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浅谈PHC管桩蒸养池设计要素

PHC管桩具有混凝土强度高(大于C80)、耐锤击性能好、单桩承载力大、单位承载力价格便宜;运输吊装方便、施工速度快、工期短、成桩质量检测方便等特点,目前已广泛应用在工业与民用建筑中,特别是近两年来,随着国家加大基础建设的投入,新建管桩厂如雨后春笋般涌现,生产厂家由沿海地区迅速向沿江、沿湖及内陆地区发展,管桩产量逐年大幅度提高。
PHC管桩生产过程中,初级蒸养是一个非常重要的生产工艺环节,国标《先张法预应力混凝土管桩》明确规定:放张预应力筋时,预应力高强混凝土管桩的混凝土抗压强度不得低于40MPa。实际生产中,管桩脱模时的混凝土抗压强度控制在45MPa~65 MPa。初级蒸养效果的好坏,不仅直接影响到管桩混凝土的脱模强度,而且会影响到管桩混凝土的最终强度。
PHC管桩的初级蒸养主要在蒸养池中进行,蒸养池设计的好坏,不仅直接影响到管桩蒸养效果的好坏(管桩混凝土强度的高低以及强度的均匀性),而且会影响到管桩生产成本的高低(蒸汽用量)。然而不少管桩厂在设计过程中往往只注重生产工艺流程方面的设计,而忽视蒸养池构造等细节方面的问题,从而造成许多新建的管桩厂在投产使用后不久,蒸养池就出现许多意想不到的问题:蒸养池使用过程中蒸汽泄露严重;蒸养池保温效果差,蒸汽用量偏大;蒸养池排水不畅通、池底长期积水;蒸养池破损严重等等。蒸养池是PHC管桩正常生产中必不可少的“设备”之一,如果损坏后对其进行维修或改造,必然会影响到正常的生产。因此,笔者认为,在管桩厂的工艺设计中,必须未雨绸缪,充分重视蒸养池的设计,最大限度地避免上述问题的发生。
笔者认为,蒸养池的构造设计应围绕①保温性②密封性③冷凝水易排放性④坚固耐久性⑤蒸汽在蒸养池各部位的均匀性⑥温度检测准确性等几方面因素来考虑,并采取各项有效措施确保以上问题的有效解决。
一、尽量降低蒸养池壁的热容量和提高其热阻,确保良好的保温隔热效果。
蒸养池保温隔热效果主要从以下两方面来采取措施:
1、池壁:蒸养池壁以及池底宜采用多层墙体结构,中间填充保温隔热材料。常用的蒸养池墙体结构采用:“钢筋混凝土+膨胀珍珠岩(或岩棉)+砖墙”的多层墙体结构。一些管桩厂由于设计方面的问题或出于土建施工方便的考虑,蒸养池壁及池底全部采用钢筋混凝土的单一结构,我们从以下两种不同墙体结构的热阻计算中可以看出两者保温隔热效果的差别: 
已知常温下几种材料的导热系数分别为:钢筋混凝土:1.54 W/(m•oC);
普通粘土砖墙:0.81 W/(m•oC);      膨胀珍珠岩:0.062 W/(m•oC);
①“400mm钢筋混凝土”结构,其热阻计算为:
R1=δ/λ=0.4/1.54=0.260 (m2•k/w)
②“200mm钢筋混凝土+100mm膨胀珍珠岩+100mm砖墙”结构,其热阻计算为:
R2=δ1/λ1+δ2/λ2+δ3/λ3=0.2/1.54 + 0.1/0.062 +0.1/0.81 =1.866(m2•k/w)
式中:δ——墙体各层材料的厚度;  λ——各种材料的导热系数;
两种墙体结构的热阻R1和R2相差7倍。热阻相当于热量传递过程中的阻力,其数值越大,热量的传递越慢,保温隔热效果越好。
不同结构的蒸养池在实际使用过程中,我们很容易比较出它们的不同效果:采用夹有保温层的多层墙体结构的蒸养池,外壁温度和常温基本一致;而采用钢筋混凝土单一结构的蒸养池,外壁温度则很高。另外,当停止向蒸养池内供蒸汽后,采用夹有保温层的多层墙体结构的蒸养池内温度下降很慢,而采用钢筋混凝土单一结构的蒸养池内温度则下降很快。
2、蒸养池盖:蒸养池盖一般以型钢为骨架,内外薄钢板包盖,内填岩棉或膨胀珍珠岩一类保温材料。它能起到良好的保温隔热效果。
二、确保蒸养池密封性能好,蒸汽在蒸养池内不会泄露。
加强蒸养池密封性可以从以下几方面采取措施:
1、加强蒸养池土建施工质量的监督,确保施工精度,特别是蒸养池顶面及密封槽钢应保持水平。
2、蒸养池盖的加工应达到使用要求。由于蒸养池盖受热会膨胀变形,因此蒸养池盖在加工时应特别处理:焊接时应在蒸养池盖中间垫上5cm左右高的垫块,使得蒸养池盖在常温下呈“中间高、两头低”的状态。当蒸养池内通蒸汽后,蒸养池盖由于受热膨胀,自然就会呈水平状态,从而起到完全密封的效果。
3、蒸养池的密封措施采用砂封或水封,即池盖周边的肋条插入密封槽中的湿砂或水中,以防止蒸汽外逸和冷空气吸入。
三、确保蒸养池底的冷凝水随时能得到彻底的排出,同时确保蒸养池内的蒸汽不能外泄,即要求达到排水不排汽的效果。
蒸养池冷凝水的排出形式一般有两种:①蒸养池底一侧预留一条贯穿所有蒸养池的排水沟,所有蒸养池内的冷凝水通过此条排水沟流到蒸养池外边的积水坑;②每个蒸养池底一侧预留独立的管道,池底的冷凝水通过各自的管道排到池外的积水坑。积水坑中的水再通过水泵抽走。以上两种形式均有各自优缺点:第一种形式土建工作量稍小,但各个蒸养池会互相影响(如果某一池排水沟堵塞会影响其它蒸养池的排水);第二种形式各个蒸养池独立排水互不干扰,但土建工作量比第一种形式稍大。笔者认为,无任采取何种形式,只要注意以下几方面工作,均能达到很好的使用效果。
1、蒸养池混凝土地面施工时应保证一定的坡度(一般要求5‰左右的坡度),确保蒸养池底所有冷凝水能顺利流到一侧的排水沟或排水坑;
2、要求积水坑容积足够大,以避免人工频繁抽水。另外,积水坑的抽水形式可采用浮球式自动抽水,以减少生产中人为的操作疏忽。
3、当管桩厂靠近江边或水塘边,地下水位较高时,为避免受地下水反潮的影响,蒸养池底地面混凝土最好做防潮处理。
4、为避免管桩倒完浆后的余浆流到池底堵塞排水沟或排水管道,蒸养池底的排水沟应预留在管桩的张拉端。
四、 蒸养池壁必须保证具有足够的坚固、耐冲击性。
为确保蒸养池壁在长期受到管模撞击的情况下还能持久坚固,蒸养池施工时应注意以下几点:
1、蒸养池壁内层结构宜采用钢筋混凝土结构,并且混凝土强度应保证C30以上。
2、密封用槽钢与蒸养池壁的钢筋混凝土应焊接牢固;
3、蒸养池内壁在管模跑轮位置处最好自上而下铺设30 cm左右宽的长条钢板,以缓冲及减轻管模对池壁的冲撞。
五、蒸汽管的布置应保证有足够的蒸汽流量,确保蒸养池能在规定的时间内升至规定温度,此外还应保证蒸汽在整个蒸养池内充分分布均匀,蒸养池内各处温度相差不大。
目前管桩厂基本采用以下两种蒸汽输入形式:
1、一种形式是借助于铺设在蒸养池底四周的蒸汽花管将蒸汽送入蒸养池;
2、另外一种形式是在蒸养池壁装上拉阀尔喷嘴,蒸汽通过喷嘴输入到蒸养池内。
笔者认为,采用蒸汽花管形式的蒸养池存在下列严重缺陷:
① 蒸养池内的蒸汽空气混合物沿池的高度易产生分层现象——蒸汽在上部,空气在下部,易引起蒸养池上、下温差。PHC管桩蒸养池高度一般较深(通常在2.5m~3m之间),蒸养池上、下温差非常明显(在南方,蒸养池池顶和池底气温相差可达200C,在北方温差更大),导致上、下层管桩混凝土强度的差异。
② 由于蒸养池内的蒸汽空气混合物基本处于静止状态,使位于管模空隙间的空气不易流动,蒸养池内热介质的热交换速度慢,造成同一管桩的不同部位加热不均匀,从而导致同一管桩各部位混凝土强度的差异。
③ 蒸汽花管的供汽小孔易堵塞,影响供汽效果。
采用拉阀尔喷嘴的蒸养池属于热介质定向循环养护池,它利用蒸汽通过拉阀尔喷嘴的降焓增速以获得强制流动的推动力,使池内基本静止的混合气体产生定向强制的循环流动,流经管桩制品和模具的所有热交换表面和空隙。它主要通过改变蒸养池内蒸汽空气混合物的静止状态和通过改善池内的热交换强度,从而达到养护温度均匀、缩短养护周期、节约能源的目的。
笔者认为,蒸养池采用拉阀尔喷嘴供汽相比采用蒸汽花管供汽,蒸养效果非常明显,应广泛采用。蒸养池采用拉阀尔喷嘴时应注意以下几方面:拉阀尔喷嘴的尺寸应根据进池饱和蒸汽压力、蒸养池内蒸汽压力以及每小时蒸养池蒸汽供应量来计算确定;拉阀尔喷嘴加工材料采用不锈钢;加工精度一定要保证。
六、温度计的安装位置合适,要求能准确反映蒸养池内部的温度。
一般蒸养池采用盘式电阻温度计,安装在蒸养池壁的适当高度处,并且应远离拉阀尔喷嘴口。另外蒸养池盖上应预留测温孔,以便能用温度计检测蒸养池顶部温度。
另外,蒸养池的大小也不是随意而定的。蒸养池的容积应考虑与生产流水节拍尽量保持一致:容积太小,则蒸养池数量可能较多,车间厂房面积也相应增大;容积太大,则一池管桩的蒸养时间太长,影响管桩产品质量的均匀性以及管模的周转速度,笔者认为应以放置1~2小时的生产量为宜。蒸养池的尺寸设计应充分考虑池中的管桩堆垛情况,以获得尽可能高的填充系数。
 

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