熱電廠蒸汽在PHC 管樁生產應用的探討

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的水泥混凝土制品，混凝土強度等級要求≥C80。PHC 管樁生產過程中，混凝土養護包括雙蒸養護（85℃/0.4MPa 常壓蒸汽養護和180℃/1.0MPa高壓蒸汽養護）[1]和保濕自然養護兩種生產方式。采用蒸汽養護的生產方式需消耗大量水蒸汽。目前，管樁行業中大多數使用燃煤鍋爐生產飽和水蒸汽，規格為φ3.2m×28m 蒸壓釜，每生產一釜管樁需要消耗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，燃煤鍋爐產生的廢氣和煙塵進入大氣將造成嚴重污染，危害環境和人體健康。隨著國家對環境保護力度的不斷加強，禁用燃煤鍋爐，改用清潔能源已經勢在必行。然而，采用清潔能源鍋爐會造成蒸汽使用成本大幅提升，根據目前各燃料的市場價格及相應鍋爐的產汽效率計算對比：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%。成本提升造成產品利潤降低，增加管樁生產企業負擔。因此，引入工廠附近工業園區熱電廠蒸汽用于管樁生產，保持管樁雙蒸生產方式，是一種相對經濟、方便實用的清潔能源。

熱電聯產方式的發電廠一方面生產電能，另一方面又利用汽輪發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，供工業生產的蒸汽壓力通常為0.78～1.28MPa[3]。由于熱電廠到用戶之間有一定的距離，高壓蒸汽在管網輸送過程中存在較大的安全隱患，熱電廠為規避風險，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，都是管樁生產企業關心的問題。

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，當進入管樁的養護設施（蒸養池和高壓釜）對管樁進行常壓及高壓養護時，初期升溫速度相對較快，但隨著養護進行，溫度快速下降，并逐漸趨于飽和蒸汽狀態。根據上述實際情況，試驗只模擬熱電廠蒸汽壓力特征，通過設置不同養護工藝制度，在常壓蒸汽養護溫度90℃和高壓蒸汽養護壓力0.70～0.80MPa 的條件下，對管樁混凝土試件進行養護試驗，并與采用壓力1.0MPa 蒸汽養護的結果進行對比分析。然后，采用熱電廠蒸汽實際生產管樁，分析管樁生產企業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護箱YH-55；液壓式壓力試驗機YE-3000。

3 試驗方法

依據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，按設定的養護制度進行室內常壓蒸養和高壓釜蒸壓養護，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 為在用生產配合比。

混凝土試件養護制度見表2。I、II、III 采用模擬熱電廠蒸汽進行蒸養，蒸養溫度設定為90℃；Ⅳ為飽和蒸汽養護，蒸養溫度設定為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護制度下100mm 及150mm 立方體試件的蒸養強度和蒸壓強度結果見表3。

5.1 蒸養強度變化規律

根據表3 試驗數據繪制蒸養強度折線圖，見圖1。

由圖1 可見：

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

⑵同一養護制度下，隨著硅砂粉摻量比例的增加，試件的蒸養強度逐漸降低。100mm 立方體試件蒸養強度降低最大差值為9.1MPa，150mm 立方體試件蒸養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養護制度90℃下的蒸養強度與IV 養護制度85℃蒸養強度相比，并未因養護溫度升高而明顯提高。

5.2 蒸壓強度變化規律

根據表3 試驗數據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 混凝土試件養護制度

表3 混凝土試件抗壓強度

⑶在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ養護制度下，相同配合比及相同養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。當蒸汽壓力達到養護制度IV 的養護條件時，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 不同配合比及養護制度下試件蒸養強度折線圖

圖2 不同配合比及養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 生產與應用

6.1 管樁的生產制備

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

生產過程中，根據不同規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護和高壓養護，然后測試其蒸養抗壓強度和蒸壓抗壓強度，結果見表4。

表4 熱電廠蒸汽養護管樁芯樣抗壓強度與試件抗壓強度

經過熱電廠蒸汽蒸壓養護后的部分混凝土試件再次入釜進行二次蒸壓養護，即在使用熱電廠蒸汽升壓到0.75MPa 后，改用自產飽和蒸汽補壓至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、同養護條件、不同規格型號管樁，依據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。

對各個規格型號管樁不同位置鉆取的芯樣進行外觀分析發現，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 使用熱電廠蒸汽養護的管樁芯樣抗壓強度與試件抗壓強度結果對比分析發現：不同尺寸混凝土試件蒸養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，芯樣強度出現下降。

表5 試驗結果顯示，混凝土試件經飽和蒸汽二次蒸壓養護后，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1.0MPa、180℃的飽和蒸汽蒸壓養護后，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]。

根據生產應用結果綜合分析，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，內部膠凝材料在養護過程中無法進行完全的水化反應，養護效果較差，使樁內部混凝土出現“蒸不透、蒸不熟”現象，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的3.2 萬多米各規格型號PHC 管樁在不同工程施工應用的情況進行了質量跟蹤，發現該批管樁樁身強度高，抗彎力學性能優良，滿足錘擊法沉樁和靜壓法沉樁施工要求，成樁率高，與鍋爐自產飽和蒸汽養護的管樁在工程應用性能上沒有差異，得到施工方與業主的充分肯定。根據潮汕地區目前燃料價格，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，有益于保護環境和安全生產，同時可避免企業改造其他清潔能源鍋爐設備投入，降低企業的經營壓力和生產成本，具有較好的經濟效益和社會效益。

7 結語

⑴使用熱電廠蒸汽對管樁進行常壓養護能滿足管樁脫模強度要求，但蒸養強度并未因為養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，生產使用時應調整管樁養護工藝制度，適當延長常壓養護靜停時間，控制蒸養及蒸壓升溫速度，避免管樁升溫過快，影響混凝土結構穩定。

⑵熱電廠蒸汽壓力穩定在0.75～0.80MPa 的情況下，能夠滿足生產要求，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管樁制品，既充分綜合利用清潔熱能、保護環境和安全生產，又降低企業的經營壓力和生產成本，具有較好的經濟效益和社會效益。