我国从20世纪40年代开始研制生产离心钢筋混凝土管桩(RC桩，1992年6月先张法预应力混凝土管桩(PC桩、PHC桩)国家标准首次发布。经过近30年的快速发展，我国管桩行业生产规模和产量已居世界首位，大量的管桩产品为我国建筑工程基础建设做出了重要贡献。但目前管桩行业仍存在生产装备自动化程度不高，高压蒸汽养护能耗大，生产过程产生的余浆难以得到有效处理等问题，这与国家工业和信息化部《工业绿色发展规划（2016年～2020年）》中提出的清洁生产相关要求存在较大差距，环保生产及新产品的研发与推广应用还有广阔的空间。本文通过对竹节桩的生产试验研 究，以硅粉作为掺合料配制强度等级为C85的混凝土，并以离心和免蒸压养护工艺来实现无余浆竹节桩的生产。

一、混凝土制备

1.1 原材料

水泥：P·O 52.5R水泥。

细骨料：天然江砂，密度2.65g/cm3，细度模数2.8。

粗骨料：5～20 mm连续粒级碎石，密度2.71g/cm3。

硅粉：表观密度2.23 g/cm3，平均粒径0.2μm。

减水剂：MD150奈系减水剂，减水率为14%。

1.2 配合比设计

配比设计基本条件：混凝土7d设计（出厂）基准强度σ₇≥85.0MPa，1d拆模（预应力导入）强度σ1≥75.0MPa，水胶比（W/B）≤0.35，坍落度（4.0±1.5）cm，标准偏差（σ）为3.0MPa。

配比强度σ_配：σ_配＝σ₇＋3σ＝85.0＋3×3.0

＝94.0MPa

水胶比（W/B）：按不同水胶比进行混凝土强度试验，建立水胶比和抗压强度关系式σ_配＝A′＋B′×B/W，A′、B′为系数，可通过线性回归分析得出，本次试验所得系数A′=26.80，B′=14.65。正常生产时，根据实际生产及检验情况， 定期对A′、B′进行校验并重新核定，使B/W～σ₇的关系式与实际生产情况更加吻合。根据 94.0＝26.80＋14.65×B/W关系式得W/B为0.218。

混凝土容积：考虑到混凝土搅拌后内部存有一定量的气孔，根据含气量的测定结果，混凝土的设计容积确定为980L/m³。

单位用水量（W）和砂率（S/A）：根据混凝土拌合物坍落度等相关要求，并结合试配结果，W为120kg/m³，S/A为38.0%。根据混凝土设计容积，骨料均按饱和面干和绝对容积进行计算，竹节桩混凝土设计配合比见表1。

表1 混凝土设计配合比

1.3 配合比试验

按照设计配合比，对不同硅粉掺量混凝土进行成型及强度试验，混凝土试件与生产构件同条件进行养护，试验结果见表2。由表2可知，随着硅粉掺量的增加，混凝土强度呈上升趋势，但拌合物黏性加大，当其掺量达到15%时，拌合料不能满足构件布料成型的和易性需求，试件成型不易密实，导致强度下降。当硅粉掺量较低时，混凝土强度变化不明显。本试验硅粉掺量为13%时，混凝土和易性和强度均能满足配合比设计要求，因此，竹节桩生产用混凝土按试验2组的配合比进行混合料制备。

表2 混凝土成型及强度试验结果

二、工艺成型

2.1 试验桩型

试生产桩型选用型号为AG4050 B型桩，其形状如图1所示。桩身设有1m间距的节部中空圆柱体，桩长10m，公称直径400mm，竹节外径500mm，壁厚65mm。轴方向预应力主筋配置11根PCB 9-1420-35-L-HG-GB/T 5223.3[1]低松弛预应力混凝土用螺旋槽钢棒，其合计断面面积与桩非竹节位置横截面环形面积比满足0.4%以上的设计要求，主筋沿桩横截面环形均匀分布，分布圆周直径为334mm，螺旋筋直径为4.0mm，螺距110mm，钢筋保护层24mm，符合主筋钢材及螺旋筋的保护层厚度须为15mm以上的设计要求。竹节桩配筋及力学性能指标设计符合JIS A 5373:2010《预制预应力混凝土制品》[2]中E-1 预应力混凝土管桩的相关要求。

2.2 离心工艺

竹节桩离心成型工艺设计要求为混凝土混合料离心成型后能充分密实，无严重分层现象且无余浆产生。离心成型工艺制度分为低速、低中速、中速和高速四个阶段。 

（1）布料阶段转速（低速）n1的确定：在离心过程中布料阶段转速不宜很大，否则将使混合料迅速密实而不易沿模壁均匀分布，同时还将产生严重的分层现象。 根据竹节桩内壁任一点物料在离心时所受的离心力F和重力G相等的原则，确定布料临界转速n0（r/min）：

F＝ma＝mrω²及G＝mg⇒ω²＝g/r

式中：m为桩内壁任一点物料的质量，kg；a为桩内壁任一点物料的加速度，m/s²；r为桩内壁半径，m，AG4050桩为0.135m；ω为桩模旋转角速度，rad/s；g为重力加速度，取9.8。

图1 竹节桩外形示意图

因此，AG4050 B型桩布料临界旋转角速度为8.52rad/s，布料临界转速n0（30ω/π）为81.4r/min。鉴于离心布料时离心机及管桩模具实际上存在的振动现象，所以，实际生产时低速n1往往比布料临界转速n0要大K倍，即：n1＝Kn0，根据离心机及管桩模具的实际情况，本试验经验系数K值为1.42～1.84，则低速n1约为115～150r/min。本试验采用K值为1.42，则桩内壁物料离心加速度约为19.6m/s，即2g。

（2）密实阶段（低中速）、过渡阶段（中速）和成型阶段（高速）离心加速度的确定：参考JC/T2126.6—2012《水泥制品工艺技术规程 第6部分：先张法预应力混凝土管桩》生产PHC400B95-10型桩，其离心成型工艺制度见表3，结合竹节桩混凝土混合料使用硅粉的情况，对每阶段的离心加速度和离心时间进行调整，并根据试验成型过程最佳效果，确定竹节桩离心制度，见表4。

表3 PHC 400B型桩离心制度

离心制度与混凝土配合比、离心装备和管桩模具性能有密切关系，实际生产过程中，管桩模具的平稳运转对离心制度的设定影响更加明显，同样的管模转速，由于管桩模具的振动情况不同，会使物料的离心加速度与理论值存在差距。因此，离心制度在各企业或不同生产线上均不尽相同。传统意义上的离心密实成型是流动性混凝土混合料成型工艺中的一种机械脱水密实工艺，因离心力的作用，使得混合料中的空气和多余水分排出，达到密实并获得更高的混凝土强度。

表4 AG4050 B型桩离心制度

随着混凝土外加剂及掺合料应用技术、混凝土混合料配制技术的发展与提升，离心成型更加注重混合料均匀密实，无分层和无余浆。仅从表 3和表4的离心制度来看，PHC400管桩和AG 4050竹节桩的公称直径相同，不考虑混凝土混合料的因素，在低中速、中速及高速阶段，竹节桩的离心加速度和离心持续时间比PHC桩均有较大幅度减少。从各阶段离心持续时间占比来看，如果把低速和低中速称为“前阶段”，把中速和高速称为“后阶段”，则PHC桩的前后阶段的离心持续时间占总时间比分别约为30%和70%，而竹节桩前后阶段的时间占总时间比均约为50%。成型后的竹节桩内壁无余浆且平整光滑，通过桩极限抗弯性能试验，可以看到桩身混凝土密实且无严重分层现象。

竹节桩无余浆的生产工艺的实现，不仅符合环保生产的要求，也避免离心分层及胶凝材料的流失对混凝土强度带来的影响。离心成型后阶段离心加速度降低和总的离心时间的缩短对桩生产节能降耗、提高生产效率有着重要意义。

三、常压蒸汽养护

常压蒸汽养护的主要目的是为了在较短的时间内使得混凝土达到脱模强度，提高模具的周转效率。在混凝土离心成型结束到蒸汽养护升温开始这段预养期，在部分企业实际生产中常常未能引起重点关注。根据吴中伟院士提出的混凝土“临界初始结构强度”及“最佳预养期”的概念，在一定的养护制度下，能够使残余变形最小，并获得最大密实度及最高强度的最低初始结构强度，因此，达到临界初始结构强度所需的预养时间为最佳静停期，有效的静停期对混凝土早期强度的增长至关重要。

常压养护工艺制度一般分为静停期（预养期）、升温期、恒温期和降温期。PHC管桩的常压蒸汽养护工艺制度见表5。

表5 PHC管桩的常压蒸汽养护制度

由于竹节桩外表面有凸起的梯形环状素混凝土，尽管竹节与桩身在设计时已考虑弧形转角以降低应力集中，但在蒸汽养护时，管桩模具随温度的热胀冷缩和混凝土的硬化，在弧形转角位置附近易产生应力集中现象，特别是在脱模时，桩身因施加预应力轴向缩短，而管桩模具因应力释放轴向伸长，应力集中现象会更加严重。采用表5养护制度试验，脱模后竹节桩表面易出现肉眼不易发现的微小裂纹，脱模过程中，桩身表面水分尚未完全蒸发的瞬间，微小裂纹清晰可见。

为避免竹节桩在养护过程中形成微小裂纹，提升竹节桩的表观和内在质量，在PHC管桩的常压蒸汽养护制度的基础上，采用微电脑自动养护控制系统程序化调整和监控养护制度，适当增加了静停期时间，以确保升温前混凝土达到临界初始结构强度；大幅增加升温期时间，并降低恒温温度，以控制升温速率低于15 ℃/h，且匀速升温，最大限度减少混凝土硬化过程中的应力不均现象；延长降温期时间，防止养护结束后的急剧降温而导致模具收缩和混凝土收缩的差距加大，具体养护制度见表6。此外，根据配合比设计要求确保预应力导入时的混凝土强度 σ1达到75.0MPa，且预应力导入按照循序渐进的原则缓慢对桩身施加预应力。

表6 竹节桩的常压蒸汽养护制度

四、结论

（1）采用常压蒸汽养护（免蒸压）工艺，当硅粉掺入量为13%左右时，能满足C85混凝土竹节桩的设计及生产要求。较高的硅粉掺量不仅增加生产成本，而且混凝土的黏性较大，布料成型较为困难。较低的硅粉掺量，混凝土强度变化不明显，也难达到混凝土设计强度要求。

（2）竹节桩实现了无余浆的生产目标，与PHC桩相比，在离心工艺方面降低了中速和高速阶段的离心加速度，缩短了离心成型时间，符合环保生产的要求，避免离心分层及胶凝材料的流失对混凝土强度带来的影响。

（3）竹节桩的养护工艺与PHC桩相比，静停期时间增加了1～2h，升温期时间增加了一倍，恒温温度降低约15℃，控制升温速率不大于15℃/h，且匀速升温，最大限度减少混凝土硬化过程中的应力不均现象，避免了桩身竹节部位肉眼不易发现的微小裂纹。相关竹节桩产品符合日本相关标准，并在日本建筑工程中得到了应用。