預(yù)應(yīng)力混凝土管樁生產(chǎn)過程中幾個(gè)問題的探討
摘 要：結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐，闡述了離心混凝土的特點(diǎn)。管樁混凝土配合比的設(shè)計(jì)，離心工藝參數(shù)以及蒸(壓) 養(yǎng)護(hù)條件的選定及其理論依據(jù)，生產(chǎn)過程中應(yīng)注意的一些問題等。
關(guān)鍵詞：離心混凝土；高強(qiáng)管樁；蒸(壓) 養(yǎng)護(hù)
預(yù)應(yīng)力混凝土管樁作為一種新型的工程基樁，近幾年來在我國發(fā)展很快，在制作工藝流程和設(shè)備技術(shù)上也日趨成熟。但在生產(chǎn)過程中，由于某種主觀或客觀因素的影響，管樁產(chǎn)品也往往會(huì)出現(xiàn)一些外觀和內(nèi)在質(zhì)量的缺陷和不足。尤其在樁身豎向承載力上。在樁基施工中，打裂、打斷管樁的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。本文針對(duì)在管樁生產(chǎn)中影響產(chǎn)品質(zhì)量的幾個(gè)關(guān)鍵性問題進(jìn)行探討。
1 預(yù)拌混凝土[1]
混凝土的原材料主要有水泥、骨料、外加劑、水和摻合物等。原材料是提高混凝土和管樁質(zhì)量的第一要素，亦是質(zhì)量監(jiān)控的第一關(guān)口。原材料質(zhì)量的好壞，直接影響混凝土的性能和產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。為此必須予以高度重視。
a) 水泥：優(yōu)先采用強(qiáng)度等級(jí)不低于42.5 的硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥。水泥的安定性必須合格且與所用的減水劑相容性好，水泥膠砂強(qiáng)度必須達(dá)到要求且有一定的富余量。
b) 骨料(砂、石) ： 在混凝土中骨料約占混凝土體積的70 %。它在混凝土中起著骨架作用，可使混凝土比單獨(dú)的水泥漿具有更高的體積穩(wěn)定性和更好耐久性。骨料中如石粉和泥質(zhì)含量偏高會(huì)直接影響到混凝土拌合物的和易性，給離心效果帶來不利影響。
砂：采用細(xì)度模數(shù)為2.3～3.4 潔凈天然中砂，級(jí)配以Ⅱ區(qū)為好，含泥量≤3.0 % ，使用河砂時(shí)切忌貝殼含量太多(可參考輕物質(zhì)指標(biāo)) 。
碎石：顆粒形狀以接近圓形的多面體或方形最好。最大粒徑不大于25 mm(薄壁管樁粒徑不宜大于20 mm) 且以連續(xù)級(jí)配為好。針片狀顆粒含量< 5 % ，石粉含量< 3.0 % ，含泥量< 0.5 % ，抗壓強(qiáng)度大于水泥石強(qiáng)度的1.5 倍以上。在生產(chǎn)實(shí)踐中，碎石的級(jí)配不好，粒徑偏大，針片狀含量多，往往是造成管樁內(nèi)壁露石的主要原因。
骨料中石粉和泥質(zhì)含量高對(duì)混凝土管樁質(zhì)量影響很大。因?yàn)槭鄣闹饕煞侄酁槭⒓半y溶的碳酸鹽礦物，往往可在骨料表面形成包裹層，妨礙骨料與水泥石的粘結(jié)或以松散的顆粒出現(xiàn)，增大了表面積，增加了需水量。泥土多為一些粘性物質(zhì)所組成，遇水后體積膨脹對(duì)混凝土起破壞作用。
c) 外加劑：減水率> 18 % ，且與水泥的適應(yīng)性強(qiáng)，對(duì)鋼筋無銹蝕作用，勻質(zhì)性好。嚴(yán)禁使用氯鹽類外加劑。
d) 水：采用自來水或潔凈的河水，嚴(yán)格控制氯化物和硫酸鹽含量，不得使用海水。
e) 摻合料：常用有粉煤灰、礦粉、磨細(xì)石英砂等。摻合料的活性一般比水泥小，早期強(qiáng)度較低。但在堿性介質(zhì)和硫酸鹽的激發(fā)下可增大其活性(二次水化反應(yīng)) ，對(duì)混凝土的后期強(qiáng)度有利。此外，摻合料還可以改善混凝土性能，提高強(qiáng)度。
管樁生產(chǎn)中混凝土的養(yǎng)護(hù)一般都在較高溫度條件下進(jìn)行，更有利摻合料的使用。 對(duì)管樁生產(chǎn)而言，原材料中還有鋼筋。預(yù)應(yīng)力主筋宜采用預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼棒， 強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值1420MPa ， 松弛率≤2.5 % ，伸長率≥5 %。螺旋箍筋宜采用冷拔低碳鋼絲( <b ) ，最大力下總伸長率( L0 = 200) 不小于1.5 % ，彎曲次數(shù)(次/ 180°) 不小于4 次。
2 管樁混凝土配合比的設(shè)計(jì)[2]
預(yù)應(yīng)力管樁生產(chǎn)，按工藝要求必須采用離心成型方法，而離心混凝土有其固有的特性。
a) 離心混凝土體積縮小10 %～20 %；
b) 容重增加8 %左右， 離心后混凝土密度2650 ～2700 kg/ m3 ；
c) 水泥損失5 %～8 %；
d) 擠出水量20 %～30 %；
e) 離心混凝土強(qiáng)度等級(jí)比一般振實(shí)混凝土約提高20 %～30 %。
此外，管樁混凝土要求水膠比小(一般在0.30～0.32 之間) 。坍落度也較低3～6 cm。鑒于上述特點(diǎn)，管樁混凝土配合比的設(shè)計(jì)，可按普通混凝土設(shè)計(jì)步驟進(jìn)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) ，再乘以一個(gè)離心調(diào)整系數(shù)(1.08) 或離心混凝土出料系數(shù)。最后得出每立方米制品的材料用量。
計(jì)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 ———離心混凝土出料系數(shù)。
與水泥用量有關(guān)。C = 600 kg/ m3 時(shí)， Kb = 0. 91，C = 500 kg/ m3 時(shí)， Kb = 0. 92，C = 400 kg/ m3 時(shí)， Kb = 0. 93。
混凝土配比設(shè)計(jì)的原則，必須以理論為指導(dǎo)，試驗(yàn)做基礎(chǔ)。通過多次試配后才能確定。再者混凝土配比必須根據(jù)原材料變化而有所改動(dòng)。值得指出：一個(gè)好的混凝土配比，僅僅是高質(zhì)量產(chǎn)品的基礎(chǔ)，優(yōu)質(zhì)的管樁產(chǎn)品，除與混凝土配比有關(guān)外，還與離心成型工藝、管樁的養(yǎng)護(hù)條件密切相關(guān)。
3 布料
在管樁生產(chǎn)中，布料工序本來是比較簡單而容易做到的工作。而在實(shí)際生產(chǎn)中卻往往被人們所忽視，常見的弊病是：
a) 布料不均勻平整，在整條管模上出現(xiàn)高低不平的峰狀結(jié)構(gòu)，致使離心效果不好，造成管壁厚薄不均或一頭厚一頭薄的現(xiàn)象。有時(shí)由于管模兩端的端頭裙板內(nèi)部未塞滿混凝土料，造成管樁成品端頭出現(xiàn)蜂窩或空洞。
b) 由于布料操作不細(xì)心，往往會(huì)使混凝土料成堆、大方量的下落，致使鋼筋籠焊點(diǎn)脫落，主筋下塌，甚至箍筋散架，又未能及時(shí)捆綁扶正，釀成肉眼看不到的隱患，這是很可怕的。
管樁的強(qiáng)度是由混凝土以及鋼筋(包括箍筋) 共同作用的結(jié)果。主筋塌落張拉時(shí)容易斷筋，主筋不直定會(huì)造成管樁垂直受力不均，箍筋散架，就會(huì)失去或降低徑向混凝土的約束力，最終導(dǎo)致管樁強(qiáng)度降低。
4 離心工藝[3]
離心對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)形成機(jī)理和對(duì)混凝土性能的影響，是一個(gè)較為復(fù)雜的理論問題和工藝過程。為此，離心工藝參數(shù)的選擇必須理論聯(lián)系實(shí)際，通過試驗(yàn)確定。
從理論上講，在離心過程中，混凝土拌合物同時(shí)受到離心力、重力及沖擊振動(dòng)力的作用。在不計(jì)沖擊力的情況下，質(zhì)點(diǎn)為m 的顆粒在離心過程中，顆粒除受離心力的作用外，還受重力的影響。當(dāng)離心力大于重力時(shí)，混凝土內(nèi)所有顆粒在離心力的作用下都遠(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)中心，在其周圍介質(zhì)中沉降。與此同時(shí)，周圍介質(zhì)對(duì)顆粒也產(chǎn)生阻止其沉降的磨擦阻力。根據(jù)斯托克沉降原理固體顆粒在液相中運(yùn)動(dòng)時(shí)所受的阻力與顆粒半徑、旋轉(zhuǎn)速度和液相的粘度η 成正比。即F = 6πηrVS當(dāng)離心力與磨擦阻力相等時(shí)，顆粒以等速沉降。沉降的速度與離心加速度ω2 R ， 固體粒子和介質(zhì)的密度差(ρs -ρf ) 、顆粒半徑的平方成正比，與介質(zhì)粘性成反比。
VS =2/9 ×r2 (ρs - ρf )ω2R/η
從上式可知，在離心成型時(shí)，大顆粒沉降速度最快，首先沉降至最外層，水泥砂漿填充于大顆粒間的空隙中，形成密實(shí)的混凝土層。剩余的水泥砂漿和部分水泥凈漿沉積在制品內(nèi)壁，形成砂漿層和凈漿層，多余的水分被擠出。上式中，如果引進(jìn)顆粒從混凝土表面開始移動(dòng)至管模內(nèi)壁時(shí)的距離參數(shù)δ，可推導(dǎo)出：
ω2t =9/2 ×ηLn(1 + δPR1 )/(ρs - ρf ) r2
R1 ———管樁外半徑
上式中：δPR1 與離心制品的尺寸有關(guān)，對(duì)同一模內(nèi)離心的混凝土來說，它是常數(shù)。η、r、(ρs -ρf ) 卻隨多相體中的顆粒而異，但對(duì)混凝土拌物內(nèi)所有固體顆粒而言，都有與該顆粒所對(duì)應(yīng)的固定值。換言之在一定的條件下———管模直徑相同，原材料粒徑、混凝土配比相對(duì)穩(wěn)定。ω2 t 為一常數(shù)，稱離心工藝特征。即旋轉(zhuǎn)模內(nèi)混凝土拌物中的某一顆粒在離心力作用下，沿垂直于旋轉(zhuǎn)軸向(徑向) 作等速運(yùn)動(dòng)時(shí)，從混凝土表面開始穿過混凝土層而到達(dá)內(nèi)壁，所需的時(shí)間與旋轉(zhuǎn)角速度的平方之積為一常數(shù)。
從上述的論述中，我們可以清楚地看到，管樁生產(chǎn)對(duì)離心參數(shù)的選定，是一個(gè)較為復(fù)雜的理論問題。在生產(chǎn)過程中必須堅(jiān)持理論聯(lián)系實(shí)際的原則，求得速度與時(shí)間相關(guān)的最佳值。一般說來，離心速度快，離心時(shí)間可以短些。離心速度慢，離心時(shí)間可適當(dāng)延長。簡言之，在一定的離心轉(zhuǎn)速下(也即一定的離心加速度下) ，有一個(gè)最佳的離心時(shí)間。離心參數(shù)的優(yōu)劣要以離心效果為準(zhǔn)則。
5 管樁的養(yǎng)護(hù)
在管樁生產(chǎn)中，養(yǎng)護(hù)問題的試驗(yàn)研究具有特別重要的意義。從水泥的水化、凝結(jié)和硬化的機(jī)理，我們可以了解到水泥與水混合后很快就發(fā)生水化反應(yīng)。反應(yīng)從顆粒的表面開始，形成相應(yīng)的水化物。水化物溶于水，暴露出新的表面使反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行。首先形成以水化硅酸鈣為主體的半滲透膜層，包圍在水泥顆粒表面，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，半滲透膜層逐漸擴(kuò)大、延伸、連結(jié)、形成充滿水泥顆粒之間空隙的凝膠體。凝膠體在不同的環(huán)境條件下失水結(jié)晶、硬化而具有強(qiáng)度，這是一個(gè)復(fù)雜的物理和化學(xué)變化過程。
任何一個(gè)化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，其反應(yīng)的速率以及生成物的組分，晶體結(jié)構(gòu)的形成都與反應(yīng)條件有關(guān)(介質(zhì)的酸堿度，反應(yīng)時(shí)的溫度和壓力等) 。反應(yīng)條件改變，往往會(huì)導(dǎo)致生成物組分、晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生很大的改變。組分相同，由于晶體形態(tài)不同，其物理性能(硬度、強(qiáng)度) 亦有所不同，有時(shí)相差甚遠(yuǎn)。水泥水化反應(yīng)是放熱反應(yīng)，溫度和壓力發(fā)生改變(甚至微小的變化) 都會(huì)影響水化物品晶體結(jié)構(gòu)的形成和“熟化”的程度，對(duì)混凝土強(qiáng)度產(chǎn)生很大的影響。此外，據(jù)資料介紹，管樁養(yǎng)護(hù)所消耗的能源最大，約占管樁生產(chǎn)成本80 %以上。可見對(duì)管樁生產(chǎn)養(yǎng)護(hù)問題的研究多么重要。
5.1 常壓蒸養(yǎng)
常壓蒸養(yǎng)可分為4 個(gè)階段：靜停、升溫、恒溫、降溫。對(duì)于制造預(yù)應(yīng)力混凝土管樁中的初期蒸養(yǎng)制度，這4 個(gè)階段是必要的，不能省略任何一個(gè)階段。靜停和較為緩慢的升溫，對(duì)混凝土發(fā)育完整性有好處，可避免或減少混凝土微觀缺陷，對(duì)最終強(qiáng)度有利。
a) 靜?！谥車h(huán)境溫度下，讓水泥慢慢地起水化反應(yīng)，獲得一定強(qiáng)度后再升溫，這樣可以避免升溫時(shí)，由于蒸汽侵入混凝土表面而發(fā)生“腫脹”現(xiàn)象，造成混凝土表面疏松開裂。時(shí)間1～1.5 h。
b) 升溫———可促使水泥水化反應(yīng)加劇，加快混凝土強(qiáng)度的提高，與此同時(shí)伴隨著混凝土組分材料體積膨脹和水分蒸發(fā)。升溫速率過快，會(huì)使混凝土產(chǎn)生裂縫。一般升溫速率為20～30 ℃/ h。
c) 恒溫———是對(duì)混凝土繼續(xù)加熱，促使水泥進(jìn)一步水化(混凝土熟化過程) ，使混凝土獲得規(guī)定脫模強(qiáng)度。一般恒溫溫度為60～85 ℃，時(shí)間4～5 h?？梢暷z凝材料而定。純硅酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥，恒溫溫度可為60～70 ℃，如摻有粉煤灰、礦粉等摻合料，恒溫溫度可適當(dāng)提高，但不宜超過85 ℃，否則管樁會(huì)發(fā)生裂縫。
d) 降溫———對(duì)于降溫一般沒有嚴(yán)格要求，其速率類似于升溫。降溫主要是為了避免管樁混凝土熱脹冷縮所產(chǎn)生的弊病。
5.2 蒸壓養(yǎng)護(hù)
蒸壓養(yǎng)護(hù)是指管樁脫模后，再進(jìn)高壓釜進(jìn)行蒸壓養(yǎng)護(hù)。蒸壓養(yǎng)護(hù)可充分發(fā)揮水泥二次反應(yīng)作用，在同樣水泥用量的情況下，可明顯提高混凝土強(qiáng)度。
蒸壓養(yǎng)護(hù)是管樁混凝土獲得高強(qiáng)度的重要手段，是生產(chǎn)PHC 樁必由之路。在高壓高溫的飽和蒸汽中，水的作用變得很活潑，水熱作用更進(jìn)一步促進(jìn)水泥的水化反應(yīng)，和晶體形態(tài)的重組與成熟。在常壓蒸汽養(yǎng)護(hù)條件下得不到更高強(qiáng)度的托勃莫來石族水化產(chǎn)物。在高溫高壓條件下可能形成，并且由于高溫高壓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。
蒸壓養(yǎng)護(hù)為摻合料的使用擴(kuò)寬了門路，有利于成本的降低。因?yàn)閾胶狭系幕钚栽诟邷馗邏簵l件下得以充分的活化。尤其對(duì)石英之類的惰性物質(zhì)，在常溫下不可能與水泥中的Ca(OH)2 起反應(yīng)，但在150 ℃以上的溫度條件下，SiO2 能與Ca(OH)2 可起化學(xué)反應(yīng)，生成強(qiáng)度很高的托勃莫來石。[4 ]
此外水泥中的C3S 和C2S 組分的水化物C3S2H3 ，也能在蒸壓條件下與SiO2 起反應(yīng)，生成高強(qiáng)度的托勃莫來石。反應(yīng)式為：
管樁的蒸壓養(yǎng)護(hù)，可分為3 個(gè)階段———升溫、恒溫、降溫。
a) 升溫壓力每小時(shí)0. 3 MPa (溫度每小時(shí)60 ℃) ，升溫一般需要3～4 h。
b) 恒溫壓力應(yīng)控制在1. 0 MPa 左右(175～185 ℃) 恒溫時(shí)間一般4～6 h。
c) 降溫應(yīng)緩慢進(jìn)行，控制在2～3 h 內(nèi)把釜內(nèi)壓力降至“零”，待釜內(nèi)溫度低于100 ℃后，方可打開釜門。冬季期間兩端釜門不得同時(shí)打開。樁出釜時(shí)的溫度與環(huán)境溫度差不宜大于50 ℃。如遇雨天管樁必須冷卻至30 ℃左右才能出任釜。
6 機(jī)械設(shè)備問題
管樁質(zhì)量的優(yōu)劣，除與各工藝參數(shù)有關(guān)外，還與設(shè)備條件緊密相連。管模鋼性不強(qiáng)，彈性大，合口不嚴(yán)，內(nèi)壁粗糙等均會(huì)造成管樁變形，尺寸偏差和外觀質(zhì)量不好；離心機(jī)安裝不符合要求，不能保證鋼模的平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)(即常說的跳?，F(xiàn)象) ，導(dǎo)致混凝土拌物離析嚴(yán)重，碎石間隙缺少砂漿填充，造成樁身表面震裂，內(nèi)壁混凝土塌落，甚至形成碎石的自然堆積，離心不成型。計(jì)量不準(zhǔn)，混凝土拌物原材料比例失調(diào)，造成廢品的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。
參考文獻(xiàn)
1 朱建華. 預(yù)拌混凝土和預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)質(zhì)量控制(第一版) . 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2001
2 金達(dá)應(yīng)，唐明. 混凝土配合比設(shè)計(jì)計(jì)算手冊(cè)(第一版) . 沈陽：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1994
3 阮起南. 預(yù)應(yīng)力混凝土管樁(第一版) . 北京：中國建材工業(yè)出版社，2000
4 張冠倫等. 混凝土外加劑原理與應(yīng)用(第二版) . 北京：中國建筑工業(yè)出版社，1996
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