如何提高离心制管机预制圆管涵的质量

近些年来，随着我国高速公路的飞速发展，钢筋混凝土圆管涵以其经济适用、施工简单、便捷等优点，越来越多地在高速公路中得到广泛应用，但对以往高速公路的圆管涵调查发现，其质量却不尽人意，几乎所有圆管涵均存在着不同程度的开裂现象。通过认真的分析研究，在很大程度上与圆管涵本身的品质有着很大的关系，因此，笔者以离心水泥制管机成型的钢筋砼圆管涵为例，结合临长高速公路的成功经验从管涵设计、离心法砼配合比设计、离心法成型工艺以及蒸汽湿热养护方面进行探讨如何提高钢筋混凝土圆管涵的品质。

1. 钢筋配制方面

通过对以往高速公路圆管涵开裂原因的研究发现，影响圆管涵品质的主要原因是圆管涵砼强度及环向钢筋的布设、配筋率存在一定的缺陷。

1.1 管涵混凝土设计强度等级偏低，且不论填土高度多少、管涵直径大小，一律用采C20。

1.2 内外环向钢筋采用相同的配筋率，且配筋率偏小。

正因为这2方面的缺陷，致使管涵达不到二级要求，有的甚至连一级管都达不到。圆管涵的受力状态较为复杂，一般情况是内侧受拉、外侧受压，对于双层布筋的圆管，除留有足够的保护层外，尽可能地将钢筋布置在内外侧边缘，根据管涵的受力特征，一般应使Agn>Agw（Agn、Agw分别为内、外侧钢筋截面面积）。

以1250Ⅱ级管为例采用I级钢筋的计算钢筋面积与原设计图纸配筋面积对照表见表1。很显然Agn=Agw就不合理。

规格	计算的钢筋截面面积 （最小应不小于如下数值）		原设计图纸配筋面积 （内外均为16圈）
	Agn	Agw	Agn	Agw
1250	850	490	628	6.28

为此，临长高速公路根据其受力特征，对螺旋形主钢筋采取不对称配置，即在原设计的基础上，保持外环筋环数不变，增加内环筋的环数，由于增大了内环筋环数，配筋面积、配筋率都较原来的增大，提高了内侧的抗拉强度，推迟内壁裂缝的发生。见表2、表3。

类别	名称	钢筋规格/mm	骨架直径/cm	环数/n	螺距/cm	长度/m	重量/kg	配筋面积/cm2	配筋率/%
原设计	内环筋	10	130	16	12.90	65.68	40.52	12.56	0.5233
	外环筋	10	144	16	12.90	72.71	44.86	12.56	0.5233
变更后	内环筋	10	130	20	11.43	82.01	50.6	15.71	0.654
	外环筋	10	144	16	12.9	72.71	44.86	12.56	0.5233

注：管径为125cm。

编号	粗集料	原设计		变更后设计
		荷载	内侧裂缝	荷载	内侧裂缝
1#	碎石	60	0.08	60	0
		70	0.15	70	0.05
		80	0.21	81	0.08
2#	碎石	60	0.05	60	0.01
		70	0.15	70	0.05
		80	0.25	81	0.15
3#	碎石	60	0.11	60	0.02
		70	0.20	70	0.08
		80	0.30	81	0.16

通过涵管外压试验可以看出，对内外环钢筋骨架采取不对称配置，即增加内环筋环数，是提高管涵品质的有效途径之一。

钢筋的屈服强度对管涵的承载能力也有影响，当采用Ⅰ级钢筋作为螺旋形主钢筋时，须经过冷拉时效处理，以提高其屈服强度或采用小径级的高强冷拔丝，增加内外环筋的环数，提高钢筋的强度。

2. 水泥砼设计

涵管砼配合比设计因管涵制作、施工工艺不同而有所区别，对于立式振动成型的管涵，主要考虑砼的和易性及强度，而离心法成型管涵则需考虑砼强度、砼离析，下面具体叙述如何通过控制其设计配合比及原材料来提高管涵的品质。

2.1 粗集料对砼强度起到非常重要的作用，由于管涵一般为薄壁结构，对于粗集料的规格在技术标准上明确规定：离心式砼集料的最大粒径不应超过壁厚的1/3～1/4，并不得大于15～20mm。同时对碎石与砾石作了对比试验，用碎石拌制的砼，其抗压抗折强度较用砾石拌的砼高，因此在选取粗集料时，优先考虑使用碎石。

2.2 水泥及水泥用量。水泥强度等级不低于42.5MPa，采用高强度水泥可以减少水泥用量，宜优先采用42.5或52.5水泥。

离心式混凝土的水泥用量计算与普通砼的计算基本相同，但考虑到离心法成型过程中有一部分水泥（约5%左右）随砼中富余水的排出而流失，故在配合比中，水泥用量在一般砼水泥用量的基础上适当增加5%左右。

2.3 适当降低砂率。由于砼在高速离心的作用下易发生离析，成型后的管涵可以看到其内壁约有2～3cm的水泥砂浆层，由于没有粗骨料，其强度较低，因此，在配合比设计时，其砂率应比普通砼低些，建议砂率在28%～30%。

2.4 严格控制水灰比。离心式混凝土的水灰比分为拌和投料时的水灰比和离心成型后的水灰比。拌和时的水灰比以砼的和易性来控制，即通过坍落度来控制。因考虑坍落度大，砼在较大离心力的作用下易离析，因此在设计砼配合比时，将坍落度控制在1.5cm以内，根本不必担心砼因坍落度小而不密实。投料后，砼在离心力的作用下挤密成型，部分富余的水被排出，其排出的水量约为单位用水量的20%～30%，成型后管涵砼的实际水灰比显著降低，而且砼也非常的密实，从而使砼的强度大大提高，因此离心法成型的管涵一般情况下只要试配强度合格，不必担心砼强度达不到要求，甚至比设计强度高很多，达到了40～50MPa，根据临长路推荐的配合比为：C：S：G：W=400：540：1 300：164。

3. 管涵制作工艺

制作工艺是保证管涵质量的关键工序，一般分为4个阶段：①浇灌投料阶段，这一阶段主要是将拌和好的混凝土采用机械或人工的方法投入到慢速旋转的钢模内；②均匀布料阶段，混凝土借助于离心力作用，均匀分布在钢模内，并开始慢慢密实成型，防止砼离析；③中速阶段，即由慢速向快速过渡的中间阶段，防止钢模由于加速过快从托轮上脱离，引起安全事故；④密实成型阶段，混凝土在较大的离心力作用下，进一步密实，直到达到理想的密实状态和预期的强度。

由此可见，管涵成型的质量好坏，决定于钢模的转速，当转速过低时，砼内部空隙难被水泥浆充填密实，易形成麻面，砼强度难以达到要求，且管涵渗漏而引起内部钢筋锈蚀。当转速过高时，砼在较大的离心力作用下，易发生离析现象，混凝土粗骨料富集于管涵外壁，水泥砂浆富集于管涵内壁，引起内壁的砼因无粗骨料，而使强度偏低，因此应根据砼的和易性及钢筋的间距控制托轮每个阶段的转速、离心的时间，尽可能地既要保证管涵砼密实，又要尽可能地减少砼的离析分层。推荐的离心成型参数见表4。

管径/mm	投料次数	投料		慢速		中速		快速
		转速	时间	转速	时间	转速	时间	转速	时间
350～600	1	80～120	2～4	120～170	1～2	150～250	2～5	350～400	9～15
700～900	1	80～110	3～6	120～170	2～4	200～280	3～5	350～400	16～24
1000以上	1～2	80～110	5～7	120～170	4～5	200～280	4～5	350～400	25～35

注：表中转速指离心机托轮的转速，托轮的直径为600mm。

4. 养护

养护也是非常重要的一个环节，为了提高生产效率，加快钢模周转，目前常采用蒸汽湿热养护的方法。蒸汽湿热养护方法共分为4个阶段，即预养、升温、恒温、降温，各阶段的温度、时间、升温速度、降温速度控制见表5。

管涵规格/mm	静置时间	升温		恒温		降温
		时间/h	温度/℃	时间/h	温度/℃	时间/h	温度/℃
400～500	1.5～5	2	50	3	85	0.5	45
600～900	1.5～5	2	50	3.5	85	0.5	45
1000～1350	1.5～5	2	50	4	85	0.5	45

4.1 预养：静停，使砼获得初始强度，这种初始强度有利于抵抗升温过程中砼结构中裂缝的产生和发展，预养的时间取决于砼的品种及当时室外气温的高低。一般水泥的等级越高，而且砼的干硬度越高，则制品的预养时间就越短；室外气温高，制品预养时间短，砼的预养时间波动较大，一般为1～3h。

4.2 升温：当制品的砼达到一定的初始强度后，即放入养生池进行湿热养护，由于处于硬化中的砼，温度在 50℃～60℃时，其热膨胀显著增大，因此升温时应采用阶段式升温，即在较低温度（35℃～40℃或45℃～50℃）时便安排一段等温养护时间，待制品获得一定的结构强度后，再加快升温，这可使砼强度发展较好，最大变形和残余变形也都较小，为防止温度应力造成的裂缝，应尽量使升温缓慢而均匀。

4.3 恒温：恒温温度视水泥品种而异，并与砼的配合比及成型工艺等因素密切相关，普通硅酸盐水泥的温度为 80℃±5℃，矿渣或火山灰水泥的恒温温度为95℃±5℃，这一阶段对于普通硅酸盐水泥制品主要控制恒温时间和恒温温度，砼恒温养护时的温度越高，砼强度发展越快，但由于砼膨胀变形，而使后期强度损失越多，砼恒温养护时间越长，砼强度增长越高，但对每一恒温温度存在着一个临界恒温时间，越过临界时间，强度不再增长，甚至还要产生强度回降；对矿渣水泥砼制品不存在临界限性的问题，所以可提高养护温度并缩短养护时间。普通水泥砼往往要求其恒温温度不超过75℃～85℃，对于其水灰比较大的塑性砼或脱模养护的砼，则尤其严加限制恒温温度不得过高，普通水泥砼的升温及恒温时间是互相影响的，在不改变总养护时间的前提下，适当减少恒温时间，并相应延长升温时间较为有利。

4.4 降温：降温阶段要十分注意温度应力引起的裂缝和温度梯度引起的水分大量蒸发，以免造成方向性通路，引起砼的干缩。

砼制品经过湿蒸养生脱模后，还应继续浇水养生5～6d以此来补强。表6为自然养护制品的浇水次数。

表6 自然养护制品的浇水次数