PHC管樁樁身強度影響因素分析

侯學周 王 強 曹文輝

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

預應力混凝土管樁（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長混凝土預制構件，當樁身混凝土抗壓強度等級不低于C80時，稱為高強度預應力混凝土管樁（PHC管樁）。與混凝土灌注樁相比，其生產工藝決定了PHC管樁具有單樁承載力高、現場施工簡便、成樁靈活、檢測隨機性強、成本低、施工速度快捷及環保性好等特點［1］并且可適用于抗震設防烈度8度的地區，在深基礎及地基處理市場得到了快速的發展。行業內對PHC管樁進行了大量的研究，余洋［1］分析了當前預應力管樁的設計理論并將其在某項目中的應用進行了對比分析，證明了設計理論的合理性；鄒文崗等［2］分析了管樁樁身混凝土抗壓強度、有效預應力和樁身截面面積等因素對于單樁承載能力的影響程度，強調了預應力混凝土管樁的應用需綜合考慮符合設計、生產、施工等方面的要求；蒙亮宇［3］通過靜態抗壓實驗和SHPB壓桿沖積實驗對于橡膠改性免蒸壓管樁混凝土抗沖擊性能進行了研究。PHC管樁在作為深基礎或一種地基處理手段應用時，其樁體強度遠高于地基土體，樁土應力比一般介于10～25之間［4］，屬于剛性樁，因此其樁身強度就成為決定PHC管樁基礎質量的一個關鍵因素。

1 生產工藝概述

1894年Hennebigue發明了預制混凝土樁，至今已百年歷史。1920年澳大利亞人W.R.Hume發明混凝土離心法生產工藝。1925年日本引進該項技術，于1934年研制出離心砼樁（RC樁）。1962年日本開發了預應力混凝土管樁（PC樁）。1967～1970年日本開發出預應力高強混凝土管樁（PHC樁）。我國1944年開始生產鋼筋砼離心管樁（RC樁），1969年豐臺橋梁廠開發生產預應力混凝土管樁（PC樁），1981年香港由日本人設廠生產預應力高強管樁 （大同樁），1984年廣東建立第一家預應力管樁的生產廠，1988年原交通部三航局全套引進日本設備和技術生產PHC管樁，1990年廣東南方和鴻運管樁廠部分引進日本設備和技術生產PHC管樁。1987年我國PHC管樁的年產量不足50萬m，目前我國的年產量可以達到30000萬m。全國有預制樁生產企業近500余家，相關企業300余家，形成的混凝土預制產業鏈產值可以達到300億元［5］。

經過數十年的發展，目前成熟的PHC管樁的主要生產工藝流程見圖1。

圖1 PHC管樁生產工藝示意圖

2 樁身強度影響因素分析

從PHC管樁的生產工藝流程可以看出，原材料、配合比、離心成型、蒸汽養護等各個因素均會不同程度的影響樁身強度。

2.1 水灰比

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

當水灰比過大時，混凝土塌落度大，和易性好，流動性好，易于振搗密實，但容易產生離析和泌水，影響混凝土抗壓強度，同時混凝土的Ca（OH）2含量相對較低，CO2擴散阻力相應較低，較容易進入混凝土體內，加快混凝土碳化速度，降低混凝土的抗壓強度。

反之，水灰比較小時一般混凝土的抗壓強度會較高，但水灰比也不是愈小愈好，當水灰比過小時，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、密實很困難，如果在混凝土充分硬化后未水化水泥再遇水發生水化作用，水化產物造成的膨脹應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，因此較小水灰比不易產生對樁身強度的不利影響。

2.2 細骨料

PHC管樁混凝土的細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管樁抗壓強度的影響主要體現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。當混凝土拌合物的流動性要求一定時，顯然用粗砂比用細砂所需水泥漿為省，且硬化后水泥石含量少，可提高混凝土的密實性，但砂粒過粗，又使混凝土拌合物容易產生離析、泌水現象，影響混凝土的均勻性，所以，PHC管樁混凝土的砂，不宜過細，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。級配好的砂應該是粗砂的空隙被細砂所填充，使砂的空隙達到盡可能的小。這樣不僅可以減少水泥漿的用量，節約成本，還可以使混凝土的密實度提高，強度和耐久性加強。

2.3 粗骨料

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

當粗骨料表面粗糙度不足過于光滑時，會顯著影響粗骨料與細骨料及水泥的黏接性，從而降低樁身抗壓強度；當石料的抗壓強度不滿足要求，特別是風化石等軟弱顆粒含量增多時，樁身承受荷載時，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度試驗后的斷裂面時可以清晰的看到軟弱石被壓斷的痕跡，針片狀碎屑偏多；當粗骨料的級配不良時，粗骨料顆粒間空隙會增大，可能局部出現疏松、空洞，混凝土的密實程度較差，進而影響樁身強度。

2.4 減水劑

減水劑具有減水及增強作用，可用于改善混凝土的和易性、粘稠性。當在相同的砂、石配合比條件下，如有相同的坍落度和強度要求，當摻有高效減水劑時，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孔變小，提高混凝土強度。

但減水劑的不當使用并不能提高樁身抗壓強度，減水率不合格會造成用水量增加影響強度；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定，增加操作難度，不利于對樁身強度的控制。

2.5 蒸汽養護

為了在較短的時間內，使樁身達到規定的強度指標，PHC管樁會在脫模前后分別進行常壓蒸養和壓蒸養護兩道工序，蒸汽養護過程分為靜養、升溫、恒溫、降溫四個階段。蒸汽養護在提高水泥水化硬化速度的同時，對混凝土力學性能也產生了一定的影響［6］。

在蒸汽養護過程中，靜養和較慢的升、降溫，這對混凝土發育完整性有好處，避免或減少混凝土微觀缺陷，對最終強度有利。適當延長靜養時間對高強混凝土后期物理力學性能有促進作用，延長恒溫時間和提高恒溫溫度均增加水化產物的粗短纖維狀晶體數量而提高早強，但易增加未水化顆粒周圍的屏蔽膜，影響混凝土后期強度的增長［7］；當升溫及降溫時間過短、恒壓及降壓時間不滿足要求時，會嚴重影響混凝土質量，嚴重時會造成樁身環向及縱向的裂縫產生。

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度，從而提高混凝土的強度。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）等5個階段，當離心成型工藝選擇不當時，會顯著影響樁身強度或造成樁內分層現象。當離心過程中中低速過快或時間過短會引起樁頭空洞或混凝土做空；當離心高速轉度過大，或離心時間過長，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離心沉降，大砂粒向外沉，中間是中細砂粒，最里邊是水泥漿層和水膜，形成粗砂漿層、細砂漿層、水泥漿和水膜，形成顯著的分層現象，也會不同程度降低樁身強度。

3 結語

基于PHC管樁受力特點，PHC管樁屬于剛性樁，因此PHC管樁樁身強度是決定管樁基礎質量的一個關鍵因素，影響樁身強度的主要有水灰比、細骨料質量、粗骨料質量、減水劑、蒸汽養護工藝及離心成型工藝等幾個方面的因素。在充分了解以上各因素的影響效果的基礎上，即明確了PHC管樁生產過程中質量控制重點，可為行業內同類型生產企業提供參考。