PHC管桩桩身强度影响因素分析

侯学周 王 强 曹文辉

（1.陕西有色万通建材有限公司，陕西 西安 710300；2.中国有色金属工业西安勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710054）

预应力混凝土管桩（PC管桩）指采用离心成型的采用先张法或后张法制成的一种空心筒体细长混凝土预制构件，当桩身混凝土抗压强度等级不低于C80时，称为高强度预应力混凝土管桩（PHC管桩）。与混凝土灌注桩相比，其生产工艺决定了PHC管桩具有单桩承载力高、现场施工简便、成桩灵活、检测随机性强、成本低、施工速度快捷及环保性好等特点［1］并且可适用于抗震设防烈度8度的地区，在深基础及地基处理市场得到了快速的发展。行业内对PHC管桩进行了大量的研究，余洋［1］分析了当前预应力管桩的设计理论并将其在某项目中的应用进行了对比分析，证明了设计理论的合理性；邹文岗等［2］分析了管桩桩身混凝土抗压强度、有效预应力和桩身截面面积等因素对于单桩承载能力的影响程度，强调了预应力混凝土管桩的应用需综合考虑符合设计、生产、施工等方面的要求；蒙亮宇［3］通过静态抗压实验和SHPB压杆冲积实验对于橡胶改性免蒸压管桩混凝土抗冲击性能进行了研究。PHC管桩在作为深基础或一种地基处理手段应用时，其桩体强度远高于地基土体，桩土应力比一般介于10～25之间［4］，属于刚性桩，因此其桩身强度就成为决定PHC管桩基础质量的一个关键因素。

1 生产工艺概述

1894年Hennebigue发明了预制混凝土桩，至今已百年历史。1920年澳大利亚人W.R.Hume发明混凝土离心法生产工艺。1925年日本引进该项技术，于1934年研制出离心砼桩（RC桩）。1962年日本开发了预应力混凝土管桩（PC桩）。1967～1970年日本开发出预应力高强混凝土管桩（PHC桩）。我国1944年开始生产钢筋砼离心管桩（RC桩），1969年丰台桥梁厂开发生产预应力混凝土管桩（PC桩），1981年香港由日本人设厂生产预应力高强管桩 （大同桩），1984年广东建立第一家预应力管桩的生产厂，1988年原交通部三航局全套引进日本设备和技术生产PHC管桩，1990年广东南方和鸿运管桩厂部分引进日本设备和技术生产PHC管桩。1987年我国PHC管桩的年产量不足50万m，目前我国的年产量可以达到30000万m。全国有预制桩生产企业近500余家，相关企业300余家，形成的混凝土预制产业链产值可以达到300亿元［5］。

经过数十年的发展，目前成熟的PHC管桩的主要生产工艺流程见图1。

图1 PHC管桩生产工艺示意图

2 桩身强度影响因素分析

从PHC管桩的生产工艺流程可以看出，原材料、配合比、离心成型、蒸汽养护等各个因素均会不同程度的影响桩身强度。

2.1 水灰比

在水泥标号相同且配合比相同的前提下，混凝土抗压强度一般随水灰比的减小有规律的增大，同时混凝土的塌落度减小，和易性变差，流动性降低。

当水灰比过大时，混凝土塌落度大，和易性好，流动性好，易于振捣密实，但容易产生离析和泌水，影响混凝土抗压强度，同时混凝土的Ca（OH）2含量相对较低，CO2扩散阻力相应较低，较容易进入混凝土体内，加快混凝土碳化速度，降低混凝土的抗压强度。

反之，水灰比较小时一般混凝土的抗压强度会较高，但水灰比也不是愈小愈好，当水灰比过小时，水泥浆过于干稠，混凝土胶体和晶体的材料不能充分形成，混凝土和易性差，混凝土振捣、密实很困难，如果在混凝土充分硬化后未水化水泥再遇水发生水化作用，水化产物造成的膨胀应力作用便有可能造成桩身的开裂。但PHC管桩均采用离心成型，较振捣法更容易让混凝土密实，因此较小水灰比不易产生对桩身强度的不利影响。

2.2 细骨料

PHC管桩混凝土的细骨料一般采用天然砂，也有少量工艺采用人工砂或混合砂，砂对PHC管桩抗压强度的影响主要体现在颗粒级配及含泥量方面。

砂粒径越小，总表面积越大。在混凝土中，砂的表面由水泥浆包裹，砂的总表面积越大，需要的水泥浆越多。当混凝土拌合物的流动性要求一定时，显然用粗砂比用细砂所需水泥浆为省，且硬化后水泥石含量少，可提高混凝土的密实性，但砂粒过粗，又使混凝土拌合物容易产生离析、泌水现象，影响混凝土的均匀性，所以，PHC管桩混凝土的砂，不宜过细，也不宜过粗。而砂的颗粒级配是指粒径大小不同的砂相互搭配的情况。级配好的砂应该是粗砂的空隙被细砂所填充，使砂的空隙达到尽可能的小。这样不仅可以减少水泥浆的用量，节约成本，还可以使混凝土的密实度提高，强度和耐久性加强。

2.3 粗骨料

粗骨料一般采用卵石或者碎石，其对桩身抗压强度的影响主要体现在表面粗糙度、石料抗压强度及颗粒级配方面。

当粗骨料表面粗糙度不足过于光滑时，会显著影响粗骨料与细骨料及水泥的黏接性，从而降低桩身抗压强度；当石料的抗压强度不满足要求，特别是风化石等软弱颗粒含量增多时，桩身承受荷载时，一般桩身混凝土的破坏就以这里展开，在观察试块的抗压强度试验后的断裂面时可以清晰的看到软弱石被压断的痕迹，针片状碎屑偏多；当粗骨料的级配不良时，粗骨料颗粒间空隙会增大，可能局部出现疏松、空洞，混凝土的密实程度较差，进而影响桩身强度。

2.4 减水剂

减水剂具有减水及增强作用，可用于改善混凝土的和易性、粘稠性。当在相同的砂、石配合比条件下，如有相同的坍落度和强度要求，当掺有高效减水剂时，可明显的减少水泥用量，减少拌和用水量，且能使水泥石中毛细孔变小，提高混凝土强度。

但减水剂的不当使用并不能提高桩身抗压强度，减水率不合格会造成用水量增加影响强度；固体含量过低会造成用量增加；与水泥的匹配度不够会造成砼料的和易性差以及砼料不稳定，增加操作难度，不利于对桩身强度的控制。

2.5 蒸汽养护

为了在较短的时间内，使桩身达到规定的强度指标，PHC管桩会在脱模前后分别进行常压蒸养和压蒸养护两道工序，蒸汽养护过程分为静养、升温、恒温、降温四个阶段。蒸汽养护在提高水泥水化硬化速度的同时，对混凝土力学性能也产生了一定的影响［6］。

在蒸汽养护过程中，静养和较慢的升、降温，这对混凝土发育完整性有好处，避免或减少混凝土微观缺陷，对最终强度有利。适当延长静养时间对高强混凝土后期物理力学性能有促进作用，延长恒温时间和提高恒温温度均增加水化产物的粗短纤维状晶体数量而提高早强，但易增加未水化颗粒周围的屏蔽膜，影响混凝土后期强度的增长［7］；当升温及降温时间过短、恒压及降压时间不满足要求时，会严重影响混凝土质量，严重时会造成桩身环向及纵向的裂缝产生。

2.6 离心成型

离心成型对于制造PHC管桩来说是一道非常重要的工序，它直接影响管桩的桩身强度和沿整根管桩长度的混凝土的均匀性，其可以避免振捣的不利因素，显著提高混凝土的密实度，从而提高混凝土的强度。离心成型可分为低速阶段（均匀布料）、低中速1阶段、低中速2阶段、中高速阶段及高速阶段（离心密实）等5个阶段，当离心成型工艺选择不当时，会显著影响桩身强度或造成桩内分层现象。当离心过程中中低速过快或时间过短会引起桩头空洞或混凝土做空；当离心高速转度过大，或离心时间过长，混凝土混合物中的固相颗粒已搭成固定骨架，粗骨料间的水泥砂浆仍在离心力的作用下能够继续离心沉降，大砂粒向外沉，中间是中细砂粒，最里边是水泥浆层和水膜，形成粗砂浆层、细砂浆层、水泥浆和水膜，形成显著的分层现象，也会不同程度降低桩身强度。

3 结语

基于PHC管桩受力特点，PHC管桩属于刚性桩，因此PHC管桩桩身强度是决定管桩基础质量的一个关键因素，影响桩身强度的主要有水灰比、细骨料质量、粗骨料质量、减水剂、蒸汽养护工艺及离心成型工艺等几个方面的因素。在充分了解以上各因素的影响效果的基础上，即明确了PHC管桩生产过程中质量控制重点，可为行业内同类型生产企业提供参考。