一種北方地區(qū)冬季免蒸壓PHC管樁試驗(yàn)研究

王博，達(dá)勝利，董福成，宋心*，孫朋偉，包貴安，趙軍偉

（1. 陜西恒盛集團(tuán)新材料研究中心，陜西 西安 710000；2. 陜西秦漢恒盛新型建材科技股份有限公司；陜西西安 710000；3. 陜西恒盛混凝土有限公司，陜西 西安 710000）

0 前言

傳統(tǒng)的 PHC 管樁采用兩段式的養(yǎng)護(hù)工藝，即常壓蒸養(yǎng)和高壓蒸養(yǎng)。壓蒸養(yǎng)護(hù)工藝使混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)形成速度加快，晶體結(jié)構(gòu)中粗大晶粒占大多數(shù)，導(dǎo)致內(nèi)部晶膠比偏大，混凝土脆性大，長期耐久性差；同時混凝土壓蒸養(yǎng)護(hù)工藝能耗占管樁生產(chǎn)成本的 7%～20%，占整個養(yǎng)護(hù)過程耗能的 80% 左右，大量消耗不可再生的煤、石油、天然氣等能源[1-2]。目前，國內(nèi)實(shí)現(xiàn)免蒸壓技術(shù)的廠家主要集中在南方一帶，這些區(qū)域的管樁出廠后可在當(dāng)?shù)剌^高的氣溫下強(qiáng)度繼續(xù)增長，而北方夏熱冬冷地區(qū)的混凝土管樁免蒸壓技術(shù)還缺乏研究與應(yīng)用[3]。

本文針對北方地區(qū)冬季免蒸壓 PHC 管樁進(jìn)行試驗(yàn)研究，從環(huán)保、節(jié)能、技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的綜合角度，充分利用工業(yè)廢料，變廢為寶，同時避免因高溫高壓蒸養(yǎng)導(dǎo)致管樁脆性增大所產(chǎn)生的裂紋，提高管樁的耐久性[4]。該研究項(xiàng)目的應(yīng)用前景廣闊，將為北方夏熱冬冷地區(qū)的混凝土管樁生產(chǎn)行業(yè)提供重要的技術(shù)支撐，產(chǎn)生較大的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和社會綜合效益。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

水泥：P·Ⅱ52.5 級水泥，陜西省寶雞市扶風(fēng)縣冀東水泥有限公司，水泥的物理性能如表 1 所示。

表1 水泥物理性能表

砂：粗砂，Ⅱ 區(qū)，含泥量 1%，細(xì)度模數(shù) 2.4，產(chǎn)地：陜西省寶雞市。

碎石：花崗巖碎石，咸陽武功生產(chǎn)。雙級配，5～16mm 和 5～31.5mm，含泥量 0.1%，壓碎指標(biāo) 8.8%。

摻合料：礦粉，陜西韓城大唐盛龍有限公司生產(chǎn)S95 級，流動度比 96%，7d 活性指數(shù) 74%，28d 活性指數(shù) 96%。

減水劑：早強(qiáng)型減水劑，密度 1.05g/cm3，pH 值為10.3，含固量 13.50%。

1.2 試驗(yàn)方法

按現(xiàn)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

2 免蒸壓管樁試驗(yàn)室正交試驗(yàn)

2.1 正交試驗(yàn)過程

通過前期的試驗(yàn)情況和數(shù)據(jù)結(jié)論，提高膠材用量、引入早強(qiáng)外加劑都可以明顯提高管樁的早期強(qiáng)度。同時為了保證混凝土的工作性能，擬將單方水泥用量、單方礦粉用量、砂率作為影響因子，設(shè)計(jì)三因素三水平正交試驗(yàn)，探究各因子對混凝土強(qiáng)度的影響，并找出最佳配比[5]。試驗(yàn)如表 2 所示。

表2 正交試驗(yàn)設(shè)定

設(shè)計(jì)容重 2550kg/m3；大小石子比例為 4:6；減水劑摻量 2.2%，可根據(jù)和易性情況調(diào)整；嚴(yán)格控制用水量；正交試驗(yàn)配比表如表 3 所示。

試驗(yàn)過程中，采用機(jī)械攪拌，將混凝土出機(jī)坍落度控制為 120～160mm，保證混凝土不抓底，流動性良好，無離析、泌水現(xiàn)象發(fā)生。試配結(jié)果如表 4 所示。以上每組試驗(yàn)留置蒸養(yǎng) 5h 及 7h 試塊各兩組，震動成型后放置于室內(nèi)，24h 后拆模后放置于蒸汽養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)進(jìn)行蒸養(yǎng)，蒸養(yǎng)制度為：60℃ 時將試件放入養(yǎng)護(hù)箱，開啟蒸養(yǎng)，升溫速率為 15℃/h，2.5h 后升溫至 95℃，恒溫 5h和 7h 后取出試件，待試件降至室溫后進(jìn)行抗壓試驗(yàn)?？箟涸囼?yàn)結(jié)果如表 4 所示。

表3 正交試驗(yàn)配比表 kg/m3

表4 試配結(jié)果

2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果

以蒸養(yǎng)時間為 5h 的強(qiáng)度為計(jì)算值，其中 k1，k2，k3 為強(qiáng)度平均值，R 為極差。正交分析試驗(yàn)結(jié)果如表 5所示。

直接比較抗壓強(qiáng)度值可知：在這 9 組試驗(yàn)結(jié)果中，以第 7 組試驗(yàn)生產(chǎn)出的混凝土管樁強(qiáng)度最高，其水平組合為 A3、B1、C3（水泥 420kg/m3，礦粉 80 kg/m3，砂率 34%）；通過 R 值的大小可以看出本試驗(yàn)各影響因素的主次關(guān)系為 A＞C＞B，即影響管樁混凝土強(qiáng)度的因素最主要的是水泥的用量，其次是砂率，最后是礦粉用量；一定條件下，水泥用量與混凝土強(qiáng)度成正相關(guān)，但因所用石子顆粒級配中 2.36mm 以下粒徑含量極少，當(dāng)水泥用量達(dá)到一定程度時，通過提高砂及礦粉用量，可以很好地填充水泥顆粒和石子之間的空隙，提高混凝土的密實(shí)度，進(jìn)而改善混凝土的和易性和強(qiáng)度。

表5 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

對于不同配比的混凝土試樣，經(jīng)過 5h 和 7h 的蒸養(yǎng)后測得抗壓強(qiáng)度值如圖 1。

圖1 5h 和 7h 的蒸養(yǎng)后測得抗壓強(qiáng)度值

根據(jù)試驗(yàn)強(qiáng)度及和易性結(jié)果，雖所有試驗(yàn)組的強(qiáng)度均不能達(dá)到 80MPa 以上，但在試驗(yàn)室中，未能模擬實(shí)際生產(chǎn)中的離心工藝，在離心過程中可以有效提高管樁混凝土內(nèi)部的均勻性和密實(shí)度，提高管樁強(qiáng)度。所以，在現(xiàn)有原材料狀況下，綜合考慮成本和工作效率，最大程度降低因配比改變對現(xiàn)有工藝流程及設(shè)備狀況的影響，選取以下試驗(yàn)配比作為中試配比：其中 3 號試驗(yàn)組直接進(jìn)入中試，5 號、7 號試驗(yàn)組作為備用配比（原材質(zhì)量波動、氣溫降低時使用），優(yōu)選配比如表 6 所示。

表6 優(yōu)選配比 kg/m3

3 免蒸壓管樁中試研究

3.1 中試試驗(yàn)

根據(jù)以上結(jié)論，以正交試驗(yàn)中 3 號試驗(yàn)組配比進(jìn)行中試。生產(chǎn)中嚴(yán)格控制砂含水及用水量，外加劑摻量和出機(jī)坍落度根據(jù)生產(chǎn)需要適時進(jìn)行調(diào)整，生產(chǎn)工藝流程不做調(diào)整，但是對于操作樓攪拌混凝土?xí)r的用水量進(jìn)行現(xiàn)場跟蹤與觀察，嚴(yán)格控制配合比及用水量。

在每日生產(chǎn)中，隨機(jī)抽取上午及下午生產(chǎn)各 3 條管樁為試驗(yàn)對象。上午生產(chǎn)的管樁蒸養(yǎng)時間為 6h，下午生產(chǎn)管樁蒸養(yǎng)時間為 10h，分別跟蹤出池后、出池后2d、出池后 3d 強(qiáng)度，連續(xù)生產(chǎn)跟蹤 14d。

3.2 中試試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果見表 7。

表7 中試平均強(qiáng)度值

結(jié)果表明，在原材料性質(zhì)優(yōu)良且穩(wěn)定的前提下，在水泥用量 380kg/m3、礦粉用量 120kg/m3、日均氣溫在 0℃ 以上、保證混凝土出機(jī)和易性良好的情況下生產(chǎn)時，管樁出池強(qiáng)度雖不能達(dá)到 80MPa，但出池后管樁在室內(nèi)環(huán)境溫度下，強(qiáng)度仍在增長，出池 2d 后強(qiáng)度均可達(dá)到 80MPa 以上；在不影響整體生產(chǎn)秩序的前提下，通過拌料過程控制、蒸養(yǎng)制度優(yōu)化、出池養(yǎng)護(hù)等工藝優(yōu)化可有效提升管樁的整體強(qiáng)度；當(dāng)原材料質(zhì)量及氣溫出現(xiàn)下降時，應(yīng)適當(dāng)提高膠凝材料用量，且保證混凝土有良好的出機(jī)和易性，再配合優(yōu)化工藝可保證管樁出池 2d 后強(qiáng)度亦可達(dá)到 80MPa 以上。

4 結(jié)論

在原材料性質(zhì)優(yōu)良且穩(wěn)定的前提下，在水泥用量380kg/m3、礦粉用量 120kg/m3、日均氣溫在 0℃ 以上、保證混凝土出機(jī)和易性良好的情況下生產(chǎn)時，管樁出池強(qiáng)度雖不能達(dá)到 80MPa，但出池 2d 后強(qiáng)度均可達(dá)到80MPa 以上，此配方可最大限度節(jié)約原材料用量而達(dá)到免蒸壓效果；當(dāng)原材料質(zhì)量及氣溫出現(xiàn)下降時，應(yīng)適當(dāng)提高膠凝材料用量，且保證混凝土有良好的出機(jī)和易性，再配合優(yōu)化工藝可保證管樁出池 2d 后強(qiáng)度亦可達(dá)到 80MPa 以上。

在不影響整體生產(chǎn)秩序的前提下，通過操作樓拌料過程控制、蒸養(yǎng)制度優(yōu)化、出池后余熱養(yǎng)護(hù)等措施也可有效提升管樁的整體強(qiáng)度。免蒸壓管樁對原材料品質(zhì)要求高，對技術(shù)人員操作規(guī)范性要求較高。因此，應(yīng)從源頭把控原材料的品質(zhì)，并能及時跟蹤檢測原材料性能，車間技術(shù)人員也應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格執(zhí)行既定工藝。

通過管樁免蒸壓的生產(chǎn)，一方面節(jié)約生產(chǎn)成本、減少生產(chǎn)流程，按照每月 3.8 萬米管樁產(chǎn)量計(jì)算，目前免蒸壓后可以節(jié)省天然氣 2800～3000 方/天，每月可節(jié)約成本 14～18 萬元/月，若實(shí)行兩班倒還可進(jìn)一步節(jié)約成本 28～36 萬元/月。