近些年來(lái)，隨著我國(guó)高速公路的飛速發(fā)展，鋼筋混凝土圓管涵以其經(jīng)濟(jì)適用、施工簡(jiǎn)單、便捷等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越多地在高速公路中得到廣泛應(yīng)用，但對(duì)以往高速公路的圓管涵調(diào)查發(fā)現(xiàn)，其質(zhì)量卻不盡人意，幾乎所有圓管涵均存在著不同程度的開(kāi)裂現(xiàn)象。通過(guò)認(rèn)真的分析研究，在很大程度上與圓管涵本身的品質(zhì)有著很大的關(guān)系，因此，筆者以離心水泥制管機(jī)成型的鋼筋砼圓管涵為例，結(jié)合臨長(zhǎng)高速公路的成功經(jīng)驗(yàn)從管涵設(shè)計(jì)、離心法砼配合比設(shè)計(jì)、離心法成型工藝以及蒸汽濕熱養(yǎng)護(hù)方面進(jìn)行探討如何提高鋼筋混凝土圓管涵的品質(zhì)。

1. 鋼筋配制方面

通過(guò)對(duì)以往高速公路圓管涵開(kāi)裂原因的研究發(fā)現(xiàn)，影響圓管涵品質(zhì)的主要原因是圓管涵砼強(qiáng)度及環(huán)向鋼筋的布設(shè)、配筋率存在一定的缺陷。

1.1 管涵混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)偏低，且不論填土高度多少、管涵直徑大小，一律用采C20。

1.2 內(nèi)外環(huán)向鋼筋采用相同的配筋率，且配筋率偏小。

正因?yàn)檫@2方面的缺陷，致使管涵達(dá)不到二級(jí)要求，有的甚至連一級(jí)管都達(dá)不到。圓管涵的受力狀態(tài)較為復(fù)雜，一般情況是內(nèi)側(cè)受拉、外側(cè)受壓，對(duì)于雙層布筋的圓管，除留有足夠的保護(hù)層外，盡可能地將鋼筋布置在內(nèi)外側(cè)邊緣，根據(jù)管涵的受力特征，一般應(yīng)使Agn>Agw（Agn、Agw分別為內(nèi)、外側(cè)鋼筋截面面積）。

以1250Ⅱ級(jí)管為例采用I級(jí)鋼筋的計(jì)算鋼筋面積與原設(shè)計(jì)圖紙配筋面積對(duì)照表見(jiàn)表1。很顯然Agn=Agw就不合理。

規(guī)格	計(jì)算的鋼筋截面面積 （最小應(yīng)不小于如下數(shù)值）		原設(shè)計(jì)圖紙配筋面積 （內(nèi)外均為16圈）
	Agn	Agw	Agn	Agw
1250	850	490	628	6.28

為此，臨長(zhǎng)高速公路根據(jù)其受力特征，對(duì)螺旋形主鋼筋采取不對(duì)稱(chēng)配置，即在原設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，保持外環(huán)筋環(huán)數(shù)不變，增加內(nèi)環(huán)筋的環(huán)數(shù)，由于增大了內(nèi)環(huán)筋環(huán)數(shù)，配筋面積、配筋率都較原來(lái)的增大，提高了內(nèi)側(cè)的抗拉強(qiáng)度，推遲內(nèi)壁裂縫的發(fā)生。見(jiàn)表2、表3。

類(lèi)別	名稱(chēng)	鋼筋規(guī)格/mm	骨架直徑/cm	環(huán)數(shù)/n	螺距/cm	長(zhǎng)度/m	重量/kg	配筋面積/cm2	配筋率/%
原設(shè)計(jì)	內(nèi)環(huán)筋	10	130	16	12.90	65.68	40.52	12.56	0.5233
	外環(huán)筋	10	144	16	12.90	72.71	44.86	12.56	0.5233
變更后	內(nèi)環(huán)筋	10	130	20	11.43	82.01	50.6	15.71	0.654
	外環(huán)筋	10	144	16	12.9	72.71	44.86	12.56	0.5233

注：管徑為125cm。

編號(hào)	粗集料	原設(shè)計(jì)		變更后設(shè)計(jì)
		荷載	內(nèi)側(cè)裂縫	荷載	內(nèi)側(cè)裂縫
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

通過(guò)涵管外壓試驗(yàn)可以看出，對(duì)內(nèi)外環(huán)鋼筋骨架采取不對(duì)稱(chēng)配置，即增加內(nèi)環(huán)筋環(huán)數(shù)，是提高管涵品質(zhì)的有效途徑之一。

鋼筋的屈服強(qiáng)度對(duì)管涵的承載能力也有影響，當(dāng)采用Ⅰ級(jí)鋼筋作為螺旋形主鋼筋時(shí)，須經(jīng)過(guò)冷拉時(shí)效處理，以提高其屈服強(qiáng)度或采用小徑級(jí)的高強(qiáng)冷拔絲，增加內(nèi)外環(huán)筋的環(huán)數(shù)，提高鋼筋的強(qiáng)度。

2. 水泥砼設(shè)計(jì)

涵管砼配合比設(shè)計(jì)因管涵制作、施工工藝不同而有所區(qū)別，對(duì)于立式振動(dòng)成型的管涵，主要考慮砼的和易性及強(qiáng)度，而離心法成型管涵則需考慮砼強(qiáng)度、砼離析，下面具體敘述如何通過(guò)控制其設(shè)計(jì)配合比及原材料來(lái)提高管涵的品質(zhì)。

2.1 粗集料對(duì)砼強(qiáng)度起到非常重要的作用，由于管涵一般為薄壁結(jié)構(gòu)，對(duì)于粗集料的規(guī)格在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)上明確規(guī)定：離心式砼集料的最大粒徑不應(yīng)超過(guò)壁厚的1/3～1/4，并不得大于15～20mm。同時(shí)對(duì)碎石與礫石作了對(duì)比試驗(yàn)，用碎石拌制的砼，其抗壓抗折強(qiáng)度較用礫石拌的砼高，因此在選取粗集料時(shí)，優(yōu)先考慮使用碎石。

2.2 水泥及水泥用量。水泥強(qiáng)度等級(jí)不低于42.5MPa，采用高強(qiáng)度水泥可以減少水泥用量，宜優(yōu)先采用42.5或52.5水泥。

離心式混凝土的水泥用量計(jì)算與普通砼的計(jì)算基本相同，但考慮到離心法成型過(guò)程中有一部分水泥（約5%左右）隨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礎(chǔ)上適當(dāng)增加5%左右。

2.3 適當(dāng)降低砂率。由于砼在高速離心的作用下易發(fā)生離析，成型后的管涵可以看到其內(nèi)壁約有2～3cm的水泥砂漿層，由于沒(méi)有粗骨料，其強(qiáng)度較低，因此，在配合比設(shè)計(jì)時(shí)，其砂率應(yīng)比普通砼低些，建議砂率在28%～30%。

2.4 嚴(yán)格控制水灰比。離心式混凝土的水灰比分為拌和投料時(shí)的水灰比和離心成型后的水灰比。拌和時(shí)的水灰比以砼的和易性來(lái)控制，即通過(guò)坍落度來(lái)控制。因考慮坍落度大，砼在較大離心力的作用下易離析，因此在設(shè)計(jì)砼配合比時(shí)，將坍落度控制在1.5cm以?xún)?nèi)，根本不必?fù)?dān)心砼因坍落度小而不密實(shí)。投料后，砼在離心力的作用下擠密成型，部分富余的水被排出，其排出的水量約為單位用水量的20%～30%，成型后管涵砼的實(shí)際水灰比顯著降低，而且砼也非常的密實(shí)，從而使砼的強(qiáng)度大大提高，因此離心法成型的管涵一般情況下只要試配強(qiáng)度合格，不必?fù)?dān)心砼強(qiáng)度達(dá)不到要求，甚至比設(shè)計(jì)強(qiáng)度高很多，達(dá)到了40～50MPa，根據(jù)臨長(zhǎng)路推薦的配合比為：C：S：G：W=400：540：1 300：164。

3. 管涵制作工藝

制作工藝是保證管涵質(zhì)量的關(guān)鍵工序，一般分為4個(gè)階段：①澆灌投料階段，這一階段主要是將拌和好的混凝土采用機(jī)械或人工的方法投入到慢速旋轉(zhuǎn)的鋼模內(nèi)；②均勻布料階段，混凝土借助于離心力作用，均勻分布在鋼模內(nèi)，并開(kāi)始慢慢密實(shí)成型，防止砼離析；③中速階段，即由慢速向快速過(guò)渡的中間階段，防止鋼模由于加速過(guò)快從托輪上脫離，引起安全事故；④密實(shí)成型階段，混凝土在較大的離心力作用下，進(jìn)一步密實(shí)，直到達(dá)到理想的密實(shí)狀態(tài)和預(yù)期的強(qiáng)度。

由此可見(jiàn)，管涵成型的質(zhì)量好壞，決定于鋼模的轉(zhuǎn)速，當(dāng)轉(zhuǎn)速過(guò)低時(shí)，砼內(nèi)部空隙難被水泥漿充填密實(shí)，易形成麻面，砼強(qiáng)度難以達(dá)到要求，且管涵滲漏而引起內(nèi)部鋼筋銹蝕。當(dāng)轉(zhuǎn)速過(guò)高時(shí)，砼在較大的離心力作用下，易發(fā)生離析現(xiàn)象，混凝土粗骨料富集于管涵外壁，水泥砂漿富集于管涵內(nèi)壁，引起內(nèi)壁的砼因無(wú)粗骨料，而使強(qiáng)度偏低，因此應(yīng)根據(jù)砼的和易性及鋼筋的間距控制托輪每個(gè)階段的轉(zhuǎn)速、離心的時(shí)間，盡可能地既要保證管涵砼密實(shí)，又要盡可能地減少砼的離析分層。推薦的離心成型參數(shù)見(jiàn)表4。

管徑/mm	投料次數(shù)	投料		慢速		中速		快速
		轉(zhuǎn)速	時(shí)間	轉(zhuǎn)速	時(shí)間	轉(zhuǎn)速	時(shí)間	轉(zhuǎn)速	時(shí)間
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：表中轉(zhuǎn)速指離心機(jī)托輪的轉(zhuǎn)速，托輪的直徑為600mm。

4. 養(yǎng)護(hù)

養(yǎng)護(hù)也是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，為了提高生產(chǎn)效率，加快鋼模周轉(zhuǎn)，目前常采用蒸汽濕熱養(yǎng)護(hù)的方法。蒸汽濕熱養(yǎng)護(hù)方法共分為4個(gè)階段，即預(yù)養(yǎng)、升溫、恒溫、降溫，各階段的溫度、時(shí)間、升溫速度、降溫速度控制見(jiàn)表5。

管涵規(guī)格/mm	靜置時(shí)間	升溫		恒溫		降溫
		時(shí)間/h	溫度/℃	時(shí)間/h	溫度/℃	時(shí)間/h	溫度/℃
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 預(yù)養(yǎng)：靜停，使砼獲得初始強(qiáng)度，這種初始強(qiáng)度有利于抵抗升溫過(guò)程中砼結(jié)構(gòu)中裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，預(yù)養(yǎng)的時(shí)間取決于砼的品種及當(dāng)時(shí)室外氣溫的高低。一般水泥的等級(jí)越高，而且砼的干硬度越高，則制品的預(yù)養(yǎng)時(shí)間就越短；室外氣溫高，制品預(yù)養(yǎng)時(shí)間短，砼的預(yù)養(yǎng)時(shí)間波動(dòng)較大，一般為1～3h。

4.2 升溫：當(dāng)制品的砼達(dá)到一定的初始強(qiáng)度后，即放入養(yǎng)生池進(jìn)行濕熱養(yǎng)護(hù)，由于處于硬化中的砼，溫度在 50℃～60℃時(shí)，其熱膨脹顯著增大，因此升溫時(shí)應(yīng)采用階段式升溫，即在較低溫度（35℃～40℃或45℃～50℃）時(shí)便安排一段等溫養(yǎng)護(hù)時(shí)間，待制品獲得一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度后，再加快升溫，這可使砼強(qiáng)度發(fā)展較好，最大變形和殘余變形也都較小，為防止溫度應(yīng)力造成的裂縫，應(yīng)盡量使升溫緩慢而均勻。

4.3 恒溫：恒溫溫度視水泥品種而異，并與砼的配合比及成型工藝等因素密切相關(guān)，普通硅酸鹽水泥的溫度為 80℃±5℃，礦渣或火山灰水泥的恒溫溫度為95℃±5℃，這一階段對(duì)于普通硅酸鹽水泥制品主要控制恒溫時(shí)間和恒溫溫度，砼恒溫養(yǎng)護(hù)時(shí)的溫度越高，砼強(qiáng)度發(fā)展越快，但由于砼膨脹變形，而使后期強(qiáng)度損失越多，砼恒溫養(yǎng)護(hù)時(shí)間越長(zhǎng)，砼強(qiáng)度增長(zhǎng)越高，但對(duì)每一恒溫溫度存在著一個(gè)臨界恒溫時(shí)間，越過(guò)臨界時(shí)間，強(qiáng)度不再增長(zhǎng)，甚至還要產(chǎn)生強(qiáng)度回降；對(duì)礦渣水泥砼制品不存在臨界限性的問(wèn)題，所以可提高養(yǎng)護(hù)溫度并縮短養(yǎng)護(hù)時(shí)間。普通水泥砼往往要求其恒溫溫度不超過(guò)75℃～85℃，對(duì)于其水灰比較大的塑性砼或脫模養(yǎng)護(hù)的砼，則尤其嚴(yán)加限制恒溫溫度不得過(guò)高，普通水泥砼的升溫及恒溫時(shí)間是互相影響的，在不改變總養(yǎng)護(hù)時(shí)間的前提下，適當(dāng)減少恒溫時(shí)間，并相應(yīng)延長(zhǎng)升溫時(shí)間較為有利。

4.4 降溫：降溫階段要十分注意溫度應(yīng)力引起的裂縫和溫度梯度引起的水分大量蒸發(fā)，以免造成方向性通路，引起砼的干縮。

砼制品經(jīng)過(guò)濕蒸養(yǎng)生脫模后，還應(yīng)繼續(xù)澆水養(yǎng)生5～6d以此來(lái)補(bǔ)強(qiáng)。表6為自然養(yǎng)護(hù)制品的澆水次數(shù)。

表6 自然養(yǎng)護(hù)制品的澆水次數(shù)