预应力混凝土管桩生产过程中几个问题的探讨

摘　要：结合生产实践，阐述了离心混凝土的特点。管桩混凝土配合比的设计，离心工艺参数以及蒸(压) 养护条件的选定及其理论依据，生产过程中应注意的一些问题等。

关键词：离心混凝土；高强管桩；蒸(压) 养护

    预应力混凝土管桩作为一种新型的工程基桩，近几年来在我国发展很快，在制作工艺流程和设备技术上也日趋成熟。但在生产过程中，由于某种主观或客观因素的影响，管桩产品也往往会出现一些外观和内在质量的缺陷和不足。尤其在桩身竖向承载力上。在桩基施工中，打裂、打断管桩的现象时有发生。本文针对在管桩生产中影响产品质量的几个关键性问题进行探讨。

1 　预拌混凝土^[1]

    混凝土的原材料主要有水泥、骨料、外加剂、水和掺合物等。原材料是提高混凝土和管桩质量的第一要素，亦是质量监控的第一关口。原材料质量的好坏，直接影响混凝土的性能和产品质量的稳定性。为此必须予以高度重视。

    a) 水泥：优先采用强度等级不低于42.5 的硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥。水泥的安定性必须合格且与所用的减水剂相容性好，水泥胶砂强度必须达到要求且有一定的富余量。

    b) 骨料(砂、石) ： 在混凝土中骨料约占混凝土体积的70 %。它在混凝土中起着骨架作用，可使混凝土比单独的水泥浆具有更高的体积稳定性和更好耐久性。骨料中如石粉和泥质含量偏高会直接影响到混凝土拌合物的和易性，给离心效果带来不利影响。

    砂：采用细度模数为2.3～3.4 洁净天然中砂，级配以Ⅱ区为好，含泥量≤3.0 % ，使用河砂时切忌贝壳含量太多(可参考轻物质指标) 。

    碎石：颗粒形状以接近圆形的多面体或方形最好。最大粒径不大于25 mm(薄壁管桩粒径不宜大于20 mm) 且以连续级配为好。针片状颗粒含量< 5 % ，石粉含量< 3.0 % ，含泥量< 0.5 % ，抗压强度大于水泥石强度的1.5 倍以上。在生产实践中，碎石的级配不好，粒径偏大，针片状含量多，往往是造成管桩内壁露石的主要原因。

    骨料中石粉和泥质含量高对混凝土管桩质量影响很大。因为石粉的主要成分多为石英及难溶的碳酸盐矿物，往往可在骨料表面形成包裹层，妨碍骨料与水泥石的粘结或以松散的颗粒出现，增大了表面积，增加了需水量。泥土多为一些粘性物质所组成，遇水后体积膨胀对混凝土起破坏作用。

    c) 外加剂：减水率> 18 % ，且与水泥的适应性强，对钢筋无锈蚀作用，匀质性好。严禁使用氯盐类外加剂。

    d) 水：采用自来水或洁净的河水，严格控制氯化物和硫酸盐含量，不得使用海水。

    e) 掺合料：常用有粉煤灰、矿粉、磨细石英砂等。掺合料的活性一般比水泥小，早期强度较低。但在碱性介质和硫酸盐的激发下可增大其活性(二次水化反应) ，对混凝土的后期强度有利。此外，掺合料还可以改善混凝土性能，提高强度。

    管桩生产中混凝土的养护一般都在较高温度条件下进行，更有利掺合料的使用。    对管桩生产而言，原材料中还有钢筋。预应力主筋宜采用预应力混凝土用钢棒， 强度标准值1420MPa ， 松弛率≤2.5 % ，伸长率≥5 %。螺旋箍筋宜采用冷拔低碳钢丝( <b ) ，最大力下总伸长率( L0 = 200) 不小于1.5 % ，弯曲次数(次/ 180°) 不小于4 次。

2 　管桩混凝土配合比的设计^[2]

    预应力管桩生产，按工艺要求必须采用离心成型方法，而离心混凝土有其固有的特性。

    a) 离心混凝土体积缩小10 %～20 %；

    b) 容重增加8 %左右， 离心后混凝土密度2650 ～2700 kg/ m³ ；

    c) 水泥损失5 %～8 %；

    d) 挤出水量20 %～30 %；

    e) 离心混凝土强度等级比一般振实混凝土约提高20 %～30 %。

    此外，管桩混凝土要求水胶比小(一般在0.30～0.32 之间) 。坍落度也较低3～6 cm。鉴于上述特点，管桩混凝土配合比的设计，可按普通混凝土设计步骤进行，在得出每立方米原始混凝土的材料用量以后(即基本配比) ，再乘以一个离心调整系数(1.08) 或离心混凝土出料系数。最后得出每立方米制品的材料用量。

    计算公式： Q′= QPKb 。

    式中： Q′———每立方米制品的材料用量；
              Q ———每立方米原始混凝土的材料用量；
              Kb ———离心混凝土出料系数。
     与水泥用量有关。C = 600 kg/ m3 时， Kb = 0. 91，C = 500 kg/ m3 时， Kb = 0. 92，C = 400 kg/ m3 时， Kb = 0. 93。

    混凝土配比设计的原则，必须以理论为指导，试验做基础。通过多次试配后才能确定。再者混凝土配比必须根据原材料变化而有所改动。值得指出：一个好的混凝土配比，仅仅是高质量产品的基础，优质的管桩产品，除与混凝土配比有关外，还与离心成型工艺、管桩的养护条件密切相关。

3 　布料

    在管桩生产中，布料工序本来是比较简单而容易做到的工作。而在实际生产中却往往被人们所忽视，常见的弊病是：

    a) 布料不均匀平整，在整条管模上出现高低不平的峰状结构，致使离心效果不好，造成管壁厚薄不均或一头厚一头薄的现象。有时由于管模两端的端头裙板内部未塞满混凝土料，造成管桩成品端头出现蜂窝或空洞。

    b) 由于布料操作不细心，往往会使混凝土料成堆、大方量的下落，致使钢筋笼焊点脱落，主筋下塌，甚至箍筋散架，又未能及时捆绑扶正，酿成肉眼看不到的隐患，这是很可怕的。

    管桩的强度是由混凝土以及钢筋(包括箍筋) 共同作用的结果。主筋塌落张拉时容易断筋，主筋不直定会造成管桩垂直受力不均，箍筋散架，就会失去或降低径向混凝土的约束力，最终导致管桩强度降低。

4 　离心工艺^[3]

    离心对混凝土结构形成机理和对混凝土性能的影响，是一个较为复杂的理论问题和工艺过程。为此，离心工艺参数的选择必须理论联系实际，通过试验确定。

    从理论上讲，在离心过程中，混凝土拌合物同时受到离心力、重力及冲击振动力的作用。在不计冲击力的情况下，质点为m 的颗粒在离心过程中，颗粒除受离心力的作用外，还受重力的影响。当离心力大于重力时，混凝土内所有颗粒在离心力的作用下都远离旋转中心，在其周围介质中沉降。与此同时，周围介质对颗粒也产生阻止其沉降的磨擦阻力。根据斯托克沉降原理固体颗粒在液相中运动时所受的阻力与颗粒半径、旋转速度和液相的粘度η 成正比。即F = 6πηrVS当离心力与磨擦阻力相等时，颗粒以等速沉降。沉降的速度与离心加速度ω² R ， 固体粒子和介质的密度差(ρs -ρf ) 、颗粒半径的平方成正比，与介质粘性成反比。

    VS =2/9 ×r² (ρs - ρf )ω²R/η

    从上式可知，在离心成型时，大颗粒沉降速度最快，首先沉降至最外层，水泥砂浆填充于大颗粒间的空隙中，形成密实的混凝土层。剩余的水泥砂浆和部分水泥净浆沉积在制品内壁，形成砂浆层和净浆层，多余的水分被挤出。上式中，如果引进颗粒从混凝土表面开始移动至管模内壁时的距离参数δ，可推导出：

    ω²t =9/2 ×ηLn(1 + δPR1 )/(ρs - ρf ) r²

　　R1 ———管桩外半径

    上式中：δPR1 与离心制品的尺寸有关，对同一模内离心的混凝土来说，它是常数。η、r、(ρs -ρf ) 却随多相体中的颗粒而异，但对混凝土拌物内所有固体颗粒而言，都有与该颗粒所对应的固定值。换言之在一定的条件下———管模直径相同，原材料粒径、混凝土配比相对稳定。ω2 t 为一常数，称离心工艺特征。即旋转模内混凝土拌物中的某一颗粒在离心力作用下，沿垂直于旋转轴向(径向) 作等速运动时，从混凝土表面开始穿过混凝土层而到达内壁，所需的时间与旋转角速度的平方之积为一常数。

    从上述的论述中，我们可以清楚地看到，管桩生产对离心参数的选定，是一个较为复杂的理论问题。在生产过程中必须坚持理论联系实际的原则，求得速度与时间相关的最佳值。一般说来，离心速度快，离心时间可以短些。离心速度慢，离心时间可适当延长。简言之，在一定的离心转速下(也即一定的离心加速度下) ，有一个最佳的离心时间。离心参数的优劣要以离心效果为准则。

5 　管桩的养护

    在管桩生产中，养护问题的试验研究具有特别重要的意义。从水泥的水化、凝结和硬化的机理，我们可以了解到水泥与水混合后很快就发生水化反应。反应从颗粒的表面开始，形成相应的水化物。水化物溶于水，暴露出新的表面使反应继续进行。首先形成以水化硅酸钙为主体的半渗透膜层，包围在水泥颗粒表面，随着反应的进行，半渗透膜层逐渐扩大、延伸、连结、形成充满水泥颗粒之间空隙的凝胶体。凝胶体在不同的环境条件下失水结晶、硬化而具有强度，这是一个复杂的物理和化学变化过程。

    任何一个化学反应的进行，其反应的速率以及生成物的组分，晶体结构的形成都与反应条件有关(介质的酸碱度，反应时的温度和压力等) 。反应条件改变，往往会导致生成物组分、晶体结构发生很大的改变。组分相同，由于晶体形态不同，其物理性能(硬度、强度) 亦有所不同，有时相差甚远。水泥水化反应是放热反应，温度和压力发生改变(甚至微小的变化) 都会影响水化物品晶体结构的形成和“熟化”的程度，对混凝土强度产生很大的影响。此外，据资料介绍，管桩养护所消耗的能源最大，约占管桩生产成本80 %以上。可见对管桩生产养护问题的研究多么重要。

5.1 　常压蒸养

    常压蒸养可分为4 个阶段：静停、升温、恒温、降温。对于制造预应力混凝土管桩中的初期蒸养制度，这4 个阶段是必要的，不能省略任何一个阶段。静停和较为缓慢的升温，对混凝土发育完整性有好处，可避免或减少混凝土微观缺陷，对最终强度有利。

    a) 静停———在周围环境温度下，让水泥慢慢地起水化反应，获得一定强度后再升温，这样可以避免升温时，由于蒸汽侵入混凝土表面而发生“肿胀”现象，造成混凝土表面疏松开裂。时间1～1.5 h。

    b) 升温———可促使水泥水化反应加剧，加快混凝土强度的提高，与此同时伴随着混凝土组分材料体积膨胀和水分蒸发。升温速率过快，会使混凝土产生裂缝。一般升温速率为20～30 ℃/ h。

    c) 恒温———是对混凝土继续加热，促使水泥进一步水化(混凝土熟化过程) ，使混凝土获得规定脱模强度。一般恒温温度为60～85 ℃，时间4～5 h。可视胶凝材料而定。纯硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥，恒温温度可为60～70 ℃，如掺有粉煤灰、矿粉等掺合料，恒温温度可适当提高，但不宜超过85 ℃，否则管桩会发生裂缝。

    d) 降温———对于降温一般没有严格要求，其速率类似于升温。降温主要是为了避免管桩混凝土热胀冷缩所产生的弊病。

5.2 　蒸压养护

    蒸压养护是指管桩脱模后，再进高压釜进行蒸压养护。蒸压养护可充分发挥水泥二次反应作用，在同样水泥用量的情况下，可明显提高混凝土强度。

    蒸压养护是管桩混凝土获得高强度的重要手段，是生产PHC 桩必由之路。在高压高温的饱和蒸汽中，水的作用变得很活泼，水热作用更进一步促进水泥的水化反应，和晶体形态的重组与成熟。在常压蒸汽养护条件下得不到更高强度的托勃莫来石族水化产物。在高温高压条件下可能形成，并且由于高温高压作用可使混凝土中最薄弱的集料界面得到很大的改善和提高。

    蒸压养护为掺合料的使用扩宽了门路，有利于成本的降低。因为掺合料的活性在高温高压条件下得以充分的活化。尤其对石英之类的惰性物质，在常温下不可能与水泥中的Ca(OH)₂ 起反应，但在150 ℃以上的温度条件下，SiO₂ 能与Ca(OH)₂ 可起化学反应，生成强度很高的托勃莫来石。[4 ]

    此外水泥中的C₃S 和C₂S 组分的水化物C₃S₂H₃ ，也能在蒸压条件下与SiO₂ 起反应，生成高强度的托勃莫来石。反应式为：

    管桩的蒸压养护，可分为3 个阶段———升温、恒温、降温。

    a) 升温压力每小时0. 3 MPa (温度每小时60 ℃) ，升温一般需要3～4 h。

    b) 恒温压力应控制在1. 0 MPa 左右(175～185 ℃) 恒温时间一般4～6 h。

    c) 降温应缓慢进行，控制在2～3 h 内把釜内压力降至“零”，待釜内温度低于100 ℃后，方可打开釜门。冬季期间两端釜门不得同时打开。桩出釜时的温度与环境温度差不宜大于50 ℃。如遇雨天管桩必须冷却至30 ℃左右才能出任釜。

6 　机械设备问题

    管桩质量的优劣，除与各工艺参数有关外，还与设备条件紧密相连。管模钢性不强，弹性大，合口不严，内壁粗糙等均会造成管桩变形，尺寸偏差和外观质量不好；离心机安装不符合要求，不能保证钢模的平稳运转(即常说的跳模现象) ，导致混凝土拌物离析严重，碎石间隙缺少砂浆填充，造成桩身表面震裂，内壁混凝土塌落，甚至形成碎石的自然堆积，离心不成型。计量不准，混凝土拌物原材料比例失调，造成废品的现象时有发生。

参考文献

    1 　朱建华. 预拌混凝土和预制构件生产质量控制(第一版) . 北京：中国建筑工业出版社，2001

    2 　金达应，唐明. 混凝土配合比设计计算手册(第一版) . 沈阳：辽宁科学技术出版社，1994

    3 　阮起南. 预应力混凝土管桩(第一版) . 北京：中国建材工业出版社，2000

    4 　张冠伦等. 混凝土外加剂原理与应用(第二版) . 北京：中国建筑工业出版社，1996