免蒸壓無余漿混凝土預制樁關鍵技術的研發(fā)與應用

建華管樁集團技術中心茍德勝

　　前言

　　預應力混凝土預制樁由于其技術先進、生產(chǎn)工業(yè)化程度高、質(zhì)量穩(wěn)定、施工周期短和資源消耗少等技術、經(jīng)濟優(yōu)勢，在國內(nèi)外得到較快發(fā)展，已成為基礎工程的重要樁基材料。

　　目前預制樁企業(yè)主要生產(chǎn)工藝流程：配料→攪拌→布料→合?！A應力張拉→離心成型→倒余漿→常壓蒸養(yǎng)→脫?！邏赫麴B(yǎng)→成品。其中“倒余漿”的過程，不僅影響了生產(chǎn)效率，同時產(chǎn)生了大量不易處理的廢棄漿體。“高壓蒸養(yǎng)”的過程需要用到特種設備“蒸壓釜”，不僅成本投資大，而且因其屬于壓力容器，必然存在一定的安全隱患。同時，此養(yǎng)護過程時間長、需蒸汽量大，影響了效率，浪費了能源。本文所述的一種免蒸壓無余漿技術生產(chǎn)PHC預制樁的技術，將有效的省去“倒余漿”、“高壓蒸養(yǎng)”這兩個工藝環(huán)節(jié)，從而節(jié)省資源、保護環(huán)境，同時能獲得更好的經(jīng)濟效益。因此，此項技術的研發(fā)與應用具有顯著的經(jīng)濟和社會效益。

　　1  技術路線

　　混凝土預制樁的混凝土強度要求大于C80，屬于高強混凝土?，F(xiàn)有技術一般通過添加磨細砂，在1.0MPa，150℃以上的條件下激發(fā)其活性，與水泥水化形成的Ca(OH)2發(fā)生化學反應，生成強度很高的托勃莫來石。而直接采用常壓蒸汽養(yǎng)護的方式使管樁達到C80等級的要求，那么膠凝材料的水化過程必須在100℃以下的條件和較短的時間內(nèi)要盡量快速、完全的反應。同時膠凝材料應該擁有較好的粘聚性與保水性，且在較低水膠比的情況下，才能夠保證管樁在離心后“無余漿”。

　　目前免蒸壓高強混凝土的技術雖還沒有大規(guī)模的在社會上進行推廣應用，但是相關性的試驗研究已經(jīng)有很多專家學者們在進行。從結論上看，要達到高強的免蒸壓混凝土可以通過各種不同的途徑。比如：

　　（1）摻入一種免蒸壓摻合料，其主要成份是粉煤灰、礦渣和極少量的激發(fā)劑。在一定配合比，水膠比0.26~0.30，摻量為30%~35%時，蒸養(yǎng)14h，抗壓強度達到86.5MPa，劈裂抗拉強度達到4.4MPa，達到管樁出廠要求^[1] 。

　?。?）通過一定的配合比：水膠比為0.25～0.30，S95 ?；郀t礦渣粉摻量為10%～40%，膠凝材料用量為470～550kg/m3。再配合一定的養(yǎng)護工藝，3d后可達到出廠要求^[2] 。

　?。?）摻入一種自制特種摻合料由礦渣微粉、硫酸鹽、活性二氧化硅、氧化鈣和粉煤灰組成，且其占混凝土總重的20%~40%。通過一定的配合比、高效減水劑及在80~85℃的條件下蒸汽養(yǎng)護6小時，然后自然養(yǎng)護3~7天即可達到出廠要求^[3] 。

　　從以上論文及專利觀點不難看出，要達到高強免蒸壓混凝土的技術途徑包括：

　?。?）需要有較高的膠凝材料比例；

　　 (2）需要具有一定激發(fā)作用的活性摻合料；

　　 (3)需要高性能減水劑；

　　（4）需要有0.3以下的低水膠比；

　?。?）需要有一定的蒸養(yǎng)工藝及自然養(yǎng)護時間。

　　綜合以上結論，筆者根據(jù)企業(yè)實際情況出發(fā)，制定了可以使管樁免蒸壓且離心后無余漿的技術路線，即：

　?。?）研制一種高活性增效劑GM-01；

　?。?）設定符合實際情況的混凝土配合比；

　?。?）設計符合免蒸壓混凝土的最佳蒸汽養(yǎng)護工藝。

　　2  試驗過程

　　2.1原材料

　?。?）水泥: 江蘇小野田生產(chǎn)的PII52.5級硅酸鹽水泥，其性能指標見表1。

（2）礦粉：江蘇伊蘭特S95級礦渣微粉，其基本性能見表2。

　　（3）摻合料：自制高活性增效劑GM-01^[4] 。

　　（4）減水劑：高效萘系減水劑，含固量20%。

　?。?）細骨料：江西贛江砂，細度模數(shù)2.8~3.0，含泥量≤1.0%。

　?。?）粗骨料：碎石，粒徑為5～25mm連續(xù)級配，壓碎值不大于10%，針片狀不大于10%。

　　（7）拌合用水：自來水。

　　2.2 配制高活性增效劑GM-01

　　為了使混凝土能達到C80等級且能夠應用于實際生產(chǎn)的要求，筆者認為高活性增效劑GM-01應具有下列特性：1.激發(fā)膠凝材料活性的功能；2.能夠促進早期強度的發(fā)展；3.保證混凝土擁有較好的和易性；4.增效劑本身具有較強的減水功能。

　　根據(jù)查閱相關資料及研究經(jīng)驗，選取相應“激發(fā)劑”以使礦物摻合料在較短時間內(nèi)能激發(fā)其潛在活性，加速其反應。同時摻入了新型“納米級”高活性硅質(zhì)材料，在C-S-H體系中迅速參加反應，以提高混凝土的早期強度，并在混凝土反應較快的情況下，改善其和易性，控制較低水膠比?？紤]到高活性增效劑GM-01會使膠凝材料反應加速，導致混凝土塌落度損失較快，最終可能會影響混凝土的實際操作性能，我們在以上材料的基礎之上，又復配并摻入具有一定“緩凝效果”的材料，以起到使混凝土緩凝的效果，同時也具有了一定的增強改性作用，為混凝土提供了較好的工作性能。

　　在荷載作用下，混凝土內(nèi)部最薄弱的部位在骨料與水泥的膠結面上，這個界面也被稱為水泥漿與骨料的過渡區(qū)。相關研究論文指出：在同一混凝土的截面上Ca(OH)₂的結晶程度與所在的環(huán)境的空間有關，結晶比較完整的Ca(OH)₂一般在過渡區(qū)和混凝土中的氣孔中^[5] 。高活性增效劑GM-01中的“納米級”SiO₂在早期就可與混凝土中的Ca(OH)₂發(fā)生快速完全的反應，使得Ca(OH)₂數(shù)量明顯降低（一定摻量下，理論上可以完全消除Ca(OH)₂）。Ca(OH)₂轉(zhuǎn)化為內(nèi)表面積大、膠結力強的C-S-H凝膠，使得膠體的強度提高，混凝土中過渡區(qū)的富集的Ca(OH)₂降低，改善了過渡區(qū)的結構。同時混凝土氣孔中的Ca(OH)₂也得到轉(zhuǎn)變，增強了混凝土的密實度。如此，混凝土的早期強度可以得到明顯提高。[Page]

　　同時為了保證預制樁離心后“無余漿”，免蒸壓混凝土應擁有良好的粘聚性與保水性。由于高活性增效劑GM-01含有大量“納米級”SiO₂，其平均粒徑遠遠小于水泥粒子的平均粒徑且具有極高的活性，它們能填充于水泥粒子之間的空隙中，提高混凝土的粘聚性和保水性。當“納米級” SiO₂達到一定數(shù)量時，其比水泥更容易形成絮凝結構，包裹一定水分，使得水泥漿變的粘稠。由于“納米級”SiO₂屬于非晶態(tài)玻璃體結構，雖在某種程度上增加了水泥凈漿的稠度，但由于其自身晶體結構所帶來的“滾珠”效應，使得混凝土整體和易性能得到改善。對于管樁的生產(chǎn)具有很大的可操作性。免蒸壓混凝土因具有以上特性，經(jīng)離心工藝成型方后出現(xiàn)“無余漿”或“極少量余漿”。

　　試驗初期筆者設定了混凝土基準配合比及蒸養(yǎng)工藝進行試驗，確定了摻合料各成份的基本范圍。然后采用正交試驗法，對結果進行了極差與方差分析，確定了增效劑的最佳配比。

　　2.3 免蒸壓無余漿混凝土配合比的確定

　　考慮到在混凝土中加入礦物摻合料，可以降低水化熱，改善工作性，增強后期強度，并可改善混凝土的內(nèi)部結構，提高抗腐蝕能力。是高性能（不僅高強）混凝土不可缺少的組分。

　　筆者認為在免蒸壓混凝土中同樣也需要摻入活性礦物摻合料，如?；郀t礦渣粉、火山灰質(zhì)材料、粉煤灰、硅灰等。根據(jù)現(xiàn)有原材及工藝設計了基準配方見表3。

　　2.4 最佳蒸汽養(yǎng)護條件的確定

　　在預制樁生產(chǎn)過程中，蒸汽養(yǎng)護階段一般分為靜停階段→升溫階段→恒溫階段→降溫階段。見表4。

　　通過對比試驗，可以看出：1.升溫時間過短，不利于強度的發(fā)展；2.恒溫時間越長，越利于強度的發(fā)展；3.恒溫溫度越高，越利于強度的發(fā)展。

　　由以上結論，結合生產(chǎn)工藝流程及生產(chǎn)效率，最終確定M5為免蒸壓蒸汽養(yǎng)護制度。

　　2.5 試驗結果

　　根據(jù)初期理論與實際的結合，免蒸壓混凝土的試驗工作分別在試驗室與生產(chǎn)車間進行。

　　（1）試驗室主要進行GM-01及混凝土配方的優(yōu)化工作，優(yōu)化混凝土試配強度見表5。

　　（2）在生產(chǎn)車間進行中試試驗

　　采用試驗室中的優(yōu)化方案在車間進行試樁，整個試樁過程中，免蒸壓混凝土平均塌落度3~5cm，和易性能良好，擁有相當強的可操作性。試樁混凝土強度見表6：

　　從試樁結果可以看出，免蒸壓樁混凝土水膠比普遍較低，1d強度已滿足C80等級要求，且后期強度呈持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展趨勢。

　　（3）試樁內(nèi)壁成型

　　由于試樁過程中，水灰比控制穩(wěn)定，試樁離心后“無余漿”，內(nèi)壁成型良好。見圖1。

　　3  性能試驗

　　3.1免蒸壓樁力學性能試驗

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　　隨機抽取Ø400×95×12m AB，Ø400×95×09m B兩根試樁，進行抗彎試驗，見圖2。

　　3.2 免蒸壓混凝土耐久性能試驗

　　根據(jù)標準GB/T 50082-2009對免蒸壓混凝土進行抗凍試驗，抗氯離子滲透試驗，抗硫酸鹽侵蝕試驗。實驗結果見表7。

　　4  工程應用

　　4.1 靜壓沉樁

　　2010年9月，在揚州某房地產(chǎn)樁基現(xiàn)場進行了免蒸壓樁的實際應用?，F(xiàn)場采用靜壓方式進行壓樁，抱壓600噸，樁長19m，送樁7m。配備12套φ400×95×09 B樁，每套樁長為19m，共計228m。整個壓樁過程與普通樁操作無異，且試驗樁沒出現(xiàn)任何質(zhì)量問題。現(xiàn)場施工情況見圖3。

　　4.2 錘擊沉樁

　　2011年2月，在揚州某企業(yè)生產(chǎn)廠房工程中使用了免蒸壓樁，現(xiàn)場采用錘擊沉樁的施工方法，配備20套φ500×125×14 AB，每套樁長28m，共計560m。錘擊過程采用D60錘型，錘擊數(shù)1253，免蒸壓樁全部順利打入，貫入度滿足設計要求，樁身全部完好。

　　5  總結

　?。?）通過采用有機與無機材料復合的技術，在混凝土中摻入10%~20%自主研發(fā)的GM-01增效劑，結合免蒸壓混凝土配合比、優(yōu)化設計的常壓蒸汽養(yǎng)護及離心工藝，可以生產(chǎn)出1d強度83.5MPa，離心后無余漿的C80等級混凝土預制樁。

　?。?）經(jīng)檢測，免蒸壓樁的力學性能及混凝土耐久性能優(yōu)于同級別常規(guī)預制樁，且均符合國家相關標準。在實際工程應用過程中，表現(xiàn)出低脆性、高耐打性的優(yōu)越性能，用戶反映良好。

　?。?）企業(yè)使用免蒸壓無余漿技術生產(chǎn)高強混凝土預制樁，可以節(jié)約蒸汽60%以上，減少大量原煤使用，降低污染氣體的排放。同時降低了生產(chǎn)成本，讓利于客戶和社會。據(jù)不完全預算，此技術的應用使企業(yè)一年將新增利潤1500萬左右。具有顯著的經(jīng)濟和社會效益。

　　參考文獻

　　[1] 盧迪芬，胡海鷗，王秀龍，徐志芳.免蒸壓高性能混凝土管樁摻合料的試驗研究[J].混凝土，2007，（1）：80-82。

　　[2] 王成啟，谷坤鵬，王春明，周郁兵，張宜兵.免蒸壓PHC管樁的研制與工程應用[J]，混凝土與水泥制品，2011，29-34。

　　[3] 韋澤林.200910041269.3，一種免蒸壓高性能預應力高強混凝土管樁。

　　[4] 茍德勝，李斌斌.201210109971.0，一種用于混凝土及水泥制品的活性增效劑。

　　[5] 李固華，高波.納米材料對混凝土耐久性的影響[D].四川：西南交通大學，2006。