聚氨酯替代混凝土封堵预制管桩桩芯底部研究

吴景钊

（广州协安建设工程有限公司，广州 510075）

1 前言

随着社会、经济的高速发展，我国建筑行业的规模也不断扩大。特别是最近几十年的GDP靠房地产行业拉动，还有新基建工程的建设，都给建筑业带来很多建设项目。无论是房建项目或者市政工程项目，大多离不开桩基础工程。目前在工程应用中，PHC高强混凝土管桩应用较为广泛。

PHC混凝土管桩其施工方式主要采用锤击施打或者静力压桩。首节预制管桩施打时需要配合桩尖使用，而大多数常用的桩尖为十字型钢制桩尖，桩尖与管桩的连接方式采用焊接一起，管桩与桩尖的焊缝质量能保证其力学性能传递但对于完全密封，还可能存在一定空隙。在桩顶未浇筑混凝土封闭前，遇到下雨时，水能流入桩芯底部，慢慢渗入桩端持力层，软化土体，使支撑面承载力下降，进而影响结构安全。无论采用哪种方式施工，预制管桩都需要进行桩芯底部封堵。怎么快速进行桩底的封堵，在保证施工质量的同时能提升施工效率，是施工工艺不断创新创造的动力。

2 预制管桩桩芯采用混凝土封底的状况

现今，设计图纸中对预制管桩的封底做法，常常采用微膨胀C30混凝土封底，浇筑高度1.5m。即在施打完成第一节桩后，露出地面约1m时进行混凝土浇筑，之后清理干净桩头，焊接第二节管桩。工厂预制管桩最短长度7m，浇筑高度大于2m则需要使用导槽，但桩芯内径小，直径在130mm—340mm，无法使用导槽配合，造成浇筑质量不佳。混凝土在下落过程中，容易产生离析，或者散落粘附在桩芯内壁，未能达到桩芯底部，底部不能形成有效的整体，达不到止水的质量要求。

而且还存在效率不高，不经济等情况。按照一台静力压装机的功率，一天正常施压30根管桩，封底高度1.5m，PHC500(AB)125管桩计算，封底需要混凝土量为30×0.075m3（单根用量）=2.25m3（每天）。每天才需要约2.3m3的混凝土用量，采用一台混凝土搅拌运输车运输极为少量的混凝土，还要卸下来后使用大概8小时，已经超过一般混凝土的初凝时间，甚至终凝时间。现场还普遍存在一种做法，现场自拌混凝土，用于桩芯封底。自拌多为人工拌合，用多少拌合多少，机械化程度低，效率低，配比随意，混凝土拌合质量差。

图2 现场桩底封底

从目前管桩桩芯混凝土封底施工来看，总结存在以下问题：

（1）浇筑质量不易保证。（2）每次混凝土用量少，运费大于原材成本。（3）交叉作业，桩机的施工效率，不能连续作业。（4）人员劳动强度高，不便捷。

3 寻找新的解决方法的思路

目前桩芯混凝土封底施工也有相当长时间的应用，在应用中也发现其存在的一些不足之处，希望能够通过创新寻求更好的桩芯封底方式，提高施工的质量、施工效率等，对整个预制管桩桩基础施工也是有很大的提升。通过弄清楚桩芯封底的目的、施工的顺序流程，从中寻找突破点。通过了解目前现有的工艺技术和相关新的技术，经过资料收集与整理，可以融合相关知识及技术，最初构想了以防水橡胶圈套在小圆柱混凝土，直接塞到桩芯中，进水后橡胶圈膨胀挤压两侧混凝土，从而达到止水效果。但是由于管桩成型都是由离心成型，离心出来的中空桩芯不一定是规整的中空圆柱型，在使用过程中，有一定的局限。还有橡胶止水圈的成本价格较高，还要另外制作小型圆柱混凝体，工艺都复杂些，经济适用性差。后来，经过多方参考，聚氨酯材料在日常应用中越来越多，用于道路下陷回填，门窗填塞都有应用，对于不规整形状也很好适应，然后提出聚氨酯发泡桩芯封底的创新。

4 应用的研究方向

对施工技术的不断革新，是建筑业不断向前发展的力量。预制管桩桩芯混凝土封堵的目的，主要是阻止上层水进入桩芯，阻止水下渗至持力层，导致持力层受水浸泡使得桩的承载力变弱，造成桩的沉降量过大，建筑物内部出现沉降拉裂现象，严重时甚至会导致建筑物倒塌事故。沿着这一方向，能够找到替代混凝土封堵的新材料，或者材料上的新应用。伴随着科技的进步，出现了许多新型材料，越来越多地应用于建筑工程中，经过几十年的发展，聚氨酯材料的性能也越来越强大，应用也越来越广泛。虽然说聚氨酯材料已经有一定的应用历史，但其在每一个新的应用场景，都是一次创新。聚氨酯材料其特性，首先属于绿色环保的产品，高膨胀性，防水隔热，凝固速度快，使用便捷等。其性能符合用于代替混凝土进行预制管桩桩底，保证功能性。

5 聚氨酯封底施工技术

5.1 施工准备工作

对PU聚氨酯发泡剂填料的验收。检查材料是否有出产合格证，使用时，是否在产品有效期内，最好控制在出厂时间15个月内。准备好相应个操作工具，工作服等。设定一个填充桩孔内壁高度，计算填充的体积，计算使用聚氨酯材料的用量，准备足够的材料。桩孔洞的封堵位置，要选定在作为桩尖焊接头端部往上500mm位置作为填充区域，填充的聚氨酯发泡材料发泡完成后，桩尖板应与发泡材料紧密承托。聚氨酯材料封堵应在桩身起吊压装入土前完成，桩水平堆放与场地内时进行聚氨酯材料的发泡施工。桩底孔洞填充位置基层处理。对桩孔洞内壁四周进行刮底糙处理。

5.2 施工操作流程

测量→基层清理→填塞硬质纸皮→基层湿润→第一次填充→二次填充→修整→检查验收。

5.3 施工操作要点

5.3.1 测量

在桩芯里边画出要填充的范围边线，用红色笔头画出明显的范围。

5.3.2 基层清理

清理基层时要有专人负责，用硬毛刷将基层表面清理干净。在基层湿润之前，必须将基层彻底打扫干净，并随时保持清洁。

5.3.3 填塞硬质纸皮堵塞定位的最里边位置

填塞纸皮，有利于喷射聚氨酯发泡剂时，使其更容易填满桩芯范围，并且有利于发泡剂在限制范围内进行发泡，更好地在限制范围里发泡。

5.3.4 基层湿润

在桩内壁基层喷洒一层清水，要求喷洒均匀，形成水雾，使喷射出来的聚氨酯材料能够与管壁进行有效粘结，避免分层。

5.3.5 填缝操作

第一次喷射填充，单组份聚氨酯为小罐体包装，使用枪式喷头进行喷射，使用前先对罐体进行上下摇晃均匀，连接枪头后，按压开关进行喷射。填缝施枪时按垂直方向自下而上，水平方向由一端向另外一端的顺序均匀慢速喷射。首先从最里边靠着硬纸皮端部，从底部开始喷射，然后一层层喷射叠加，使聚氨酯膨胀材料挂满整个硬纸皮，形成第一道屏障。喷涂为桩孔填充深度的三分之一为宜。

第二次喷射填充。第一层泡沫剂施打完成后，静止一小时后，进行第二次喷涂填充。喷涂前对原有已硬化聚氨酯材料及未填充的桩壁进行喷水湿润。然后进行第二次的喷涂填充。填充与第一次填充一样，自里边底部开始喷射，层层堆高，直至里边喷射填满顶部，然后逐层沿着管内径往外填满至末端。除了二次喷射所留置的施工缝之外，其余每一薄层聚氨酯喷射均为连续施工，层层相黏。由于聚氨酯喷射后会膨胀变大，所以第一次喷射填充为原先设定量满喷，第二次填充料为剩余桩芯空余体积的2/3的用量，留有膨胀空间。喷射完毕后，马上在末端喷射水雾，利于膨胀。

5.3.6 切除多余边料

常温下，聚氨酯约在十分钟后表面开始固化，约一小时后基本固化，待完全固化后进行多余边料切除修平。

5.3.7 检查验收

检查填充后的外观质量，桩壁与聚氨酯发泡材料的紧密性，是否存在空洞，发泡剂的小孔是否错开不贯通等。如果出现质量问题，应该切除修整，重新填灌有问题部位。

5.4 施工试验

静压预制管桩施工完成后，需要静置一段时间后才能进行静载试验。在这段时间里，未完成静载检验及桩头插筋封堵，桩头都处于敞开状态。如果是下雨天气，或者地表水比较丰富，水都有可能从桩顶孔洞流入预制管桩底部，造成管内积水。而预制管桩桩芯封底的目的都是为了阻碍水进入桩底，桩芯积水就有可能渗透到桩尖底部的持力层。经过静载试验后，检测单位出具报告，从报告的数据对比分析可知，采用聚氨酯发泡封底的预制管桩的沉降量和采用混凝土封底的预制管桩的承载力都符合设计要求，并且他们的沉降量也是符合要求，并且对比两种不同的封底方式，其沉降量差别不大。由于不同桩号所处的位置，地质构成都有不同，其沉降量有一定的差别，也是符合实际情况。由数据可知，聚氨酯封底均能达到混凝土封底的效果。

6 混凝土封底与聚氨酯封底的对比

聚氨酯材料轻量化，需要多少使用多少，解决了商品混凝土约料数量过多浪费或过少不足问题。聚氨酯封底质量清晰可见。采用聚氨酯材料替代混凝土进行预制管桩桩芯封底施工技术的应用具有可操作性，成本更低，对于连续压桩施工较为有利。它完全适用于各种后接式桩尖的预应力管桩的桩芯封底工作，无论采用静压还是锤击施工等方式均适用。对比传统做法，解决传统桩芯混凝土封底所占用桩机压桩过程的时间，减少压桩过程中桩机待机时间，使得压桩可以连续进行。聚氨酯封底其施工间隙是在管桩施打前，而混凝土封底是在施打过程中进行，错开封底与施打的时间，抽离了封底时施打的停顿等候时间。其工艺有操作简单和施工质量可靠、轻量化，绿色环保，节约材料及用工成本，优化提升桩机工效等。

7 结论

这一技术的探究发现也是存在一定的不足，纸板封闭桩芯一端，作为堵板，操作起来虽然容易，但是也存在封堵不严密，纸板倾斜，未起到阻挡聚氨酯发泡过程中流动的作用，未能形成内孔密闭，可以进行升级优化。而单组分聚氨酯材料虽然操作方便，存储和使用都更为便捷，但其硬化速度不高，会影响封堵质量。如果优化成双组份聚氨酯结合力更强，双组份可以调节发泡凝固速度，可以更为有效地在三面封闭的空间圆筒空间中，侧向喷射而凝固。虽然，该工艺在操作或使用中还存在一定的不足，但相信在对新工艺的不断研究与优化中，能够更好地应用到工程中，在创新实践中创造更多有价值的方法，服务于工程建设。