PHC管桩免蒸养生产工艺的研究进展

刘程旭，蒋元海，沈俊杰，刘洋，吴建锋，温兆龙，崔嘉铭

（嘉兴学院，浙江 嘉兴314001）

0 引言

PHC管桩相比于其他管桩优势明显，如单桩承载能力高、沉桩质量可靠、应用范围广、具有间接经济效益等，在建设领域有广泛地应用。近年随着国家促进环境保护、节能减排战略的提出，不仅要求PHC管桩具有较好的品质、强度，还对PHC管桩提出了更严格的节能环保要求[1]。

1 研究现状

如今PHC管桩生产企业大多数通过90℃左右的蒸汽池进行常压蒸汽养护，再用蒸压釜在180℃、1 MPa的条件下进行高温高压二次养护。可是，此工艺存在一些问题，比如在常压蒸汽养护的过程中，温度变化过快会使PHC管桩的桩身产生裂缝，进而降低PHC管桩的强度[2]；蒸压釜需要耗费大量资源，造成环境污染，不利于碳达峰和碳中和目标的实现；此外蒸压釜需要的维护费用和投资成本较高[3]。

近年来，国内外对PHC管桩的免蒸压、免蒸养生产技术做了大量研究，与传统高压蒸养技术相比，免高压蒸养生产技术能够改善管桩混凝土的抗氯离子渗透性能、抗冻性能及抗锤击性能[4]，有利于预应力高强度混凝土管桩锤击沉桩法的施工，同时，免高压蒸养生产工艺还有利于降低制桩成本，促进环境保护和节约资源[5]。当前，PHC管桩的免蒸养生产工艺主要以优选原材料、优化管桩混凝土配合比、采用先进的养护方式、加入减水剂和早强剂、掺入粉煤灰微珠或硅灰粉等掺合料为主。

1.1 优选原材料及优化混凝土配合比

谢烈金、王成启等通过优化超早强混凝土的配合比和优选混凝土原材料，研制出了免蒸养PHC管桩的生产技术。研究人员选用硅酸盐水泥，并掺入10%～30%粒化高炉矿渣粉，加入480～550 kg/m3的胶凝材料和640～730 kg/m3细度模数为2.7的Ⅱ区中砂,以0.24～0.30做为水胶比，再掺入5.0 kg/m3左右的减水剂或早强剂配制管桩混凝土。将混凝土放入养护池下进行保温养护，提升其早期强度。通过相关试验，发现以此配合比配制的混凝土拌合物，其坍落度符合相关技术指标。此外，混凝土1 d抗压强度即可达到脱模的强度要求，在龄期为5 d时，混凝土的抗压强度已经能够满足C80混凝土的出厂抗压强度要求，在龄期达到28 d时，混凝土的抗压强度已经能够达到90 MPa，反映出混凝土有良好的早期和后期强度，能够达到PHC管桩的性能要求。此外，电通量和氯离子扩散系数的测试表明，使用该配合比混凝土具有较高的抗氯盐侵蚀性能；通过抗冻性试验，发现混凝土具有较好的抗冻性。

除此之外，赵鹏飞、廖国胜[6]等人使用优选原材料、优化混凝土配合比的手段，研究出了新型的PHC管桩全免生产工艺。即在参照管桩厂实际生产配合比的基础上确定基准配合比，分别研究了减水剂、胶凝材料用量、矿物掺合料、水胶比等参数对混凝土性能的影响。试验表明，管桩混凝土的抗压强度随胶凝材料用量的增加先提升后降低，为了使管桩混凝土的强度保持在较高范围之内，加入490 kg/m3左右的胶凝材料最为合适，最高加入量不宜超过500 kg/m3。而在优化配合比方面，掺入适量的矿渣粉比单纯使用水泥更能促进混凝土抗压强度的增长；在控制水胶比方面，水胶比增大降低了混凝土抗压强度，但当水胶比过小时，水胶比对混凝土抗压强度的影响并不明显；在砂率方面，当砂率过大时，会导致混凝土的和易性不佳，降低混凝土的抗压强度。

1.2 使用减水剂

张小富、赵利华团队通过化学方法，采用高分子结构设计手段，研制了新型聚羧酸减水剂。通过加入新型聚羧酸减水剂后混凝土的性能实现了PHC管桩的双免新工艺。该团队利用制备的早强聚羧酸减水剂，配置水胶比为0.25、砂率为35%、减水剂掺量为2.3%的混凝土。通过对比相同掺量萘系减水剂的混凝土强度发展曲线，结果显示，自然养护12 h可以满足脱模强度要求；1 d龄期，管桩混凝土的抗压强度超过60 MPa；7 d龄期，管桩混凝土的抗压强度超过86 MPa；而掺入萘系减水剂的混凝土抗压强度提升较为缓慢[7]。此外，该团队还制备了效果更佳的超早强聚羧酸减水剂，并用其配置水胶比为0.25、减水剂掺量为0.41%、砂率为34%的混凝土。通过抗压强度测定，发现超早强减水剂比早强型减水剂更有利于混凝土早期强度及后期强度的提升。研究成果表明，聚羧酸减水剂比萘系减水剂具有更好的效果，它能够促进混凝土早期抗压强度的发展，从而缩短混凝土的脱模时间；而同样是聚羧酸减水剂，超早强型与早强型减水剂的效果还是有所区别的。因此，在不考虑经济条件的状况下，掺入超早强聚羧酸减水剂更利于促进管桩混凝土强度的增长。

黄红建[8]等人研究了早强型聚羧酸减水剂在不同温度情况下对水泥净浆流动度、混凝土坍落度、和易性等性能的影响，结果表明，聚羧酸减水剂的使用受温度限制。因此不同季节需要对温度进行测量，再考虑是否使用聚羧酸减水剂。

1.3 掺入矿物掺合料

赵世煜从掺合料的角度研究免蒸养PHC管桩的生产技术。赵世煜选用粉煤灰微珠、矿粉、硅灰粉这三种掺合料，分别研究了使用480 kg/m3和504 kg/m3的胶凝材料、内掺不同掺量的5%、10%、15%三种掺合料（硅灰粉只研究掺量为5%的情况）、复掺等比例的两者或三者掺合料配制的管桩混凝土的性能。实验结果表明，超细矿粉与管桩混凝土的适应性较差，超细矿粉和粉煤灰微珠复掺的新拌混凝土出现离析现象。综合比较上述各组试验结果，发现总胶凝材料用量为504 kg/m3并内掺5%的粉煤灰微珠以及总胶凝材料用量为504 kg/m3并复掺1∶1∶1比例三种矿物掺合料两组试块的管桩混凝土抗压强度满足PHC管桩要求。

由此可见，单掺或复掺合适种类和比例的掺合料对PHC管桩混凝土强度的增长有利，但在掺入掺合料时，不仅要注意掺合料对混凝土强度的影响，还要关注掺合料与混凝土的适应性问题，以利于混凝土的运输、施工等。

2 未来研究方向

虽然已有诸多关于PHC管桩免蒸养的研究，但现有研究中大多通过优化混凝土配合比、加入掺合料和减水剂来实现。其中聚羧酸减水剂使用广泛，有研究通过复掺不同类型的减水剂来改进PHC管桩的免蒸养生产工艺，也有通过化学研究生产更高效的聚羧酸减水剂。深入研究高性能减水剂有助于PHC管桩免蒸养生产技术进一步提高，但研究新品种、更高效的减水剂需要的时间较久，难度较大。

PHC管桩可作为承重构件，应用于桩基础的施工中。由于桩基础长时间埋在地下，与地基相接触，会受到地下水水汽、地表渗漏雨水等作用。因而对免蒸养PHC管桩的抗腐蚀性能、抗氯离子渗透性能、耐水性能等研究非常有价值。王成启、周郁兵等人研究了高耐久性的免蒸养PHC管桩，取得了一定成果，但研究成果有限，可深入研究，以促进免蒸养PHC管桩性能的优化。此外，PHC管桩对不同岩层适应程度不同，PHC管桩的使用受到岩层类型的限制，其原因主要是在使用锤击法施工时，桩头容易开裂产生裂缝，提高免蒸养PHC管桩桩头的抗击打能力是未来的研究方向，对PHC管桩制作工艺的研究也很有必要[9]。

3 结语

免蒸养PHC管桩生产技术主要有优化混凝土配合比、加入减水剂、掺入矿物掺合料等。但是研究还有一定局限性，如对于聚羧酸减水剂与PHC管桩混凝土适应性方面研究成果较少。此外，利用掺合料生产免蒸养PHC管桩混凝土，需考虑掺合料与混凝土各成分之间的适应性，此方面也有待研究。其次，在降低成本方面的研究成果较少。另外，PHC管桩在沉桩工程中桩头常常发生断裂现象，可深入研究更优质的免蒸养PHC管桩混凝土。