一種利用硅灰制備免蒸壓PHC管樁的方法

孫朋偉，殷勇，董福成，宋心，包貴安

（1. 陜西秦漢恒盛新型建材科技股份有限公司，陜西 咸陽(yáng) 712000；2. 商南縣鹿柏商砼有限公司，陜西 商洛 726300）

0 前言

混凝土管樁作為一種重要的樁基材料，因其承載力高、施工快捷方便、施工工期短、經(jīng)濟(jì)環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn)[1]，在許多大型工程地基處理中得到了廣泛的應(yīng)用。隨著近年來(lái)國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)持續(xù)快速的發(fā)展，造成了市場(chǎng)對(duì)預(yù)應(yīng)力管樁的需求急速增長(zhǎng)，預(yù)應(yīng)力混凝土管樁行業(yè)得到了快速發(fā)展，同時(shí)也對(duì) PHC 管樁在節(jié)能環(huán)保、性能、質(zhì)量以及經(jīng)濟(jì)性方面提出了更高的要求。

當(dāng)前，大多數(shù)管樁生產(chǎn)企業(yè)在管樁生產(chǎn)中采用兩段式養(yǎng)護(hù)，即蒸汽養(yǎng)護(hù)和蒸壓養(yǎng)護(hù)，其中蒸汽養(yǎng)護(hù)是在 80～95℃ 下常壓養(yǎng)護(hù)，蒸壓養(yǎng)護(hù)在 0.9～1.0MPa、170～180℃ 條件下加壓養(yǎng)護(hù)，該養(yǎng)護(hù)制度可使管樁在一個(gè)養(yǎng)護(hù)周期內(nèi)基本達(dá)到出廠強(qiáng)度，但也存在一定的弊端：

一是養(yǎng)護(hù)過(guò)程中能耗較高，整個(gè)養(yǎng)護(hù)過(guò)程能耗占管樁生產(chǎn)總能耗的 90% 以上，蒸壓養(yǎng)護(hù)占據(jù)其中的 80%以上[2]，大量消耗不可再生的煤、石油、天然氣等能源。

二是蒸壓養(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，造成管樁脆性大，長(zhǎng)期耐久性差[3]。

三是蒸壓養(yǎng)護(hù)使用的蒸壓釜前期投資大、維養(yǎng)成本高，同時(shí)作為壓力設(shè)備本身也存在著一定的安全隱患。

我公司已有以水泥單摻礦粉為膠凝材料的免蒸壓PHC 管樁技術(shù)，本試驗(yàn)是在現(xiàn)有配合比中加入一定量的硅灰，使其在蒸汽養(yǎng)護(hù) 4h 后，1d 內(nèi)強(qiáng)度達(dá)到 80MPa以上，3d 強(qiáng)度達(dá)到 85MPa 以上。該技術(shù)不但可以降低單方水泥用量、增強(qiáng)管樁早期強(qiáng)度、減短蒸養(yǎng)時(shí)間、提高生產(chǎn)效率，同時(shí)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。

1 原材料

（1）水泥：P·O52.5R 水泥，陜西省寶雞市扶風(fēng)縣冀東水泥有限公司，水泥的物理性能和礦物組成如表 1和表 2 所示。

表 1 水泥物理性能

（2）砂：咸陽(yáng)武功天然河砂，Ⅱ區(qū)中砂，含泥量1.8%，細(xì)度模數(shù) 2.8。

（3）天然碎石 1：咸陽(yáng)涇陽(yáng)，5～16mm 連續(xù)級(jí)配，含泥量 0.3%，壓碎指標(biāo) 9.8%，針片狀含量 5.3%。

（4）天然碎石 2：咸陽(yáng)涇陽(yáng)，16～31.5mm 單級(jí)配，含泥量 0.2%，壓碎指標(biāo) 10.8%，針片狀含量6.1%。

（5）礦粉：陜西韓城大唐盛龍有限公司生產(chǎn) S95級(jí)，流動(dòng)度比 96%，7 天活性指數(shù) 76%，28d 活性指數(shù)98%。

（6）硅灰：北京正源益新材料技術(shù)有限公司生產(chǎn)，需水量比 99%，活性指數(shù) 106%。

（7）減水劑：江蘇博特早強(qiáng)型聚羧酸高性能減水劑，密度 1.05g/cm3，含固量 14.5%，減水率 28%，推薦摻量 2.0%。

表 2 水泥的礦物組成 %

2 正交試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)過(guò)程

因我公司已有利用水泥+礦粉生產(chǎn)免蒸壓 PHC 管樁的技術(shù)，此次研究是在該工藝的基礎(chǔ)上，通過(guò)摻入硅灰對(duì)配合比進(jìn)行優(yōu)化，以期提高管樁早期強(qiáng)度和強(qiáng)度富余系數(shù)，減少養(yǎng)護(hù)時(shí)間。根據(jù)現(xiàn)有的原材料情況、生產(chǎn)實(shí)際及前期試驗(yàn)積累的數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)容重為 2550kg/m3，單方用水量取 120kg，大小石子比例為 4:6，砂率均取32%，減水劑摻量為 2.0%。采用三因素三水平正交試驗(yàn)，正交設(shè)置如表 3 所示。

表 3 正交試驗(yàn)因素水平表 kg/m3

具體試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)如表 4 所示。

表 4 試驗(yàn)配合比 kg/m3

試驗(yàn)采用機(jī)械攪拌，控制混凝土出機(jī)坍落度為(140±20)mm，15min 坍落度損失不大于 20mm，30min坍落度保留值不大于 100mm（以上坍落度控制值設(shè)置的目的是保證 15min 以內(nèi)有適宜的坍落度保證施工，30min 后合模完成進(jìn)入離心階段，應(yīng)保證較小的坍落度以保證在離心過(guò)程中樁體不會(huì)坍塌），保證混凝土無(wú)離析、泌水、抓底。

因高強(qiáng)度等級(jí)混凝土水膠比較低、粘度較大，為便于實(shí)際生產(chǎn)施工操作，試驗(yàn)過(guò)程中也將混凝土出機(jī)時(shí)的倒提時(shí)間作為一個(gè)參考指標(biāo)。

出機(jī)觀察 30min 后采用振動(dòng)成型，分別留置 (150×150×150)mm3試件兩組放置于成型室內(nèi)，成型后 (24±1)h 拆模，將混凝土試件放置于蒸汽養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)進(jìn)行蒸養(yǎng)，蒸養(yǎng)制度為：蒸汽養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)溫度為 (30±2)℃ 時(shí)將試件放入，勻速升溫 4h 至 (90±1)℃，恒溫 4h 后關(guān)閉蒸汽養(yǎng)護(hù)箱，試件自然冷卻至室溫后進(jìn)行自然養(yǎng)護(hù)，分別試壓蒸壓后 1d 及 3d 抗壓強(qiáng)度?；炷涟韬衔锴闆r及試壓結(jié)果如表 5 所示。

表 5 混凝土拌合物情況及試壓結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知：加入硅灰后，混凝土出機(jī)和易性普遍良好，粘度明顯降低，無(wú)泌水抓底現(xiàn)象，15min及 30min 坍落度保留值滿足試驗(yàn)設(shè)計(jì)要求。蒸養(yǎng)后 1d強(qiáng)度可達(dá) 80MPa 以上，3d 強(qiáng)度可達(dá)到 85MPa 以上，強(qiáng)度發(fā)展曲線如圖 1 所示。

圖 1 蒸養(yǎng)后 1d、3d 抗壓強(qiáng)度

2.2 正交試驗(yàn)分析

根據(jù)上述 2.1 部分正交試驗(yàn)結(jié)果，對(duì) 3d 抗壓強(qiáng)度結(jié)果進(jìn)行正交試驗(yàn)分析，具體結(jié)果如表 6 所示。

直接比較表 5 可知，9 號(hào)試驗(yàn)組的抗壓強(qiáng)度為最高，其水平組合為 A3、B3、C2，通過(guò)表 6 中 R 值的大小可看出試驗(yàn)中各因素存在顯著性順序，其主次關(guān)系為B＞A＞C，即影響抗壓強(qiáng)度的因素最主要的是硅灰用量，其次是水泥用量，再次是礦粉用量。

綜合考慮混凝土和易性、施工性、強(qiáng)度及經(jīng)濟(jì)性等因素，選擇 6 號(hào)試驗(yàn)組作為最優(yōu)配比，鑒于管樁生產(chǎn)工藝的特殊性，試驗(yàn)室無(wú)法完全模擬實(shí)際生產(chǎn)的全過(guò)程，遂對(duì) 6 號(hào)試驗(yàn)組進(jìn)行中試。

表 6 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

3 中試

中試試驗(yàn)選取表 4 中 6 號(hào)試驗(yàn)組配比，單方用水量以實(shí)測(cè)砂、石含水率進(jìn)行扣除，外加劑摻量根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際調(diào)整為 1.8%。

具體生產(chǎn)工藝流程如下：

步驟 1：按照配合比將各自原料按照先骨料再粉料后液劑的順序投入攪拌機(jī)，攪拌 180s 以上，坍落度控制為 (140±20)mm，和易性應(yīng)良好。

步驟 2：將步驟 1 中制備好的混凝土喂料入模，合模，張拉。

步驟 3：將步驟 2 的管樁帶模放入離心機(jī)離心成型，離心方式為：低速 120 轉(zhuǎn)/min，持續(xù) 2min；中速300 轉(zhuǎn)/min，持續(xù) 4min；高速 420 轉(zhuǎn)/min，持續(xù) 6min。

步驟 4：排漿，將離心過(guò)程中產(chǎn)生的余漿充分排除。

步驟 5：常壓養(yǎng)護(hù)制度：離心并排漿成型后，管樁帶模在 (30±5)℃條件下靜停 1h，然后 2.5h 升溫至90℃ 并恒溫養(yǎng)護(hù) 4h。

步驟 6：從養(yǎng)護(hù)池取出，脫模后自然環(huán)境下冷卻。

中試共制作試驗(yàn)樁 5 條，每條樁取樣并成型標(biāo)準(zhǔn)試件 3 組，試件跟隨試驗(yàn)樁進(jìn)入蒸養(yǎng)池進(jìn)行同條件蒸養(yǎng)，蒸養(yǎng)結(jié)束后，對(duì)試驗(yàn)樁進(jìn)行 1d、3d、28d 回彈，對(duì)每條試驗(yàn)樁成型的試件分別試壓蒸養(yǎng)后 1d、3d、28d 抗壓強(qiáng)度。具體回彈及抗壓強(qiáng)度見(jiàn)表 7。

試驗(yàn)結(jié)果表明：采用表 4 中 6 號(hào)組配合比，在現(xiàn)有生產(chǎn)工藝下，嚴(yán)格按照配合比進(jìn)行生產(chǎn)，蒸養(yǎng)后樁體回彈強(qiáng)度和試件抗壓強(qiáng)度在 1d 即可達(dá)到 80MPa 以上，滿足免蒸壓工藝要求，后期在自然環(huán)境下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，強(qiáng)度仍會(huì)有緩慢增長(zhǎng)。

表 7 試驗(yàn)樁回彈及成型試件抗壓強(qiáng)度結(jié)果

4 結(jié)論

（1）硅灰的高細(xì)度使其在混凝土中有良好的填充作用和火山灰效應(yīng)，使混凝土界面區(qū)晶體數(shù)量和孔隙率減少，在與 Al2O3并存時(shí)，更易生成托博莫來(lái)石相，使其強(qiáng)度增強(qiáng)，可以與水泥水化產(chǎn)物 Ca(OH)2發(fā)生二次水化作用形成膠凝產(chǎn)物，改善漿體的微觀結(jié)構(gòu)，填充水泥石結(jié)構(gòu)，使水泥石更加致密，從而提高硬化體的早期和后期抗壓強(qiáng)度。

（2）硅灰為無(wú)定型球狀顆粒，可以顯著改善混凝土的和易性，提高混凝土的流變性能，大大降低混凝土粘度，有利于工人施工，但硅灰的取代量宜在 5%～9%之間[4]，本試驗(yàn)最優(yōu)配比中硅灰取代率約為 9%。

（3）添加硅灰后，在保證強(qiáng)度的前提下，可以降低水泥和其他摻合料的用量，且實(shí)現(xiàn)免蒸壓后，經(jīng)粗略測(cè)算，生產(chǎn)每米管樁的用氣量可降低 50% 以上，用氣成本可降低 2～3 元，綜合成本降低 3～4 元/m，具有明顯的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。