管樁生產(chǎn)中石灰石集料對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響

　　嘉興學(xué)院建筑工程學(xué)院教授蔣元海

　　1、前言

　　近年來(lái)，隨著基本建設(shè)的大力發(fā)展，我國(guó)預(yù)應(yīng)力混凝土管樁得到了很好的推廣應(yīng)用，管樁產(chǎn)品的生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，至2010年底我國(guó)有管樁生產(chǎn)企業(yè)500余家，管樁年產(chǎn)達(dá)3.3～3.5億米，已經(jīng)成為世界第一的管樁生產(chǎn)和應(yīng)用大國(guó)。

　　管樁生產(chǎn)中，砂、石是主要的大宗原材料，占原材料用量的70%以上，大量的生產(chǎn)實(shí)踐表明，砂石的質(zhì)量對(duì)管樁產(chǎn)品的質(zhì)量具有很大的影響。由于砂石資源的大量消耗，優(yōu)質(zhì)的砂石越來(lái)越匱乏，砂石資源的綜合利用已經(jīng)成為管樁生產(chǎn)技術(shù)的一個(gè)主要方向。

　　國(guó)標(biāo)GB13476-2009《先張法預(yù)應(yīng)力混凝土管樁》中對(duì)細(xì)集料作出下列規(guī)定“細(xì)骨料宜采用潔凈的天然硬質(zhì)中粗砂或人工砂，細(xì)度模數(shù)宜為2.5～3.2，采用人工砂時(shí)，細(xì)度模數(shù)可為2.5～3.5，質(zhì)量應(yīng)符合GB/T14684的有關(guān)規(guī)定，且砂的含泥量不大于1％，氯離子含量不大于0.01％，硫化物及硫酸鹽含量不大于0.5％?！薄按止橇弦瞬捎盟槭蚱扑榈穆咽?，其最大粒徑不應(yīng)大于25mm且不得超過(guò)鋼筋凈距的3/4，質(zhì)量應(yīng)符合GB/T14685的有關(guān)規(guī)定，且石的含泥量不大于0.5％，硫化物及硫酸鹽含量不大于0.5％。”^[1]。上述規(guī)定明確指出了管樁生產(chǎn)中，砂石質(zhì)量的具體要求，對(duì)指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐、規(guī)范產(chǎn)品質(zhì)量具有十分積極的作用。

　　由于管樁生產(chǎn)工藝的特殊性，預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁（簡(jiǎn)稱PHC管樁）生產(chǎn)中通常采用常壓蒸汽養(yǎng)護(hù)與壓蒸養(yǎng)護(hù)相結(jié)合的“二次養(yǎng)護(hù)”生產(chǎn)工藝，常壓蒸汽養(yǎng)護(hù)可以加快PHC管樁生產(chǎn)過(guò)程中的鋼模的周轉(zhuǎn)，提高生產(chǎn)效率；高壓蒸汽養(yǎng)護(hù)使管樁混凝土在短時(shí)間內(nèi)由40～60 MPa提高到80～100MPa，可以滿足工程快速施工的需要^[2]。

　　然而， 在很多生產(chǎn)實(shí)踐中，由于采用的粗細(xì)集料的石質(zhì)的不同，發(fā)現(xiàn)高壓蒸汽養(yǎng)護(hù)后，混凝土強(qiáng)度的增長(zhǎng)并不完全一致，特別是采用石灰石質(zhì)的集料，蒸壓混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)并沒(méi)有達(dá)到有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范規(guī)定的技術(shù)要求，嚴(yán)重影響了管樁產(chǎn)品的質(zhì)量，給生產(chǎn)企業(yè)帶來(lái)很大的困惑，

　　本文利用不同來(lái)源石質(zhì)的二種粗集料，開(kāi)展對(duì)混凝土強(qiáng)度做試驗(yàn)研究對(duì)比，分析蒸壓養(yǎng)護(hù)工藝對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響。

　　2、原材料

　　1) 水泥： PI型52.5硅酸鹽水泥，3d抗折強(qiáng)度6.3MPa ，3d抗壓強(qiáng)度32.2MPa，28 d抗折強(qiáng)度9.2MPa ，28d抗壓強(qiáng)度59.6MPa。

　　2）礦渣粉：S95礦渣粉，比表面積410m²/kg。

　　3）硅砂粉：SiO2為92.0%， 比表面積425m²/kg。

　　4) 細(xì)集料：洞庭湖中粗石英砂，細(xì)度模數(shù)2.8，含泥量1.2%。

　　5）粗集料：采用二種石質(zhì)的粗集料做對(duì)比，a)湖北京山某石場(chǎng)石灰石，經(jīng)破碎，為5~25連續(xù)級(jí)配，壓碎值8.8%，針片狀含量3.5%；b)當(dāng)?shù)睾拥赖穆咽?，石質(zhì)為硅質(zhì)巖，使用前經(jīng)篩選成為5~25mm 的連續(xù)級(jí)配。

　　6）減水劑：花王MD-150。

　　3、 試驗(yàn)方法

　　按JGJ55-2000規(guī)定采用60L單臥軸強(qiáng)制式混凝土攪拌機(jī)拌制混凝土，材料用量以重量計(jì)，稱量的精確度：骨料為±l％、水、水泥、摻合料與外加劑均為±0.5％，控制混凝土坍落度30～50mm。每次混凝土拌制的數(shù)量為20L。投料順序：河砂、碎石、水泥、摻合料干拌20秒后投放水、減水劑（減水劑投入到水中），攪拌105秒出料，檢測(cè)混凝土塌落度后用震動(dòng)臺(tái)震動(dòng)成型制作100×100×100mm?立方體試塊三組，靜放2小時(shí)，再至車(chē)間養(yǎng)護(hù)池蒸養(yǎng)6.5小時(shí)。一組脫模后2小時(shí)試壓，另兩組放高壓釜蒸壓10小時(shí)后出釜，試塊放2小時(shí)溫度下降至室溫后試壓。常壓蒸汽養(yǎng)護(hù)工藝制度：靜停2h，升溫2h，均勻升溫至85℃；恒溫4.5h，溫度保持85±3℃；降溫，開(kāi)池蓋降溫即可。蒸壓汽養(yǎng)護(hù)工藝制度：升壓階段，每0.5h升壓約0.25±0.05MPa，前慢后快，時(shí)間2h；恒壓階段壓強(qiáng)保持1.0±0.05MPa，時(shí)間4h；降壓階段均勻降壓，時(shí)間2.5h；降溫階段，時(shí)間0.5h，然后拉開(kāi)釜門(mén)，通風(fēng)降壓后拉樁出釜。

　　4、試驗(yàn)結(jié)果

　　試驗(yàn)采用1#、2#二個(gè)混凝土配合比，試驗(yàn)方案見(jiàn)表1所示?；炷翉?qiáng)度的測(cè)定值分別見(jiàn)表2、表3所示。

　　5、試驗(yàn)結(jié)果分析

　　從表2可見(jiàn)，混凝土1#配合比，采用石灰石集料，混凝土常壓蒸汽養(yǎng)護(hù)后的混凝土脫模強(qiáng)度為55.5MPa；蒸壓養(yǎng)護(hù)后的混凝土強(qiáng)度63.1MPa，混凝土強(qiáng)度提高7.6MPa，可見(jiàn)采用石灰石集料蒸壓養(yǎng)護(hù)后的混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)的幅度很小，僅僅只有13.7%。在1#相同配合比情況下，采用篩選卵石集料，混凝土常壓蒸汽養(yǎng)護(hù)后的混凝土脫模強(qiáng)度為49.6MPa，蒸壓養(yǎng)護(hù)后的混凝土強(qiáng)度91.2MPa，混凝土強(qiáng)度提高41.6MPa，采用卵石集料蒸壓養(yǎng)護(hù)后的混凝土強(qiáng)度幅度較大，達(dá)到83.9%。1#配合比的石灰石集料比卵石集料在常壓蒸汽養(yǎng)護(hù)后的混凝土強(qiáng)度高出5.9MPa，但是蒸壓養(yǎng)護(hù)后卵石集料的混凝土強(qiáng)度比石灰石集料的混凝土強(qiáng)度高出28.1MPa。

　　從表3可見(jiàn)，混凝土2#配合比，采用石灰石集料，混凝土常壓蒸汽養(yǎng)護(hù)后的混凝土脫模強(qiáng)度為42.3MPa，蒸壓養(yǎng)護(hù)后的混凝土強(qiáng)度75.1MPa，混凝土強(qiáng)度提高32.8MPa，石灰石集料蒸壓養(yǎng)護(hù)后的混凝土強(qiáng)度提高77.5%；在2#相同配合比情況下，采用篩選卵石集料，混凝土常壓蒸汽養(yǎng)護(hù)后的混凝土脫模強(qiáng)度為44.4MPa，蒸壓養(yǎng)護(hù)后的混凝土強(qiáng)度85.1MPa，混凝土強(qiáng)度提高40.7MPa，可見(jiàn)采用卵石集料蒸壓養(yǎng)護(hù)后的混凝土強(qiáng)度提高達(dá)91.7%。2#配合比的石灰石集料比卵石集料在常壓蒸汽養(yǎng)護(hù)后的混凝土強(qiáng)度相差很小，但是蒸壓養(yǎng)護(hù)后卵石集料的混凝土強(qiáng)度比石灰石集料的混凝土強(qiáng)度高出10.0MPa。

　　從上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，在混凝土常壓蒸汽養(yǎng)護(hù)后，石質(zhì)為石灰?guī)r的粗集料與卵石粗集料配制的混凝土具有同樣的規(guī)律，混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)較快。但是在蒸壓養(yǎng)護(hù)條件下，石質(zhì)為石灰?guī)r的粗集料與卵石粗集料所配制的混凝土強(qiáng)度變化較大：在沒(méi)有摻加硅砂粉為混凝土摻合料情況下（如1#混凝土配合比），石灰?guī)r的粗集料的混凝土經(jīng)蒸壓養(yǎng)護(hù)后，混凝土抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)很少，然而在摻加一定比例的硅砂粉等量替代水泥的情況下（如2#混凝土配合比）混凝土的抗壓強(qiáng)度有較大幅度的提高，但比卵石配制的混凝土抗壓強(qiáng)度低10MPa左右，仍然難以滿足技術(shù)要求。卵石粗集料的混凝土經(jīng)蒸壓養(yǎng)護(hù)后，混凝土抗壓強(qiáng)度有很大的增長(zhǎng)（1#、2#混凝土配合比）。由此可見(jiàn)，石灰石質(zhì)粗集料不適用于蒸壓養(yǎng)護(hù)工藝的混凝土原材料。

　　混凝土在蒸壓養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，砂石集料表面的SiO2在170℃以上的溫度下與水泥水化時(shí)大量生成的強(qiáng)度很低的水化產(chǎn)物Ca(OH)₂進(jìn)行水熱合成反應(yīng)，生成強(qiáng)度很高的--托勃莫來(lái)石晶體C₅S₆H₅，這樣將混凝土強(qiáng)度很弱的砂石與水泥漿的界面轉(zhuǎn)化為強(qiáng)度很高的界面，由此成為蒸壓混凝土強(qiáng)度提高的一個(gè)主要因素。長(zhǎng)石、玄武巖、花崗巖、石英巖等均含50%以上的SiO₂，在水熱合成中，可以充分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成大量的C₅S₆H₅，提高混凝土的抗壓強(qiáng)度。但是，采用石灰?guī)r質(zhì)的粗集料，其巖石的主要化學(xué)成分是CaCO₃ ，在170℃以上的溫度下與水泥中的Ca(OH)₂不會(huì)進(jìn)行水熱合成化學(xué)反應(yīng)，因此混凝土粗集料與水泥砂漿的界面結(jié)構(gòu)沒(méi)有得到增強(qiáng)，大量的Ca(OH)₂保留在混凝土內(nèi)部，沒(méi)有參與反應(yīng)，混凝土的強(qiáng)度增長(zhǎng)很慢。但是，在采用硅砂粉作為混凝土摻合料等量替代水泥的情況下，雖然石灰石質(zhì)的集料沒(méi)有參與界面的水熱合成反應(yīng)，但是外摻加入的硅砂粉在高溫高壓的水蒸氣作用下，與水泥水化時(shí)大量生成的強(qiáng)度很低的水化產(chǎn)物Ca(OH)₂進(jìn)行水熱合成反應(yīng)，在消耗強(qiáng)度很低的Ca(OH)₂的的同時(shí)，生成了強(qiáng)度很高的--托勃莫來(lái)石晶體C₅S₆H₅，這樣使混凝土強(qiáng)度得到一定程度的提高。

　　當(dāng)然，若采用石灰質(zhì)型的人工砂，在細(xì)集料與水泥漿的界面同樣也不會(huì)發(fā)生水熱合成反應(yīng)，其結(jié)構(gòu)難以得到增強(qiáng)，因此蒸壓養(yǎng)護(hù)工藝條件下混凝土強(qiáng)度也將不會(huì)有很大幅度的提高。

　　另外，在水泥早期水化過(guò)程中，粗集料表面的少量CaCO₃與C₃A等大量水存在的條件下，發(fā)生反應(yīng)生成強(qiáng)度較高的水化產(chǎn)物，即CaCO₃型的鈣礬石C₃A·3CaCO₃·31H2O， C₃A·3CaCO₃·31H₂O的形成對(duì)提高混凝土早期強(qiáng)度具有很大的作用，但是C₃A·3CaCO₃·31H2O是化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定的產(chǎn)物，隨著養(yǎng)護(hù)溫度的提高（≥60℃），C3A·3CaCO3·31H2O分子結(jié)構(gòu)逐漸將發(fā)生分解，溫度越高，分解程度愈大，生成產(chǎn)物的強(qiáng)度很小很小。蒸壓養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，恒溫恒壓達(dá)1.0MPa、180℃，C3A·3CaCO3·31H2O幾乎徹底分解。相對(duì)于花崗巖石質(zhì)的卵石，粗集料表面的沒(méi)有CaCO₃，因此也就沒(méi)有上述化學(xué)反應(yīng)，混凝土強(qiáng)度有較大的穩(wěn)定增長(zhǎng)。

　　6、結(jié)語(yǔ)

　?。?）石質(zhì)為CaCO₃的粗細(xì)集料可以適合常壓養(yǎng)護(hù)生產(chǎn)工藝，混凝土脫模抗壓強(qiáng)度有較大的穩(wěn)定增長(zhǎng)。

　?。?）石質(zhì)為CaCO₃的粗細(xì)集料在蒸壓養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，在沒(méi)有摻加硅砂粉情況下混凝土抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)較小，在用硅砂粉等量部分替代水泥情況下，蒸壓混凝土抗壓強(qiáng)度有一定的提高，但仍然不符合技術(shù)規(guī)范的指標(biāo)要求，不適合用于蒸壓養(yǎng)護(hù)作業(yè)方式生產(chǎn)預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]國(guó)標(biāo)GB13476-2009.《先張法預(yù)應(yīng)力混凝土管樁》[S]。

　　[2]蔣元海. 關(guān)于我國(guó)管樁行業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展的建議，混凝土與水泥制品[J]，2007.4， 31-32。