近些年來，隨著我國高速公路的飛速發(fā)展，鋼筋混凝土圓管涵以其經(jīng)濟適用、施工簡單、便捷等優(yōu)點，越來越多地在高速公路中得到廣泛應(yīng)用，但對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裂現(xiàn)象。通過認(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成型的鋼筋砼圓管涵為例，結(jié)合臨長高速公路的成功經(jīng)驗從管涵設(shè)計、離心法砼配合比設(shè)計、離心法成型工藝以及蒸汽濕熱養(yǎng)護方面進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

通過對以往高速公路圓管涵開裂原因的研究發(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)計強度等級偏低，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。

正因為這2方面的缺陷，致使管涵達(dá)不到二級要求，有的甚至連一級管都達(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，對于雙層布筋的圓管，除留有足夠的保護層外，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級管為例采用I級鋼筋的計算鋼筋面積與原設(shè)計圖紙配筋面積對照表見表1。很顯然Agn=Agw就不合理。

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

為此，臨長高速公路根據(jù)其受力特征，對螺旋形主鋼筋采取不對稱配置，即在原設(shè)計的基礎(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、配筋率都較原來的增大，提高了內(nèi)側(cè)的抗拉強度，推遲內(nèi)壁裂縫的發(fā)生。見表2、表3。

類別	名稱	鋼筋規(guī)格/mm	骨架直徑/cm	環(huán)數(shù)/n	螺距/cm	長度/m	重量/kg	配筋面積/cm2	配筋率/%
原設(shè)計	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	粗集料	原設(shè)計		變更后設(shè)計
		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

通過涵管外壓試驗可以看出，對內(nèi)外環(huán)鋼筋骨架采取不對稱配置，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。

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

2. 水泥砼設(shè)計

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

2.1 粗集料對砼強度起到非常重要的作用，由于管涵一般為薄壁結(jié)構(gòu)，對于粗集料的規(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)超過壁厚的1/3～1/4，并不得大于15～20mm。同時對碎石與礫石作了對比試驗，用碎石拌制的砼，其抗壓抗折強度較用礫石拌的砼高，因此在選取粗集料時，優(yōu)先考慮使用碎石。

2.2 水泥及水泥用量。水泥強度等級不低于42.5MPa，采用高強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算與普通砼的計算基本相同，但考慮到離心法成型過程中有一部分水泥（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，由于沒有粗骨料，其強度較低，因此，在配合比設(shè)計時，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的水灰比和離心成型后的水灰比。拌和時的水灰比以砼的和易性來控制，即通過坍落度來控制。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)計砼配合比時，將坍落度控制在1.5cm以內(nèi)，根本不必?fù)?dān)心砼因坍落度小而不密實。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%，成型后管涵砼的實際水灰比顯著降低，而且砼也非常的密實，從而使砼的強度大大提高，因此離心法成型的管涵一般情況下只要試配強度合格，不必?fù)?dān)心砼強度達(dá)不到要求，甚至比設(shè)計強度高很多，達(dá)到了40～50MPa，根據(jù)臨長路推薦的配合比為：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)，并開始慢慢密實成型，防止砼離析；③中速階段，即由慢速向快速過渡的中間階段，防止鋼模由于加速過快從托輪上脫離，引起安全事故；④密實成型階段，混凝土在較大的離心力作用下，進一步密實，直到達(dá)到理想的密實狀態(tài)和預(yù)期的強度。

由此可見，管涵成型的質(zhì)量好壞，決定于鋼模的轉(zhuǎn)速，當(dāng)轉(zhuǎn)速過低時，砼內(nèi)部空隙難被水泥漿充填密實，易形成麻面，砼強度難以達(dá)到要求，且管涵滲漏而引起內(nèi)部鋼筋銹蝕。當(dāng)轉(zhuǎn)速過高時，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)壁的砼因無粗骨料，而使強度偏低，因此應(yīng)根據(jù)砼的和易性及鋼筋的間距控制托輪每個階段的轉(zhuǎn)速、離心的時間，盡可能地既要保證管涵砼密實，又要盡可能地減少砼的離析分層。推薦的離心成型參數(shù)見表4。

管徑/mm	投料次數(shù)	投料		慢速		中速		快速
		轉(zhuǎn)速	時間	轉(zhuǎn)速	時間	轉(zhuǎn)速	時間	轉(zhuǎn)速	時間
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)速指離心機托輪的轉(zhuǎn)速，托輪的直徑為600mm。

4. 養(yǎng)護

養(yǎng)護也是非常重要的一個環(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)護的方法。蒸汽濕熱養(yǎng)護方法共分為4個階段，即預(yù)養(yǎng)、升溫、恒溫、降溫，各階段的溫度、時間、升溫速度、降溫速度控制見表5。

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

4.2 升溫：當(dāng)制品的砼達(dá)到一定的初始強度后，即放入養(yǎng)生池進行濕熱養(yǎng)護，由于處于硬化中的砼，溫度在 50℃～60℃時，其熱膨脹顯著增大，因此升溫時應(yīng)采用階段式升溫，即在較低溫度（35℃～40℃或45℃～50℃）時便安排一段等溫養(yǎng)護時間，待制品獲得一定的結(jié)構(gòu)強度后，再加快升溫，這可使砼強度發(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℃，這一階段對于普通硅酸鹽水泥制品主要控制恒溫時間和恒溫溫度，砼恒溫養(yǎng)護時的溫度越高，砼強度發(fā)展越快，但由于砼膨脹變形，而使后期強度損失越多，砼恒溫養(yǎng)護時間越長，砼強度增長越高，但對每一恒溫溫度存在著一個臨界恒溫時間，越過臨界時間，強度不再增長，甚至還要產(chǎn)生強度回降；對礦渣水泥砼制品不存在臨界限性的問題，所以可提高養(yǎng)護溫度并縮短養(yǎng)護時間。普通水泥砼往往要求其恒溫溫度不超過75℃～85℃，對于其水灰比較大的塑性砼或脫模養(yǎng)護的砼，則尤其嚴(yán)加限制恒溫溫度不得過高，普通水泥砼的升溫及恒溫時間是互相影響的，在不改變總養(yǎng)護時間的前提下，適當(dāng)減少恒溫時間，并相應(yīng)延長升溫時間較為有利。

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)過濕蒸養(yǎng)生脫模后，還應(yīng)繼續(xù)澆水養(yǎng)生5～6d以此來補強。表6為自然養(yǎng)護制品的澆水次數(shù)。

表6 自然養(yǎng)護制品的澆水次數(shù)