熱電廠蒸汽在PHC 管樁生產(chǎn)應用的探討

許建釗 陳黎明

（汕頭市宏基混凝土構件有限公司）

0 前言

先張法預應力高強混凝土管樁（下稱：PHC 管樁）是采用離心成型工藝生產(chǎn)的水泥混凝土制品，混凝土強度等級要求≥C80。PHC 管樁生產(chǎn)過程中，混凝土養(yǎng)護包括雙蒸養(yǎng)護（85℃/0.4MPa 常壓蒸汽養(yǎng)護和180℃/1.0MPa高壓蒸汽養(yǎng)護）[1]和保濕自然養(yǎng)護兩種生產(chǎn)方式。采用蒸汽養(yǎng)護的生產(chǎn)方式需消耗大量水蒸汽。目前，管樁行業(yè)中大多數(shù)使用燃煤鍋爐生產(chǎn)飽和水蒸汽，規(guī)格為φ3.2m×28m 蒸壓釜，每生產(chǎn)一釜管樁需要消耗15t 左右的飽和水蒸汽，折合2t 標準煤[2]。

燃料燃燒是我國大氣污染物的重要來源，而煤炭是所有燃料中污染最為嚴重的一種，燃煤鍋爐產(chǎn)生的廢氣和煙塵進入大氣將造成嚴重污染，危害環(huán)境和人體健康。隨著國家對環(huán)境保護力度的不斷加強，禁用燃煤鍋爐，改用清潔能源已經(jīng)勢在必行。然而，采用清潔能源鍋爐會造成蒸汽使用成本大幅提升，根據(jù)目前各燃料的市場價格及相應鍋爐的產(chǎn)汽效率計算對比：生物質鍋爐成本增加30%～40%，且燃料熱值不足，輕烴氣鍋爐成本增加95%～105%，天然氣鍋爐成本增加100%～110%。成本提升造成產(chǎn)品利潤降低，增加管樁生產(chǎn)企業(yè)負擔。因此，引入工廠附近工業(yè)園區(qū)熱電廠蒸汽用于管樁生產(chǎn)，保持管樁雙蒸生產(chǎn)方式，是一種相對經(jīng)濟、方便實用的清潔能源。

熱電聯(lián)產(chǎn)方式的發(fā)電廠一方面生產(chǎn)電能，另一方面又利用汽輪發(fā)電機作過功的蒸汽供熱。熱電廠蒸汽是抽汽式汽輪機的調整抽汽或背式汽輪機的排汽，供工業(yè)生產(chǎn)的蒸汽壓力通常為0.78～1.28MPa[3]。由于熱電廠到用戶之間有一定的距離，高壓蒸汽在管網(wǎng)輸送過程中存在較大的安全隱患，熱電廠為規(guī)避風險，源頭供汽壓力一般控制在0.90MPa 以下，到達終端用戶的蒸汽壓力只在0.65～0.80MPa 之間，波動較大，且溫度高達210～230℃，與目前管樁行業(yè)所使用的飽和蒸汽（1.0MPa、180℃）相比，其蒸汽壓力低、溫度高，屬于過熱非飽和蒸汽。由于熱電廠蒸汽與燃煤鍋爐所產(chǎn)飽和蒸汽特征上的差異，使用熱電廠蒸汽是否對管樁混凝土的結構、強度以及性能帶來不利影響，管樁質量能否達到標準要求，都是管樁生產(chǎn)企業(yè)關心的問題。

本文首先通過模擬熱電廠蒸汽壓力特征進行管樁混凝土養(yǎng)護試驗研究。由于熱電廠到達終端用戶的蒸汽壓力低、溫度高，當進入管樁的養(yǎng)護設施（蒸養(yǎng)池和高壓釜）對管樁進行常壓及高壓養(yǎng)護時，初期升溫速度相對較快，但隨著養(yǎng)護進行，溫度快速下降，并逐漸趨于飽和蒸汽狀態(tài)。根據(jù)上述實際情況，試驗只模擬熱電廠蒸汽壓力特征，通過設置不同養(yǎng)護工藝制度，在常壓蒸汽養(yǎng)護溫度90℃和高壓蒸汽養(yǎng)護壓力0.70～0.80MPa 的條件下，對管樁混凝土試件進行養(yǎng)護試驗，并與采用壓力1.0MPa 蒸汽養(yǎng)護的結果進行對比分析。然后，采用熱電廠蒸汽實際生產(chǎn)管樁，分析管樁生產(chǎn)企業(yè)應用熱電廠蒸汽的可行性，并進行成本比較。

1 原材料

⑴水泥：粵東產(chǎn)水泥，強度等級P·Ⅱ42.5R。抗折強度：3d 6.4MPa、28d 9.5MPa，抗壓強度：3d 34.3MPa、28d 56.7MPa，比表面積375m2/kg。

⑵石：花崗巖碎石，5mm～25mm 連續(xù)級配，針片狀含量5.0%，含泥量0.4%，壓碎指標9.0%。

⑶機制砂：細度模數(shù)為2.9，泥粉含量3.0%。

⑷硅砂粉：韓江河砂磨制，二氧化硅91.7%，燒失量0.5%，比表面積406m2/kg。

⑸減水劑：萘系高效減水劑（粉劑），含水率8.2%，減水率19.8%。

⑹水：潔凈自來水。

2 試驗設備

強制式混凝土攪拌機J50 型；混凝土三聯(lián)試模100mm×100mm×100mm；混凝土試模150mm×150mm×150mm；振動臺ZT-1000×1000；控溫式混凝土蒸汽養(yǎng)護箱YH-55；液壓式壓力試驗機YE-3000。

3 試驗方法

依據(jù)GB/T50080-2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》和GB/T50081－2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行混凝土攪拌、振動和成型。控制混凝土坍落度20mm～30mm，分別成型100mm×100mm×100mm 試件和150mm×150mm×150mm 試件，按設定的養(yǎng)護制度進行室內常壓蒸養(yǎng)和高壓釜蒸壓養(yǎng)護，然后測試試件的抗壓強度（100mm 立方體試件抗壓強度為按標準修正值）。

4 試驗配合比和養(yǎng)護制度

試驗混凝土配合比見表1，從A 到D 硅砂粉比例逐級增加，膠凝材料總用量430kg/m3不變，編號D 為在用生產(chǎn)配合比。

混凝土試件養(yǎng)護制度見表2。I、II、III 采用模擬熱電廠蒸汽進行蒸養(yǎng)，蒸養(yǎng)溫度設定為90℃；Ⅳ為飽和蒸汽養(yǎng)護，蒸養(yǎng)溫度設定為85℃。I、II、III 的蒸壓壓力（0.70 MPa、0.75 MPa 和0.80MPa）與溫度（165℃、167℃和170℃）低于Ⅳ的蒸壓壓力（1.0MPa）和溫度（180℃）。

5 試驗結果與分析

不同配合比混凝土在四種養(yǎng)護制度下100mm 及150mm 立方體試件的蒸養(yǎng)強度和蒸壓強度結果見表3。

5.1 蒸養(yǎng)強度變化規(guī)律

根據(jù)表3 試驗數(shù)據(jù)繪制蒸養(yǎng)強度折線圖，見圖1。

由圖1 可見：

⑴在模擬的養(yǎng)護制度條件下，不同配合比的混凝土試件蒸養(yǎng)強度均滿足管樁拆模強度（≥45MPa）要求。

⑵同一養(yǎng)護制度下，隨著硅砂粉摻量比例的增加，試件的蒸養(yǎng)強度逐漸降低。100mm 立方體試件蒸養(yǎng)強度降低最大差值為9.1MPa，150mm 立方體試件蒸養(yǎng)強度降低最大差值為7.2MPa；100mm 立方體試件比150mm 立方體試件蒸養(yǎng)強度高，差值在7.7MPa～10.0MPa 之間。

⑶同一配合比混凝土，在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ養(yǎng)護制度90℃下的蒸養(yǎng)強度與IV 養(yǎng)護制度85℃蒸養(yǎng)強度相比，并未因養(yǎng)護溫度升高而明顯提高。

5.2 蒸壓強度變化規(guī)律

根據(jù)表3 試驗數(shù)據(jù)繪制蒸壓強度折線圖，見圖2。由圖2 可見：

⑴在蒸汽壓力為0.70～0.80MPa、溫度165～170℃的蒸壓養(yǎng)護條件下，膠凝材料中不同硅砂粉摻量對混凝土蒸壓后的強度影響較為明顯。隨著硅砂粉摻量從15%～30%逐級增加，相同養(yǎng)護條件下不同尺寸試件蒸壓強度均有所上升，100mm 立方體試件蒸壓強度提高3.1～6.5MPa，150mm 立方體試件蒸壓強度提高1.1～5.8MPa。

⑵蒸汽壓力越大，對蒸壓強度的提高作用越明顯，同一配合比的100mm 立方體試件提高最大值為9.0～10.3MPa、150mm 立方體試件提高最大值為18.9 ～22.0MPa。

表1 試驗配合比

表2 混凝土試件養(yǎng)護制度

表3 混凝土試件抗壓強度

⑶在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ養(yǎng)護制度下，相同配合比及相同養(yǎng)護條件對不同尺寸的混凝土試件抗壓強度影響各不同，隨著蒸汽壓力的增加，100mm 立方體試件蒸壓強度增長較大，而150mm 立方體試件蒸壓強度增長較小，100mm 立方體試件比150mm 立方體試件的蒸壓強度高出3.8～12.4MPa，差距較明顯。當蒸汽壓力達到養(yǎng)護制度IV 的養(yǎng)護條件時，由于壓力滲透作用，150mm 立方體試件內部膠凝材料水化反應較為完全，因此同一配合比的兩種尺寸試件蒸壓強度基本一致。

圖1 不同配合比及養(yǎng)護制度下試件蒸養(yǎng)強度折線圖

圖2 不同配合比及養(yǎng)護制度下試件蒸壓強度折線圖

⑷由模擬試驗結果可知，在Ⅱ、Ⅲ養(yǎng)護制度下，硅砂粉摻量25%～30%時，100mm 立方體混凝土試件蒸壓強度滿足PHC 管樁強度要求，而150mm 立方體混凝土試件蒸壓強度波動大，總體偏低。

6 生產(chǎn)與應用

6.1 管樁的生產(chǎn)制備

為驗證使用熱電廠蒸汽養(yǎng)護對管樁混凝土強度的影響及使用效果，根據(jù)模擬試驗結果，選擇表1 中混凝土配合比D 作為生產(chǎn)配合比，并以表2 養(yǎng)護制度Ⅱ作為熱電廠蒸汽養(yǎng)護制度進行PHC 管樁生產(chǎn)實踐。有計劃分批 生 產(chǎn) φ400AB95、φ500AB100、φ500AB125、φ600A 130 四種規(guī)格型號的管樁各8000 多米。

生產(chǎn)過程中，根據(jù)不同規(guī)格型號管樁在布料口處按要求抽取混凝土樣品，分別制作100mm 立方體和150mm立方體混凝土試件若干組。試件與管樁一起使用熱電廠蒸汽進行常壓養(yǎng)護和高壓養(yǎng)護，然后測試其蒸養(yǎng)抗壓強度和蒸壓抗壓強度，結果見表4。

表4 熱電廠蒸汽養(yǎng)護管樁芯樣抗壓強度與試件抗壓強度

經(jīng)過熱電廠蒸汽蒸壓養(yǎng)護后的部分混凝土試件再次入釜進行二次蒸壓養(yǎng)護，即在使用熱電廠蒸汽升壓到0.75MPa 后，改用自產(chǎn)飽和蒸汽補壓至1.0MPa、180℃，恒溫恒壓4h，再測試試件蒸壓抗壓強度，結果見表5。

同時隨機抽取與試件同批次、同養(yǎng)護條件、不同規(guī)格型號管樁，依據(jù)GB/T19496－2004《鉆芯檢測離心高強混凝土抗壓強度試驗方法》標準要求，鉆取管樁芯樣，觀察芯樣外觀，并測試了芯樣強度，結果見表4 和表5。

對各個規(guī)格型號管樁不同位置鉆取的芯樣進行外觀分析發(fā)現(xiàn)，管樁內部石子分布均勻有序，結構密實，膠砂層厚5mm～8mm、過度自如，說明混凝土配合比合理，管樁離心工藝制度符合要求。

從表4 使用熱電廠蒸汽養(yǎng)護的管樁芯樣抗壓強度與試件抗壓強度結果對比分析發(fā)現(xiàn)：不同尺寸混凝土試件蒸養(yǎng)強度都達到標準要求；100mm 立方體試件蒸壓強度均在87MPa 以上，而150mm 立方體試件蒸壓強度只在83MPa 上下，兩者相差較大。由于熱電廠蒸汽的過熱非飽和特征，在同樣的0.75MPa 蒸汽壓力養(yǎng)護條件下，混凝土試件強度比模擬試驗的同尺寸試件強度略有提高。從管樁芯樣強度看，φ400AB 95、φ500AB 100 管樁芯樣平均強度達到98MPa 左右，比100mm 立方體混凝土試件強度高8MPa 以上；φ500AB 125 管樁芯樣平均強度為89.3MPa，比100mm 立方體混凝土試件強度高2.1MPa；φ600A 130 管樁芯樣強度大部分在87MPa 左右，比100mm 立方體混凝土試件強度低1.1MPa。上述結果說明，混凝土試件尺寸越大，蒸壓強度越低，并且隨著管樁壁厚增加，芯樣強度出現(xiàn)下降。

表5 試驗結果顯示，混凝土試件經(jīng)飽和蒸汽二次蒸壓養(yǎng)護后，100mm 立方體試件抗壓強度略微增長，而150mm 立方體試件抗壓強度比原來提高了8MPa 以上，提升幅度大，與100mm 立方體混凝土試件抗壓強度達到同一水平。從鉆芯取樣試驗結果看，φ400AB95、φ500AB100 管樁芯樣平均抗壓強度略有增長，但幅度小，φ500AB125、φ600A130 管樁芯樣平均抗壓強度達到99MPa 左右，比原來提高了10MPa，增長幅度較大。上述結果說明，經(jīng)1.0MPa、180℃的飽和蒸汽蒸壓養(yǎng)護后，壁厚125mm 以上的管樁芯樣抗壓強度與150mm 立方體試件抗壓強度明顯提高，芯樣強度比試件強度高了8～10MPa，符合PHC 管樁混凝土抗壓強度試驗研究結論[4]。

根據(jù)生產(chǎn)應用結果綜合分析，使用壓力為0.75MPa熱電廠蒸汽進行管樁蒸壓養(yǎng)護時，由于壓力較低，對壁厚越大（≥125mm）的管樁，水蒸汽滲透到其內部相對困難，內部膠凝材料在養(yǎng)護過程中無法進行完全的水化反應，養(yǎng)護效果較差，使樁內部混凝土出現(xiàn)“蒸不透、蒸不熟”現(xiàn)象，影響混凝土強度的提升。

表5 試件二次蒸壓抗壓強度與管樁芯樣抗壓強度

表6 使用熱電廠蒸汽與燃煤及天然氣鍋爐蒸汽經(jīng)濟性對比

6.2 工程應用效果

對上述使用熱電廠蒸汽分批生產(chǎn)的3.2 萬多米各規(guī)格型號PHC 管樁在不同工程施工應用的情況進行了質量跟蹤，發(fā)現(xiàn)該批管樁樁身強度高，抗彎力學性能優(yōu)良，滿足錘擊法沉樁和靜壓法沉樁施工要求，成樁率高，與鍋爐自產(chǎn)飽和蒸汽養(yǎng)護的管樁在工程應用性能上沒有差異，得到施工方與業(yè)主的充分肯定。根據(jù)潮汕地區(qū)目前燃料價格，熱電廠蒸汽與燃煤鍋爐及天然氣鍋爐蒸汽經(jīng)濟性對比結果見表6。

與燃煤鍋爐蒸汽對比，熱電廠蒸汽成本提高8.1%，天然氣鍋爐蒸汽成本提高101.4%。使用熱電廠蒸汽比使用天然氣鍋爐蒸汽具有更明顯的經(jīng)濟性，既可充分綜合利用清潔熱能，也減少鍋爐的使用，有益于保護環(huán)境和安全生產(chǎn)，同時可避免企業(yè)改造其他清潔能源鍋爐設備投入，降低企業(yè)的經(jīng)營壓力和生產(chǎn)成本，具有較好的經(jīng)濟效益和社會效益。

7 結語

⑴使用熱電廠蒸汽對管樁進行常壓養(yǎng)護能滿足管樁脫模強度要求，但蒸養(yǎng)強度并未因為養(yǎng)護溫度的升高而明顯提高。由于熱電廠過熱非飽和蒸汽特征，生產(chǎn)使用時應調整管樁養(yǎng)護工藝制度，適當延長常壓養(yǎng)護靜停時間，控制蒸養(yǎng)及蒸壓升溫速度，避免管樁升溫過快，影響混凝土結構穩(wěn)定。

⑵熱電廠蒸汽壓力穩(wěn)定在0.75～0.80MPa 的情況下，能夠滿足生產(chǎn)要求，管樁樁身混凝土強度等級可達到C80。對壁厚≥125mm 的管樁，可采用額外補壓養(yǎng)護，避免因蒸汽壓力不足引起的蒸不透問題，提高管樁強度。

⑶使用熱電廠蒸汽生產(chǎn)管樁制品，既充分綜合利用清潔熱能、保護環(huán)境和安全生產(chǎn)，又降低企業(yè)的經(jīng)營壓力和生產(chǎn)成本，具有較好的經(jīng)濟效益和社會效益。