我國(guó)從20世紀(jì)40年代開始研制生產(chǎn)離心鋼筋混凝土管樁(RC樁，1992年6月先張法預(yù)應(yīng)力混凝土管樁(PC樁、PHC樁)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)首次發(fā)布。經(jīng)過(guò)近30年的快速發(fā)展，我國(guó)管樁行業(yè)生產(chǎn)規(guī)模和產(chǎn)量已居世界首位，大量的管樁產(chǎn)品為我國(guó)建筑工程基礎(chǔ)建設(shè)做出了重要貢獻(xiàn)。但目前管樁行業(yè)仍存在生產(chǎn)裝備自動(dòng)化程度不高，高壓蒸汽養(yǎng)護(hù)能耗大，生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)生的余漿難以得到有效處理等問題，這與國(guó)家工業(yè)和信息化部《工業(yè)綠色發(fā)展規(guī)劃（2016年～2020年）》中提出的清潔生產(chǎn)相關(guān)要求存在較大差距，環(huán)保生產(chǎn)及新產(chǎn)品的研發(fā)與推廣應(yīng)用還有廣闊的空間。本文通過(guò)對(duì)竹節(jié)樁的生產(chǎn)試驗(yàn)研 究，以硅粉作為摻合料配制強(qiáng)度等級(jí)為C85的混凝土，并以離心和免蒸壓養(yǎng)護(hù)工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)余漿竹節(jié)樁的生產(chǎn)。

一、混凝土制備

1.1 原材料

水泥：P·O 52.5R水泥。

細(xì)骨料：天然江砂，密度2.65g/cm3，細(xì)度模數(shù)2.8。

粗骨料：5～20 mm連續(xù)粒級(jí)碎石，密度2.71g/cm3。

硅粉：表觀密度2.23 g/cm3，平均粒徑0.2μm。

減水劑：MD150奈系減水劑，減水率為14%。

1.2 配合比設(shè)計(jì)

配比設(shè)計(jì)基本條件：混凝土7d設(shè)計(jì)（出廠）基準(zhǔn)強(qiáng)度σ₇≥85.0MPa，1d拆模（預(yù)應(yīng)力導(dǎo)入）強(qiáng)度σ1≥75.0MPa，水膠比（W/B）≤0.35，坍落度（4.0±1.5）cm，標(biāo)準(zhǔn)偏差（σ）為3.0MPa。

配比強(qiáng)度σ_配：σ_配＝σ₇＋3σ＝85.0＋3×3.0

＝94.0MPa

水膠比（W/B）：按不同水膠比進(jìn)行混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)，建立水膠比和抗壓強(qiáng)度關(guān)系式σ_配＝A′＋B′×B/W，A′、B′為系數(shù)，可通過(guò)線性回歸分析得出，本次試驗(yàn)所得系數(shù)A′=26.80，B′=14.65。正常生產(chǎn)時(shí)，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)及檢驗(yàn)情況， 定期對(duì)A′、B′進(jìn)行校驗(yàn)并重新核定，使B/W～σ₇的關(guān)系式與實(shí)際生產(chǎn)情況更加吻合。根據(jù) 94.0＝26.80＋14.65×B/W關(guān)系式得W/B為0.218。

混凝土容積：考慮到混凝土攪拌后內(nèi)部存有一定量的氣孔，根據(jù)含氣量的測(cè)定結(jié)果，混凝土的設(shè)計(jì)容積確定為980L/m³。

單位用水量（W）和砂率（S/A）：根據(jù)混凝土拌合物坍落度等相關(guān)要求，并結(jié)合試配結(jié)果，W為120kg/m³，S/A為38.0%。根據(jù)混凝土設(shè)計(jì)容積，骨料均按飽和面干和絕對(duì)容積進(jìn)行計(jì)算，竹節(jié)樁混凝土設(shè)計(jì)配合比見表1。

表1 混凝土設(shè)計(jì)配合比

1.3 配合比試驗(yàn)

按照設(shè)計(jì)配合比，對(duì)不同硅粉摻量混凝土進(jìn)行成型及強(qiáng)度試驗(yàn)，混凝土試件與生產(chǎn)構(gòu)件同條件進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，試驗(yàn)結(jié)果見表2。由表2可知，隨著硅粉摻量的增加，混凝土強(qiáng)度呈上升趨勢(shì)，但拌合物黏性加大，當(dāng)其摻量達(dá)到15%時(shí)，拌合料不能滿足構(gòu)件布料成型的和易性需求，試件成型不易密實(shí)，導(dǎo)致強(qiáng)度下降。當(dāng)硅粉摻量較低時(shí)，混凝土強(qiáng)度變化不明顯。本試驗(yàn)硅粉摻量為13%時(shí)，混凝土和易性和強(qiáng)度均能滿足配合比設(shè)計(jì)要求，因此，竹節(jié)樁生產(chǎn)用混凝土按試驗(yàn)2組的配合比進(jìn)行混合料制備。

表2 混凝土成型及強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

二、工藝成型

2.1 試驗(yàn)樁型

試生產(chǎn)樁型選用型號(hào)為AG4050 B型樁，其形狀如圖1所示。樁身設(shè)有1m間距的節(jié)部中空?qǐng)A柱體，樁長(zhǎng)10m，公稱直徑400mm，竹節(jié)外徑500mm，壁厚65mm。軸方向預(yù)應(yīng)力主筋配置11根PCB 9-1420-35-L-HG-GB/T 5223.3[1]低松弛預(yù)應(yīng)力混凝土用螺旋槽鋼棒，其合計(jì)斷面面積與樁非竹節(jié)位置橫截面環(huán)形面積比滿足0.4%以上的設(shè)計(jì)要求，主筋沿樁橫截面環(huán)形均勻分布，分布圓周直徑為334mm，螺旋筋直徑為4.0mm，螺距110mm，鋼筋保護(hù)層24mm，符合主筋鋼材及螺旋筋的保護(hù)層厚度須為15mm以上的設(shè)計(jì)要求。竹節(jié)樁配筋及力學(xué)性能指標(biāo)設(shè)計(jì)符合JIS A 5373:2010《預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土制品》[2]中E-1 預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的相關(guān)要求。

2.2 離心工藝

竹節(jié)樁離心成型工藝設(shè)計(jì)要求為混凝土混合料離心成型后能充分密實(shí)，無(wú)嚴(yán)重分層現(xiàn)象且無(wú)余漿產(chǎn)生。離心成型工藝制度分為低速、低中速、中速和高速四個(gè)階段。 

（1）布料階段轉(zhuǎn)速（低速）n1的確定：在離心過(guò)程中布料階段轉(zhuǎn)速不宜很大，否則將使混合料迅速密實(shí)而不易沿模壁均勻分布，同時(shí)還將產(chǎn)生嚴(yán)重的分層現(xiàn)象。 根據(jù)竹節(jié)樁內(nèi)壁任一點(diǎn)物料在離心時(shí)所受的離心力F和重力G相等的原則，確定布料臨界轉(zhuǎn)速n0（r/min）：

F＝ma＝mrω²及G＝mg?ω²＝g/r

式中：m為樁內(nèi)壁任一點(diǎn)物料的質(zhì)量，kg；a為樁內(nèi)壁任一點(diǎn)物料的加速度，m/s²；r為樁內(nèi)壁半徑，m，AG4050樁為0.135m；ω為樁模旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s；g為重力加速度，取9.8。

圖1 竹節(jié)樁外形示意圖

因此，AG4050 B型樁布料臨界旋轉(zhuǎn)角速度為8.52rad/s，布料臨界轉(zhuǎn)速n0（30ω/π）為81.4r/min。鑒于離心布料時(shí)離心機(jī)及管樁模具實(shí)際上存在的振動(dòng)現(xiàn)象，所以，實(shí)際生產(chǎn)時(shí)低速n1往往比布料臨界轉(zhuǎn)速n0要大K倍，即：n1＝Kn0，根據(jù)離心機(jī)及管樁模具的實(shí)際情況，本試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)K值為1.42～1.84，則低速n1約為115～150r/min。本試驗(yàn)采用K值為1.42，則樁內(nèi)壁物料離心加速度約為19.6m/s，即2g。

（2）密實(shí)階段（低中速）、過(guò)渡階段（中速）和成型階段（高速）離心加速度的確定：參考JC/T2126.6—2012《水泥制品工藝技術(shù)規(guī)程 第6部分：先張法預(yù)應(yīng)力混凝土管樁》生產(chǎn)PHC400B95-10型樁，其離心成型工藝制度見表3，結(jié)合竹節(jié)樁混凝土混合料使用硅粉的情況，對(duì)每階段的離心加速度和離心時(shí)間進(jìn)行調(diào)整，并根據(jù)試驗(yàn)成型過(guò)程最佳效果，確定竹節(jié)樁離心制度，見表4。

表3 PHC 400B型樁離心制度

離心制度與混凝土配合比、離心裝備和管樁模具性能有密切關(guān)系，實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，管樁模具的平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)對(duì)離心制度的設(shè)定影響更加明顯，同樣的管模轉(zhuǎn)速，由于管樁模具的振動(dòng)情況不同，會(huì)使物料的離心加速度與理論值存在差距。因此，離心制度在各企業(yè)或不同生產(chǎn)線上均不盡相同。傳統(tǒng)意義上的離心密實(shí)成型是流動(dòng)性混凝土混合料成型工藝中的一種機(jī)械脫水密實(shí)工藝，因離心力的作用，使得混合料中的空氣和多余水分排出，達(dá)到密實(shí)并獲得更高的混凝土強(qiáng)度。

表4 AG4050 B型樁離心制度

隨著混凝土外加劑及摻合料應(yīng)用技術(shù)、混凝土混合料配制技術(shù)的發(fā)展與提升，離心成型更加注重混合料均勻密實(shí)，無(wú)分層和無(wú)余漿。僅從表 3和表4的離心制度來(lái)看，PHC400管樁和AG 4050竹節(jié)樁的公稱直徑相同，不考慮混凝土混合料的因素，在低中速、中速及高速階段，竹節(jié)樁的離心加速度和離心持續(xù)時(shí)間比PHC樁均有較大幅度減少。從各階段離心持續(xù)時(shí)間占比來(lái)看，如果把低速和低中速稱為“前階段”，把中速和高速稱為“后階段”，則PHC樁的前后階段的離心持續(xù)時(shí)間占總時(shí)間比分別約為30%和70%，而竹節(jié)樁前后階段的時(shí)間占總時(shí)間比均約為50%。成型后的竹節(jié)樁內(nèi)壁無(wú)余漿且平整光滑，通過(guò)樁極限抗彎性能試驗(yàn)，可以看到樁身混凝土密實(shí)且無(wú)嚴(yán)重分層現(xiàn)象。

竹節(jié)樁無(wú)余漿的生產(chǎn)工藝的實(shí)現(xiàn)，不僅符合環(huán)保生產(chǎn)的要求，也避免離心分層及膠凝材料的流失對(duì)混凝土強(qiáng)度帶來(lái)的影響。離心成型后階段離心加速度降低和總的離心時(shí)間的縮短對(duì)樁生產(chǎn)節(jié)能降耗、提高生產(chǎn)效率有著重要意義。

三、常壓蒸汽養(yǎng)護(hù)

常壓蒸汽養(yǎng)護(hù)的主要目的是為了在較短的時(shí)間內(nèi)使得混凝土達(dá)到脫模強(qiáng)度，提高模具的周轉(zhuǎn)效率。在混凝土離心成型結(jié)束到蒸汽養(yǎng)護(hù)升溫開始這段預(yù)養(yǎng)期，在部分企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)中常常未能引起重點(diǎn)關(guān)注。根據(jù)吳中偉院士提出的混凝土“臨界初始結(jié)構(gòu)強(qiáng)度”及“最佳預(yù)養(yǎng)期”的概念，在一定的養(yǎng)護(hù)制度下，能夠使殘余變形最小，并獲得最大密實(shí)度及最高強(qiáng)度的最低初始結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，因此，達(dá)到臨界初始結(jié)構(gòu)強(qiáng)度所需的預(yù)養(yǎng)時(shí)間為最佳靜停期，有效的靜停期對(duì)混凝土早期強(qiáng)度的增長(zhǎng)至關(guān)重要。

常壓養(yǎng)護(hù)工藝制度一般分為靜停期（預(yù)養(yǎng)期）、升溫期、恒溫期和降溫期。PHC管樁的常壓蒸汽養(yǎng)護(hù)工藝制度見表5。

表5 PHC管樁的常壓蒸汽養(yǎng)護(hù)制度

由于竹節(jié)樁外表面有凸起的梯形環(huán)狀素混凝土，盡管竹節(jié)與樁身在設(shè)計(jì)時(shí)已考慮弧形轉(zhuǎn)角以降低應(yīng)力集中，但在蒸汽養(yǎng)護(hù)時(shí)，管樁模具隨溫度的熱脹冷縮和混凝土的硬化，在弧形轉(zhuǎn)角位置附近易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，特別是在脫模時(shí)，樁身因施加預(yù)應(yīng)力軸向縮短，而管樁模具因應(yīng)力釋放軸向伸長(zhǎng)，應(yīng)力集中現(xiàn)象會(huì)更加嚴(yán)重。采用表5養(yǎng)護(hù)制度試驗(yàn)，脫模后竹節(jié)樁表面易出現(xiàn)肉眼不易發(fā)現(xiàn)的微小裂紋，脫模過(guò)程中，樁身表面水分尚未完全蒸發(fā)的瞬間，微小裂紋清晰可見。

為避免竹節(jié)樁在養(yǎng)護(hù)過(guò)程中形成微小裂紋，提升竹節(jié)樁的表觀和內(nèi)在質(zhì)量，在PHC管樁的常壓蒸汽養(yǎng)護(hù)制度的基礎(chǔ)上，采用微電腦自動(dòng)養(yǎng)護(hù)控制系統(tǒng)程序化調(diào)整和監(jiān)控養(yǎng)護(hù)制度，適當(dāng)增加了靜停期時(shí)間，以確保升溫前混凝土達(dá)到臨界初始結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；大幅增加升溫期時(shí)間，并降低恒溫溫度，以控制升溫速率低于15 ℃/h，且勻速升溫，最大限度減少混凝土硬化過(guò)程中的應(yīng)力不均現(xiàn)象；延長(zhǎng)降溫期時(shí)間，防止養(yǎng)護(hù)結(jié)束后的急劇降溫而導(dǎo)致模具收縮和混凝土收縮的差距加大，具體養(yǎng)護(hù)制度見表6。此外，根據(jù)配合比設(shè)計(jì)要求確保預(yù)應(yīng)力導(dǎo)入時(shí)的混凝土強(qiáng)度 σ1達(dá)到75.0MPa，且預(yù)應(yīng)力導(dǎo)入按照循序漸進(jìn)的原則緩慢對(duì)樁身施加預(yù)應(yīng)力。

表6 竹節(jié)樁的常壓蒸汽養(yǎng)護(hù)制度

四、結(jié)論

（1）采用常壓蒸汽養(yǎng)護(hù)（免蒸壓）工藝，當(dāng)硅粉摻入量為13%左右時(shí)，能滿足C85混凝土竹節(jié)樁的設(shè)計(jì)及生產(chǎn)要求。較高的硅粉摻量不僅增加生產(chǎn)成本，而且混凝土的黏性較大，布料成型較為困難。較低的硅粉摻量，混凝土強(qiáng)度變化不明顯，也難達(dá)到混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。

（2）竹節(jié)樁實(shí)現(xiàn)了無(wú)余漿的生產(chǎn)目標(biāo)，與PHC樁相比，在離心工藝方面降低了中速和高速階段的離心加速度，縮短了離心成型時(shí)間，符合環(huán)保生產(chǎn)的要求，避免離心分層及膠凝材料的流失對(duì)混凝土強(qiáng)度帶來(lái)的影響。

（3）竹節(jié)樁的養(yǎng)護(hù)工藝與PHC樁相比，靜停期時(shí)間增加了1～2h，升溫期時(shí)間增加了一倍，恒溫溫度降低約15℃，控制升溫速率不大于15℃/h，且勻速升溫，最大限度減少混凝土硬化過(guò)程中的應(yīng)力不均現(xiàn)象，避免了樁身竹節(jié)部位肉眼不易發(fā)現(xiàn)的微小裂紋。相關(guān)竹節(jié)樁產(chǎn)品符合日本相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并在日本建筑工程中得到了應(yīng)用。