承插式胶圈预置型钢筋混凝土排水管的研制开发

隧道网 www.stec.net(2005-9-18) 来源：隧道网

摘 要：本文介绍了利用立式挤压振动工艺，设计和开发承插式胶圈预置型钢筋混凝土排水管的方法，并将这种新的柔性接口排水管与传统的胶圈套装型钢筋混凝土排水管作比较，新产品具有接口密封止水性能更加优良可靠，施工更加方便的特点，将成为柔性接口型式的一个新的发展方向。 关键词：胶圈预置型、钢筋混凝土排水管、倒楔型橡胶圈、立式挤压振动工艺

1 前言

混凝土和钢筋混凝土排水管在城市市政建设中扮演着越来越重要的角色。随着排水管行业的发展，管材接口型式已逐步由过去的刚性接口过渡为柔性接口，柔性接口管材在管道快速施工和抵抗地基不均匀沉降方面有着刚性接口管不可比拟的优势。传统的柔性接口管一般采用施工时先将橡胶圈套装到管子插口上后再对接施工，且承插式管多数采用“O”型橡胶密封圈。通过橡胶圈断面发生35％左右的压缩变化，最终使橡胶圈在接口中处于一定压应力的状态，以此达到密封止水效果。由于受到管材接口工作面尺寸精度、工作面表面质量、橡胶圈安装过程中的跑位、橡胶圈的实际压缩率和施工质量等因素的影响，有时仍会发生接口渗漏水的现象。如果想提高接口的密封止水效果和可靠性，一个最容易想到的方法就是增加橡胶圈的压缩率，但这势必会增加橡胶圈压缩后对承口部分混凝土的作用力，掌握不当会造成管材承口部分混凝土开裂。而且橡胶圈在大压缩率状态下工作，会产生更大的永久变形，更容易老化，而降低了使用寿命。因此如何提高钢筋混凝土管材接口的密封止水性能一直是排水管行业工程技术人员努力研究的课题。 我厂受到国外资料的启发，利用上世纪八十年代从美国引进的立式挤压振动工艺(PH—48工艺)，自主研制开发了承插式胶圈预置型钢筋混凝土排水管(以下简称PHS管)，彻底改变了传统的柔性接口密封型式，将橡胶圈直接成型到管子承口上，采用倒楔型橡胶圈。不仅提高了PH一48管材接口的密封止水性能，而且施工更加方便。 2 产品设计

2.1 产品规格和外形尺寸

我厂原有的PH-48工艺生产Φ600、Φ800、Φ1000、Φ1200四种规格的管材，我们新开发的PHS管作为原有产品的升级产品，充分利用原有的工艺设备， 因此新开发产品的公称内径、壁厚和有效长度等仍维持原有产品的尺寸，PHS管的外形和主要几何尺寸见图1和表1：

图1 PHS管主要几何尺寸

表1 PHS管主要几何尺寸 单位：mm

PHS管的改进设计之处为：将橡胶圈预先埋置于管子的承口内，采用倒楔型橡胶圈，合理设计橡胶圈露出部分的高度和埋人部分的锚固形式。取消了原有PH—48管子插口处的橡胶槽。 2.2 接口设计

接口设计是开发该种管材的关键。要综合考虑各种因素，如橡胶圈的压缩率、橡胶圈的截面形状、橡胶圈的锚固型式和位置、橡胶圈的自然展开长度、用胶量的多少、成型的方便性、密封止水的可靠性等等。最初我们参照奥地利的资料，将承口部分设计成整体橡胶带，设两道楔形齿。虽然我们认为制作成型不存在问题，且可利用原有的承口底模，设备改造工作量小、投资少，密封止水效果好，但用胶量太大，产品成本上升较多。我们在此基础上改进橡胶圈的截面形状，大大缩减用胶量，改进设计橡胶圈的锚固型式和位置。最终定型的设计与我们后续收集到的德国该类型管材的资料可以说是不谋而合，二者在设计原理上是相通的。但我们的设计更为经济，用胶量更少，且采用立式挤压振动成型，比德国采用芯模振动成型难度更大。 PHS管接口尺寸见图2和表2：

图2 PHS管接口尺寸

表2 PHS管接口尺寸 单位：mm

承口部分设计：合理设计橡胶圈的截面形状，橡胶圈高度设计为1 8mm，其中齿高1 0mm，齿前部设计一定的延伸段，防止橡胶圈翻转。承口总长度同原有PH管材，设计橡胶圈在承口部位的埋置位置，在2处设置了锚固措施。

插口部分设计：充分利用原有PH管的插口钢帽，取消了原PH管插口部分的橡胶槽，设计成一平滑段，斜度仍保留1°50′，插口总长度同原有PH管材。

橡胶圈自然展开长度选择：结合该产品的成型工艺，为防止橡胶圈在成型过程中跑位，橡胶圈应处于一定的张紧状态并采取适当的定位措施，因此橡胶圈的自然展开长度的选择也较关键，初步选择一合适的收缩率，通过实际试制成型再作适当调整。

接口橡胶圈压缩率：管子对接后按橡胶圈齿部被压倒的高度计算压缩率， 四种规格PHS管均设计为33.1％，略低于原有PH管橡胶圈的压缩率(36.6％)。由于预置橡胶圈采用倒楔形，其齿部具有反向止水作用，且橡胶圈埋置于混凝土内的部分处于三面约束状态，这有利于在低压缩率情况下提供较高的止水性能。

预置橡胶圈的物理力学性能：橡胶圈选用耐天侯老化和耐腐蚀性能好的胶料，如氯丁橡胶、三元乙丙橡胶等制作而成，其物理力学性能与普通柔性接口管用橡胶圈相同。 2.3 产品结构设计

PHS管采用与原PH管相同的结构配筋，其设计原则如下： a．混凝土强度等级采用C35。

b．钢筋采用CRB550或CRB650冷轧带肋钢筋，其强度必须逐盘检验。 c．采用裂缝控制宽度为0.2mm。

d．管道设计时土基的支承角按120°计。

e．设计时地面荷载按汽车—超20级或10kN/m2堆载计。

f．管道的内水压检验压力Φ600～Φ1000按0.10MPa计，Φ1200按0.11MPa计。 g．管道管顶覆土厚度Φ600～Φ1000为0.7m～4.0m，Φ1200为0.7～4.5m。 3 设备配套改造

我们在研制开发之初就考虑要充分利用原有PH管生产条件及工艺装备，因此在产品设计时就尽可能考虑这一点。

PH-48制作工艺采用的是立式径向挤压加承口振动快速脱模工艺，为了保证承口、插口工作面的精度，承口、插口均带有定型模具，蒸养后才脱去。我们在开发PHS管时，仍采用这一工艺，因此成型主机无需改造，钢模也可直接利用，仅需对插口钢帽和承口底模进行改造。 插口钢帽：利用原有的插口钢帽，拿掉其中的一条钢带即可。

承口底模：为了适应预置橡胶圈的放置与定位，承口底模重新进行了设计， 既要考虑橡胶圈的定位可靠，又要方便拆模。 4 产品试制

4.1 混凝土及钢筋骨架准备

混凝土采用与原有PH管相同的配方，混凝土强度等级C35，混凝土要适应于立式挤压工艺成型，工作度控制在2 5秒左右。

根据产品结构设计图纸加工钢筋骨架，采用连续螺旋焊接骨架。 4.2 橡胶圈的安放

橡胶圈要预先安放到准备好的承口底模上，并采用可靠的措施加以定位。最初定位填充料我们采用泡沫塑料板裁制，并用封箱胶带箍扎，能起到较好的定位效果，成本低，但工序繁琐，效率低。后经改进采用橡胶带定位圈代替，效果良好。 4.3 制管工艺技术参数的选择

立式挤压振动成型的工艺技术参数有承口振动时间、主轴空车转速、主轴提升速度和十字头油泵站输出压力等几项，由于PHS管除了承口部分外，其它部分与原有PH管基本相同，因此我们仍采用原有的工艺参数进行试制，根据试制情况再作适当调整。 4.4 试制成型

根据立式挤压振动成型工艺，承口部分采用振动成型，由主机下部可升降的振动台提供振动力，管身部分采用立式径向挤压成型，由主机主轴下端挤压头上的一组挤压轮提供径向挤压力。混凝土混合料由皮带加料机给料，从管模中心部位沿主轴从上而下加入。开始成型时，放下主轴，升起振动台，托牢承口底模，喂入混凝土料，振动台托着承口底模边转动边振动成型承口；承口成型结束后，振动台下降，此时主轴边转动边提升，挤压成型管身。

在充分准备的基础上，PHS管的试制还是经过几次反复，从初步试制到改进提高再到总结完善，其中有些实践经验值得总结：

① 为了保证承口底模上固定的橡胶圈在成型过程中不产生移位，关键是控制橡胶圈的合理收缩率，收缩率太小容易松动移位，收缩率太大，将会增加蒸养后脱去底模时的退出阻力，造成脱模时损坏承口。此外，橡胶圈必须借助于定位填充料(泡沫塑料或橡胶带)才能稳定在承口底模上，橡胶

带定位圈虽可反复使用，但一旦老化变形，定位不准时应及时更换。 ② 承口部分成型是关键，此部分的混凝土可适当偏潮些，加料速度与加料量的配合需恰到好处。 ③ 成型承口的振动台必须保证将承口底模托起2—3mm，这样才能保证振动力充分传递到承口底模上，确保混凝土振动密实。

④ 承口部分成型是边转动边振动成型。根据试制经验，应将振动时间适当延长，将转动时间缩短到振动时间的一半左右。因为随着混凝土的逐渐振动密实，转动的力易使套在承口上的橡胶圈发生移动，使橡胶圈定位不准。

⑤ 钢筋骨架承口直段部分直径应适当加大，保证橡胶圈周围混凝土混合料更容易进入。 ⑥ 严格执行合理的工艺技术参数，确保产品质量。 5 产品质量检验

根据GB/T11 836的要求，我们对试制产品的质量进行了严格的检验，将检验结果与国家标准、本厂的企业标准相对照，产品质量达到了相应的标准要求。

为了验证PHS管接口的密封止水性能，我们对试制100多节的PHS管全部进行了耐水压检验，试验压力提高到0.17—0.2MPa，除了2节橡胶圈产生移位的管子中一节接口发生渗漏外，其余接口密封止水性能全部合格。

PHS管与传统的柔性接口管在接口成型方式上的不同，使我们感觉到在按照国标规定的项目进行产品质量检验时，应突出以下几个重点：

① 外观质量：重点检验承口部分的质量，检查橡胶圈是否跑位，混凝土是否密实，是否存在影响密封止水性能的缺陷。

② 尺寸与尺寸偏差：重点检验承口工作面的尺寸。承口预置了橡胶圈，其工作面正好是橡胶圈所处位置，此处工作面直径难以测量准确。应选择一相近的不变形的点作为测量控制点，来检验工作面直径精度。我们选择如图2中的D2作为承口控制直径，同时用图2中的14的偏差值来控制橡胶圈的定位位置。

③ 耐水压检验：为突出PHS管接口止水性能的优点，可检验管子接口在一定的拔出量和转角情况下的抗渗性能。 6 产品特点

PHS管与传统的胶圈套装型柔性接口钢筋混凝土排水管相比，具有如下特点：

① 接口密封止水性能优良：a．橡胶圈预置在管子承口内，将偶然误用橡胶圈的可能性降低为零：b．采用预置倒楔型橡胶圈，只有一个面为接触面，降低了漏水概率50％；c．倒楔型橡胶圈，具有反向止水功能，可在压缩率较低的情况下提供较高的密封止水性能。

② 接口更加可靠：a．橡胶圈预置在管子承口内，避免了橡胶圈的翻转、爬台现象； b．接口对地基的变形有较强的适应性，可在更大的转角和拔出量的情况下保证接口不渗漏；c．倒楔型橡胶圈还可增加退出阻力，使接口不易松动滑出，保证接口对接到位。

③ 提高了橡胶圈的使用寿命：橡胶圈在较小的伸长率和较低的压缩比状态下工作，使用寿命会更长。

④ 施工更加方便：a．施工时省去了套装橡胶圈的一道工序，对接插入即可，更加方便、迅速；b．倒楔型齿较传统的套装型接口用的“O”型或楔型橡胶圈，更容易滑动，对接时所需轴向拉力将更小，便于对接施工。

PHS管虽然具有如上优点，但也存在一些不足。首先是存放时间不宜过长，时间过长橡胶圈易老化，在规定存放期间橡胶圈部位不要长时间受阳光直接照射，如无法避免，应采取保护措施，可用黑色塑料胶带粘贴封闭橡胶圈外露部分。其次，与我厂原有PH管相比，用胶量约为原来的2.5倍，带来成本上升。 7 结语

PHS管是我厂利用立式挤压振动工艺自主研制开发的新产品，产品外形美观，接口密封更加可

靠，密封止水性能优良，施工更加方便、迅速，是传统胶圈套装型柔性接口管的升级产品，已于2002年12月份通过了上海市新产品鉴定。该产品应用于上海市曹家堰路、红宝石路等排水工程，受到了建设和施工单位好评。该种管材新型的接口型式将成为柔性接口管材接口型式的一个新的发展方向。

上海市第二市政工程有限公司

(田培云)