免蒸压无余浆混凝土预制桩关键技术的研发与应用
水泥 建华管桩集团技术中心 苟德胜 李斌斌 2012-11-13
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建华管桩集团技术中心苟德胜
前言
预应力混凝土预制桩由于其技术先进、生产工业化程度高、质量稳定、施工周期短和资源消耗少等技术、经济优势，在国内外得到较快发展，已成为基础工程的重要桩基材料。
目前预制桩企业主要生产工艺流程：配料→搅拌→布料→合模→预应力张拉→离心成型→倒余浆→常压蒸养→脱模→高压蒸养→成品。其中“倒余浆”的过程，不仅影响了生产效率，同时产生了大量不易处理的废弃浆体。“高压蒸养”的过程需要用到特种设备“蒸压釜”，不仅成本投资大，而且因其属于压力容器，必然存在一定的安全隐患。同时，此养护过程时间长、需蒸汽量大，影响了效率，浪费了能源。本文所述的一种免蒸压无余浆技术生产PHC预制桩的技术，将有效的省去“倒余浆”、“高压蒸养”这两个工艺环节，从而节省资源、保护环境，同时能获得更好的经济效益。因此，此项技术的研发与应用具有显着的经济和社会效益。
1 技术路线
混凝土预制桩的混凝土强度要求大于C80，属于高强混凝土。现有技术一般通过添加磨细砂，在1.0MPa，150℃以上的条件下激发其活性，与水泥水化形成的Ca(OH)2发生化学反应，生成强度很高的托勃莫来石。而直接采用常压蒸汽养护的方式使管桩达到C80等级的要求，那么胶凝材料的水化过程必须在100℃以下的条件和较短的时间内要尽量快速、完全的反应。同时胶凝材料应该拥有较好的粘聚性与保水性，且在较低水胶比的情况下，才能够保证管桩在离心后“无余浆”。
目前免蒸压高强混凝土的技术虽还没有大规模的在社会上进行推广应用，但是相关性的试验研究已经有很多专家学者们在进行。从结论上看，要达到高强的免蒸压混凝土可以通过各种不同的途径。比如：
（1）掺入一种免蒸压掺合料，其主要成份是粉煤灰、矿渣和极少量的激发剂。在一定配合比，水胶比0.26~0.30，掺量为30%~35%时，蒸养14h，抗压强度达到86.5MPa，劈裂抗拉强度达到4.4MPa，达到管桩出厂要求[1] 。
（2）通过一定的配合比：水胶比为0.25～0.30，S95 粒化高炉矿渣粉掺量为10%～40%，胶凝材料用量为470～550kg/m3。再配合一定的养护工艺，3d后可达到出厂要求[2] 。
（3）掺入一种自制特种掺合料由矿渣微粉、硫酸盐、活性二氧化硅、氧化钙和粉煤灰组成，且其占混凝土总重的20%~40%。通过一定的配合比、高效减水剂及在80~85℃的条件下蒸汽养护6小时，然后自然养护3~7天即可达到出厂要求[3] 。
从以上论文及专利观点不难看出，要达到高强免蒸压混凝土的技术途径包括：
（1）需要有较高的胶凝材料比例；
(2）需要具有一定激发作用的活性掺合料；
(3)需要高性能减水剂；
（4）需要有0.3以下的低水胶比；
（5）需要有一定的蒸养工艺及自然养护时间。
综合以上结论，笔者根据企业实际情况出发，制定了可以使管桩免蒸压且离心后无余浆的技术路线，即：
（1）研制一种高活性增效剂GM-01；
（2）设定符合实际情况的混凝土配合比；
（3）设计符合免蒸压混凝土的最佳蒸汽养护工艺。
2 试验过程
2.1原材料
（1）水泥: 江苏小野田生产的PII52.5级硅酸盐水泥，其性能指标见表1。
（2）矿粉：江苏伊兰特S95级矿渣微粉，其基本性能见表2。
（3）掺合料：自制高活性增效剂GM-01[4] 。
（4）减水剂：高效萘系减水剂，含固量20%。
（5）细骨料：江西赣江砂，细度模数2.8~3.0，含泥量≤1.0%。
（6）粗骨料：碎石，粒径为5～25mm连续级配，压碎值不大于10%，针片状不大于10%。
（7）拌合用水：自来水。
2.2 配制高活性增效剂GM-01
为了使混凝土能达到C80等级且能够应用于实际生产的要求，笔者认为高活性增效剂GM-01应具有下列特性：1.激发胶凝材料活性的功能；2.能够促进早期强度的发展；3.保证混凝土拥有较好的和易性；4.增效剂本身具有较强的减水功能。
根据查阅相关资料及研究经验，选取相应“激发剂”以使矿物掺合料在较短时间内能激发其潜在活性，加速其反应。同时掺入了新型“纳米级”高活性硅质材料，在C-S-H体系中迅速参加反应，以提高混凝土的早期强度，并在混凝土反应较快的情况下，改善其和易性，控制较低水胶比。考虑到高活性增效剂GM-01会使胶凝材料反应加速，导致混凝土塌落度损失较快，最终可能会影响混凝土的实际操作性能，我们在以上材料的基础之上，又复配并掺入具有一定“缓凝效果”的材料，以起到使混凝土缓凝的效果，同时也具有了一定的增强改性作用，为混凝土提供了较好的工作性能。
在荷载作用下，混凝土内部最薄弱的部位在骨料与水泥的胶结面上，这个界面也被称为水泥浆与骨料的过渡区。相关研究论文指出：在同一混凝土的截面上Ca(OH)2的结晶程度与所在的环境的空间有关，结晶比较完整的Ca(OH)2一般在过渡区和混凝土中的气孔中[5] 。高活性增效剂GM-01中的“纳米级”SiO2在早期就可与混凝土中的Ca(OH)2发生快速完全的反应，使得Ca(OH)2数量明显降低（一定掺量下，理论上可以完全消除Ca(OH)2）。Ca(OH)2转化为内表面积大、胶结力强的C-S-H凝胶，使得胶体的强度提高，混凝土中过渡区的富集的Ca(OH)2降低，改善了过渡区的结构。同时混凝土气孔中的Ca(OH)2也得到转变，增强了混凝土的密实度。如此，混凝土的早期强度可以得到明显提高。[Page]
同时为了保证预制桩离心后“无余浆”，免蒸压混凝土应拥有良好的粘聚性与保水性。由于高活性增效剂GM-01含有大量“纳米级”SiO2，其平均粒径远远小于水泥粒子的平均粒径且具有极高的活性，它们能填充于水泥粒子之间的空隙中，提高混凝土的粘聚性和保水性。当“纳米级” SiO2达到一定数量时，其比水泥更容易形成絮凝结构，包裹一定水分，使得水泥浆变的粘稠。由于“纳米级”SiO2属于非晶态玻璃体结构，虽在某种程度上增加了水泥净浆的稠度，但由于其自身晶体结构所带来的“滚珠”效应，使得混凝土整体和易性能得到改善。对于管桩的生产具有很大的可操作性。免蒸压混凝土因具有以上特性，经离心工艺成型方后出现“无余浆”或“极少量余浆”。
试验初期笔者设定了混凝土基准配合比及蒸养工艺进行试验，确定了掺合料各成份的基本范围。然后采用正交试验法，对结果进行了极差与方差分析，确定了增效剂的最佳配比。
2.3 免蒸压无余浆混凝土配合比的确定
考虑到在混凝土中加入矿物掺合料，可以降低水化热，改善工作性，增强后期强度，并可改善混凝土的内部结构，提高抗腐蚀能力。是高性能（不仅高强）混凝土不可缺少的组分。
笔者认为在免蒸压混凝土中同样也需要掺入活性矿物掺合料，如粒化高炉矿渣粉、火山灰质材料、粉煤灰、硅灰等。根据现有原材及工艺设计了基准配方见表3。
2.4 最佳蒸汽养护条件的确定
在预制桩生产过程中，蒸汽养护阶段一般分为静停阶段→升温阶段→恒温阶段→降温阶段。见表4。
通过对比试验，可以看出：1.升温时间过短，不利于强度的发展；2.恒温时间越长，越利于强度的发展；3.恒温温度越高，越利于强度的发展。
由以上结论，结合生产工艺流程及生产效率，最终确定M5为免蒸压蒸汽养护制度。
2.5 试验结果
根据初期理论与实际的结合，免蒸压混凝土的试验工作分别在试验室与生产车间进行。
（1）试验室主要进行GM-01及混凝土配方的优化工作，优化混凝土试配强度见表5。
（2）在生产车间进行中试试验
采用试验室中的优化方案在车间进行试桩，整个试桩过程中，免蒸压混凝土平均塌落度3~5cm，和易性能良好，拥有相当强的可操作性。试桩混凝土强度见表6：
从试桩结果可以看出，免蒸压桩混凝土水胶比普遍较低，1d强度已满足C80等级要求，且后期强度呈持续稳定发展趋势。
（3）试桩内壁成型
由于试桩过程中，水灰比控制稳定，试桩离心后“无余浆”，内壁成型良好。见图1。
3 性能试验
3.1免蒸压桩力学性能试验
[Page]
随机抽取Ø400×95×12m AB，Ø400×95×09m B两根试桩，进行抗弯试验，见图2。
3.2 免蒸压混凝土耐久性能试验
根据标准GB/T 50082-2009对免蒸压混凝土进行抗冻试验，抗氯离子渗透试验，抗硫酸盐侵蚀试验。实验结果见表7。
4 工程应用
4.1 静压沉桩
2010年9月，在扬州某房地产桩基现场进行了免蒸压桩的实际应用。现场采用静压方式进行压桩，抱压600吨，桩长19m，送桩7m。配备12套φ400×95×09 B桩，每套桩长为19m，共计228m。整个压桩过程与普通桩操作无异，且试验桩没出现任何质量问题。现场施工情况见图3。
4.2 锤击沉桩
2011年2月，在扬州某企业生产厂房工程中使用了免蒸压桩，现场采用锤击沉桩的施工方法，配备20套φ500×125×14 AB，每套桩长28m，共计560m。锤击过程采用D60锤型，锤击数1253，免蒸压桩全部顺利打入，贯入度满足设计要求，桩身全部完好。
5 总结
（1）通过采用有机与无机材料复合的技术，在混凝土中掺入10%~20%自主研发的GM-01增效剂，结合免蒸压混凝土配合比、优化设计的常压蒸汽养护及离心工艺，可以生产出1d强度83.5MPa，离心后无余浆的C80等级混凝土预制桩。
（2）经检测，免蒸压桩的力学性能及混凝土耐久性能优于同级别常规预制桩，且均符合国家相关标准。在实际工程应用过程中，表现出低脆性、高耐打性的优越性能，用户反映良好。
（3）企业使用免蒸压无余浆技术生产高强混凝土预制桩，可以节约蒸汽60%以上，减少大量原煤使用，降低污染气体的排放。同时降低了生产成本，让利于客户和社会。据不完全预算，此技术的应用使企业一年将新增利润1500万左右。具有显着的经济和社会效益。
参考文献
[1] 卢迪芬，胡海鸥，王秀龙，徐志芳.免蒸压高性能混凝土管桩掺合料的试验研究[J].混凝土，2007，（1）：80-82。
[2] 王成启，谷坤鹏，王春明，周郁兵，张宜兵.免蒸压PHC管桩的研制与工程应用[J]，混凝土与水泥制品，2011，29-34。
[3] 韦泽林.200910041269.3，一种免蒸压高性能预应力高强混凝土管桩。
[4] 苟德胜，李斌斌.201210109971.0，一种用于混凝土及水泥制品的活性增效剂。
[5] 李固华，高波.纳米材料对混凝土耐久性的影响[D].四川：西南交通大学，2006。
（中国混凝土与水泥制品网 转载请注明出处）
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