一種北方地區冬季免蒸壓PHC管樁試驗研究

王博，達勝利，董福成，宋心*，孫朋偉，包貴安，趙軍偉

（1. 陜西恒盛集團新材料研究中心，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

傳統的 PHC 管樁采用兩段式的養護工藝，即常壓蒸養和高壓蒸養。壓蒸養護工藝使混凝土內部結構形成速度加快，晶體結構中粗大晶粒占大多數，導致內部晶膠比偏大，混凝土脆性大，長期耐久性差；同時混凝土壓蒸養護工藝能耗占管樁生產成本的 7%～20%，占整個養護過程耗能的 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，國內實現免蒸壓技術的廠家主要集中在南方一帶，這些區域的管樁出廠后可在當地較高的氣溫下強度繼續增長，而北方夏熱冬冷地區的混凝土管樁免蒸壓技術還缺乏研究與應用[3]。

本文針對北方地區冬季免蒸壓 PHC 管樁進行試驗研究，從環保、節能、技術和經濟的綜合角度，充分利用工業廢料，變廢為寶，同時避免因高溫高壓蒸養導致管樁脆性增大所產生的裂紋，提高管樁的耐久性[4]。該研究項目的應用前景廣闊，將為北方夏熱冬冷地區的混凝土管樁生產行業提供重要的技術支撐，產生較大的技術、經濟和社會綜合效益。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

水泥：P·Ⅱ52.5 級水泥，陜西省寶雞市扶風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，含泥量 1%，細度模數 2.4，產地：陜西省寶雞市。

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

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

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

1.2 試驗方法

按現行相關標準進行。

2 免蒸壓管樁試驗室正交試驗

2.1 正交試驗過程

通過前期的試驗情況和數據結論，提高膠材用量、引入早強外加劑都可以明顯提高管樁的早期強度。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，設計三因素三水平正交試驗，探究各因子對混凝土強度的影響，并找出最佳配比[5]。試驗如表 2 所示。

表2 正交試驗設定

設計容重 2550kg/m3；大小石子比例為 4:6；減水劑摻量 2.2%，可根據和易性情況調整；嚴格控制用水量；正交試驗配比表如表 3 所示。

試驗過程中，采用機械攪拌，將混凝土出機坍落度控制為 120～160mm，保證混凝土不抓底，流動性良好，無離析、泌水現象發生。試配結果如表 4 所示。以上每組試驗留置蒸養 5h 及 7h 試塊各兩組，震動成型后放置于室內，24h 后拆模后放置于蒸汽養護箱內進行蒸養，蒸養制度為：60℃ 時將試件放入養護箱，開啟蒸養，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行抗壓試驗?？箟涸囼灲Y果如表 4 所示。

表3 正交試驗配比表 kg/m3

表4 試配結果

2.2 正交試驗結果

以蒸養時間為 5h 的強度為計算值，其中 k1，k2，k3 為強度平均值，R 為極差。正交分析試驗結果如表 5所示。

直接比較抗壓強度值可知：在這 9 組試驗結果中，以第 7 組試驗生產出的混凝土管樁強度最高，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各影響因素的主次關系為 A＞C＞B，即影響管樁混凝土強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度成正相關，但因所用石子顆粒級配中 2.36mm 以下粒徑含量極少，當水泥用量達到一定程度時，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，提高混凝土的密實度，進而改善混凝土的和易性和強度。

表5 正交試驗結果分析

對于不同配比的混凝土試樣，經過 5h 和 7h 的蒸養后測得抗壓強度值如圖 1。

圖1 5h 和 7h 的蒸養后測得抗壓強度值

根據試驗強度及和易性結果，雖所有試驗組的強度均不能達到 80MPa 以上，但在試驗室中，未能模擬實際生產中的離心工藝，在離心過程中可以有效提高管樁混凝土內部的均勻性和密實度，提高管樁強度。所以，在現有原材料狀況下，綜合考慮成本和工作效率，最大程度降低因配比改變對現有工藝流程及設備狀況的影響，選取以下試驗配比作為中試配比：其中 3 號試驗組直接進入中試，5 號、7 號試驗組作為備用配比（原材質量波動、氣溫降低時使用），優選配比如表 6 所示。

表6 優選配比 kg/m3

3 免蒸壓管樁中試研究

3.1 中試試驗

根據以上結論，以正交試驗中 3 號試驗組配比進行中試。生產中嚴格控制砂含水及用水量，外加劑摻量和出機坍落度根據生產需要適時進行調整，生產工藝流程不做調整，但是對于操作樓攪拌混凝土時的用水量進行現場跟蹤與觀察，嚴格控制配合比及用水量。

在每日生產中，隨機抽取上午及下午生產各 3 條管樁為試驗對象。上午生產的管樁蒸養時間為 6h，下午生產管樁蒸養時間為 10h，分別跟蹤出池后、出池后2d、出池后 3d 強度，連續生產跟蹤 14d。

3.2 中試試驗結果

試驗結果見表 7。

表7 中試平均強度值

結果表明，在原材料性質優良且穩定的前提下，在水泥用量 380kg/m3、礦粉用量 120kg/m3、日均氣溫在 0℃ 以上、保證混凝土出機和易性良好的情況下生產時，管樁出池強度雖不能達到 80MPa，但出池后管樁在室內環境溫度下，強度仍在增長，出池 2d 后強度均可達到 80MPa 以上；在不影響整體生產秩序的前提下，通過拌料過程控制、蒸養制度優化、出池養護等工藝優化可有效提升管樁的整體強度；當原材料質量及氣溫出現下降時，應適當提高膠凝材料用量，且保證混凝土有良好的出機和易性，再配合優化工藝可保證管樁出池 2d 后強度亦可達到 80MPa 以上。

4 結論

在原材料性質優良且穩定的前提下，在水泥用量380kg/m3、礦粉用量 120kg/m3、日均氣溫在 0℃ 以上、保證混凝土出機和易性良好的情況下生產時，管樁出池強度雖不能達到 80MPa，但出池 2d 后強度均可達到80MPa 以上，此配方可最大限度節約原材料用量而達到免蒸壓效果；當原材料質量及氣溫出現下降時，應適當提高膠凝材料用量，且保證混凝土有良好的出機和易性，再配合優化工藝可保證管樁出池 2d 后強度亦可達到 80MPa 以上。

在不影響整體生產秩序的前提下，通過操作樓拌料過程控制、蒸養制度優化、出池后余熱養護等措施也可有效提升管樁的整體強度。免蒸壓管樁對原材料品質要求高，對技術人員操作規范性要求較高。因此，應從源頭把控原材料的品質，并能及時跟蹤檢測原材料性能，車間技術人員也應當嚴格執行既定工藝。

通過管樁免蒸壓的生產，一方面節約生產成本、減少生產流程，按照每月 3.8 萬米管樁產量計算，目前免蒸壓后可以節省天然氣 2800～3000 方/天，每月可節約成本 14～18 萬元/月，若實行兩班倒還可進一步節約成本 28～36 萬元/月。