PCCP管芯自密实混凝土成型工艺研究

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  • 更新时间2015-09-14
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刘 川 李世龙

(新疆国统管道股份有限公司)

摘 要:简介了自密实混凝土应用的历史,介绍了自密实混凝土在PCCP上应用的技术背景,总结了将自密实混凝土应用在PCCP上的技术难度,提出了自密实混凝土在PCCP上应用的技术方案和解决办法,总结自密实混凝土在PCCP上应用的优势。

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关键词 :PCCP;自密实混凝土(SCC);聚羧酸高效减水剂;扩展度;水胶比;能耗

收稿日期:2015-6-10

1技术背景

预应力钢筒混凝土管(简称PCCP)在混凝土结构中属于薄壁高强结构,采用现有工艺进行管芯混凝土立式浇注成型时,必须通过附着式高频振动器进行混凝土振动作业,才能保证管芯混凝土达到密实效果。现有工艺存在能耗较高、噪声扰民和由于强烈的噪音污染损害操作人员身心健康等问题。同时现阶段国内大多数PCCP管道工程都存在任务量大、工期紧张等情况,PCCP生产随时可能出现夜间施工的状况,如何解决现有工艺在PCCP混凝土管芯成型工序中出现的振动噪音扰民问题已经成为相关企业面临的当务之急。

自密实混凝土(Self Compacting Concrete即scc)是一种近年来才出现的高端混凝土,形态上属于高流态混凝土(High Flowing Concrete.具有高流动性能的混凝土)的重要分支。根据其特性,自密实混凝土可以定义为:混凝土在浇注过程中不经外力振捣,仅靠重力即可通过钢筋间隙,密实填充模板的每一个角落,形成均匀密实的结构,且在浇注过程中不泌水、骨料不离析。在传统的坍落度试验中,免振自密实混凝土在坍落度达到260mm以上、扩展度600mm以上时,仍无离析、泌水现象发生。

自密实混凝土与普通混凝土相比,施工时至少具有下述优势:(1)免去振捣工序,靠本身的自重成型密实,减少施工噪音,改善工人的工作环境和周围居民的居住环境;(2)解决了结构或构件中不易或无法进行振捣作业的部位(如钢筋过多过密、断面过深或过于复杂的部位)的混凝土成型密实的问题;(3)提高浇注速度、缩短施工工期;(4)节约人工;(5)提高混凝土的耐久性等。

高流态自密实混凝土在施工中表现出优良的工作性能,混凝土在浇注过程中无需振捣而完全依靠重力作用自由流淌并充分填充模板内的空间,混凝土硬化后,由于其具有密实填充的特点,较普通混凝土拥有更好的力学性能和耐久性能。

自密实混凝土技术从面世起即在日本及世界上其他国家和地区得到了较快的应用。据统计,仅从自密实混凝土在实验室配制成功后5年,即至1994年底,日本已有28家建筑公司掌握了自密实混凝土的技术,并用于实际工程中。与此同时,自密实混凝土在欧洲与北美也得到较广泛的应用,仅2005年,北欧的瑞典、挪威与荷兰的自密实混凝土用量就已分别达到该国混凝土总量的10%—15%。在美国,为了保证混凝土的浇注质量以确保钢筋混凝土的整体性,在钢筋密集和几何形状复杂的钢筋混凝土构件中也使用了一定量的以自流平为主要特征的自密实混凝土,但由于受工艺限制,仍强调需要适当的捣实以确保混凝土足够密实。

目前,国内外免振自密实混凝土主要集中用于大体积构筑物、钢筋密集、无法振捣的施工部位混凝土(预制)构件的生产。世界上绝大多数有关免振自密实混凝土的应用实例都是用于现浇结构,利用免振自密实混凝土制作预制构件、水泥混凝土制品的还不多。国内除少量预制构件、水泥混凝土制品厂因任务需要,使用自密实混凝土成型少量产品外,还没有采用自密实混凝土批量生产预制构件或水泥混凝土的报道。

鉴于自密实混凝土上述优良的材料性能,如将该技术应用于PCCP管芯成型工艺中,除能解决混凝土振动的噪音污染外,还可以达到节能降耗之目的,必将为企业带来良好的经济和社会效益;采用离心工艺的PCCPL型管道也可以采用立式浇注的方法进行管芯成型,同样可以降低管道的生产成本。由于本技术在行业中未有实施的先例,如能研发成功,必将在行业中引起_场技术革新,对行业技术水平的提升将起到积极的促进作用。

2技术难度

2.1将免振自密实混凝土与PCCP相结合存在较大的技术难度

(1)采用自密实混凝土取消了振动过程,采用现有工艺浇注管芯混凝土时,极可能导致混凝土在成型过程中由混凝土搅拌带入的空气排出不畅,容易导致混凝土表面产生较多气泡,影响最终产品的质量和应用效果。

(2) PCCP采用立式浇注的方法进行混凝土管芯成型,由于浇注高度高(浇注高度为单节管子长度5m或6m),同时混凝土均匀下料时浇注宽度宽(浇注宽度为管周长),再加上管芯壁厚较小(浇注口较小),极易使混凝土拌和物浇注流动不通畅,极可能再次导致空气混入混凝土拌和物中,在没有振动器的情况下.混凝土中空气排气不畅,使混凝土管芯表面产生较多气泡,影响最终产品的质量和应用效果。

(3)免振自密实混凝土对高流动性与高稳定性的要求,决定了其流变性能必须控制在较窄范围,按照日本建筑学会规范《高流动性混凝土材料、配比、制造、施工指针》及《自密实混凝土应用技术规程》(CECS203: 2006)要求,浇注高度最大自由落下高度宜控制在5m以下,采用现有工艺浇注管芯混凝土时,由于混凝土采用高抛工艺浇注,容易使浇注的混凝土产生离散和离析等质量缺陷,因此对试验、生产中各种波动因素的控制要求更加严格。

所以,将自密实混凝土与PCCP两种技术有机结合,不是简单的技术转换,也不是两种技术的简单组合,而需要在机理、工艺及产品等多方面进行深入研究,并需要通过大量的生产性试验和实践应用才有可能取得实质性突破。

2.2该技术长期以来在混凝土管芯成型工艺上

一直未得到有效的突破

免振自密实混凝土在日本已经发展了将近20年,在美国、加拿大和瑞典、荷兰、法国、德国等欧洲国家也有十几年的发展历史。在自密实混凝土的研究发展过程中出现了多个流派,其中最主要的是日本Power-Type法和欧洲Combined-Type法两大流派,分别代表了两种不同的配合比设计理念。由于各法所用免振自密实性能的检测体系不同,以及理论研究不足,尚不能明确区分哪种方法最优,还需日后检验。

在我国,免振自密实混凝土的研究尚处于起步阶段,其研发主要人员来自两个方面:高等院校和聚羧酸系减水剂与商品混凝土的生产厂商,前者以配合比理论与设计的研究为主,后者以聚羧酸系减水剂为载体进行免振自密实混凝土应用开发的研究。从论文检索看,国内发表的研究论文均以应用研究为主,配合比理论与设计的研究论文不多,且多处于起步阶段。

目前,国内外绝大多数有关免振自密实混凝土的应用实例都是用于大体积、大面积现浇结构,利用免振自密实混凝土制作预制构件、水泥混凝土制品的比例较小,应用在管道特别是在PCCP管芯上的应用到目前为止还鲜有报道。

因此,从国内外情况分析来看,将免振自密实混凝土技术与PCCP生产相结合的技术问题属于长期不能解决的技术难题。

3技术解决方案

3.1总体思路

(1)根据PCCP管芯的结构和性能要求,确定自密实混凝土的设计目标和性能参数。

(2)依据设定的目标和性能参数,并依据自密实混凝土配合比的设计原则及相关标准、规范,对原材料进行选择并确定相应的技术指标,包括:水泥、掺和料、细骨料、粗骨料、外加剂等。

(3)配合比设计:通过理论分析,进行初期配合比设计;通过试配试验,确定基准配合比;通过优选试验,确定正式用于管芯的试生产的免振自密实混凝土的配合比。混凝土配合比应科学、经济、合理,既符合设计要求,又能保证工艺技术要求。

(4)确定混凝土浇注成型工艺:由于受到浇注高度(超过Sm)及浇注面(常用的公称直径小于3000mm的PCCP混凝土管芯浇注面一般在200mm宽度左右)的限制,自密实混凝土浇注采用常规方式浇注时,容易混入大量空气,造成管芯混凝土气泡难以完全消除而影响混凝土强度及外观质量,因此需要采取合理的浇注方式保证管芯混凝土的成型质量。

(5)模拟试验及管芯浇注试验:免振自密实混凝土用于PCCP管芯的试生产,根据试生产中出现的问题,对自密实混凝土的配合比进一步优化,通过不断试验研究确定管芯用免振自密实混凝土的生产工艺,并根据工艺要求对相关生产设备进行研制、优化。

(6)中试生产:通过中试对上述配合比、生产工艺及生产设备进行优化、熟化,并努力在现有基础上降低生产成本,形成可用于产业化生产的技术规程。

(7)技术工艺的产业化应用研究。

3.2管芯用免振自密实混凝土配合比的设计

3.2.1理论研究和关键问题分析

首先,根据项目原理,免振自密混凝土配制的关键就是通过外加剂、胶凝材料、粗细骨料的选择和精心的配合比设计使混凝土拌合物的屈服剪应力尽可能小,同时又具有—定的塑性粘度,令骨料悬浮于水泥浆体中。

其次,理论分析说明:采用高效减水剂可对水泥颗粒产生强烈的分散作用,高效减水剂在水泥颗粒界面的吸附和形’成的双电层,使水泥颗粒间产生静电斥应力,拆散其絮凝结构,释放它们约束的水,水泥颗粒间相互滑动能力增大,使混凝土开始流动的屈服剪切应力τ0降低,获得高流动性能,同时能有效控制混凝土的用水量,保证力学与耐久性的要求。

另—方面,自密实混凝土应具有较好的抗离析性。试验表明,离析的混凝土在通过间隙时,粗骨料会产生聚集而阻塞间隙。混凝土离析的主要原因是τ0和η过小,混凝土抵抗粗骨料与水泥砂浆相对移动的能力弱。由此可知,屈服剪切应力τ0和塑性粘度η既是混凝土开始流动的前提,又是不离析的条件。

此外,混凝土拌合物的浆固比和砂率值,对工作性有很大影响,浆固比越大流动性越好,但过大对硬化后的体积稳定性不利;砂率适宜,粗骨料周围包裹足够的砂浆,不易在间隙处聚集而影响填充和密实效果,提高了拌合物通过间隙的能力。

3.2.2原材料

水泥:P.0 42.5R,满足GB 175标准要求;

粉煤灰:Ⅱ级,满足GB/T 1596标准要求;

细骨料:MX=2.7~3.0中砂,满足GB/T 14684标准要求;

粗骨料:Smm—16mm碎石,满足GB/T 14685标准要求;

减水剂:聚羧酸系高效减水剂,满足GB 8076标准要求。

3.2.3计算确定混凝土初期配合比

在以上理论分析及试验结果的基础上,本项目确定了PCCP管芯用自密实混凝土配合比的设计方案。在确定目标性能、设计原则和选定基本原材料之后,首先通过计算分析确定了PCCP管芯用自密实混凝土的初期配合比(见表1)。

3.2.4确定基准配合比

依据初期配合比进行试配,新拌混凝土出现离析和泌水(如图1所示),混凝土粘性很大,坍落扩展度偏大(725mm)。通过分析,原因是外加剂掺量过大造成的。将水胶比调整为0.338,外加剂掺量调整为1.2%,再进行试配,经调整后的新拌混凝土和易性良好,坍落扩展度为660mm,没有离析和泌水(如图2所示),气泡含量较少,混凝土粘性不大,易于施工。混凝土工作性达到预期要求,确定为基准配合比。

3.2.5配合比的确定

以基准配合比为基础,按水胶比0.338±0.05进行试配,当水胶比为0.338-0.05时,混凝土流动度不好,扩展度没达到650mm±50mm的要求,只有500mm左右,不能满足目标要求,因此排除该配合比。根据经验,在水胶比0.338+0.05与水胶比0.388之间优化选取点0.354,用这三个配合比进行试验,试验的具体情况见表2。

根据以上数据作水胶比-二强度曲线和水胶比—坍落扩展度曲线,通过分析找出符合要求的所对应目标强度和目标坍落扩展度的最佳水胶比,确定合理的水胶比w/c为0.346。

为了找到最佳的外加剂掺量,又在上述配比的基础上进行了不同外加剂掺量的试验,最终确定在坍落扩展度为680mm的最佳外加剂掺量为1.15%,根据经验取1.2%,比厂家的推荐掺量低0.1%。

通过以上试验找到了满足要求的水胶比和外加剂掺量,调整后再进行两次试配,新拌混凝土的流动性很好,坍落扩展度分别为680mm和690mm,3d强度分别为38.lMPa和37.8MPa。坍落扩展度和3d强度都达到了要求,把该配合比确定为正式的配合比,用于管芯的试生产;配合比见表3。

表3中配合比的容重为2440kg/m3,而实际的容重为2500kg/m3,相差超过20/0,需进行调整,调整后的配合比见表4。

在实际生产的过程中,将根据实际情况进行适当的微调,以满足施工要求。

3.3管芯混凝土成型工艺研究

常规混凝土构件采用自密实混凝土浇注的主要技术难点是由于构件钢筋过密或受构件形状限制,使混凝土不易浇注或振动密实,只要自密实混凝土的配合比得到合理解决,采用常规的混凝土浇注方式即可顺利成型。而PCCP一般采用立式浇注方式,如采用同样的方法进行管芯混凝土浇注,由于混凝土浇注高度高(不小于5m)、混凝土下料时浇注宽度宽(浇注宽度为管周长),再加上管芯壁厚较小(浇注口较小),极易使混凝土拌合物浇注流动不通畅,使混凝土拌合物在下料过程中与空气的接触面加大,混凝土拌合物中混入空气的几率大大提高,在没有振动器的情况下,混凝土中空气排气不畅,使混凝土管芯表面产生较多气泡,影响最终产品的质量和应用效果。同时由于免振自密实混凝土对高流动性与高稳定性的要求,决定了其流变性能必须控制在较窄范围,按照日本建筑学会规范《高流动性混凝土材料、配比、制造、施工指针》及《自密实混凝土应用技术规程》(CECS 203: 2006)要求,浇注高度最大自由落下高度宜控制在Sm以下,采用现有工艺浇注管芯混凝土时,由于混凝土采用高抛工艺浇注,容易使浇注中的混凝土拌合物产生离散和离析等质量缺陷,因此对试验、生产中各种波动因素的控制要求更加严格。为解决此问题,应通过不同的工艺方案比较和试验,采用混凝土集中下料方式解决管芯混凝土浇注气泡消除的难题。

3.4免振自密实混凝土管芯浇注成型模拟试验

为了验证能满足PCCP的生产、且达到PCCP管芯的外观质量要求的混凝土配合比,先利用试验混凝土配合比按照常规的混凝土浇注成型工艺方法进行了模拟试验,制作了3根高1200mm、壁厚50mm、内径为lOOOmm的PCCP短管。短管脱模后,其内外壁上有较多的气孔(如图3所示),个别气孔直径达到了1Omm,不能满足PCCP管芯的外观质量要求。

经过研究,对外加剂的组分进行了适当调整,采用改进的混凝土集中下料方式重新制作了3根高1200mm、壁厚50mm、内径为1OOOmm的PCCP短管。短管脱模后,其内外壁基本上没有气孔(如图4所示)。

通过模拟试验,免振自密实混凝土能自行充满模具,并满足PCCP管芯的外观质量要求。

3.5免振自密实混凝土PCCP标准管管芯浇注成型试验

按照模拟试验的试验方法及混凝土施工配合比,在PCCP标准管模具上进行PCCP标准管管芯混凝土浇注成型试验。通过标准管管芯混凝土浇注试验,混凝土能实现自密实之浇注目的,在相同的蒸汽养护条件下,混凝土脱模强度满足国标质量要求、管芯外观质量满足国标关于PCCP管芯的外观质量要求(如图5所示)。

自密实混凝土浇注管芯制造的PCCP成品管,按照《预应力钢筒混凝土管》(GBIT 19685-2005)标准进行力学性能试验,满足标准要求。

4本项目的主要研究成果

4.1项目主要技术指标

(1)满足PCCP管芯混凝土高抛浇注时的混凝土粘聚性要求,同时满足《自密实混凝土应用技术规程》(CECS203: 2006)二级自密实混凝土扩展度不小于600mm的要求,混凝土强度等级不低于40MPa;

(2)取消混凝土振动器,节约单位混凝土振动能耗45kw: h/m3;同时实现振动噪音零污染;

(3)成品管芯混凝土脱模强度、缠丝强度及混凝土28d强度及耐久性能满足《预应力钢筒混凝土管》(GBIT19685-2005)标准要求;

(4)成品管芯外观质量满足《预应力钢筒混凝土管》(GB/T 19685-2005)标准要求。

4.2社会经济效益

本项目技术成果除了在经济上可实现良好的效益之外,还具有积极的社会与环境意义。

(1)通过对传统工艺和本工艺在综合能耗、模具维修费用、人工成本等直接费用的比较,可以得出:采用本工艺时,折算成每立方米混凝土可降低直接生产成本61元。按一个年产30km DN2600PCCP管道(每月生产3km,每年按10个月计算)的中型PCCP管道生产企业按产量折算成混凝土方量约50000m3混凝土/年计算,可直接节约300万元的直接生产成本。

(2)由于取消了振动器,在PCCP管芯成型过程中,杜绝了噪音污染,改善了工厂周边居民的生活环境,降低了周边居民噪音索赔的风险(此优势对于本行业的社会效益尤为明显);同时大大改善员工的工作环境,减少因噪音引起的职业病风险;

(3)由于对钢模的质量要求降低,并避免使用高维修频率的振动器,延长了模板使用寿命,有效降低了工程总体造价。

(4)增加了结构设计的自由度,可用于浇注成型形状复杂、薄壁和配筋密集的结构;有效解决传统混凝土施工中漏振、过振,避免了振捣对模板冲击移位的问题;大量利用工业废料做掺和料,降低混凝土水化热,提高混凝土耐久|陛。

(5)节省了劳动力和电力,提高了施工效率,操作人员劳动强度减低,振动工序可减少一名操作人员,节约了人力成本。

结语

免振自密实混凝土在PCCP上的应用技术目前仍处于承先启后的阶段,在应用自密实混凝土的经济性方面还有许多潜力可控,如何进一步提高浇筑速度,提高浇筑效率需要进一步研究。

本项目的研究为PCCP行业开展免振自密实混凝土的应用研究提供了有益的经验,对推动行业技术进步将起到积极的推动作用。项目技术不论是在施工效率、施工成本,还是在环保等方面,与常规技术相比都具有明显的竞争优势。另外,本项目技术成果对提高生产的安全性和自动化操作水平也具有十分积极的意义。

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参考文献:

【1】安雪晖黄绵松等,《自密实混凝土技术手册》,水利电力出版社/知识产权出版社.2008。

【2】 刘小洁余志武,《自密炭混凝土的研究与应用综述》,《铁道科学与工程学报》2000[2],

【3】齐永顺杨玉红,《自密实混凝土的研究现状分析与展望》,《混凝土》2007[1]。

【4】

Bartos,P J M,M.Crauers,《Self-Compacting Concrete Concrete (London》> 1999,33(4).

【5】 SCC 028《The European Guideline for Self-Compacting ConcreteSpecification》, Production and Use 2005 May。

【6】 日本建筑学会,《高流动性混凝土材料、配比、制造、施工指南》(日文)。

【7】 M.Higuchi,《State of the Art Report on Manufacturing of Self-compacting concrete》 JSCE concrete engineering series N0 30 2008。

作者简介

刘 川,1972年生,毕业于重庆建筑大学建筑材料及制品专业,长期从事混凝土及水泥制品行业工作,专业知识丰富、业务能力强。从业本行业20余年,长期担任公司技术及质量管理工作,参与国内20余项国家重点水利及输水工程的建设,参与10余项相关国家及行业标准的编制及讨论工作。本人的《超大口径PCCP成套生产技术及关键设备应用开发》项目荣获2008年国家建筑材料科技进步二等奖;获得国家授权专利十余项;本人为成都市建材行业协会专家库成员。

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