浅谈预应力管桩(PHC)高强砼配合比设计参数的选择摘要：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天抗压强度为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、环境温度等诸多因素，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。