关于砼管桩一些问题的探讨

盛思仲,陈 敏,金卫华,刘伟明

(1.南京友西科技有限责任公司,南京 210019;2.南京滨江建材科技集团

雨江混凝土有限公司,南京 210000;3.双威管桩(珠海)有限责任公司,珠海 519180)

关于砼管桩一些问题的探讨

盛思仲1,陈 敏2,金卫华1,刘伟明3

(1.南京友西科技有限责任公司,南京 210019;2.南京滨江建材科技集团

雨江混凝土有限公司,南京 210000;3.双威管桩(珠海)有限责任公司,珠海 519180)

文章对砼管桩生产过程中离心成型工艺和压蒸工艺的存在问题进行了分析探讨,并提出了采用浇注成型工艺和免压蒸技术方案,采用此方案,可以大大降低能耗并提高砼管桩质量,也降低了生产成本。文章还从工程质量和耐久性方面的考虑,对砼管桩的植桩方法提出了改进意见。

离心成型; 浇筑成型; 免压蒸; 砼管桩

预应力高强砼管桩(PHC)由于其独特的优越性,发展很快。1988年PHC桩开始生产,经过20多年的发展,砼管桩的生产和应用已经形成了一个独立的新兴行业。据统计,1993年全国管桩产量仅300万m, 2003年达1.5亿m,2012年达3.8亿m。虽然产量高,分布面广,但对其生产技术的创新力度不够,仍是一种高污染高能耗的劳动密集型行业,有必要加大科研投入,依靠技术进步,将我国的砼管桩技术推上一个新的台阶,文中对砼管桩生产和应用方面的一些存在问题进行探讨。

1 成型工艺探讨

1.1 离心成型工序

对于制造砼管桩来说,离心成型是一个十分重要的工序,通过离心作用将浇注的砼混合物形成最终的管桩形状。离心工序的噪音大、能耗高、设备的损耗也大,而且离心后,砼结构发生了重要变化,虽然砼密实性提高了,但砼结构出现了严重的分层状态,外层为砼,中层为砂浆,内层是水泥浆层。

离心工艺还对砼强度产生重大影响。砼的质量控制,是在砼布料过程中取样浇注砼立方体试件,试件放置4 h左右,带模放入蒸气养护池同带模管桩一起蒸养,蒸养后脱模再入蒸压釜压蒸养护,分别测定砼的脱模强度和压蒸强度,作为砼的质量控制指标。

砼管桩的质量评定,砼强度是最重要的指标之一,出口澳门等地的砼管桩,通常派人前来在桩身上钻芯取样。国内管桩生产企业,虽然都用立方体试块来测定管桩桩身砼强度,但遇到打烂桩承担责任时,常常要在桩身钻芯取样,这种情况在广东省非常普遍。

在管桩桩身钻芯取样后发现,桩身砼强度与生产线上取样的立方体试块强度有较大差别。离心法生产的管桩桩身砼强度要达到80 MPa,按照GB/T 19496—2004《钻芯检测离心高强混凝土抗压强度试验方法》检测,则在生产线上制作的100 mm×100 mm×100 mm立方体试块强度要在100 MPa[1]以上。这种现象的发生,主要有如下两个原因:

1)砼经过离心成型,影响了砼混合料的均匀性,不仅形成了外层为砼层,中间为砂浆层,内层为水泥浆层的分层状态,而且砼层也出现了明显的不均匀性,表现在砼层中的外层粗骨料粒径比内层粗骨料的粒径要大,这也是离心作用导致的粗骨料分层现象。

2)余浆的流失

由于各管桩厂所用的原材料不同、砼配合比不同以及离心制度的差异,所分离出来的余浆量也各不相同,在80～140 kg/m3之间,平均为100 kg/m3砼,余浆的含固量为65%左右,固含量中水泥(含磨细硅砂粉或矿粉等矿物外加剂)占80%。这样,每m3砼余浆中含有水泥(含矿物外加剂,下同)52 kg,即管桩砼经离心工序仅余浆就流失了胶凝材料52 kg/m3。

1.2 离心分层产生的水泥流失

由于离心工序,管桩从外到内分成砼层、砂浆层和水泥层,而砂浆层和水泥层的强度比砼层低,而且弹性模量差别大,难以和砼层共同承载,因此通常不考虑这二层的承载作用。下面以φ400×95为例,分析砂浆层和水泥层中水泥含量,通常φ400×95管桩的砂浆层和水泥层的厚度为15 mm左右,其计算结果列入表1。

如果扣除水泥层和砂浆层所占的体积,砼层的内径为240 mm,砼层的有效面积为80 425 mm2,也就是说由于分层现象,砼层的有效面积只有88.4%。这样,按φ400×95长10 m管桩用1 m3砼计算,水泥层中占用了水泥42.5 kg,砂浆层中占据了40.4 kg,加上随余浆流失的水泥52 kg,管桩砼中共分离出水泥134.9 kg,如果原砼配料中用水泥450 kg/m3,则留在有效砼层中的水泥只有315.1 kg,扣除水泥层和砂浆层的体积,按实际砼层面积换算,留在砼中的水泥也只有356.4 kg/m3,减少了93.6 kg/m3。

如果没有水泥层和砂浆层的分离层,而仅有余浆流失的52 kg/m3,则留在砼层中的水泥应为398 kg/m3,如果加上离心分层,水泥层和砂浆层的厚度为15 mm时,砼层的水泥含量仅为356.4 kg/m3,可见离心成型工序导致的分层对管桩砼产生了较大影响。

1.3 非离心成型工艺技术的探讨

由于离心成型工艺存在许多弊端,如水泥浆的大量流失,砼出现砼层、砂浆层和水泥浆层的严重分层状态,导致管桩砼有效断面缩小,噪音污染严重,离心机的维护成本和能耗高等,深入研究砼管桩的非离心成型工艺很有必要。

由于砼技术的发展,配制C80以上砼也不是一件困难的事,而采用离心成型的管桩砼,立方体试块的强度要达到C100,才能保证桩身钻芯取样的强度达到C80的标准要求。很显然,用常规的浇注成型法只要立方体试块的强度达到C80就可以了,这样可以显著减少管桩砼的水泥用量。

现在的问题是如何实现管桩砼的浇注成型替代离心成型,关键在于模具设计制作和砼的振捣工艺。目前砼管桩有方桩和圆桩二种,方桩改用浇筑法成型比较容易,模具制作也比较简单,上部开口作为浇筑砼的下料口,底部基台加装气囊振动台,管桩的中空部位用可充水的软质塑料管造孔,只要加一些联结件定位也是不难做到的。而圆桩要复杂一些,需要在模具的上盖开口,这样在砼浇筑口的外观要差一些,而且砼外表层的气孔难于排除,但对砼的内在质量影响不大。

浇注成型法砼的匀质性好,没有砼的分层现象,可以有效增加砼的实际承载面积,如以上所述,因离心工序砼层的有效面积实际只有88.4%,改用浇注法成型,相当于砼层的有效面积增加了13%。

2 压蒸问题

2.1 压蒸存在的问题

压蒸养护高强砼构件的生产存在如下几个问题:

1)压蒸养护的能耗高

砼管桩采用蒸压釜的压蒸养护工序,每立方砼需用标准煤40 kg,释放100多kg二氧化碳,2012年我国砼管桩产量达到3.8亿m,仅蒸压釜的压蒸养护就需要耗煤220万t,释放的二氧化碳高达550万多t,这是一个巨大的污染源。现在已限制使用煤和重油,不得不改用柴油,这样势必会增加生产成本。

2)压蒸养护对砼性能产生不利影响

压蒸养护虽然能快速提高砼强度,实现了快速生产,但对砼的结构和性能产生了一些不利影响:压蒸养护砼的孔隙率比普通养护砼的孔隙率大,而且大孔含量也多;压蒸养护生成的新生物分散度低,也就是结晶水化物变粗,致使连生体中的连生接点数量减少,其胶结性能下降;蒸压釜排气及其内部压力降至大气压时,压力降幅要求较高,如果操作不当,往往砼内部会“沸腾”起来,由于急热的气化产生很大的内应力,易产生一些微裂缝甚至肉眼可见裂缝而导致砼耐久性下降。

由于上述这些原因,普通砼(掺磨细硅砂粉除外)经压蒸养护的强度比常规条件养护(标养)的强度要低。因此,合理的养护制度是确保砼管桩等高强砼构件质量的关键之一。

3)蒸压釜存在安全隐患

蒸压釜是一种压力容器,蒸压釜的制造、安装和使用等都有一套严格的要求。如果使用不当或稍有疏忽,容易发生事故,管桩厂蒸压釜的大小事故也时有发生。已发生过多次蒸压釜的釜盖飞出,造成人员伤亡的严重事故。

2.2 免压蒸技术的探讨

南京友西科技有限责任公司研制了一种适合免压蒸工艺的复合矿物外加剂,由4种常用矿物外加剂组成,经过精确计量并经机械混合均匀,制成一种复合矿物外加剂(粉剂)。

复合矿物外加剂掺量为30%,可明显提高蒸养砼的强度,砼试件经蒸养后再养护,强度还可提高1个等级。

何友林等[3]用微珠和硅粉作为管桩砼的矿物掺合料,胶凝材料达到600 kg/m3时,只经蒸养后自然停放7 d即可达到C105。

由于混凝土技术的发展,配制C80以上混凝土已不是一件困难的事,因此推广免压蒸技术已无技术上的障碍。

3 砼管桩应用技术

砼管桩的施工主要有锤击法和静压法二种,用单桩一次植入的较少,通常需要接桩,接桩时对焊接和接桩垂直度都有严格的要求,尤其是垂直度,一般插入地面的垂直度偏差,不得超过桩长的0.5%。国内都是采用每桩一气呵成的施工方法,对接桩垂直度的控制难度较大,监管也不严,而且也不易被发现。澳门的管桩施工是用履带式锤击机打桩为主,先将一个区段多个甚至几十个定位桩全部打好,再把各桩位的第二根桩全部接好后一次打完,再接第三根桩,也一次接好,一次打完,用这种方法植桩,接桩的垂直度暴露无疑,有的甚至看上去东倒西歪,势必会影响整个桩位的承载力。

我们认为,砼管桩的端板接头部位是整个桩的薄弱环节,影响到整个桩的垂直度,也影响到桩的承截能力,从而影响其耐久性。端板与周围介质是直接接触的,如有腐蚀介质,在水的参与下,氯离子和氧共同作用下产生腐蚀反应,端板和预应力钢筋的墩头首先受到伤害,并逐步扩散到砼内部,后果极为严重,必须引起我们的重视,可从以下几个方面改进。

3.1 植桩时控制接头的位置

钢的腐蚀是有条件的,钢在高碱性介质中表面会生成一层非常致密的钝化膜,保护了钢不被腐蚀,但遇到氯离子等极强的去钝化剂时,在水与氧的参与下,就会发生钢的腐蚀[4]。因此管桩的接头应在桩的下部,那里缺少产生腐蚀的必要条件—氧,尽量避免桩的上部接头。例如,植桩深度为18 m,用12 m和6 m两支桩配桩,如果先用12 m管桩植桩,那么接桩的位置在地下6 m处;如果先用6 m桩,则桩的接头则在地下12 m处,后者的接头比前者深6 m,很显然,后者接触氧的几率要比前者低得多,也就是说,后者接头处产生钢腐蚀的可能性要低得多。

3.2 接头改进

现行的砼管桩,其端板是外裸的,最好端板外径要比管桩外径小,这样在接桩焊接后可以加设防护层。

3.3 多用长桩,少用短桩

为了提高桩的垂直度和改善接桩带来的一些弊端,尽量用长桩可减少接头,也是一种简单可行的办法。

4 结 语

文中对砼管桩生产和应用中存在的几个问题进行了分析和讨论,并提出了切实可行的解决方案,在生产中还存在一些高强度劳动(装笼和布料的操作工序),因尚未有合适的解决方案,虽然已有将布料改用泵送灌料的试行方法,但仍在探索之中,故未在探讨之列。

1)砼管桩的离心成型工艺是生产过程中最为严重的噪音污染源,从事此项工作的人员听力明显受损,还波及周边的操作人员,不仅如此,还对砼管桩的质量产生不利的影响,将离心成型工艺改为浇注法成型工艺是可行的。

2)砼管桩的压蒸工艺有很多弊端,大家都很重视,也取得了一些可喜的成果,用于推广,砼管桩的免压蒸工艺,可以降低能耗,减少大气污染,是一项利国利民的好措施。

3)必须重视砼管桩的施工技术和方法,改变目前采用的先植长桩后用短桩的施工方法,改用先植短桩后用长桩的方法,同时尽量用长桩以减少接头数量,提高其耐久性。

[1] 严志隆.用“钻芯法”测定管桩混凝土抗压强度的有关情况介绍[J].广东建材,2003(8):9-12.

[2] 阮起楠.预应力混凝土管桩[M].北京:中国建材工业出版社,2000:63.

[3] 何友林.C105免压蒸管桩混凝土的试验研究[J].混凝土与水泥制品,2013(3):30-33.

[4] 洪定海.混凝土中钢筋的腐蚀和保护[M].北京:中国铁道出版社,1998:20-26.

Study on Several Problems of Prestressed High Strength Concrete Pipe Pile

SHENG Si-zhong1,CHEN Min2,JIN Wei-huɑ1,LIU Wei-ming3
(1.Nanjing UC Science and Technology Co,Ltd,Nanjing 210019,China;2.Nanjing Binjiang Building Materials Technology Group,Yujiang Concrete Co,Ltd,Nanjing 210000,China;3.Sunway Spun Pile(Zhuhai)Co,Ltd, Zhuhai 519180,China)

The problems of centrifugal molding and casting molding in the production process of PHC pile were discussed.The casting molding and non-autoclaved process can significantly reduce energy consumption and improve the quality of PHC pile,also reduce the production cost.The improvements of planting pile were proposed considering the quality and durability of PHC pile.

centrifugal molding; casting molding; non-autoclaved; prestressed high strength concrete pipe pile

2014-04-16.

盛思仲(1972-),工程师.E-mail:shengsizhong@163.com

10.3963/j.issn.1674-6066.2014.04.036