CN110642564A - 一种粗聚丙烯-玄武岩混杂纤维预制干硬性纤维混凝土、顶管、制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种粗聚丙烯‑玄武岩混杂纤维预制干硬性纤维混凝土、顶管、制造方法，包括：在混凝土中含有玄武岩纤维以及粗聚丙烯纤维，其中，粗聚丙烯与玄武岩的质量比在1:1～4:1之间；更优的，每立方米混凝土含有：水泥375kg、砂850kg、粗骨料545kg、细骨料545kg、粗聚丙烯4kg、玄武岩纤维2kg、减水剂3.75kg。采用本发明的一种粗聚丙烯‑玄武岩混杂纤维预制干硬性纤维混凝土、顶管、制造方法，可以得到高强度且使用中裂缝较少的顶管，可以解决顶管生产效率低的问题。

Description

一种粗聚丙烯-玄武岩混杂纤维预制干硬性纤维混凝土、顶 管、制造方法

技术领域

本发明专利涉及顶管混凝土设计以及施工领域，特别涉及一种粗聚丙烯-玄武岩混杂纤维预制干硬性纤维混凝土、顶管、制造方法。

背景技术

近年来，顶管施工法由于其对交通干扰少、对施工周边的影响很小、可以实现不开挖施工，可以在很深的地下敷设管道、可以安全地穿越铁路和障碍物等诸多特点在市政工程中得到了广泛的应用，尤其是随着中继接力顶进技术的出现使顶管法具备大管径，长距离顶进作业的能力，可以应用于长距离穿越江河、湖泊及地面交通设施等的地下管道的敷设工程。但是，由于混凝土管节自身脆性大，抗拉强度低，抗裂性差，受到土体挤压或温度变化后，易出现管节开裂等问，造成管道漏水、渗水、钢筋腐蚀，管道结构的劣化，特别是在长距离、大直径顶管施工中，随着顶管顶进距离的增加，管节所受到的顶推力愈来愈大，穿越复杂地形增多，大直径管节失效模式转变，顶进调整及纠偏控制增多，管节产生裂缝的可能 性增大，影响了混凝土管节在顶管施工中的运用，大大限制了顶管技术运用于市政工程中 超长隧道的发展。

为改善传统混凝土固有的缺点，国内外学者发现在水泥基材料中掺加纤维能有效 提高混凝土抗裂性和韧性。纤维混凝土，是以混凝土为基体，各种纤维为增强相组成的一种复合材料，目前工程中常用的混凝土增强纤维有钢纤维和非钢纤维两大类。钢纤维有相对较为显著的抗裂效果，工程中应用多，但重量大，价格高，在潮湿与腐蚀性环境中钢纤维容易生锈、腐蚀，故不适于市政管道的设计；而非钢纤维中聚丙烯纤维发展较快、应用较为广泛，其耐腐蚀性能好，重量轻，易分散，价格低等优点，较好地克服了钢纤维的缺点。而且近年来，随着对绿色高性能、天然可持续纤维研究的发展，逐渐出现各种新型纤维，其中玄武岩纤维是其中的代表材料之一。玄武岩纤维与混凝土具有良好的相容性，而且环保安全、稳定性高、耐蚀性高，抗拉强度高，成本较低。

纤维掺入混凝土中的方式有两种，即单掺和混掺。经过大量学者对纤维混凝土研究表明，用单掺的方式可以改善混凝土的抗压抗裂等力学性能，但是混掺混凝土效果更优于掺入某种单一纤维的混凝土，已有的研究表明混杂纤维混凝土相比于单掺纤维混凝土具有更好的强度和韧度，这其中，玄武岩和粗聚丙烯纤维混凝土由于其突出的优点，如：环保、 高弹模、抗拉强度高以及耐酸碱腐蚀、耐高温等，受到了学者们的广泛关注。

对于混凝土中，将聚丙烯-玄武岩改善混凝土的研究，在专利技术中已有较多研究。

如：哈尔滨工程大学郭轶宏老师，在CN 106517942 A提供了一种玄武岩和聚丙烯混杂纤维混凝土及制备方法；在混凝土基质中，掺有占混凝土基质重量0.1份～0.5份的玄武岩纤维和0.01份～0.08份的聚丙烯纤维。具体制造方式如下：(1)在常温下，将砂子和石子投入到搅拌机中搅拌60s；(2)投入水泥并搅拌60s；(3)将水加入搅拌机搅拌90s～120s，得到混凝土基质；(4)预先将武岩纤维与聚丙烯纤维两种纤维混合并使两种纤维高度分散后，将其撒入步骤(3)所得混凝土基质中并搅拌120s，即得玄武岩和聚丙烯混杂纤维混凝土。该种混凝土较传统混凝土相比能更好的适应高温、高热、腐蚀等复杂环境，可广泛应用于道路、桥梁、房建、地下及海洋工程，大大扩展了混凝土应用范围。

CN 107827406 A公开了一种高性能混凝土，所述混凝土由以下重量份的组分组成：钢丝型钢纤维10-30份、聚丙烯纤维10-30份、水泥15-25份、砂石10-20份、碎石15-25份、粉煤灰3-7份、玄武岩纤维5-10份、甲酸钙5-18份、甘油三醋酸酯5-16份、矿渣6-12份、羟基硅油2-8份与去离子水30-50份。

CN 108947407 A公开了一种抗开裂抗冻混凝土，其原料按重量份包括：普通硅酸盐水泥220-380份、浮石400-550份、煤矸石380-580份、中砂380-550份、聚丙烯纤维5-7份、植物纤维1-3份、玄武岩纤维2-5份、石灰石粉9-20份、金尾矿粉8-20份、铁尾矿粉8-18份、石膏1-3份、赤泥1-5份、玻化微珠2-8份、煅烧硅藻土1-3份、水150-170份、减水剂1-2.8份、橡胶粉2-8份、改性剂0.2-1.4份、乙二醇0.2-1份、多糖0.2-0.33份、早强剂2-3份。

上述研究得到的混凝土并不能直接用于顶管领域中，因为顶管对于混凝土有其他特别的要求。

首先，细PPF(通常所说的PPF)直径小于0.1mm，在实际工程中应用非常广泛，其在混凝土基体中分布较为密集，能在一定程度上减少原始缺陷，对混凝土早期裂缝抑制作用较为显著；粗PPF(也称塑钢纤维)直径一般在0.1mm～0.8mm之间，外形尺度类似于钢纤维，在限制混凝土收缩裂缝和增韧等方面与钢纤维相当。上述研究没有注意到：粗聚丙烯、细聚 丙烯在顶管用混凝土的区别。

其次，粗聚丙烯-玄武岩混杂纤维应用于顶管管节，至今没有相关的制作方法(顶管混凝土振捣不同于梁、柱这类型混凝土的振捣)。纤维混凝土在制作过程中由于配比、添 加方式、搅拌工艺等问题，时常会出现结团现象，造成了混凝土局部缺陷，导致制作的构件 达不到预期效果。

再次，传统的制管工艺需要人工来进行布料和人工来振动，施工效率低。

发明内容

本发明的目的是提供一种粗聚丙烯-玄武岩混杂纤维预制干硬性纤维混凝土，目的在于满足顶管工程混凝土的需要。

本发明的另一目的是提供一种顶管，目的在于：提供顶管的强度、减少顶管在使用过程中的裂缝。

本发明的再一目的是提供一种顶管的生产方法，目的在于：提高顶管的生产质量以及提高顶管的生产效率。

一种粗聚丙烯-玄武岩混杂纤维预制干硬性纤维混凝土，在混凝土中含有玄武岩纤维以及粗聚丙烯纤维，其中，粗聚丙烯与玄武岩的质量比在1:1～4:1之间。

进一步，粗聚丙烯与玄武岩的质量比为2:1。

进一步，每立方米混凝土中含有4kg粗聚丙烯，2kg玄武岩纤维。

进一步，每立方米混凝土含有：水泥375kg、砂850kg、粗骨料545kg、细骨料545kg、粗聚丙烯4kg、玄武岩纤维2kg、减水剂3.75kg。

进一步，粗聚丙烯的直径为0.8mm。

一种顶管，其采用前述的粗聚丙烯-玄武岩混杂纤维混凝土制成。

一种顶管的生产方法，包括以下步骤：

步骤一，拌和生产前述的粗聚丙烯-玄武岩混杂纤维预制干硬性纤维混凝土；

步骤二，顶管钢筋笼加工；

步骤三，制作钢承插口：钢承插口为钢套管；

步骤四，装模：将整体模具吊装至生产基坑内与专用底托盘锁紧定位，然后再将钢筋笼放入整体模具(内模与外模之间)内，然后定位钢套管、且将钢套管与钢筋笼焊接为一个整体；

步骤五，混凝土浇筑及芯模振动：混凝土在浇筑过程共分多层布料；第1层不振，振动从第2层浇筑开始；

步骤六：管端口碾压；

步骤七：脱模：管端口碾压完成后即混凝土浇筑完成，可即时脱模；脱模时通过专用工装连接外模，起吊时将底托模具及管道一并吊起，最开始起吊时需尽可能缓慢将模具及管道抬离地面，待吊起至芯模高度一半时，可缓慢加速起吊，底托模具整体离开芯模时即内模脱模完成，可转移至蒸养场地进行外模脱模；

步骤八：蒸汽养护：蒸汽养护过程分为静养、升温、恒温、降温四个阶段；管道脱模后在常温环境下静养时间为4h，以提高管道升温前的初始结构强度，抵抗升温阶段的热胀作用，后每小时升温不超10℃直到45℃±5℃恒温4h，再降温3h每小时降温不超10℃。

步骤九：脱底托模具及常规养护：蒸养结束后即可脱去底托模具，转场进行常规养护。

进一步，步骤一，还包括：将纤维均匀洒落在集料中，并严格控制混凝土拌合时间 为180s，确保混凝土拌合物性能满足要求；因采用干硬性混凝土，为尽量缩短振动时间，保证混凝土密实度，提高生产率，需保证拌和完成混凝土维勃稠度值满足20s～40s的要求，满足要求的混凝土方可进入布料机进行混凝土浇筑。

进一步，步骤二，还包括：在加工前，准备钢筋骨架加工设备，管材钢筋骨架加工采用滚焊机加工制作，滚焊机主要包括传动机构、旋转机构、输筋机构、焊接机构组成；

在钢筋骨架加工时，钢筋骨架按设计图纸及技术要求制作，不得采用手工绑扎成型；钢筋骨架要有足够的强度，接点牢固，不松散、不塌垮、不倾斜，无明显的扭曲变形和大小头现象；无明显的纵向钢筋倾斜或环向钢筋在接点处出现折角的现象；对滚焊接自动焊接的钢筋骨架进行检查，有漏焊、焊接脱落的焊点重新进行补焊，并及时设置拉筋和防爆筋将内外骨架连接为成品钢筋笼，并按设计图纸要求安装好预埋件，确保预埋件尺寸及位置安装无误；钢筋骨架尺寸允许偏差：直径±5mm，长度±10mm，环数+1～0环，螺距±5mm；

在对焊时，所有交叉点必须焊接牢固，邻近焊点不应有两个以上的交叉点漏焊或脱焊。整个钢筋骨架漏、脱焊点数量小于总交叉点的3％；焊后钢筋极限抗拉强度降低值应不大于原始强度的10％，焊点抗剪力不宜低于规定屈服力的0.1倍。

在钢筋搭接时，环向筋采用盘圆钢筋，采用调直机将新进场弯曲钢筋调至顺直并重新盘圆，再接入滚焊机的输筋机构自动生产，每个钢筋笼有1～2个搭接接头，接头搭接长度必须满足规范要求。

进一步，步骤三，还包括：采用等离子切割机将1m宽钢板切成3块宽332mm、长9908mm钢板，然后采用砂轮机打磨承口坡口及钢板焊接接口坡口至设计尺寸；加工完成的钢板通过卷板机加工至内径为1571mm的钢套管焊接成环，放至胀圆机内胀圆，形成内径为1571mm的标准钢套管，即钢承插口。

进一步，步骤四，还包括：将整体模具吊装至生产基坑内与专用底托盘锁紧定位，放入装上保护层定位钢筋的钢筋笼，再通过工装将粘好遇水膨胀止水条的钢套管调入模具内，需注意的是吊装钢套管前需在外模上提前装好钢套管定位梢，以定位钢套管安装位置，确保管道成型后承插口长度满足施工要求；钢套管安装到位后设置锚筋将钢套管与钢筋笼焊接为一个整体，锚筋与钢套管为线焊缝，焊缝长度必须满足设计及规范要求，同时焊接锚筋时必须保护好遇水膨胀止水条，对损坏的止水条必须及时更换。

进一步，步骤五，还包括：混凝土浇筑通过布料机旋转布料，布料机主要有主输送皮带机、回动皮带机、储存料斗、回转支架等组成，其主要作用是一层一层喂料浇筑混凝土，喂料速度可以根据需要进行调节，喂料结束后使机构回到初始位置，给下一工序腾出作业空间；

混凝土浇筑前将布料机由中位转到工作位，并调整布料半径和料仓门大小至满足生产要求，将合格混凝土拌合物放入布料机开始进行混凝土浇筑；

激振器振动的同时控制喂料速度适当调整布入模具的混凝土量，防止混凝土出现空腔降低密实度；干硬性混凝土中拌合物内水泥浆少，在低频振动作用下整体混凝土拌合物的液化程度低，混凝土拌合物流动、充填模具和密实度下降；故在混凝土入模后采用促使水泥浆液易液化的高频振动和足够的连续振动时间使干硬性混凝土拌合物充分液化，达到流动和密实混凝土的作用；

芯模振动工艺内模整体振动，生产前需确定振动参数，因整个喂料过程中从下至上始终受振，下部受振时间长，上部端口受振时间短，易使下部过振，上部缺振；而起振早造成设备空振，振动噪音大、振动器和模具易损坏，起振迟则造成下部混凝土拌合物中气体难以排尽，管壁残留气泡、麻面多；

通过生产实际情况及实验分析，以及芯模设备能达到的指标，确定浇筑过程共分8层布料，每层0.75m3混凝土，第1层不振，振动从第2层浇筑开始，振动频率为2600r/min，第3层至第5层振动频率为3200r/min，第6层至第8层振动频率为3500r/min，每层振动时间为4min。

进一步，步骤六，包括：混凝土喂料完成后，启动碾压机行走装置，将碾压架转到指定位置并锁定；启动主油缸，放下碾压盘并开始搓动碾压；

搓动碾压过程中必须保持稳定的压力；

搓动油缸一头固定在碾压架上，另一头分别固定在碾压盘的左右方向，油缸的滑塞杆作伸缩运动，实现搓动；

因混凝土浇筑过程中上部端口受振时间短，在振动时附加辗压，可有效提高端口混凝土密实度和强度，但操作中应注意缓慢、逐渐加压，加压过快易使端口钢筋骨架变形大，脱模后钢筋回弹，使端口管壁混凝土产生环裂。

进一步，步骤七，包括：管道吊至制定位置降落控制同提升控制，应尽可能缓慢下降，防止撞击造成管道损坏，待管道平稳落地后扳开外模与底托盘扣即可起吊外模，将外模与管道脱开；起吊时缓慢吊起外模，顺利脱出管高一半时，增速吊起外模完成脱模，清洗外模及芯模可开始下一节管道生产，底托模具待蒸养结束后脱模并将管道转场进行常规养护，底托模具亦可周转使用。

采用上述技术方案，与现有技术相比，优点包括以下几点。

第一，本申请首次将粗聚丙烯-玄武岩混杂纤维应用于顶管管节的制作中，能有效提升管道的耐腐蚀性，降低渗透性，提升管道的开裂荷载，抑制裂缝的产生，提高管节结构的耐久性，保证了顶管施工、运营的正常进行，对今后顶管管节制作有一定的参考和借鉴意义。

第二，本申请通过：轴拉试验应力—应变曲线、轴压试验应力—应变曲线、管节的荷载-位移曲线对比图、管节的裂缝扩展分析试验结果、裂后强度分析试验结果，等五种测试结果，得到了能够满足于顶管工程适用的粗聚丙烯-玄武岩混杂纤维预制干硬性纤维混凝土的配合比。

第三，粗聚丙烯-玄武岩混杂纤维预制干硬性纤维混凝土用于顶管工程中，尚属首次，在生产时，需要制定全新的生产工艺；具体体现在：制作钢承插口—装模(将整体模具吊装至生产基坑内与专用底托盘锁紧定位，然后再将钢筋笼放入整体模具内，然后定位钢套管、且将钢套管与钢筋笼焊接为一个整体)—混凝土浇筑及芯模振动：混凝土在浇筑过程共分多层布料(且每层振动的频率都有所不同)—管端口碾压—脱模。上述工艺均属首创(对应新的材料)。

第四，通过改进工艺，实现了纤维的均匀分散，保证了制作的纤维混凝土管节达到预期的改良效果；具体体现在：“将纤维均匀洒落在集料中，并严格控制混凝土拌合时间为180s”、“料斗升上去到搅拌仓，进行搅拌”、“芯模振动工艺内模整体振动”，来共同实现纤维的均匀分散。

第五，有效的解决了复杂地质条件下的长距离硬岩顶管施工管道生产速度、高强度管道生产质量问题，对今后干硬性混凝土管道生产具有借鉴推广作用，作为顶管施工配套使用的中间产品也同样具有广阔的市场前景。

第六，管道预制采用干硬性混凝土，相对减少水泥用量，模具投入量少且可周转使用，投入2套模具即可保证每天正常生产量大于12节管道，满足4台顶管机施工需求，确保了隧洞顶进施工正常进行。且本工法所需要的生产线短、工序简单，所需作业人员数量少，同时采用机械化施工，提高了施工进度，有效避免了材料的浪费和节约施工场地，形成了较好的经济效益。

附图说明：

图1：实施例一的8组不同的配合比的混凝土的轴拉试验应力—应变曲线。

图2：实施例一的8组不同的配合比的混凝土的轴压试验应力—应变曲线。

图3：实施例一的不同配合比下的混凝土制成的管节的荷载-位移曲线对比图。

图4：实施例一的不同配合比下的混凝土制成的管节的裂缝扩展分析试验结果。

图5：实施例一的不同配合比下的混凝土制成的管节的裂后强度分析试验结果。

图6：实施例一的顶管的生产制作方法。

具体实施方式

实施例一，对于顶管用混凝土而言，其必须要有较高的强度、较好的抗裂性能；同时，在施工时，要经受高频振捣，所以对混凝土还要有较好的粘聚性。

因此，本申请在研究配合比时，进行了：

1)纤维混凝土轴压试验；

2)纤维混凝土轴拉试验；

3)三点试验：管节荷载-位移曲线对比、管节裂缝扩展过程、裂后强度分析。

芯模振动用混凝土的粘聚性极其重要，混凝土材料的选择及配合比，均应以提高混凝土的粘聚性为主要性能要求，设计良好的混凝土应具有管身易于密实成型、良好的粘聚性、管口易于成型且密实度好、管口辗压后不出水等优点。

成型干硬性混凝土级配和砂率是影响混凝土各项性能的重要参数。室内试验选用如表1所示的试件编号进行纤维混凝土轴压、轴拉试验。(其中CF代表粗聚丙烯；BF代表玄武岩纤维)

表1 C50纤维混凝土配合比(kg/m3)

搅拌流程：①砂、石子倒入搅拌机1min，后随着搅拌同时将纤维均匀洒落；撒完后搅拌时间约2min；②水泥倒入搅拌约1min；③将水缓慢均匀倒入，搅拌时间2min左右。试件浇注后置于振动台上振捣充分，24h后脱模。脱模后，放入标准养护室进行养护。

制作100mm×100mm×300mm试件，每组3个，共24个，用于测量轴拉应力-应变曲线，试验在INSTRON-1342型电液伺服材料试验机上进行。

制作150mm×150mm×300mm试件每组3个，共24个，用于测量轴压应力-应变曲线，试验在WDYS-2000电液伺服式长柱压力试验机上进行。

然后通过室内试验，绘制轴拉、轴压应力应变曲线(即附图1-2)。

从附图1可知：发现纤维的掺入使各组试件荷载-位移曲线下降段形式不同。A0(不掺纤维)、和A2(只含玄武岩纤维)组试件曲线下降段较陡且不完整，相比较而言，混掺粗聚 丙烯-玄武岩试件(A4)峰值荷载相比于不掺纤维试件A0增大了24％，且峰值荷载后的下降 段斜率较小，试件随拉伸位移的增大，承载力基本保持不变，可以明显地看出这组试件曲线的下包面积显著大于其他组。可见，纤维的加入不仅较大地提高了混凝土的抗拉强度，也改善了混凝土的延性。

从附图2可知：纤维的掺入使各组试件轴压荷载-位移曲线下降段形式不同。A0(不掺纤维)组试件曲线下降段较陡且也不太完整，相比较而言，混掺粗聚丙烯-玄武岩试件A4 抗压峰值荷载增加了14％，且峰后的下降段斜率较小，在加载后期试件随轴压位移的增大， 承载力基本保持不变，可以明显地看出这组试件曲线的下包面积显著大于其他组。可见，纤维的加入适当地提高了混凝土的抗压强度，同时较显著地改善了混凝土受压延性。

随后，申请人又进行了三点法试验，具体而言，混凝土强度等级取C50，钢筋型号为HRB400。纵向钢筋直径与环向环向钢筋一致，均为8mm，箍筋取为6mm。纵向钢筋两端混凝土净保护层为10mm。外层混凝土保护层厚度为27mm，内层20mm。本实验结合规范，并与实际工程相结合，相关指标如表2所示。

表2 钢筋混凝土排水管配筋

共浇筑4根管节用于三点试验法，其中三根管节为纤维混凝土管，一根不添加纤维，为对照组管节。三根纤维混凝土管节配合比及掺量与前述试验A1、A2、A4配比一致，4个管节编号与前述试验编号一致。即：A0-无纤维；A1-纯粗聚丙烯；A2-纯玄武岩纤维；A4-混杂玄武岩-聚丙烯纤维(2:1)。

A0(无纤维)、A1(纯粗聚丙烯纤维)、A2(纯玄武岩纤维)、A4(混杂2:1粗聚丙烯-玄武岩纤维)试件的峰值荷载σ_D-load分别为216.4、270.7、242.3、281.7N/m/mm，相比于A0试件，A1、A2、A4试件峰值σ_D-load分别增幅25.1％、12.0％以及30.2％。从荷载位移曲线上看，单掺和混掺纤维混凝土试件的曲线变化趋势与素混凝土试件的曲线变化趋势基本一致。

如图3所示：在达到峰值σ_D-load之后，同一位移变形下A1、A2、A4试件的σ_D-load值均大于A0试件，表明管节试件进入塑性后，纤维混凝土试件较素混凝土试件的变形能力高，且能 够吸收更多的能量而表现出较好的延性和韧性，其中A4(混杂2:1聚丙烯-玄武岩纤维)＞A1 (纯粗聚丙烯纤维)＞A2(纯玄武岩纤维)＞A0(无纤维)。

如图4所示，为裂缝扩展分析试验结果：A0、A1、A2、A4试件的开裂强度σ_{D-load(0.3mm)}分别约为145、162、147、167N/m/mm，相比于A0试件，A1、A2、A4试件开裂荷载分别提高了27.6％、14.2％以及31.5％，且在达到开裂荷载后，A1、A2、A4试件随着荷载的进一步增大， 裂缝扩展的速度明显小于A0试件，这是由于纤维在裂缝出现后的桥接作用延缓了裂缝的发 展，且混杂粗聚丙烯-玄武岩纤维混凝土管节(A4试件)的裂缝增长速度最慢，表现出良好的 正混杂效应。

如图5所示，为裂后强度(描述管片在开裂后表现出来的的承载能力)分析试验结果：管节在达到峰值强度后继续加载，随着特征扰度值增大，f_PCS值逐渐降低，但是掺入玄武岩纤维和聚丙烯纤维对峰后强度有不同程度的提高。其中在同一扰度值下，单掺聚丙烯纤维(A1)的提高效果优于单掺玄武岩纤维(A2)，而混掺聚丙烯和玄武岩纤维(A4)的效果最为明显。结果表明，在特征扰度值为7％Di时，单掺玄武岩纤维可以提高f_PCS值达11.3％；在特 征扰度值为9％Di时，单掺聚丙烯纤维提高f_PCS值可达25.0％；而在特征扰度值为10％Di时， 混掺聚丙烯和玄武岩纤维可提高PCS值达36.5％。这说明峰后强度在掺入纤维后得到提高， 而且混杂粗聚丙烯—玄武岩纤维对f_PCS值呈现较优的混杂效应。

通过上述五种测试指标，为了保证选取的纤维在混凝土制备过程中不接团、发挥最优的抗拉、防渗效果，通过室内试验确定较优的纤维质量配比为粗聚丙烯：玄武岩＝2；1，且每立方米混凝土添加粗聚丙烯4kg，玄武岩2kg。

具体而言，本申请的混凝土配比如表3所示。

表3 本申请的C50混凝土配合比/(kg m^-3)

其中，粗聚丙烯：玄武岩＝2:1(质量比)，每立方米混凝土添加4kg粗聚丙烯，2kg玄武岩纤维。

表4 纤维参数表

具体而言，顶管的生产方法，其步骤如下：

第一，按照前述的配合比进行混凝土拌和：混凝土拌合质量对芯模振动工艺产品质量有重大影响，控制混凝土质量和稳定尤为重要，拌和时采用强制式拌合机拌料，并在上料前确定砂石料含水率作相应调整。将纤维均匀洒落在集料中，并严格控制混凝土拌合时间为180s，确保混凝土拌合物性能满足要求。因采用干硬性混凝土，为尽量缩短振动时间，保证混凝土密实度，提高生产率，需保证拌和完成混凝土维勃稠度值满足20s～40s的要求，满足要求的混凝土方可进入布料机进行混凝土浇筑。

第二，钢筋笼加工：

2.1钢筋骨架加工设备

管材钢筋骨架加工采用滚焊机加工制作，滚焊机主要包括传动机构、旋转机构、输筋机构、焊接机构组成。

2.2钢筋骨架制作要求：钢筋骨架按设计图纸及技术要求制作，不得采用手工绑扎成型；钢筋骨架要有足够的强度，接点牢固，不松散、不塌垮、不倾斜，无明显的扭曲变形和大小头现象。无明显的纵向钢筋倾斜或环向钢筋在接点处出现折角的现象。对滚焊接自动焊接的钢筋骨架进行检查，有漏焊、焊接脱落的焊点重新进行补焊，并及时设置拉筋和防爆筋将内外骨架连接为成品钢筋笼，并按设计图纸要求安装好预埋件，确保预埋件尺寸及位置安装无误；钢筋骨架尺寸允许偏差：直径±5mm，长度±10mm，环数+1～0环，螺距±5mm(连续10环平均值)。

2.3对焊点强度要求：

(1)所有交叉点必须焊接牢固，邻近焊点不应有两个以上的交叉点漏焊或脱焊。整个钢筋骨架漏、脱焊点数量小于总交叉点的3％。

(2)焊后钢筋极限抗拉强度降低值应不大于原始强度的10％，焊点抗剪力不宜低于规定屈服力的0.1倍。

2.4钢筋搭接要求

环向筋采用盘圆钢筋，采用调直机将新进场弯曲钢筋调至顺直并重新盘圆，再接入滚焊机的输筋机构自动生产，每个钢筋笼有1～2个搭接接头，接头搭接长度必须满足规范要求。

第三，制作钢承插口加工。

采用等离子切割机将1m宽钢板切成3块宽332mm、长9908mm钢板，然后采用砂轮机打磨承口坡口及钢板焊接接口坡口至设计尺寸。加工完成的钢板通过卷板机加工至内径为1571mm的钢套管焊接成环，放至胀圆机内胀圆，形成内径为1571mm的标准钢套管。

第四，装模：将整体模具吊装至生产基坑内与专用底托盘锁紧定位，放入装上保护层定位钢筋的钢筋笼，再通过工装将粘好遇水膨胀止水条的钢套管调入模具内，需注意的是吊装钢套管前需在外模上提前装好钢套管定位梢，以定位钢套管安装位置，确保管道成型后承插口长度满足施工要求。钢套管安装到位后设置锚筋将钢套管与钢筋笼焊接为一个整体，锚筋与钢套管为线焊缝，焊缝长度必须满足设计及规范要求，同时焊接锚筋时必须保护好遇水膨胀止水条，对损坏的止水条必须及时更换。

第五，混凝土浇筑及芯模振动。

混凝土浇筑通过布料机旋转布料，布料机主要有主输送皮带机、回动皮带机、储存料斗、回转支架等组成，其主要作用是一层一层喂料浇筑混凝土，喂料速度可以根据需要进行调节，喂料结束后使机构回到初始位置，给下一工序腾出作业空间。

混凝土浇筑前将布料机由中位转到工作位，并调整布料半径和料仓门大小至满足生产要求，将合格混凝土拌合物放入布料机开始进行混凝土浇筑。需要注意的是激振器振动的同时控制喂料速度适当调整布入模具的混凝土量，防止混凝土出现空腔降低密实度。干硬性混凝土中拌合物内水泥浆少，在低频振动作用下整体混凝土拌合物的液化程度低，混凝土拌合物流动、充填模具和密实度下降。故在混凝土入模后采用促使水泥浆液易液化的高频振动和足够的连续振动时间使干硬性混凝土拌合物充分液化，达到流动和密实混凝土的作用。芯模振动工艺内模整体振动，生产前需确定振动参数，因整个喂料过程中从下至上始终受振，下部受振时间长，上部端口受振时间短，易使下部过振，上部缺振。而起振早造成设备空振，振动噪音大、振动器和模具易损坏，起振迟则造成下部混凝土拌合物中气体难以排尽，管壁残留气泡、麻面多。

通过生产实际情况及实验分析，以及芯模设备能达到的指标，确定浇筑过程共分8层布料，每层0.75m3混凝土，第1层不振，振动从第2层浇筑开始，振动频率为2600r/min，第3层至第5层振动频率为3200r/min，第6层至第8层振动频率为3500r/min，每层振动时间为4min，振动成型制度见表5。

第六，管端口碾压。

混凝土喂料完成后，启动碾压机行走装置，将碾压架转到指定位置并锁定。启动主油缸，放下碾压盘并开始搓动碾压。需要注意的是搓动碾压过程中必须保持稳定的压力。搓动油缸一头固定在碾压架上，另一头分别固定在碾压盘的左右方向，油缸的滑塞杆作伸缩运动，实现搓动。因混凝土浇筑过程中上部端口受振时间短，在振动时附加辗压，可有效提高端口混凝土密实度和强度，但操作中应注意缓慢、逐渐加压，加压过快易使端口钢筋骨架变形大，脱模后钢筋回弹，使端口管壁混凝土产生环裂。

第七，脱模。

管端口碾压完成后即混凝土浇筑完成，可即时脱模。脱模时通过专用工装连接外模，起吊时将底托模具及管道一并吊起，最开始起吊时需尽可能缓慢将模具及管道抬离地面，待吊起至芯模高度一半时，可缓慢加速起吊，底托模具整体离开芯模时即内模脱模完成，可转移至蒸养场地进行外模脱模。管道吊至制定位置降落控制同提升控制，应尽可能缓慢下降，防止撞击造成管道损坏，待管道平稳落地后扳开外模与底托盘扣即可起吊外模，将外模与管道脱开。起吊时缓慢吊起外模，顺利脱出管高一半时，增速吊起外模完成脱模，清洗外模及芯模可开始下一节管道生产，底托模具待蒸养结束后脱模并将管道转场进行常规养护，底托模具亦可周转使用。

第八，蒸汽养护。

合理的蒸养制度是提高混凝土制品生产效率，获得高质量产品的关键。蒸汽养护过程分为静养、升温、恒温、降温四个阶段。通过生产实际情况及现场实验分析，管道脱模后在常温环境下静养时间为4h，以提高管道升温前的初始结构强度，抵抗升温阶段的热胀作用，后每小时升温不超10℃直到45℃±5℃恒温4h，再降温3h每小时降温不超10℃。通过合理预养、限制升温速度等措施减少混凝土的结构性破坏和提高管道早期强度。

必须注意的是，在蒸养前应安排经培训合格的专人负责管道脱模后的修饰工作，脱模后立即采用水泥浆抹面，且抹灰厚度控制在0.1～0.3mm，统一沿环向依次抹面，确保成品管道表面光滑，无麻面及细小孔洞等缺陷影响后期顶管施工效率。

表5 振动成型制度

第九，脱底托模具及常规养护。

蒸养结束后即可脱去底托模具，转场进行常规养护，但是脱模时必须注意松底托螺栓的力度和打开底托模具的速度、方向和力度，以保护插口不被破坏。

管道转场吊装同脱内、外模，必须缓慢、平稳提升和降落，落地前必须在管道底部垫设4个轮胎，以减轻管道落地时的冲击，保护管道插口端无任何损坏。管道转场完成后即开始常规养护，常规养护采用自动喷淋系统进行晒水养护，养护次数根据当天的环境和温度决定，要求为管道表面始终处于湿润转态，且总养护时间不少于14d，

实施例一提出的技术方案成功应用于重庆市观景口水利枢纽工程EPC总承包二标段预制场管道生产。观景口项目预制场暂定生产管道总量为4920节，共投入2套芯模模具及配套设备，共生产合格管道3842节，正常生产可实现50min生产1节管道，满足4台顶管机施工管道需求。

观景口项目已完成顶管施工8090m，即已使用观景口项目预制场生产管道8090m共3476节，其中观景口项目3#隧洞总长3224m，采用对顶施工，3-1#隧洞顶管施工1522m，3-2#隧洞顶管施工1702m，均采用观景口项目预制场生产干硬性混凝土预制管，现已实现全洞贯通，创造硬岩顶管施工长度世界纪录。3#隧洞顶管施工期间最大顶力大于20000kN，观景口项目预制场生产管道未出现任何质量问题，完全满足顶管施工要求，为观景口项目创造硬岩顶管施工世界纪录打下坚实基础。

实施例一的方法在观景口项目的运用情况证明芯模振动预制干硬性混凝土管道 技术可实现管道高效生产和高质量的要求，较传统制管工艺优点显著，在顶管施工方法不 断推广的前提下，作为顶管施工配套使用的预制管道也同样具有广阔的市场前景，而芯模 振动预制干硬性混凝土管施工方法因其高度自动化、文明生产、工序简单等诸多优势，具有 较高的推广应用价值。

,以上已详细描述了本方面的较佳实施例，但应理解到，在阅读了本发明的上述讲授内容后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改。这些等价形式同样落入本申请所附权利要求书的保护范围中。

Claims (10)

1.一种粗聚丙烯-玄武岩混杂纤维预制干硬性纤维混凝土，其特征在于，在混凝土中含有玄武岩纤维以及粗聚丙烯纤维，其中，粗聚丙烯与玄武岩的质量比在1:1～4:1之间。

2.如权利要求1所述的一种粗聚丙烯-玄武岩混杂纤维预制干硬性纤维混凝土，其特征在于，粗聚丙烯与玄武岩的质量比为2:1。

3.如权利要求1所述的一种粗聚丙烯-玄武岩混杂纤维预制干硬性纤维混凝土，其特征在于，每立方米混凝土中含有4kg粗聚丙烯，2kg玄武岩纤维。

4.如权利要求3所述的一种粗聚丙烯-玄武岩混杂纤维预制干硬性纤维混凝土，其特征在于，每立方米混凝土含有：水泥375kg、砂850kg、粗骨料545kg、细骨料545kg、粗聚丙烯4kg、玄武岩纤维2kg、减水剂3.75kg。

5.如权利要求1所述的一种粗聚丙烯-玄武岩混杂纤维预制干硬性纤维混凝土，其特征在于，粗聚丙烯的直径为0.8mm。

6.一种顶管，其采用如权利要求1至5任意一项所述的粗聚丙烯-玄武岩混杂纤维混凝土制成。

7.根据权利要求6所述的一种顶管的生产方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，拌和生产前述的粗聚丙烯-玄武岩混杂纤维预制干硬性纤维混凝土；

步骤二，顶管钢筋笼加工；

步骤三，制作钢承插口：钢承插口为钢套管；

步骤四，装模：将整体模具吊装至生产基坑内与专用底托盘锁紧定位，然后再将钢筋笼放入整体模具内，然后定位钢套管、且将钢套管与钢筋笼焊接为一个整体；

步骤五，混凝土浇筑及芯模振动：混凝土在浇筑过程共分多层布料；第1层不振，振动从第2层浇筑开始；

步骤六：管端口碾压；

步骤七：脱模：管端口碾压完成后即混凝土浇筑完成，可即时脱模；脱模时通过专用工装连接外模，起吊时将底托模具及管道一并吊起，最开始起吊时需尽可能缓慢将模具及管道抬离地面，待吊起至芯模高度一半时，可缓慢加速起吊，底托模具整体离开芯模时即内模脱模完成，可转移至蒸养场地进行外模脱模；

步骤八：蒸汽养护：蒸汽养护过程分为静养、升温、恒温、降温四个阶段；管道脱模后在常温环境下静养时间为4h，以提高管道升温前的初始结构强度，抵抗升温阶段的热胀作用，后每小时升温不超10℃直到45℃±5℃恒温4h，再降温3h每小时降温不超10℃；

步骤九：脱底托模具及常规养护：蒸养结束后即可脱去底托模具，转场进行常规养护。

8.根据权利要求7所述的一种顶管的生产方法，其特征在于，步骤四，还包括：将整体模具吊装至生产基坑内与专用底托盘锁紧定位，放入装上保护层定位钢筋的钢筋笼，再通过工装将粘好遇水膨胀止水条的钢套管调入模具内，需注意的是吊装钢套管前需在外模上提前装好钢套管定位梢，以定位钢套管安装位置，确保管道成型后承插口长度满足施工要求；钢套管安装到位后设置锚筋将钢套管与钢筋笼焊接为一个整体，锚筋与钢套管为线焊缝，焊缝长度必须满足设计及规范要求，同时焊接锚筋时必须保护好遇水膨胀止水条，对损坏的止水条必须及时更换。

9.根据权利要求7所述的一种顶管的生产方法，其特征在于，步骤五，还包括：混凝土浇筑通过布料机旋转布料，浇筑过程共分8层布料，第1层不振，振动从第2层浇筑开始，振动频率为2600r/min，第3层至第5层振动频率为3200r/min，第6层至第8层振动频率为3500r/min，每层振动时间为4min。

10.根据权利要求7所述的一种顶管的生产方法，其特征在于，步骤六，包括：混凝土喂料完成后，启动碾压机行走装置，将碾压架转到指定位置并锁定；启动主油缸，放下碾压盘并开始搓动碾压；

搓动碾压过程中必须保持稳定的压力；

搓动油缸一头固定在碾压架上，另一头分别固定在碾压盘的左右方向，油缸的滑塞杆作伸缩运动，实现搓动；

因混凝土浇筑过程中上部端口受振时间短，在振动时附加辗压，可有效提高端口混凝土密实度和强度，但操作中应注意缓慢、逐渐加压，加压过快易使端口钢筋骨架变形大，脱模后钢筋回弹，使端口管壁混凝土产生环裂。

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