0引言
我國從上世紀80年代末從日本引進PHC管樁生產線設備、技術，到目前為止已經有二十年的歷史，近年來海上工程建設掀起新一輪高潮，外海深水碼頭工程、跨海大橋工程看好長管節(jié)的大直徑混凝土管樁。管樁具有樁身強度高，抗裂、抗彎能力強，可貫入性、耐錘擊性好，生產周期短，單樁承載力高。并且，由于單節(jié)長度達30m，在一般水工工程中可確保樁的鋼質接頭進入泥面以下一定深度，并能超過第一零彎矩的深度，有利于接頭防腐和結構安全。另外耐海水侵蝕能力比鋼管樁好，使用期維護費用小，且價格相對較低，與同直徑的鋼管樁相比，僅為鋼管樁的1/2~2/3。因此說大直徑管樁部分取代鋼管樁及全部替代砼方樁已大勢所趨。
管樁廠工藝布置及工藝控制參數是否合理、是否成功，主要看這樣的工藝能否保證和滿足產品質量要求，而且要保證一個生產周期內的質量穩(wěn)定性；同時要求投入的資金、(包括勞動生產率、單位面積的產量)等指標是合理的、先進的，當然還有對安全性、環(huán)保的要求。新建制的航通構件基本是按以上原則進行設置和控制，以達到較佳的人、物、財的合理性。
1PHC管樁廠工藝布置
國外的PHC管樁生產最多的是日本和馬來西亞，也是目前國際上技術較先進的國家，基本上是采用的機組流水線。國內目前生產PHC大直徑管樁企業(yè)，均為日本模式的翻版，考慮到中國國情，自動化程度有所降低，但總體布置基本一致。由于設計者的認識程序有所不同，各企業(yè)的工藝布置及控制各有千秋，有的較合理，但有的相對較笨拙。
1.1對總平面布置的基本要求PHC管樁廠的選址一般從運輸條件、原材料條件、產品使用密集區(qū)方位等因素進行考慮，如要求靠近運輸碼頭，砂石大宗原材料采購運輸方便，PHC樁成品易于出廠等。PHC管樁廠總的生產工藝可概括為三大類：即臺座法、機組流水法和流水傳送法。歐美國家主要采用臺座法，此種方法資金投放量小、建廠周期快，易于在較大工程的施工處附近迅速形成生產力，但總體產量較低，產品質量的保證度相對較??；國內主要參照日本及馬來西亞八十年代的生產工藝，即機組流水法，此法特點是工藝流水順暢，各生產工段前呼后應，各工段所采用的生產手段能滿足和保證產品質量要求，最終實現投入合量、工藝緊湊；二十一世紀以來，日本等國逐步發(fā)展了流水傳送法，此工藝布置要求自動化程度相當高，車間生產基本實現全自動化，但前期投入相當大。一般國內目前較先進的企業(yè)均選用機組流水法。
機組流水法一般分為橫肉向布置和縱向布置二種，兩者各有特點。前者工藝布置緊湊，同樣的生產量車間面積較后者省(即土建投資小)，勞動生產率較高，一般適合小直徑的PHC樁生產，但如工藝設計不合理時其安全性較后者差。反之，后者生產工藝線拉得較長，同樣產量土建費用較高，但生產安全性大為加強，適合大直徑的PHC樁生產，國內企業(yè)一般均選用縱向流動方式。
1.2車間平面布置的基本要求車間平面設計的好壞直接影響產品的產量、質量和安全。一般PHC車間應遵循以下幾個原則。①工藝流暢、簡潔，整個工藝流程順序作業(yè)，盡量減小運輸、減小交叉作業(yè)。車間生產的核心是工序節(jié)拍，所以要考慮到每道工序的節(jié)拍時間，要做到各流程的平衡，不允許出現各工序“打仗”現象的發(fā)生。②車間內設備的選型要外購與自制相結合，充分利用現有條件、每個廠的自身特點決定各類工藝設備。③物流方向的選擇。在車間內，原材料、半成品、成品立體交叉，相互流動，如何設計最佳的物流方向，特別是行車等運輸工具都應有自己的行車路線，在結合處，如何按統(tǒng)疇原理進行優(yōu)化，以減小輔助等待時間，使其與整個車間合拍。④車間內工藝裝備的定置管理。車間生產所需的輔助裝備應定位于最佳位置，以提高生產效率和加強安全管理，如氣動扳手在布料區(qū)和拆模區(qū)的位置，氣管接頭設置在何處有利等等，都應進行考慮。⑤車間的設計是一個系統(tǒng)工程，要全面系統(tǒng)地考慮，以取得最滿意的經濟、安全效益。
2PHC樁生產各工段的工藝及其參數
合理的生產工藝參數是保證PHC管樁質量的前提，如何正確設立各工序中所涉及的參數，是在設計PHC廠前必須考慮成熟的不可缺少的步驟。
下面我們結合生產實際商討一下生產各主要工段的工藝及其參數的一些基本要求，以及容易出現的或是易忽視的問題上，其它次要工序的要求及參數應結合實際情況確定，在此就不再累述。
2.1鋼筋加工鋼筋加工遷涉到PCB鋼棒的定長切斷、鐓頭及滾焊成型三個主要工藝環(huán)節(jié)。①定長切斷。一般要求每一根管樁內的鋼棒長度誤差控制在L/5000~L/10000之內為宜，每根定長的計算按下式，實際生產可試制幾根，只要長度誤差在±0.3%內則為合格。②鐓頭。鐓頭是PHC管樁錨固鋼棒的重要部件，通過它對管樁兩端的法蘭板施加預應力。所以鐓頭過程中的熱塑影響對其錨固強度的發(fā)揮是息息相關的，控制好鐓頭過程中的強度損失在10%以內是關鍵，以免在管樁養(yǎng)護過程、放張時或是在錘擊應力下出現“脫頭”的嚴重質量事故。另外，鋼棒的鐓頭面應平整，這點也是比較重要的，這將直接影響到鐓頭的質量，比較理想的是下圖中的(A)，而(B)、(C)所示的情況應避免。③滾焊成籠。這里要注意焊后強度問題，籠子要求能焊牢不散架，但并非越牢越好，過度的焊接會影響主筋的強度，甚至“燒傷”，這直接威脅管樁的預應力和抗裂抗彎性能。
2.2管樁混凝土的制備混凝土的制備是心臟環(huán)節(jié)，其質量的好壞可直接控制著管樁的50%質量事故。一般攪拌方式現在有二種，即一階式和二階式，兩種方式有各自的特點，一階式投資較高，自動化程度較高，生產效率相對也較高，運行成本較低，但維護水平及操作水平也較高，平時的設備保養(yǎng)較困難，基本上不允許有大修。二階式則反之，但近年來自動化水平也上升較快，也被許多企業(yè)采用。不論采用哪種方式，只要在設計時充分考慮PHC管樁的生產特點，即每盤料的精準度要求在1%(靜態(tài))以內，具體選用哪種方式，筆者認為只要結合建廠的方位、空間、投資額、工廠所外的周邊環(huán)境、總平面特點等二者均可以，要做到因地制宜，因廠設計。
PHC管樁混凝土強度一般在C80～C100，屬于高強混凝土的范疇，它的特點是混凝土單位膠凝材料用量高，一般在500～530kg/m3，同時膠凝材料中礦物外加劑較多，可占到總量的30～50%，粗集料要求5～20mm，采用高效減水劑，水灰比控制在0.28～0.30之間，同時由于需要在喂料車中布料，要求混凝土的工作性能較好，故我們在設計時要選擇好攪拌機械和攪拌工藝，一般說攪拌機械應選用雙軸臥式，不應選用立式等其它形式，目前國外攪拌方式中只臥式能做到在短時內“攪透”滿足上述要求的混凝土，否則管樁在離心中會出現蜂窩、麻面、坍落等質量缺陷。另外，我們要注意攪拌制度的選用，攪拌高強管樁混凝土要求減水劑后摻法，即部分的水和砂、石、膠凝料混拌約20秒后再加入剩余部分的水和高效減水劑。一般來說，從砂石料下到攪拌機內起總的攪拌時間不宜少于100秒，隨著攪拌機械的老化，總時間應適當加長。
2.3預應力張拉和離心成型預應力張拉工藝中要注重千斤頂、張拉方式、張拉速度及張拉設計值的選用。大直徑PHC管樁國內均采用外張拉方式，即張拉螺栓通過張拉環(huán)直接固定在管樁端板上共同張拉，國外較多的是采用分組張拉，一般說分組式張拉方式較優(yōu)，但對人員素質及控制儀器設施投入較多。
在這里我們尤要注意張拉精度的控制，張拉顯示儀表的選擇比較重要，要求最小刻度在0.5MPa為宜。在張拉值計算時，一般按下式取用：σcon=min(0.8×σ屈服，0.7×σ抗拉)，一般不允許超張拉，這樣容易造成管樁在施工中突然斷裂而發(fā)生安全事故，但應考慮在張拉過程中端板、錨具與管模間的摩擦力效應。采用一次張拉工藝時，張拉設計值為0→10%σcon→103%σcon后直接錨固；當采用二次張拉工藝時，張拉設計值采用0→10%σcon→105%σcon(持荷二分鐘)→100%σcon(錨固)。同時要注意應力——應變的關系，在保證應力的情況下應變理論與實際值偏差在5%以內是可以接受的。
離心工藝及其各階段工藝參數的選擇對管樁的質量起著極其重要的作用。管樁在世界上近四十年的探索，得出了較科學的參數。這些成果的主要方面是：①離心分三階段或四階段成型，即低速布料(也稱二次攪拌)，中低速勻料，中速成形，高速密實：②為保證管樁在離心力作用下充分密實，高速下密實壓力推薦為0.5～1.0kg.f/cm2，即換算成離心加速度為35～40g，其中g為重力加速度；理想中速的推薦值為高速/ ，以起到充分成型作用，達到較佳的內外分層；慢速的作用是充分勻料，使混凝土在管樁內模內進行二次攪拌，恢復成型所需的坍落度，使混凝土料在管樁模內均勻分布，其理論值為k×30/ ，R為管樁的平均半徑，k為離心系數，k的取值在0.9～1.2之間，按混凝土的不同適當調整。③每一階段的離心時間應要求拌制的混凝土情況都有一個最佳的時間，不是越長越好，當然太短了也是一樣的。
不同的混凝土配方生產的管樁其高速離心最佳時間是有一定差異的，所以不同的生產廠家應根據自己的配方確定一組較好的離心制度。不同的減水劑、外摻礦物外加劑對離心制度是有較大的影響的。航通構件所使用的新拌混凝土其磨細砂使用占到膠凝材料總量的30%左右，其它的廠家如三航四公司、七公司、江門裕大公司等均在新拌混凝土中均摻入了大量的外摻料(磨細礦渣、鋼渣、蛇尾礦、磨細粉煤灰等)，另外各公司所采用的高效減水劑有萘系列、脂肪族系列、聚羧酸系列等，也造成新拌混凝土的離心初始坍落度、離心布料階段坍落度恢復時間及離心中速、高速時的三相沉降速率(石子在砂漿中的沉降、砂在水泥漿中的沉降、水在水泥漿中的沉降)不一致，所以生產應根據自身的特點并結合理論研究成果對不同階段的離心速度、時間進行必要的修正，關鍵是管樁成型后其離心混凝土應距有良好的內分層和外分層，使二種分層盡量的減小。一般總的離心時間不宜小于18分鐘，在離心參數選擇時在充分考慮到中速的離心時間和速度，以最大程度的減小內分層。
另外，某企業(yè)為增加產量，節(jié)省離心結束后的停車時間，采用“剎車”的方式使離心機在短時間內停車，這種方法會造成管樁剛成型的混凝土內部出現許多結構“微裂縫”，這些裂縫沿徑向呈放射性分布，在養(yǎng)護過程中有的裂縫是無法自行愈合的，最終造成管樁的內部缺陷。
2.4普養(yǎng)和壓蒸養(yǎng)護使用蒸汽進行養(yǎng)護是加快鋼模周轉的重要手段，它使混凝土在短時間內獲得要求的放張強度。PHC管樁的養(yǎng)護可分為二個階段，即初級養(yǎng)護(也稱普養(yǎng))和壓蒸養(yǎng)護，一般來說，經過壓蒸的管樁即便再經水養(yǎng)，其混凝土強度增長是相當緩慢的，有試驗表明經壓蒸后混凝土其強度在二年內基本變化。
養(yǎng)護制度參數的選擇是管樁生產的又一重要設計。管樁是一種“薄壁”的水泥制品構件，同時在普養(yǎng)時是帶模養(yǎng)護的，經過離心的混凝土已經獲得一定的初始強度，另外脫模時混凝土強度等級在C50左右，以上因素在管樁普養(yǎng)制度制定時應充分考慮的。
制度中靜停時間的長短應得到足夠的重視，因為離心以后混凝土雖然有一定的強度，但立即升溫或是靜停時間不足，會引起混凝土的“腫脹”溫度效應出現大量的結構缺陷，一般說加入摻合料的靜停時間控制在2小時以內，無摻合料時可控制在1小時左右，同時要考慮冬季比夏季多半小時左右。升溫速度根據膠凝材料的不同略有不同，一般控制在20～25℃，摻合料多的可取上限，純水泥的可取下限，冬季時應適當放慢。恒溫溫度也與混凝土中的摻合料有關系，摻的可適當提高，不摻的應控制在75℃以內，恒溫時間一般以脫模強度控制為宜。由于管樁是帶模養(yǎng)護的，所以降溫時間除特殊原因外一般控制在半小時左右即可。特別的，要意養(yǎng)護池內各方位溫度差不可過大，通過改變蒸養(yǎng)汽管的布置或噴口方式以消除溫差。
壓蒸階段是使混凝土內部的C-S-H凝膠系統(tǒng)轉變成C-S-H的托勃莫來石結構，同時水泥水化過程生成的Ca(OH)2與摻合料中硅質成分發(fā)生化學反應生產硅酸鹽凝膠，這些凝膠填充在C-S-H結構中空隙中，從而使混凝土進一步提高，經過壓蒸后混凝土強度等級可達到C80以上，該過程發(fā)生的主要化學反應如下式：
2C3S+6H→3C3S2H6+3CH→2C2S+4H3C3S2H6+3CH(水泥水化)
C2SH→CSH→C5S6H5(托勃莫來石)(在壓蒸過程的晶體轉化)
CH+S→CSH(硅質材料與水化后的氫氧化鈣反應生產凝膠)
當然，實際的化學物理反應遠不止這么簡單，還與水泥及外加的硅質材料中的鈣硅比大小有關，但總體上混凝土中的強度膠結材料反映大致如此。
在壓蒸制度確定時，要注意合理的升溫曲線和降溫曲線，恒溫壓力，溫度控制在1.0MPa下的飽和蒸汽溫度即可。升溫一般35～40℃/小時為宜，不可過快以免造成溫度應力裂縫。降溫時間及降溫壓力分配尤為重要，以不出現溫差裂縫為前提，在大風或雨天特別注意。降壓時要有2～3小時左右的過程，瞬時降壓會造成混凝土中孔隙水的突然蒸發(fā)而使混凝土暴裂?？偟膩碚f壓蒸工藝要求既能滿足強度要求，又要避免“突變”的影響。
2.5管節(jié)拼接PHC管樁要求先拼接成施工要求的長度，再運輸至現場施打，所以拼接水平的高低應直接影響到管樁承臺結構的好壞。目前，PHC管樁的拼接均采用臥式拼接，在這里注意的拼接的平直度控制，一般要求不超過0.5%D(D為管樁外徑)?，F在PHC管樁的拼接頭經過幾十年發(fā)展，出現了如U形接頭，碗形接頭、T形接頭等方式，對保護管樁端面混凝土強度及保證PHC樁的結構一致性均做出了貢獻。
3結語
PHC管樁的生產工藝和工藝設計是個復雜的問題，工藝多樣，是個統(tǒng)疇的問題，但最終要歸結到產品的產量、質量、建設和生產成本控制這幾個問題上來。一個合理的設計和各工藝參數的確定，是利用現有的有限資源，找到一個較理想的平衡點才是上策，并不是產量越高越好或是投資越大越好，而是根據投資的大小和掌握的土地、人員、設備等合理設置規(guī)模，做到物盡其用。
PHC管樁的工藝參數設計重點是要考慮到如何在保證最終成品的品質，從而控制好每道工序的工藝參數，特別是混凝土的攪拌、張拉、離心、蒸汽養(yǎng)護、接管等關鍵工序的參數設計，應在理論指導下結合和各廠自己的實際情況而制度出合理的制度。
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