免蒸养高耐久性PHC管桩的研究与应用
摘要：为有效降低PHC 管桩生产过程中的能耗及简化生产工序，采用优选的混凝土配合比和早期保温养护措施，并充分...
摘要：为有效降低PHC 管桩生产过程中的能耗及简化生产工序，采用优选的混凝土配合比和早期保温养护措施，并充分利用环境温度对PHC管桩的作用，开发出了免蒸养高耐久性PHC 管桩工艺技术。试验结果及工程应用情况表明，免蒸养PHC 管桩混凝土的抗压强度完全能满足规范要求，具有较高的弹性模量、耐久性，可有效降低PHC管桩的生产能耗，且沉桩效果良好。
关键词：免蒸养；PHC 管桩；抗压强度；耐久性；环保
0 前言
传统的PHC 管桩生产工艺需采用常压蒸汽养护和高压蒸养二次蒸养工艺。为克服传统PHC 管桩二次高压蒸养工艺产生的大量能源消耗以及高压蒸养对PHC管桩混凝土性能的影响，通过大量试验研究和现场试验，成功开发出免压蒸PHC 管桩生产工艺。相比于传统高压蒸养PHC 管桩制桩工艺，免高压蒸养工艺具有改善混凝土抗锤击性、耐久性以及制桩成本低、节能环保等特点。开发的免压蒸PHC 管桩目前已在众多工程中获得应用，不仅能简化生产工序、提高PHC 管桩耐久性和抗锤击性等性能，而且还能节约成本和保护环境。
尽管所开发的免压蒸PHC 管桩制造技术相比传统高压蒸养PHC 管桩生产工艺技术取得了较大的技术进步，但PHC管桩的生产工艺仍需采用蒸汽养护，还会产生一定的能源消耗，且蒸汽养护会对PHC 管桩混凝土的性能产生不利影响，不利于PHC管桩质量控制和进一步提高，因此，需探索PHC 管桩节能的制桩新工艺，并进一步提升PHC 管桩性能。在保证和提高PHC 管桩性能以及模板周转效率的基础上，本文通过原材料优选和超早强混凝土配制技术研究，PHC 管桩生产工艺研究与改进，充分利用环境温度对混凝土强度发展的作用，免去蒸汽养护生产PHC 管桩，开发出了免蒸养高耐久性PHC 管桩工艺技术，并在工程中应用。
1 混凝土性能的试验研究
1.1 试验原材料、配合比与试验方法
1.1.1 原材料
（1）水泥
采用52.5R的域型硅酸盐水泥，对水泥的安定性、凝结时间、强度等性能指标进行检测，如表1 所示，其性能指标满足GB 175-2007《通用硅酸盐水泥》标准要求。
采用马鞍山生产的S95 粒化高炉矿渣粉，其物理力学性能指标如表2所示，均达到了GB/T18046-2008 《用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》标准的技术要求。
采用细度模数为2.7 的域区中砂，有关性能指标检测结果如表3所示，符合PHC 管桩混凝土所用砂的有关技术标准要求。
采用5~25mm连续级配的碎石（由5~10mm和16~25mm 两级配配制而成，5~10mm 和16~25mm 的比例为3∶7），其性能指标的检测结果如表4所示，满足有关标准技术要求。
采用上海产聚羧酸系高性能减水剂，其性能检测结果如表5所示。
（1）力学性能
混凝土抗压强度、劈拉强度和弹性模量等力学性能试验按JTJ 270-1998《水运工程混凝土试验规程》的有关规定进行。
（2）耐久性
混凝土电通量和氯离子扩散系数（RCM 法）试验按GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》有关规定进行。
（3）扫描电子显微镜
采用日本电子光学公司JSM-5600LV低真空扫描电子显微镜观察混凝土内部结构形貌，扫描电子显微镜分辨率为3.5nm，仪器的加速电压为20kV。
1.1.3 混凝土配合比设计
选用S95 粒化高炉矿渣粉作为矿物掺合料，掺量为10%~30%，水胶比为0.24~0.30，胶凝材料用量为480~550kg/m3，用水量为125~145kg/m3，砂用量为640~730kg/m3，粗骨料用量为1100~1200kg/m3，减水剂用量为4.0~5.5kg/m3，并采用早强剂提高混凝土早期强度。
1.2 试验结果讨论与分析
1.2.1 工作性能
混凝土的坍落度、含气量和表观密度测试结果如表6 所示。由表6 可知，混凝土坍落度满足PHC管桩的要求，同时具有较低含气量和较高表观密度，有利于提高混凝土抗压强度。
（1）抗压强度
标准养护下混凝土抗压强度测试结果如表7所示。由表7可知，1d 混凝土抗压强度即达到脱模强度要求，5d 抗压强度即达到C80 出厂强度要求，且后期强度持续增加，28d 抗压强度大于90MPa，所配制的混凝土具有较高的早期强度和后期强度。
标准养护条件下混凝土劈拉强度和弹性模量的测试结果如表8 所示。由表8 可知，混凝土的劈拉强度和弹性模量均随着龄期的增加而不断增加，混凝土具有较高的劈拉强度和弹性模量。
（1）抗氯盐侵蚀性能
标准养护条件下混凝土电通量和氯离子扩散系数测试结果见表9。由表9可知，混凝土28d 电通量小于1000C，56d电通量小于500C，84d氯离子扩散系数小于1.0×10-12m2/s，达到JGJ/T 193-2009《混凝土耐久性检验评定标准》的RCM-V等级的技术要求，具有较高的抗氯盐侵蚀性能。
免蒸养混凝土抗冻性测试结果如表10所示。由表10可知，混凝土经历400 次循环的相对动弹性模量为99%，质量损失率为0，经历1000 次冻融循环的免蒸养混凝土的相对动弹性模量仍为99%，质量损失率为0，具有优异的抗冻性，可满足北方高抗冻性的质量要求。
1.2.4 微观分析
对养护90d龄期的免蒸养混凝土进行SEM测试，如图1所示。由图1可知，放大倍数为600 倍的照片表明骨料与水泥水化产物晶体界面结合较为紧密，无裂缝和缺陷产生，骨料界面上附着较多的凝胶等水泥水化产物，水化产物较多，发育良好且结构较为紧密；放大倍数为15000倍扫描电镜照片进一步表明，形成了板状氢氧化钙和较多的凝胶体等多种水化产物交织的致密的水化产物体系，使混凝土强度和耐久性持续增长，免蒸养混凝土具有较高的抗压强度、劈拉强度和弹性模量，并具有良好的抗氯盐侵蚀和抗冻性能。
按GB/T 50152-2012《混凝土结构试验方法标准》、GB 13476-2009 《先张法预应力混凝土管桩》的规定，测试了养护7d 的C 型Φ1000mm 免蒸养PHC 管桩抗裂弯矩和极限抗裂弯矩，测试结果如表11所示。由表11可知，所开发研制的免蒸养PHC管桩抗弯力学性能满足有关规范对抗裂弯矩和极限抗裂弯矩的要求，具有较高的抗弯性能，随着养护龄期进一步增长，免蒸养PHC管桩的力学性能将持续增长，其抗弯性能将进一步提高。
3.1 工程概况
镇江港高桥港区孟家港公用码头工程位于江苏省镇江市丹徒区高桥镇，新建荷花池作业区一期散货码头。本工程建设五万t级卸船泊位3座，总平面布置为3个五万t 级散货码头，平面尺寸为790m×32m。采用装卸平台和引桥均采用透空的高桩梁板式结构；基础结构采用PHC桩基，桩长约为47~57m，埋置标高在-53~-55m左右；本工程桩基拟采用打入桩，靠近陆域部分拟采用水上灌注桩施工。设计PHC管桩为1000C型47~57m，共计567 根，采用免蒸养工艺生产的PHC管桩进行施工。
3.2 免蒸养PHC 管桩生产与出厂检验
3.2.1 免蒸养PHC管桩生产工艺
采用设计超早强混凝土配合比进行PHC 管桩混凝土生产，生产工艺流程主要有：混凝土配料、混凝土搅拌、钢筋骨架制作、混凝土布料、预应力张拉、离心成型、养护池保温养护、脱模施加预应力、管桩自然养护以及混凝土性能检验。水泥在水化过程中会放出水化热，能有效促进混凝土温升，加速水泥早期水化反应，从而提高混凝土早期强度。为有效提高PHC管桩早期强度，在研制超早强混凝土的基础上，将生产的PHC管桩放入密闭养护池中进行早期养护，充分利用密闭容器中的混凝土早期水化放热集聚作用，提高PHC 管桩混凝土的早期强度。
免蒸养PHC管桩的养护方法分为PHC 管桩早期养护池的保温养护和脱模后的自然养护两个阶段，第一阶段养护池保温养护主要是提高混凝土养护温度促进强度增长以及防止混凝土失水产生收缩；第二阶段养护主要促进PHC管桩混凝土强度持续增长。第一阶段（养护池保温养护）：PHC管桩离心成型后即进入养护池，并盖上盖子进行保温养护，当养护池内PHC管桩大于45.0MPa 脱模强度后可进行脱模。第二阶段（自然养护）：脱模后的PHC管桩放入露天环境进行自然养护，自然养护达到80.0MPa 出厂强度要求。
3.2.2 出厂检验
（1）抗压强度
采用混凝土优化配合比进行生产，2014年6月6日试生产了1根C 1000 47mPHC管桩。测得混凝土坍落度为160mm，和易性良好；同时合模、张拉、离心、倒浆均正常，PHC 管桩脱模后桩身混凝土密实、颜色均匀正常，放入堆场存放至2014年6月16日装船出厂，环境温度为21~31℃。测试了各龄期同条件养护混凝土抗压强度，如表12所示。由表12可知，1d即达到了脱模强度，2d后进行脱模，7d达到出厂强度要求，混凝土后期强度持续增长。
分别成型两组Φ100mm×50mm 的电通量试块，养护到规定龄期，按照有关标准分别测试混凝土28d和56d的电通量，测试结果如表13 所示。表13的测试结果表明，免蒸养PHC 管桩混凝土28d电通量为631C，56d电通量为408C，免蒸养PHC 管桩混凝土具有较高耐久性。
免蒸养PHC 管桩于2014年6月19日在镇江高桥孟家港码头60-D桩位沉桩，为6:1 斜桩，由野浙江合力桩3 号冶用138 锤二档沉桩，桩顶设20cm纸垫，现场记录PHC 管桩沉桩技术数据，沉桩记录与沉桩的情况分别如表14和图2所示。
表14 的沉桩记录表明，该地域地质条件不利，沉桩难度大，沉桩全程88min，总锤击数3531击，其中，贯入度5mm以下锤击数超过2300击，最终贯入度3.2mm，沉桩结束后桩顶桩身完好无损。图2沉桩情况表明，现场沉桩过程正常，桩身完整无裂缝，桩基检测结果良好，这表明免蒸养PHC 管桩具有良好的抗锤击性能，可有效提高耐久性。
4 结语
（1）对混凝土配合比设计、PHC管桩性能、养护制度、工程应用性试验等进行研究，开发出了免蒸养PHC 管桩工艺技术。所生产的免蒸养PHC 管桩混凝土抗压强度满足相关规范要求，在较短的时间满足脱模和出厂要求，并具有较高的耐久性、弹性模量，有效改善了蒸养对PHC 管桩性能的影响。
（2）所开发研制的免蒸养PHC管桩在工程中获得了成功应用。应用情况表明，出厂的PHC 管桩力学性能完全满足相关规范要求并具有较高的耐久性，沉桩效果良好，且该生产工艺可节省成本和节能环保，具有显著经济效益和推广应用前景。
来源：《混凝土与水泥制品》杂志
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