(guó)管樁行業(yè)在仍然是一個(gè)勞動(dòng)密集型的制造產(chǎn)業(yè)，在勞動(dòng)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(jìn)步，運(yùn)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(guó)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(guó)早期從日本引進(jìn)的管樁生產(chǎn)流水線，和對(duì)日本流水線進(jìn)行消化吸收再創(chuàng)新研發(fā)的生產(chǎn)工藝裝備至今，我國(guó)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(jì)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(jī)運(yùn)作為主，單機(jī)與單機(jī)之間的聯(lián)系仍靠操作工人手工作業(yè)，沒有開展單機(jī)與單機(jī)之間的聯(lián)動(dòng)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(dòng)力成本在產(chǎn)品成本中所占比例不斷提高，同時(shí)這種勞動(dòng)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(shí)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(guó)水泥制品工業(yè)協(xié)會(huì)預(yù)制混凝土樁專業(yè)委員會(huì)首次組織專家考察日本時(shí)就了解到，日本等科技先進(jìn)的國(guó)家，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了管樁生產(chǎn)線的全自動(dòng)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(guó)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(guó)機(jī)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(jī)、離心機(jī)、預(yù)應(yīng)力張拉機(jī)、鋼筋定長(zhǎng)切斷機(jī)、鐓頭機(jī)、骨架焊接機(jī)、蒸汽養(yǎng)護(hù)溫控儀、起重行車、蒸壓釜等，其單機(jī)性能已經(jīng)達(dá)到或基本達(dá)到國(guó)外同類產(chǎn)品的性能指標(biāo)，但是有關(guān)企業(yè)均以單機(jī)組織生產(chǎn)，還沒有一家企業(yè)開展整條生產(chǎn)線自動(dòng)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(guó)管樁行業(yè)現(xiàn)行的生產(chǎn)線裝備已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于時(shí)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(guó)下一個(gè)階段工業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個(gè)工作重點(diǎn)。目前我國(guó)已經(jīng)具備研發(fā)管樁全自動(dòng)生產(chǎn)控制的技術(shù)和裝備開發(fā)的實(shí)力，同時(shí)，勞動(dòng)力成本的快速提高，也已經(jīng)造就了全自動(dòng)管樁生產(chǎn)線的市場(chǎng)，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(chǎng)。
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(jī)械設(shè)備正常運(yùn)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(hù)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(xiàng)高效節(jié)能技術(shù)，取得了非常顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)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(jī)、卷揚(yáng)機(jī)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(jì)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(hù)：常壓初級(jí)養(yǎng)護(hù)和高溫高壓蒸汽養(yǎng)護(hù)。初級(jí)養(yǎng)護(hù)可以使混凝土強(qiáng)度得到迅速增長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)快速脫模，提高模具的周轉(zhuǎn)；高溫高壓蒸汽養(yǎng)護(hù)使管樁能在短時(shí)間內(nèi)出廠供樁，同時(shí)充分保證混凝土強(qiáng)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(jià)格的大幅提升，大大提高了管樁的生產(chǎn)成本。
同時(shí)，管樁在二次蒸汽養(yǎng)護(hù)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(gè)問題。一些企業(yè)在管樁生產(chǎn)線設(shè)計(jì)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(hù)池壁和養(yǎng)護(hù)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(hù)池的池底沒有進(jìn)行基礎(chǔ)加固，造成養(yǎng)護(hù)池基礎(chǔ)沉降、開裂和蒸汽泄漏；
養(yǎng)護(hù)池壁過于單薄，池壁在管樁吊運(yùn)過程中磕碰、破損、開裂，造成蒸汽泄漏；養(yǎng)護(hù)池蓋的鋼板破損，水蒸汽進(jìn)入保溫材料，保溫材料吸水后失去保溫功能；養(yǎng)護(hù)池蓋變形后與養(yǎng)護(hù)池的密封沒有達(dá)到設(shè)計(jì)要求，造成大量蒸汽無為泄漏；養(yǎng)護(hù)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(shí)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(hù)過程中，同樣也存在值得可以改進(jìn)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(hù)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(shí)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(xiàng)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(jī)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(jī)、喂料機(jī)、擺渡車等日常清洗產(chǎn)生的廢水處理問題；
5）養(yǎng)護(hù)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(shí)產(chǎn)生的廢氣排放；
7）水泥、硅砂粉、粉煤灰、礦渣微粉等在運(yùn)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(jì)效益。
管樁離心作業(yè)過程中產(chǎn)生高分貝噪音，不僅嚴(yán)重影響生產(chǎn)操作工人的身心健康，同時(shí)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(jìn)整條生產(chǎn)線時(shí)的離心機(jī)噪音隔音罩機(jī)構(gòu)，蘇州混凝土水泥制品研究院已經(jīng)進(jìn)行了消化吸收，但由于該裝備安裝后會(huì)一定程度上影響生產(chǎn)效益的提高，同時(shí)增加投資成本，所以一直沒有能在國(guó)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(hù)（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(hù)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(yàn)鋼棒原材料的延伸率和鋼棒的強(qiáng)度等技術(shù)指標(biāo)時(shí)，一般均能滿足鋼棒的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)其力學(xué)性能指標(biāo)。
通常就會(huì)發(fā)現(xiàn)：鋼棒的延伸率往往小于5％（很多時(shí)候只有3～4％），強(qiáng)度大于1500MPa（大于鋼棒的標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)1420MPa）。
有文獻(xiàn)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(shí)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(yàn)表明，鋼棒在二次蒸氣養(yǎng)護(hù)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(jì)算方法相差較小。
對(duì)PHC管樁二次蒸氣養(yǎng)護(hù)（常壓蒸養(yǎng)－高壓蒸養(yǎng)）的應(yīng)力損失的研究，對(duì)管樁生產(chǎn)原材料技術(shù)指標(biāo)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(kuò)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(jī)構(gòu)與管樁生產(chǎn)企業(yè)聯(lián)合開展了對(duì)管樁用混凝土的耐久性研究，取得了一些實(shí)驗(yàn)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(gè)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(xì)觀裂縫（有些還產(chǎn)生少量的可見裂縫），同時(shí)混凝土強(qiáng)度將下降30～40％。對(duì)經(jīng)施工后的管樁進(jìn)行耐久性研究，才具有可比性，對(duì)管樁的工程使用環(huán)境的耐久性研究才具有實(shí)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(duì)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(biāo)號(hào)水泥的用量，同時(shí)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(hù)、制品類型等相關(guān)，但由于硅粉價(jià)格昂貴，在管樁生產(chǎn)中幾乎沒有實(shí)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(biāo)號(hào)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(jì)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(gè)問題――單位立方混凝土中水泥用量小于標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最小值，將對(duì)混凝土中鋼材的長(zhǎng)期耐久性產(chǎn)生嚴(yán)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(gè)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(chǎng)價(jià)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(guó)家早就開展人工砂生產(chǎn)應(yīng)用技術(shù)，我國(guó)自1998年起對(duì)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(qiáng)度指標(biāo)，但對(duì)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(jìn)行系統(tǒng)研究。
2.8 低品位磨細(xì)硅砂粉在管樁生產(chǎn)中的應(yīng)用開發(fā)
隨著我國(guó)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(xì)生產(chǎn)硅砂粉的生產(chǎn)成本將大大提高，同時(shí)SiO2含量小于90％的低品位石英砂或石英尾礦磨細(xì)后作為PHC管樁生產(chǎn)的摻合料將是發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。
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(qiáng)度等級(jí)的PHC管樁，同時(shí)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(jià)，提高技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。
我國(guó)對(duì)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(shí)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(jì)效益，該成果得到了浙江省建設(shè)廳的專家鑒定，但對(duì)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(yàn)等還存在許多有待深入研究的課題。
對(duì)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(guó)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(duì)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(shí)還會(huì)影響樁身的長(zhǎng)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(guó)管樁施工技術(shù)發(fā)展的一個(gè)方向。我國(guó)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(shí)踐，并將此上升為國(guó)家的技術(shù)法規(guī)，因此，對(duì)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(guó)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(shí)難以穿透硬夾層，實(shí)踐表明，采用水沖法施工是一項(xiàng)較好的施工辦法，也取得了一些工程經(jīng)驗(yàn)。但目前，表明這一方法的施工速度非常慢，效益低下，同時(shí)施工中出現(xiàn)的對(duì)管樁樁身質(zhì)量具有較大的損傷，不利于這項(xiàng)技術(shù)的推廣應(yīng)用。
針對(duì)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(duì)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(guó)行業(yè)同仁的共同努力下，我們有勇氣相信，我國(guó)的管樁生產(chǎn)技術(shù)裝備一定能跟上先進(jìn)國(guó)家的技術(shù)發(fā)展水平，同時(shí)，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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