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摘要：PHC管桩混凝土配合比设计是实现PHC 管桩性能的一个重要过程，是PHC 管桩质量控制的首要问题。本文笔者根据多年的生产实践,分析了影响PHC管桩用高强混凝土强度及工作性的一些主要因素，并提出了混凝土配合比设计中具有指导意义的重要参数。以供同行参考。
关键词：PHC管桩；高强混凝土；配合比；粗骨料
0 前言
PHC管桩即高强度预应力管桩，它具有质量可靠、穿透力强、耐打性能好、承载力大、施工快速、施工现场整洁、文明等优点，整体综合指标优于各种现场击打式的灌注桩，是建筑施工中的一项先进技术，特别在珠三角一带的沉积土、流沙土、腐植土、淤泥层较厚等的软弱性地质处理工程中应用非常广泛。而PHC管桩的使用条件、生产成本,甚至生产周期等都与混凝土配合比的设计密切相关。因此,PHC管桩混凝土配合比设计是实现PHC 管桩性能的一个重要过程，是PHC 管桩质量控制的首要问题，是向客户交付满足合同要求产品的关键环节之一，也是判定产品是否经济合理的基本依据之一。本文笔者根据多年的生产实践,分析了影响PHC管桩用高强混凝土强度及工作性的一些主要因素，并提出了混凝土配合比设计中具有指导意义的重要参数。以供同行参考。
1配制PHC管桩高强混凝土的主要考虑因素
1.1混凝土工作性能
主要包括混凝土的均匀性、粘聚性、保水性和流动性。均匀性和保水性是影响混凝土强度离散程度的重要因素,而粘聚性和流动性则影响生产工人的操作快慢及混凝土离心质量。当粘聚性和流动性良好时,喂料、清料和合模速度就会加快,相反则会降慢生产速度。
1.2混凝土抗压设计强度
依据GB13476-2009《先张法预应力混凝土管桩》的要求, 混凝土28天抗壓强度为80MPa, 脱模强度为45MPa。实际操作中,混凝土28天抗压强度应控制在90MPa以上比较安全,因为现时的施工不够规范,随意施工的现象比较普遍,因此配合比设计时最好把混凝土的强度等级从C80提高到C90。
1.3混凝土塌落度损失
只要水泥遇水就会发生水化作用,塌落度就会随时间的推移而逐渐损失,尤其水泥用量大时,随着水化热的增大,塌落度损失也将增大,遇到天气炎热时,更加加剧塌落度的损失,可以说塌落度损失是不可避免的。塌落度的损失意味着混凝土流动性的损失,损失过大对管桩制作质量相当不利,主要表现为离心后的混凝土密实度降低或出现蜂窝、麻面现象。
1.4桩混凝土离心质量
离心效果主要包括桩内表面质量和混凝土结构质量两方面。桩内表面质量主要表现为内表面光滑、露石、塌落、纵向裂缝、挂浆等,其中露石、塌落、挂浆及纵向裂缝等缺陷完全可以通过配比的优化来解决。混凝土结构分层主要有外分层和内分层两方面。外分层是混凝土拌合物在离心沉降密实后沿离心力方向（即由内向外）明显地分成水泥浆层、砂浆层和混凝土层, (如图1a）。这种混凝土结构, 在一般情况下, 强度都要低于与离心后的配合比和密实度相同的均质的混凝土, 造成的原因是因为砂浆层和水泥浆层的强度较小。内分层是指粗集料之间因水泥、砂子沉降形成水膜层的现象, (如图1b)。内分层的存在局部破坏了集料颗粒与水泥石之间的粘结力,因此内分层对混凝土的强度,抗渗性是不利的。
离心混凝土的结构分层虽不可避免,但仍可通过配合比的调整来减少分层的程度,如优化骨料的级配,降低水灰比和调低塌落度等。
1一水泥浆层2一砂浆层3一混凝土层4一集料5一水膜层
图1 离心混凝土结构分层情况
1.5混凝土的脆性
根据清华大学许锦峰教授提出的经验算式,弹性模量会随强度的增长而增长, 但增长幅度与强度不成正比,表明强度越大,脆性也越大,这对柴油锤击施工法是极不利的。 根据实践,Ec值与砂率大小有关,当骨料坚硬,砂率较低时, Ec值可增大10%～20%,当采用较高的砂率时, Ec值可降低10%～15%。 因此,在配制高强混凝土时,应采取一些措施来降低混凝土的脆性,如适当调高砂率或有条件时加入钢纤维维以提高混凝土的延性。
上述分析的五个问题都会影响管桩的质量, 因此, 配合比基本参数的选择, 是每个设计者需要慎重处理的问题。
2对管桩高强砼配合比设计参数的选择
2.1水灰比
水灰比(W/C)则是控制混凝土强度的一个重要参数。水泥要达到完全水化所需的水量约为水泥量的25%。此外由于物理吸附作用,还要有15%的水被限制在胶体空隙中而不能参与化学反应,所以至少要有0.4倍水泥重量的水才能达到完全的水化作用。降低水灰比以后,尽管水化不完全,但强度却能继续提高,其原因是较低的水灰比能降低混凝土中的孔隙率并减少孔隙的尺寸,同时还能增强水化硅酸钙(CSH)凝胶的品质。而未水化的水泥颗粒则作为一种坚硬的微细骨料发挥作用。在较低水灰比情况下,水灰比的微小变化可使强度有较大的变化,所以严格控制水灰比是保证高强混凝土质量的关键。在掺高效减水剂的下, 配制管桩80MPa甚至90MPa以上的混凝土,根据实践,比较合理的水灰比应控制在0.3～0.27之间。
为保证生产中使用的水灰比能达到工艺设计要求,应做好下面的工作: ①勤测骨料含水率,并根据含水率的变化及时调整好用水量和骨料含量,②计量器具应定期检定、经中修。大修后也应进行检定；③控制好砂的进货质量。一旦砂的细度模数变小时、其比表面积就会增大、为达到同样的塌落度所需的用水量就要增加。
2.2砂率
砂率作为配合比中一个重要的参数不容忽视，砂率的大小既会影响混凝土的强度，又会影响混凝土的和易性、弹性模量及抗冲击性能。
一般情况，提高砂率可以增加混凝土的流动性，但却会使骨料的表面积增大，为达到同样塌落度所需的用水量就要增加。砂率过小，虽可以提高混凝土强度，但和易性会随之变差，同时弹性模量也会随之发生较大变化。众所周知，混凝土强度越高，随之而来的混凝土脆性也越大，抗冲击性能就会变差，况且，现阶段PHC管桩绝大部分还是用柴油锤施打的。
在配合比设计时,只要能满足强度要求，如达到C90以后，应优先考虑降低混凝土的脆性。因此，合理地选择砂率是十分必要的。大量试验表明，配制管桩混凝土的砂率不应大于0.39，更低的砂率还能使强度增长，但这将损害工作度和增加脆性，对管桩生产和工地施打不利。根据我公司的实际经验，砂率控制在36%-39%之间的范围内。
具体确定哪个值,须通过试配及实践来确定,综合考虑拌合混凝土的和易性、抗压强度及抗冲击性能。
2.3用灰量
灰量是水泥和外掺活性粉料之和。目前，绝大多数厂家生产PHC管桩时都采用符合GB175质量要求的PII42.5硅酸盐水泥及SiO2含量≥90%,比表面积≥4000cm2/g的磨细石英砂粉。各厂家使用的灰量不一，大都在450kg/m2以上。 其实，灰量并不是对混凝土强度贡献的主要因素，当用高效减水剂配制高强砼时，灰量超过450kg/m2时对强度增长已不显著，尤其掺一定比例的磨细石英砂粉后，只要不低于450kg/m2灰量配置的强度几乎没什么差别，就以我公司为例，掺30%磨细砂、灰量460～480kg/m2配置的强度基本控制在90～95MPa之间，不但能满足强度要求，而且还比较稳定。虽然，灰量大小对混凝土的强度影响不大，但并不意味着只要选取最经济的用灰量就可以了。事实上，灰量的大小对混凝土其它方面的影响是十分显著的，主要表现为①混凝土的粘聚性、流动性；②混凝土塌落度损失；③桩离心质量；④混凝土耐打性；⑤成本等五个方面。
（1）用灰量过大，不但会增加成本，而且会产生多种不利后果，如混凝土的稠度变大，生产速度减慢，离心后混凝土的密实度降低；桩离心后净浆层厚度的增加；另外过量的水化热会使混凝土的塌落度损失加快，离心后混凝土密实度降低，甚至出现蜂窝、麻面现象，降低混凝土强度等。这些不利因素都会降低桩的承载性能，对桩的耐打性是不利的。
（2）用灰量过小，意味着砂浆包裹用量也随之减少，桩离心后内表面容易造成骨料的堆积和露石，甚至坍塌，影响桩的结构，这对生产质量控制和桩的耐打性是非常有害的。
在确定用灰量时，还应考虑所用水泥品种、细度、质量、塌落度大小、骨料的级配与形状、環境温度等诸多因素，特别是外加剂的影响较大，所以最优的用灰量要根据具体情况经过试配而定。
作者根据多年的生产实践和研究，认为用灰量460～480kg/m2之间选取是比较理想的。
2.4混凝土塌落度
混凝土的流动性也是非常重要的一个指标,在实际中,通常用塌落度值的大小来表示。它的影响主要包括它的可操作性和离心后混凝土的质量两方面。塌落度过大或过小都对工人的操作不利，如靠增加水量得到的大流动度会降低混凝土强度；另外，大流动度会使离心混凝土的外分层和内分层现象更加明显，削弱承载面积及耐打性。反之片面追求混凝土的高强度，减少用水量把混凝土塌落度控制得太低，甚至为零，虽用这种方法制作的立方体试件强度很高，但制品却容易出现蜂窝、麻面、混凝土不密实及露石等质量缺陷。因此，选择合适的塌落度是十分关键的，但不应只靠加水来获得某一塌落度值，而应在稳定水灰比的情况下通过外加剂来调节。
在管桩生产实践中，还应根据不同的气候条件及塌落度损失快慢选择不同的塌落度。春、冬季的塌落度损失较小，一般控制在3-5cm，而夏季的塌落度损失较快、塌落度应加大一些， 5-7cm比较合适。
3 结束语
（1）PHC管桩混凝土配合比设计及优化时应综合地考虑混凝土的抗压强度、工作性、塌落度、离心质量及脆性,同时还应考虑生产成本;
（2）水灰比是个敏感参数,对混凝土的抗压强度影响较大,最好控制在用灰量的0.3～0.27之间;
（3）C80或更高强度的混凝土,应使用PII42.5或以上的水泥, 选取用灰量时应考虑到混凝土的水化热、粘聚性、塌落度损失、离心质量、耐打性及脆性,灰量一般控制在460～480kg/m2之间比较合适；
（4）混凝土的脆性, 同时还要获得较理想的工作性能,砂率不能过低也不能过高,最好控制在35.5%～37%之间；
（5）塌落度不但会影响操作性能,而且还会影响混凝土的离心质量,因此,控制好塌落度是十分关键的。应不同季节选取不同的塌落度值, 春季和冬季控制在3-5cm,夏季控制在5-7cm。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：PHC管桩；高强混凝土；配合比；粗骨料
0 前言
PHC管桩即高强度预应力管桩，它具有质量可靠、穿透力强、耐打性能好、承载力大、施工快速、施工现场整洁、文明等优点，整体综合指标优于各种现场击打式的灌注桩，是建筑施工中的一项先进技术，特别在珠三角一带的沉积土、流沙土、腐植土、淤泥层较厚等的软弱性地质处理工程中应用非常广泛。而PHC管桩的使用条件、生产成本,甚至生产周期等都与混凝土配合比的设计密切相关。因此,PHC管桩混凝土配合比设计是实现PHC 管桩性能的一个重要过程，是PHC 管桩质量控制的首要问题，是向客户交付满足合同要求产品的关键环节之一，也是判定产品是否经济合理的基本依据之一。本文笔者根据多年的生产实践,分析了影响PHC管桩用高强混凝土强度及工作性的一些主要因素，并提出了混凝土配合比设计中具有指导意义的重要参数。以供同行参考。
1配制PHC管桩高强混凝土的主要考虑因素
1.1混凝土工作性能
主要包括混凝土的均匀性、粘聚性、保水性和流动性。均匀性和保水性是影响混凝土强度离散程度的重要因素,而粘聚性和流动性则影响生产工人的操作快慢及混凝土离心质量。当粘聚性和流动性良好时,喂料、清料和合模速度就会加快,相反则会降慢生产速度。
1.2混凝土抗压设计强度
依据GB13476-2009《先张法预应力混凝土管桩》的要求, 混凝土28天抗壓强度为80MPa, 脱模强度为45MPa。实际操作中,混凝土28天抗压强度应控制在90MPa以上比较安全,因为现时的施工不够规范,随意施工的现象比较普遍,因此配合比设计时最好把混凝土的强度等级从C80提高到C90。
1.3混凝土塌落度损失
只要水泥遇水就会发生水化作用,塌落度就会随时间的推移而逐渐损失,尤其水泥用量大时,随着水化热的增大,塌落度损失也将增大,遇到天气炎热时,更加加剧塌落度的损失,可以说塌落度损失是不可避免的。塌落度的损失意味着混凝土流动性的损失,损失过大对管桩制作质量相当不利,主要表现为离心后的混凝土密实度降低或出现蜂窝、麻面现象。
1.4桩混凝土离心质量
离心效果主要包括桩内表面质量和混凝土结构质量两方面。桩内表面质量主要表现为内表面光滑、露石、塌落、纵向裂缝、挂浆等,其中露石、塌落、挂浆及纵向裂缝等缺陷完全可以通过配比的优化来解决。混凝土结构分层主要有外分层和内分层两方面。外分层是混凝土拌合物在离心沉降密实后沿离心力方向（即由内向外）明显地分成水泥浆层、砂浆层和混凝土层, (如图1a）。这种混凝土结构, 在一般情况下, 强度都要低于与离心后的配合比和密实度相同的均质的混凝土, 造成的原因是因为砂浆层和水泥浆层的强度较小。内分层是指粗集料之间因水泥、砂子沉降形成水膜层的现象, (如图1b)。内分层的存在局部破坏了集料颗粒与水泥石之间的粘结力,因此内分层对混凝土的强度,抗渗性是不利的。
离心混凝土的结构分层虽不可避免,但仍可通过配合比的调整来减少分层的程度,如优化骨料的级配,降低水灰比和调低塌落度等。
1一水泥浆层2一砂浆层3一混凝土层4一集料5一水膜层
图1 离心混凝土结构分层情况
1.5混凝土的脆性
根据清华大学许锦峰教授提出的经验算式,弹性模量会随强度的增长而增长, 但增长幅度与强度不成正比,表明强度越大,脆性也越大,这对柴油锤击施工法是极不利的。 根据实践,Ec值与砂率大小有关,当骨料坚硬,砂率较低时, Ec值可增大10%～20%,当采用较高的砂率时, Ec值可降低10%～15%。 因此,在配制高强混凝土时,应采取一些措施来降低混凝土的脆性,如适当调高砂率或有条件时加入钢纤维维以提高混凝土的延性。
上述分析的五个问题都会影响管桩的质量, 因此, 配合比基本参数的选择, 是每个设计者需要慎重处理的问题。
2对管桩高强砼配合比设计参数的选择
2.1水灰比
水灰比(W/C)则是控制混凝土强度的一个重要参数。水泥要达到完全水化所需的水量约为水泥量的25%。此外由于物理吸附作用,还要有15%的水被限制在胶体空隙中而不能参与化学反应,所以至少要有0.4倍水泥重量的水才能达到完全的水化作用。降低水灰比以后,尽管水化不完全,但强度却能继续提高,其原因是较低的水灰比能降低混凝土中的孔隙率并减少孔隙的尺寸,同时还能增强水化硅酸钙(CSH)凝胶的品质。而未水化的水泥颗粒则作为一种坚硬的微细骨料发挥作用。在较低水灰比情况下,水灰比的微小变化可使强度有较大的变化,所以严格控制水灰比是保证高强混凝土质量的关键。在掺高效减水剂的下, 配制管桩80MPa甚至90MPa以上的混凝土,根据实践,比较合理的水灰比应控制在0.3～0.27之间。
为保证生产中使用的水灰比能达到工艺设计要求,应做好下面的工作: ①勤测骨料含水率,并根据含水率的变化及时调整好用水量和骨料含量,②计量器具应定期检定、经中修。大修后也应进行检定；③控制好砂的进货质量。一旦砂的细度模数变小时、其比表面积就会增大、为达到同样的塌落度所需的用水量就要增加。
2.2砂率
砂率作为配合比中一个重要的参数不容忽视，砂率的大小既会影响混凝土的强度，又会影响混凝土的和易性、弹性模量及抗冲击性能。
一般情况，提高砂率可以增加混凝土的流动性，但却会使骨料的表面积增大，为达到同样塌落度所需的用水量就要增加。砂率过小，虽可以提高混凝土强度，但和易性会随之变差，同时弹性模量也会随之发生较大变化。众所周知，混凝土强度越高，随之而来的混凝土脆性也越大，抗冲击性能就会变差，况且，现阶段PHC管桩绝大部分还是用柴油锤施打的。
在配合比设计时,只要能满足强度要求，如达到C90以后，应优先考虑降低混凝土的脆性。因此，合理地选择砂率是十分必要的。大量试验表明，配制管桩混凝土的砂率不应大于0.39，更低的砂率还能使强度增长，但这将损害工作度和增加脆性，对管桩生产和工地施打不利。根据我公司的实际经验，砂率控制在36%-39%之间的范围内。
具体确定哪个值,须通过试配及实践来确定,综合考虑拌合混凝土的和易性、抗压强度及抗冲击性能。
2.3用灰量
灰量是水泥和外掺活性粉料之和。目前，绝大多数厂家生产PHC管桩时都采用符合GB175质量要求的PII42.5硅酸盐水泥及SiO2含量≥90%,比表面积≥4000cm2/g的磨细石英砂粉。各厂家使用的灰量不一，大都在450kg/m2以上。 其实，灰量并不是对混凝土强度贡献的主要因素，当用高效减水剂配制高强砼时，灰量超过450kg/m2时对强度增长已不显著，尤其掺一定比例的磨细石英砂粉后，只要不低于450kg/m2灰量配置的强度几乎没什么差别，就以我公司为例，掺30%磨细砂、灰量460～480kg/m2配置的强度基本控制在90～95MPa之间，不但能满足强度要求，而且还比较稳定。虽然，灰量大小对混凝土的强度影响不大，但并不意味着只要选取最经济的用灰量就可以了。事实上，灰量的大小对混凝土其它方面的影响是十分显著的，主要表现为①混凝土的粘聚性、流动性；②混凝土塌落度损失；③桩离心质量；④混凝土耐打性；⑤成本等五个方面。
（1）用灰量过大，不但会增加成本，而且会产生多种不利后果，如混凝土的稠度变大，生产速度减慢，离心后混凝土的密实度降低；桩离心后净浆层厚度的增加；另外过量的水化热会使混凝土的塌落度损失加快，离心后混凝土密实度降低，甚至出现蜂窝、麻面现象，降低混凝土强度等。这些不利因素都会降低桩的承载性能，对桩的耐打性是不利的。
（2）用灰量过小，意味着砂浆包裹用量也随之减少，桩离心后内表面容易造成骨料的堆积和露石，甚至坍塌，影响桩的结构，这对生产质量控制和桩的耐打性是非常有害的。
在确定用灰量时，还应考虑所用水泥品种、细度、质量、塌落度大小、骨料的级配与形状、環境温度等诸多因素，特别是外加剂的影响较大，所以最优的用灰量要根据具体情况经过试配而定。
作者根据多年的生产实践和研究，认为用灰量460～480kg/m2之间选取是比较理想的。
2.4混凝土塌落度
混凝土的流动性也是非常重要的一个指标,在实际中,通常用塌落度值的大小来表示。它的影响主要包括它的可操作性和离心后混凝土的质量两方面。塌落度过大或过小都对工人的操作不利，如靠增加水量得到的大流动度会降低混凝土强度；另外，大流动度会使离心混凝土的外分层和内分层现象更加明显，削弱承载面积及耐打性。反之片面追求混凝土的高强度，减少用水量把混凝土塌落度控制得太低，甚至为零，虽用这种方法制作的立方体试件强度很高，但制品却容易出现蜂窝、麻面、混凝土不密实及露石等质量缺陷。因此，选择合适的塌落度是十分关键的，但不应只靠加水来获得某一塌落度值，而应在稳定水灰比的情况下通过外加剂来调节。
在管桩生产实践中，还应根据不同的气候条件及塌落度损失快慢选择不同的塌落度。春、冬季的塌落度损失较小，一般控制在3-5cm，而夏季的塌落度损失较快、塌落度应加大一些， 5-7cm比较合适。
3 结束语
（1）PHC管桩混凝土配合比设计及优化时应综合地考虑混凝土的抗压强度、工作性、塌落度、离心质量及脆性,同时还应考虑生产成本;
（2）水灰比是个敏感参数,对混凝土的抗压强度影响较大,最好控制在用灰量的0.3～0.27之间;
（3）C80或更高强度的混凝土,应使用PII42.5或以上的水泥, 选取用灰量时应考虑到混凝土的水化热、粘聚性、塌落度损失、离心质量、耐打性及脆性,灰量一般控制在460～480kg/m2之间比较合适；
（4）混凝土的脆性, 同时还要获得较理想的工作性能,砂率不能过低也不能过高,最好控制在35.5%～37%之间；
（5）塌落度不但会影响操作性能,而且还会影响混凝土的离心质量,因此,控制好塌落度是十分关键的。应不同季节选取不同的塌落度值, 春季和冬季控制在3-5cm,夏季控制在5-7cm。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。