PHC管樁樁身強(qiáng)度影響因素分析

侯學(xué)周 王 強(qiáng) 曹文輝

（1.陜西有色萬通建材有限公司，陜西 西安 710300；2.中國有色金屬工業(yè)西安勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710054）

預(yù)應(yīng)力混凝土管樁（PC管樁）指采用離心成型的采用先張法或后張法制成的一種空心筒體細(xì)長混凝土預(yù)制構(gòu)件，當(dāng)樁身混凝土抗壓強(qiáng)度等級不低于C80時(shí)，稱為高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力混凝土管樁（PHC管樁）。與混凝土灌注樁相比，其生產(chǎn)工藝決定了PHC管樁具有單樁承載力高、現(xiàn)場施工簡便、成樁靈活、檢測隨機(jī)性強(qiáng)、成本低、施工速度快捷及環(huán)保性好等特點(diǎn)［1］并且可適用于抗震設(shè)防烈度8度的地區(qū)，在深基礎(chǔ)及地基處理市場得到了快速的發(fā)展。行業(yè)內(nèi)對PHC管樁進(jìn)行了大量的研究，余洋［1］分析了當(dāng)前預(yù)應(yīng)力管樁的設(shè)計(jì)理論并將其在某項(xiàng)目中的應(yīng)用進(jìn)行了對比分析，證明了設(shè)計(jì)理論的合理性；鄒文崗等［2］分析了管樁樁身混凝土抗壓強(qiáng)度、有效預(yù)應(yīng)力和樁身截面面積等因素對于單樁承載能力的影響程度，強(qiáng)調(diào)了預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的應(yīng)用需綜合考慮符合設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工等方面的要求；蒙亮宇［3］通過靜態(tài)抗壓實(shí)驗(yàn)和SHPB壓桿沖積實(shí)驗(yàn)對于橡膠改性免蒸壓管樁混凝土抗沖擊性能進(jìn)行了研究。PHC管樁在作為深基礎(chǔ)或一種地基處理手段應(yīng)用時(shí)，其樁體強(qiáng)度遠(yuǎn)高于地基土體，樁土應(yīng)力比一般介于10～25之間［4］，屬于剛性樁，因此其樁身強(qiáng)度就成為決定PHC管樁基礎(chǔ)質(zhì)量的一個(gè)關(guān)鍵因素。

1 生產(chǎn)工藝概述

1894年Hennebigue發(fā)明了預(yù)制混凝土樁，至今已百年歷史。1920年澳大利亞人W.R.Hume發(fā)明混凝土離心法生產(chǎn)工藝。1925年日本引進(jìn)該項(xiàng)技術(shù)，于1934年研制出離心砼樁（RC樁）。1962年日本開發(fā)了預(yù)應(yīng)力混凝土管樁（PC樁）。1967～1970年日本開發(fā)出預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁（PHC樁）。我國1944年開始生產(chǎn)鋼筋砼離心管樁（RC樁），1969年豐臺橋梁廠開發(fā)生產(chǎn)預(yù)應(yīng)力混凝土管樁（PC樁），1981年香港由日本人設(shè)廠生產(chǎn)預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)管樁 （大同樁），1984年廣東建立第一家預(yù)應(yīng)力管樁的生產(chǎn)廠，1988年原交通部三航局全套引進(jìn)日本設(shè)備和技術(shù)生產(chǎn)PHC管樁，1990年廣東南方和鴻運(yùn)管樁廠部分引進(jìn)日本設(shè)備和技術(shù)生產(chǎn)PHC管樁。1987年我國PHC管樁的年產(chǎn)量不足50萬m，目前我國的年產(chǎn)量可以達(dá)到30000萬m。全國有預(yù)制樁生產(chǎn)企業(yè)近500余家，相關(guān)企業(yè)300余家，形成的混凝土預(yù)制產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)值可以達(dá)到300億元［5］。

經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，目前成熟的PHC管樁的主要生產(chǎn)工藝流程見圖1。

圖1 PHC管樁生產(chǎn)工藝示意圖

2 樁身強(qiáng)度影響因素分析

從PHC管樁的生產(chǎn)工藝流程可以看出，原材料、配合比、離心成型、蒸汽養(yǎng)護(hù)等各個(gè)因素均會不同程度的影響樁身強(qiáng)度。

2.1 水灰比

在水泥標(biāo)號相同且配合比相同的前提下，混凝土抗壓強(qiáng)度一般隨水灰比的減小有規(guī)律的增大，同時(shí)混凝土的塌落度減小，和易性變差，流動性降低。

當(dāng)水灰比過大時(shí)，混凝土塌落度大，和易性好，流動性好，易于振搗密實(shí)，但容易產(chǎn)生離析和泌水，影響混凝土抗壓強(qiáng)度，同時(shí)混凝土的Ca（OH）2含量相對較低，CO2擴(kuò)散阻力相應(yīng)較低，較容易進(jìn)入混凝土體內(nèi)，加快混凝土碳化速度，降低混凝土的抗壓強(qiáng)度。

反之，水灰比較小時(shí)一般混凝土的抗壓強(qiáng)度會較高，但水灰比也不是愈小愈好，當(dāng)水灰比過小時(shí)，水泥漿過于干稠，混凝土膠體和晶體的材料不能充分形成，混凝土和易性差，混凝土振搗、密實(shí)很困難，如果在混凝土充分硬化后未水化水泥再遇水發(fā)生水化作用，水化產(chǎn)物造成的膨脹應(yīng)力作用便有可能造成樁身的開裂。但PHC管樁均采用離心成型，較振搗法更容易讓混凝土密實(shí)，因此較小水灰比不易產(chǎn)生對樁身強(qiáng)度的不利影響。

2.2 細(xì)骨料

PHC管樁混凝土的細(xì)骨料一般采用天然砂，也有少量工藝采用人工砂或混合砂，砂對PHC管樁抗壓強(qiáng)度的影響主要體現(xiàn)在顆粒級配及含泥量方面。

砂粒徑越小，總表面積越大。在混凝土中，砂的表面由水泥漿包裹，砂的總表面積越大，需要的水泥漿越多。當(dāng)混凝土拌合物的流動性要求一定時(shí)，顯然用粗砂比用細(xì)砂所需水泥漿為省，且硬化后水泥石含量少，可提高混凝土的密實(shí)性，但砂粒過粗，又使混凝土拌合物容易產(chǎn)生離析、泌水現(xiàn)象，影響混凝土的均勻性，所以，PHC管樁混凝土的砂，不宜過細(xì)，也不宜過粗。而砂的顆粒級配是指粒徑大小不同的砂相互搭配的情況。級配好的砂應(yīng)該是粗砂的空隙被細(xì)砂所填充，使砂的空隙達(dá)到盡可能的小。這樣不僅可以減少水泥漿的用量，節(jié)約成本，還可以使混凝土的密實(shí)度提高，強(qiáng)度和耐久性加強(qiáng)。

2.3 粗骨料

粗骨料一般采用卵石或者碎石，其對樁身抗壓強(qiáng)度的影響主要體現(xiàn)在表面粗糙度、石料抗壓強(qiáng)度及顆粒級配方面。

當(dāng)粗骨料表面粗糙度不足過于光滑時(shí)，會顯著影響粗骨料與細(xì)骨料及水泥的黏接性，從而降低樁身抗壓強(qiáng)度；當(dāng)石料的抗壓強(qiáng)度不滿足要求，特別是風(fēng)化石等軟弱顆粒含量增多時(shí)，樁身承受荷載時(shí)，一般樁身混凝土的破壞就以這里展開，在觀察試塊的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)后的斷裂面時(shí)可以清晰的看到軟弱石被壓斷的痕跡，針片狀碎屑偏多；當(dāng)粗骨料的級配不良時(shí)，粗骨料顆粒間空隙會增大，可能局部出現(xiàn)疏松、空洞，混凝土的密實(shí)程度較差，進(jìn)而影響樁身強(qiáng)度。

2.4 減水劑

減水劑具有減水及增強(qiáng)作用，可用于改善混凝土的和易性、粘稠性。當(dāng)在相同的砂、石配合比條件下，如有相同的坍落度和強(qiáng)度要求，當(dāng)摻有高效減水劑時(shí)，可明顯的減少水泥用量，減少拌和用水量，且能使水泥石中毛細(xì)孔變小，提高混凝土強(qiáng)度。

但減水劑的不當(dāng)使用并不能提高樁身抗壓強(qiáng)度，減水率不合格會造成用水量增加影響強(qiáng)度；固體含量過低會造成用量增加；與水泥的匹配度不夠會造成砼料的和易性差以及砼料不穩(wěn)定，增加操作難度，不利于對樁身強(qiáng)度的控制。

2.5 蒸汽養(yǎng)護(hù)

為了在較短的時(shí)間內(nèi)，使樁身達(dá)到規(guī)定的強(qiáng)度指標(biāo)，PHC管樁會在脫模前后分別進(jìn)行常壓蒸養(yǎng)和壓蒸養(yǎng)護(hù)兩道工序，蒸汽養(yǎng)護(hù)過程分為靜養(yǎng)、升溫、恒溫、降溫四個(gè)階段。蒸汽養(yǎng)護(hù)在提高水泥水化硬化速度的同時(shí)，對混凝土力學(xué)性能也產(chǎn)生了一定的影響［6］。

在蒸汽養(yǎng)護(hù)過程中，靜養(yǎng)和較慢的升、降溫，這對混凝土發(fā)育完整性有好處，避免或減少混凝土微觀缺陷，對最終強(qiáng)度有利。適當(dāng)延長靜養(yǎng)時(shí)間對高強(qiáng)混凝土后期物理力學(xué)性能有促進(jìn)作用，延長恒溫時(shí)間和提高恒溫溫度均增加水化產(chǎn)物的粗短纖維狀晶體數(shù)量而提高早強(qiáng)，但易增加未水化顆粒周圍的屏蔽膜，影響混凝土后期強(qiáng)度的增長［7］；當(dāng)升溫及降溫時(shí)間過短、恒壓及降壓時(shí)間不滿足要求時(shí)，會嚴(yán)重影響混凝土質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)會造成樁身環(huán)向及縱向的裂縫產(chǎn)生。

2.6 離心成型

離心成型對于制造PHC管樁來說是一道非常重要的工序，它直接影響管樁的樁身強(qiáng)度和沿整根管樁長度的混凝土的均勻性，其可以避免振搗的不利因素，顯著提高混凝土的密實(shí)度，從而提高混凝土的強(qiáng)度。離心成型可分為低速階段（均勻布料）、低中速1階段、低中速2階段、中高速階段及高速階段（離心密實(shí)）等5個(gè)階段，當(dāng)離心成型工藝選擇不當(dāng)時(shí)，會顯著影響樁身強(qiáng)度或造成樁內(nèi)分層現(xiàn)象。當(dāng)離心過程中中低速過快或時(shí)間過短會引起樁頭空洞或混凝土做空；當(dāng)離心高速轉(zhuǎn)度過大，或離心時(shí)間過長，混凝土混合物中的固相顆粒已搭成固定骨架，粗骨料間的水泥砂漿仍在離心力的作用下能夠繼續(xù)離心沉降，大砂粒向外沉，中間是中細(xì)砂粒，最里邊是水泥漿層和水膜，形成粗砂漿層、細(xì)砂漿層、水泥漿和水膜，形成顯著的分層現(xiàn)象，也會不同程度降低樁身強(qiáng)度。

3 結(jié)語

基于PHC管樁受力特點(diǎn)，PHC管樁屬于剛性樁，因此PHC管樁樁身強(qiáng)度是決定管樁基礎(chǔ)質(zhì)量的一個(gè)關(guān)鍵因素，影響樁身強(qiáng)度的主要有水灰比、細(xì)骨料質(zhì)量、粗骨料質(zhì)量、減水劑、蒸汽養(yǎng)護(hù)工藝及離心成型工藝等幾個(gè)方面的因素。在充分了解以上各因素的影響效果的基礎(chǔ)上，即明確了PHC管樁生產(chǎn)過程中質(zhì)量控制重點(diǎn)，可為行業(yè)內(nèi)同類型生產(chǎn)企業(yè)提供參考。