大管樁和PHC管樁的抗凍性研究

汪冬冬，田偉麗，王成啟，陳克偉，陳慶

（1.中交上海三航科學(xué)研究院有限公司，上海 200032；2.中交第三航務(wù)工程局有限公司，上海 200032）

0 引言

大管樁、PHC管樁是港口碼頭工程中使用的樁型，多年來廣泛應(yīng)用于我國(guó)華東、華南沿海港口碼頭與橋梁工程。2005年，山東東營(yíng)碼頭擴(kuò)建工程成功采用大管樁[1]，2009年，河北黃驊港綜合港區(qū)碼頭工程采用大管樁[2]，2011年，一航局三公司在長(zhǎng)興島投資建設(shè)的大連信德混凝土制品有限公司投產(chǎn)PHC管樁[3]，PHC管樁在大連、天津和東營(yíng)的一些碼頭開始使用[3-4]。總體而言，大管樁、PHC管樁在北方港口碼頭的應(yīng)用才剛剛起步。

在有抗凍要求的北方地區(qū)，預(yù)制混凝土管樁尚未被廣泛應(yīng)用，主要原因是懷疑其抗凍性和抗冰荷載能力，也有專家質(zhì)疑大管樁接縫抗凍性[5]。目前，北方港口碼頭仍優(yōu)先選用鋼管樁作為基礎(chǔ)，不僅前期投入成本較高，而且需要投入大量防腐蝕成本。大量檢測(cè)資料[6-7]表明：大管樁、PHC管樁耐久性好，大管樁具有優(yōu)越的力學(xué)性能、抗?jié)B透性能以及對(duì)各種復(fù)雜地質(zhì)的適應(yīng)性。但也有許多負(fù)面的研究報(bào)道，中山三和建材有限公司魏宜嶺和李龍[8]報(bào)道PHC管樁耐久性低，并認(rèn)為是蒸壓工藝所導(dǎo)致。嚴(yán)志隆等人[9]研究表明生產(chǎn)工藝的某個(gè)環(huán)節(jié)或幾個(gè)環(huán)節(jié)不符合要求，PHC管樁抗凍性很難合格。JTS 202—2011《水運(yùn)工程混凝土施工規(guī)范》[10]規(guī)定混凝土的抗凍性以抗凍等級(jí)表示，對(duì)混凝土抗凍要求最嚴(yán)格為F350。為充分論證大管樁、PHC管樁的抗凍性，本研究對(duì)大管樁C60混凝土和PHC管樁C80混凝土開展系統(tǒng)抗凍試驗(yàn)研究，并提出提高抗凍性的方法。為北方地區(qū)推廣應(yīng)用大管樁和PHC管樁提供理論參考。

1 試驗(yàn)方案與方法

抗凍試驗(yàn)采用CDR-6型快速凍融試驗(yàn)設(shè)備。該儀器符合GB/T 50082—2009標(biāo)準(zhǔn)，并參考ASTM/C 666的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法。本研究抗凍試驗(yàn)遵照GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中快凍法進(jìn)行。相對(duì)動(dòng)彈性模量P計(jì)算見式（1），并以3個(gè)試件試驗(yàn)結(jié)果的算術(shù)平均值作為測(cè)定值。混凝土的抗凍等級(jí)應(yīng)以相對(duì)動(dòng)彈性模量下降至不低于60%或者質(zhì)量損失率不超過5%時(shí)的最大凍融循環(huán)次數(shù)來確定?；炷量箖鲋笖?shù)（DF）的計(jì)算參照CCES 01—2004《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)與施工指南》規(guī)定：DF計(jì)算見式（2），其值為300次快速凍融循環(huán)后的動(dòng)彈性模量與初始值的比值。如在300次循環(huán)以前，試件的動(dòng)彈模已降到初始值的60%以下或重量損失已超過5%，則以此時(shí)的循環(huán)次數(shù)N計(jì)算DF值，并取DF=（N/300）× 0.6。

式中：Pi為經(jīng)N次凍融循環(huán)后第i個(gè)混凝土試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量，%，精確到0.1；fni為經(jīng)N次凍融循環(huán)后第i個(gè)混凝土試件的橫向基頻，Hz；f0i為凍融循環(huán)試驗(yàn)前第i個(gè)混凝土試件的橫向基頻初始值，Hz。

式中：DF為混凝土抗凍融指數(shù)；p為經(jīng)N次凍融循環(huán)后混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量。

大管樁、PHC管樁的抗凍試驗(yàn)方案見表1。本研究對(duì)A、B、C三個(gè)預(yù)制廠的大管樁和D、E兩個(gè)預(yù)制廠的PHC管樁進(jìn)行抗凍試驗(yàn)。針對(duì)大管樁先蒸汽養(yǎng)護(hù)后水養(yǎng)的生產(chǎn)過程，分別對(duì)留樣混凝土同條件養(yǎng)護(hù)試塊、大管樁管節(jié)切割混凝土和模擬大管樁接縫的抗凍試塊進(jìn)行抗凍試驗(yàn)。由于目前PHC管樁的生產(chǎn)廣泛存在“壓蒸”（先常壓蒸養(yǎng)后高壓蒸養(yǎng)）和“免壓蒸”（只經(jīng)常壓蒸養(yǎng)后自然養(yǎng)護(hù)）兩種工藝，對(duì)于PHC管樁的抗凍性，分別對(duì)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、一次蒸養(yǎng)護(hù)、二次蒸養(yǎng)護(hù)的留樣混凝土以及“壓蒸”和“免壓蒸”兩種工藝生產(chǎn)的PHC管節(jié)（少配筋）切割混凝土進(jìn)行抗凍試驗(yàn)研究。

表1 大管樁、PHC管樁的抗凍試驗(yàn)方案

2 大管樁抗凍性研究

A、B、C三個(gè)廠大管樁混凝土抗凍試驗(yàn)結(jié)果見表2及圖1。A廠大管樁A-Z、A-Z-A1、A-Z-A2、A-M這4組抗凍試件抗凍等級(jí)均大于F350，并且其中管節(jié)切割A(yù)-Z進(jìn)行1000次凍融循環(huán)后相對(duì)動(dòng)彈模82.8%，混凝土外觀良好（見圖2）。B-JF是模擬大管樁接縫的抗凍試驗(yàn)，BJF的成型見圖3，采用壓力對(duì)接方式模擬大管樁的張拉，接縫材料采用大管樁粘結(jié)劑。試驗(yàn)結(jié)果表明B-JF抗凍等級(jí)大于F350，抗凍指數(shù)為90.8%，350次凍融循環(huán)后，試件相對(duì)動(dòng)彈性模量80.6%，模擬接縫粘結(jié)完好，未見劣化。據(jù)此推測(cè)大管樁接縫抗凍性可靠，受凍后不會(huì)成為大管樁薄弱環(huán)節(jié)。B-M是大管樁留樣混凝土同條件養(yǎng)護(hù)試塊，抗凍等級(jí)大于F300，抗凍指數(shù)94.5%，抗凍性好。C-X13、C-X46、C1、C2、C1-2、C1-3抗凍等級(jí)分別為F100、F100、F200、F200、F50、F50，抗凍指數(shù)分別為26.9%、25.2%、49.2%、45.8%、19.7%、19.7%，抗凍性很差。而C1-1、C-LY、C-ZS的抗凍等級(jí)分別為F700、F850、>F850，抗凍指數(shù)分別為98%、99%、93%，抗凍性很好。其原因尚有待進(jìn)一步分析，C1-1、C-LY、C-ZS摻用了25%S95礦粉復(fù)合膠凝材料，由此可見，礦粉對(duì)改善大管樁混凝土抗凍性有利。

表2 大管樁混凝土抗凍試驗(yàn)與結(jié)果

圖1 大管樁凍融循環(huán)試驗(yàn)相對(duì)動(dòng)彈性模量曲線

圖2 A-Z凍融循環(huán)1000次后外觀

圖3 B-JF抗凍試件制作

以上抗凍試驗(yàn)研究表明：三個(gè)廠生產(chǎn)大管樁混凝土的抗凍性均達(dá)到F350以上的抗凍等級(jí)。C廠大管樁抗凍性出現(xiàn)抗凍等級(jí)不足F200的情況是膠凝材料不合理所致，通過更換水泥并使用適量礦粉使大管樁抗凍性達(dá)到F800以上?？傮w而言，只要控制好原料和生產(chǎn)工藝，采用“離心—振動(dòng)—輥壓”三復(fù)合工藝，并經(jīng)蒸養(yǎng)、水養(yǎng)后的C60大管樁混凝土本體抗凍性好，接縫抗凍性可靠。

3 PHC管樁抗凍性研究

對(duì)D、E兩個(gè)預(yù)制廠PHC管樁混凝土進(jìn)行抗凍試驗(yàn)研究。D廠采用“壓蒸”工藝生產(chǎn)PHC管樁，E廠采用“壓蒸”和“免壓蒸”兩種工藝。PHC管樁抗凍試驗(yàn)結(jié)果見表3及圖4。

表3 PHC管樁混凝土抗凍試驗(yàn)結(jié)果

圖4 PHC管樁抗凍試驗(yàn)結(jié)果匯總

根據(jù)抗凍試驗(yàn)結(jié)果，蒸養(yǎng)可能對(duì)PHC管樁抗凍性帶來不利影響。所有標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)留樣混凝土（D-LY-BY-08、EBY-M-09、D-BY-M-09、D-BY-M-10）的抗凍性均達(dá)F400以上，而一次蒸養(yǎng)和兩次蒸養(yǎng)留樣混凝土抗凍性可能很差。E-MYZ-M-09是一次蒸養(yǎng)留樣試塊，抗凍等級(jí)僅F100，D-LY-YZ-08、E-GY-M-09、D-GY-M-09 均是兩次蒸養(yǎng)留樣試塊，其抗凍等級(jí)分別為F100、F150、

如果在原材料、配合比、離心和養(yǎng)護(hù)工藝的某個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，可能導(dǎo)致PHC管樁抗凍性變差。D-ZS-J-08、D-ZS-A-08、D-GY-Z-09均為采用“壓蒸”工藝制作的PHC管樁切割混凝土，抗凍等級(jí)分別為

采用“壓蒸”工藝的PHC樁切割混凝土E-GZ-Z-0912、E-YZ-Z-0910、D-GY-Z-10抗凍等級(jí)分別達(dá)到>F850、>F1000、F600，抗凍指數(shù)分別為99%、94%、90%。而采用“免壓蒸”工藝的PHC樁切割混凝土EMYZ-Z-0912、E-MYZ-Z-0910歷經(jīng)1000次凍融循環(huán)后相對(duì)動(dòng)彈性模量分別為95%、97%，抗凍等級(jí)均大于F1000，抗凍指數(shù)達(dá)到99%，抗凍性極佳。

PHC管樁抗凍研究表明：通過控制原料、配合比和生產(chǎn)工藝，無論采用“壓蒸”還是“免壓蒸”工藝，PHC管樁本體抗凍性均可達(dá)F350以上，甚至可達(dá)F1000以上。

4 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)多個(gè)預(yù)制廠大管樁和PHC管樁混凝土的抗凍試驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論：

1）強(qiáng)度等級(jí)C60大管樁抗凍等級(jí)均能達(dá)到F350以上，甚至大于F1000。大管樁接縫抗凍性良好，凍融循環(huán)后不會(huì)成為薄弱環(huán)節(jié)。

2）通過控制原材料、配合比、離心和養(yǎng)護(hù)工藝，采用“壓蒸”和“免壓蒸”兩種工藝均能制作強(qiáng)度等級(jí)C80、抗凍性F350甚至F1000以上的PHC管樁。

3）混凝土預(yù)制樁的生產(chǎn)工藝對(duì)抗凍性影響顯著，為保證混凝土樁的抗凍性，必須對(duì)原材料、配合比、生產(chǎn)工藝（特別是養(yǎng)護(hù)制度）等全過程嚴(yán)格控制。選擇合適的水泥并使用適量礦粉等礦物摻合料有助于提高其抗凍性。

4）通過合理控制原料和生產(chǎn)工藝，大管樁和PHC管樁的抗凍性完全滿足北方寒冷地區(qū)嚴(yán)酷的使用環(huán)境。針對(duì)有抗凍要求北方工程，建議根據(jù)抗凍試驗(yàn)確定抗凍等級(jí)控制管樁的抗凍性。

5）本試驗(yàn)作為對(duì)大管樁和PHC樁抗凍性研究提供了較豐富的資料成果和數(shù)據(jù)。但由于整個(gè)試驗(yàn)的時(shí)間跨度較大、取樣的生產(chǎn)廠家較多（工藝上可能有所差異）等因素，其結(jié)果的規(guī)律性、重現(xiàn)性尚有待進(jìn)一步的研究、試驗(yàn)和積累。

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