詹鎮(zhèn)峰，陳峭卉，楊醫(yī)博，李從波，陳應(yīng)欽，郝艷浩，何　棟

免蒸壓PHC管樁混凝土耐久性的試驗(yàn)研究

詹鎮(zhèn)峰1，陳峭卉2，楊醫(yī)博3，李從波1，陳應(yīng)欽2，郝艷浩3，何棟4

（1.廣州大學(xué)土木工程學(xué)院，廣東廣州510006；2.廣東省建筑材料研究院，廣東廣州510000；3.華南理工大學(xué)，廣東廣州510000；4.南寧鴻基水泥制品有限公司，廣西南寧530100）

測(cè)試了混凝土的電通量、抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)、相對(duì)動(dòng)彈性模量和質(zhì)量損失率等指標(biāo)，并進(jìn)行SEM分析，比較了免蒸壓PHC管樁混凝土和蒸壓PHC管樁混凝土的耐久性能。結(jié)果表明：免蒸壓管樁混凝土的電通量明顯低于蒸壓管樁混凝土，抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)高于蒸壓管樁混凝土，相對(duì)動(dòng)彈性模量高于蒸壓管樁混凝土，質(zhì)量損失率低于蒸壓管樁混凝土，耐久性優(yōu)于蒸壓混凝土。

PHC管樁混凝土；免蒸壓；耐久性

PHC管樁由于質(zhì)量可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、適應(yīng)性強(qiáng)、施工方便、造價(jià)較低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)和民用建筑、港口碼頭、水利、鐵路、橋梁等工程構(gòu)筑物的基礎(chǔ)。長(zhǎng)期服役于地下工程的PHC管樁，由于受到來(lái)自于地下水和土壤中的侵蝕性介質(zhì)如Cl-、SO42-等的侵蝕和凍融的破壞，因此對(duì)管樁的長(zhǎng)期耐久性是一個(gè)嚴(yán)峻的考驗(yàn)。

長(zhǎng)期以來(lái)管樁的生產(chǎn)工藝中，管樁養(yǎng)護(hù)工藝是二次養(yǎng)護(hù)，即常壓蒸養(yǎng)和高溫高壓蒸養(yǎng)。該工藝可以提高管樁的早期強(qiáng)度，加速模具的周轉(zhuǎn)，提高生產(chǎn)效率，但對(duì)管樁的耐久性有一定的負(fù)面影響。已有不少學(xué)者對(duì)蒸壓養(yǎng)護(hù)的管樁耐久性進(jìn)行了研究，魏宜嶺和李龍［1］的試驗(yàn)表明，盡管管樁的強(qiáng)度達(dá)到C90，但耐久性指標(biāo)卻出乎意料的低。嚴(yán)志隆等［2］的研究表明，只要在原材料選用、混凝土配合比及混凝土攪拌、離心、蒸養(yǎng)（包括靜停）、壓蒸等工藝的某個(gè)環(huán)節(jié)或幾個(gè)環(huán)節(jié)不符合要求，其3種耐久性試驗(yàn)就會(huì)出問(wèn)題，特別是凍融循環(huán)試驗(yàn)就很難合格。薛利俊等［3］通過(guò)測(cè)試電通量、氯離子擴(kuò)散系數(shù)以及抗凍性等指標(biāo)，研究了不同養(yǎng)護(hù)方式對(duì)混凝土管樁耐久性的影響，其結(jié)論是蒸汽養(yǎng)護(hù)和高壓蒸養(yǎng)均對(duì)混凝土耐久性產(chǎn)生一定的影響，特別是管樁混凝土的抗凍性，隨著蒸汽養(yǎng)護(hù)溫度的提高，混凝土的耐久性早齡期耐久性提高，而長(zhǎng)齡期耐久性下降，因此從耐久性考慮，PHC管樁的蒸養(yǎng)溫度要適當(dāng)控制。

近年來(lái)，隨著節(jié)能減排政策的推行，管樁行業(yè)也面臨著較大的節(jié)能減排壓力，免蒸壓PHC管樁生產(chǎn)已成為管樁行業(yè)的一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)這一技術(shù)途徑關(guān)鍵在于調(diào)整管樁混凝土的原材料和配合比，如用活性摻和料代替原有的磨細(xì)砂，用高減水率的聚羧酸減水劑代替萘系減水劑，降低水膠比等，提高混凝土的早期強(qiáng)度，在生產(chǎn)工藝上以一次常壓蒸汽養(yǎng)護(hù)代替原來(lái)的二次養(yǎng)護(hù)。本文將通過(guò)測(cè)試混凝土的抗氯離子滲透性、抗硫酸鹽侵蝕性以及抗凍性等指標(biāo)和SEM分析，比較免蒸壓與蒸壓管樁的耐久性。

1　試驗(yàn)

1.1原材料

水泥：P·Ⅱ42.5R水泥，華潤(rùn)水泥（平南）有限公司產(chǎn)；磨細(xì)砂：某管樁廠生產(chǎn)用，SiO2含量92.8%，比表面積408 m2/kg；摻和料A：礦渣粉，比表面積400 m2/kg，江門(mén)某企業(yè)生產(chǎn)；摻和料C：比表面積250 m2/kg，主要成分為SiO2和Al2O3，深圳某新材料科技有限公司銷售；聚羧酸減水劑：江門(mén)強(qiáng)力建材科技有限公司生產(chǎn)，固含量為10%；萘系減水劑：QL-PC型，江門(mén)強(qiáng)力建材科技有限公司生產(chǎn)，固含量為30%；砂：Ⅱ區(qū)中砂，含泥量0.7%，細(xì)度模數(shù)2.8，產(chǎn)自廣西藤縣；碎石：花崗巖碎石，新會(huì)大澤砂石廠生產(chǎn)，雙級(jí)配5～10 mm、10～25 mm，含泥量0.1%，壓碎指標(biāo)9%。

1.2試驗(yàn)配比和性能測(cè)試方法

本研究通過(guò)活性摻和料代替磨細(xì)砂、聚羧酸減水劑代替萘系減水劑、降低水膠比等措施，在生產(chǎn)工藝上以一次常壓蒸汽養(yǎng)護(hù)（即免蒸壓養(yǎng)護(hù)）代替蒸壓養(yǎng)護(hù)。

蒸汽養(yǎng)護(hù)制度為：靜停（55℃）3.5 h、升溫1 h（升溫速率為5℃/10 min）、恒溫3.5 h（85℃）；蒸壓養(yǎng)護(hù)制度為：按以上蒸汽養(yǎng)護(hù)后入釜蒸壓養(yǎng)護(hù)，升壓1.5～2.0 h至0.9 MPa、恒壓4.5～5.5 h、降壓1.5～2.0 h。

蒸汽養(yǎng)護(hù)和蒸壓養(yǎng)護(hù)管樁混凝土的配合比見(jiàn)表1。

表1　蒸汽養(yǎng)護(hù)和蒸壓養(yǎng)護(hù)管樁混凝土的配合比

管樁混凝土的抗壓強(qiáng)度按照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試；耐久性（抗氯離子滲透性、抗硫酸鹽侵蝕性和抗凍性）按照GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試；采用德國(guó)蔡司（ZEISS）EVO18 Special Edition掃描電子顯微鏡進(jìn)行微觀分析。

2　試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1抗壓強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律

圖1為采用蒸壓和蒸汽2種養(yǎng)護(hù)方式下管樁混凝土的抗壓強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律。

圖1　2種養(yǎng)護(hù)制度下管樁混凝土的強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律

從圖1可以看出，2種養(yǎng)護(hù)方式的管樁混凝土抗壓強(qiáng)度后期發(fā)展表現(xiàn)出較為相似的規(guī)律，通過(guò)早期的蒸汽養(yǎng)護(hù)加速水泥的水化，使混凝土獲得較高的早期強(qiáng)度，但是隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)，混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)甚微，甚至出現(xiàn)有倒縮的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象與文獻(xiàn)［4］結(jié)果一致。分析其原因可能有以下幾方面：（1）蒸汽養(yǎng)護(hù)后，水泥早期水化速率提高，而后期未水化的水泥顆粒減少，或者是未水化的水泥顆粒被水化產(chǎn)物包裹而成為填充料；（2）混凝土配合比中的水膠比較低，經(jīng)過(guò)高溫養(yǎng)護(hù)尤其是蒸壓養(yǎng)護(hù)后，混凝土在冷卻期間，水分隨溫度場(chǎng)的變化而往外蒸發(fā)，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部水分減少，影響后期的水泥水化；（3）高溫蒸汽養(yǎng)護(hù)導(dǎo)致混凝土內(nèi)部熱膨脹，產(chǎn)生不同的變形，使得骨料與漿體界面過(guò)渡區(qū)域出現(xiàn)微裂紋，影響混凝土后期強(qiáng)度發(fā)展；（4）高溫養(yǎng)護(hù)使得水泥水化產(chǎn)物C-S-H凝膠變得粗大，孔隙結(jié)構(gòu)疏松，水泥石結(jié)構(gòu)變得雜亂和粗糙。當(dāng)然，要確切地掌握混凝土蒸汽養(yǎng)護(hù)后強(qiáng)度的后期發(fā)展規(guī)律，需要做更多的試驗(yàn)加以驗(yàn)證。

2.2抗氯離子滲透性

圖2為采用蒸壓和蒸汽2種養(yǎng)護(hù)方式下管樁混凝土的電通量測(cè)試結(jié)果。

從圖2可以看出：蒸汽養(yǎng)護(hù)的管樁混凝土電通量隨齡期的延長(zhǎng)呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)，其規(guī)律性明顯好于蒸壓養(yǎng)護(hù)的，而蒸壓養(yǎng)護(hù)的后期（90 d、180 d）的電通量高于早期的。蒸汽養(yǎng)護(hù)的管樁混凝土電通量明顯低于蒸壓養(yǎng)護(hù)的，蒸汽養(yǎng)護(hù)的管樁混凝土3d、28d、90d、180d電通量為51～76C，均小于100C。參照ASTM C1202劃分的混凝土抗氯離子滲透性的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)［5］，蒸汽養(yǎng)護(hù)的混凝土氯離子滲透在可忽略的范圍。而蒸壓養(yǎng)護(hù)的管樁混凝土3 d、28 d、90 d、180 d電通量為256～454 C，在ASTM標(biāo)準(zhǔn)的100～1000 C區(qū)間，處于氯離子滲透很低的范圍。

蒸壓和蒸汽養(yǎng)護(hù)方式導(dǎo)致的電通量差異原因有2個(gè)方面：一是兩者的膠凝材料組成不同，蒸壓養(yǎng)護(hù)的膠凝材料為水泥和磨細(xì)石英砂，而蒸汽養(yǎng)護(hù)的是水泥和活性摻和料。磨細(xì)石英砂在常溫下是惰性材料，只有在高壓高溫的條件下才能與Ca（OH）2反應(yīng)生成托貝莫來(lái)石結(jié)晶體。而蒸壓養(yǎng)護(hù)環(huán)節(jié)結(jié)束后，Ca（OH）2不能與石英砂產(chǎn)生二次反應(yīng)。相比之下，蒸汽養(yǎng)護(hù)的膠凝材料是水泥和活性摻和料，Ca（OH）2可以與活性摻和料中的SiO2產(chǎn)生二次反應(yīng)，使得混凝土更為密實(shí)。二是蒸壓養(yǎng)護(hù)的溫度明顯高于常壓的蒸汽養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)溫度越高，導(dǎo)致水泥石結(jié)構(gòu)變得更加雜亂和粗糙，混凝土內(nèi)部的氣孔和毛細(xì)孔更加明顯可見(jiàn)，特別是在漿體-骨料界面上，因此，在電場(chǎng)的作用下，氯離子容易沿著這些管道滲透，電通量增大。

2.3抗硫酸鹽侵蝕性

圖3為2種養(yǎng)護(hù)制度下經(jīng)過(guò)150、300次硫酸鹽干濕循環(huán)后管樁混凝土的抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)。

圖2　2種養(yǎng)護(hù)制度下管樁混凝土的電通量

圖3　2種養(yǎng)護(hù)條件下混凝土的抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)

從圖3可以看出，經(jīng)過(guò)150、300次干濕循環(huán)后，蒸汽養(yǎng)護(hù)的管樁混凝土抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)分別為94.1%、88.0%，均高于蒸壓養(yǎng)護(hù)的73.5%和70.7%，這說(shuō)明蒸汽養(yǎng)護(hù)的混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能要好于蒸壓養(yǎng)護(hù)的管樁混凝土。

硫酸鹽侵蝕的機(jī)理是SO42-與水泥水化生成的Ca（OH）2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成石膏，導(dǎo)致固體體積的膨脹，形成內(nèi)應(yīng)力，使混凝土結(jié)構(gòu)受到破壞。而影響混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的因素有物相組成和孔結(jié)構(gòu)等。分析2種養(yǎng)護(hù)條件下混凝土的抗硫酸鹽性能的差異也可歸結(jié)為2個(gè)方面：一是兩者的膠材組成，使得混凝土的物相和孔結(jié)構(gòu)有差異?；钚該胶土系拇嬖诳梢耘cCa（OH）2發(fā)生二次化學(xué)反應(yīng)，使結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，同時(shí)也降低Ca（OH）2的含量，減少與SO42-反應(yīng)生產(chǎn)石膏的機(jī)率；二是蒸壓養(yǎng)護(hù)的溫度高于常壓蒸汽養(yǎng)護(hù)，溫度越高，混凝土內(nèi)部的氣孔和毛細(xì)孔更加明顯可見(jiàn)，更有利于SO42-的滲透。

2.4抗凍性

2種養(yǎng)護(hù)制度下，凍融循環(huán)后管樁混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量和質(zhì)量損失率的變化見(jiàn)圖4。

圖4　2種養(yǎng)護(hù)制度下管樁混凝土的抗凍性

從圖4可以看出：隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，蒸壓養(yǎng)護(hù)的管樁混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量逐漸下降，下降的幅度明顯大于蒸汽養(yǎng)護(hù)的混凝土。經(jīng)過(guò)250次凍融循環(huán)后，蒸壓養(yǎng)護(hù)的混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量為65.0%，低于蒸汽養(yǎng)護(hù)的95.5%，質(zhì)量損失率為0.80%，明顯高于蒸汽養(yǎng)護(hù)的0.25%。因此，蒸汽養(yǎng)護(hù)工藝生產(chǎn)的管樁混凝土抗凍性優(yōu)于現(xiàn)有蒸壓養(yǎng)護(hù)工藝生產(chǎn)的管樁混凝土。

混凝土的抗凍性能與其孔結(jié)構(gòu)特征密切相關(guān)。養(yǎng)護(hù)溫度升高，混凝土內(nèi)部孔隙率變大，升溫導(dǎo)致的膨脹應(yīng)力造成混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部裂紋的發(fā)生擴(kuò)展，有害孔含量增加?；炷猎诔睗駰l件下進(jìn)行凍融循環(huán)時(shí)，裂縫內(nèi)所含的水結(jié)冰導(dǎo)致體積膨脹，并進(jìn)一步促進(jìn)裂紋的生長(zhǎng)和擴(kuò)展，最終導(dǎo)致混凝土抗凍性的降低，這是造成蒸壓養(yǎng)護(hù)混凝土抗凍性差的根本原因。而蒸汽混凝土的蒸汽養(yǎng)護(hù)溫度低，同時(shí)，膠凝材料中有活性摻和料，在混凝土水化過(guò)程中能發(fā)揮火山灰活性和填充作用，二次反應(yīng)的產(chǎn)物填充較大的孔隙中，降低混凝土孔隙率，減少混凝土有害孔含量，提高抗凍性。

3　微觀分析

經(jīng)早期蒸壓和蒸汽養(yǎng)護(hù)后，再繼續(xù)自然養(yǎng)護(hù)3 d、28 d，管樁混凝土的SEM照片見(jiàn)圖5、圖6。

圖5　早期蒸壓養(yǎng)護(hù)后管樁混凝土的SEM照片

圖6　早期蒸汽養(yǎng)護(hù)后管樁混凝土的SEM照片

從圖5、圖6可以看出：蒸壓養(yǎng)護(hù)后，混凝土中的水泥水化產(chǎn)物大小不一，顯得雜亂和粗糙［見(jiàn)圖5（a）］，而且在圖5（b）中明顯看到漿體與骨料之間的界面處有1條裂紋；相對(duì)而言，蒸汽養(yǎng)護(hù)的混凝土微觀結(jié)構(gòu)顯得較為密實(shí)，骨料與漿體之間的界面也無(wú)裂紋出現(xiàn)。由此可以看出，蒸壓養(yǎng)護(hù)，由于溫度高，使得水化產(chǎn)物變得雜亂和粗糙，結(jié)構(gòu)疏松，同時(shí)也容易誘發(fā)骨料與漿體之間界面裂紋的產(chǎn)生，這些因素是導(dǎo)致混凝土耐久性下降的主要原因。

4　結(jié)語(yǔ)

（1）蒸汽養(yǎng)護(hù)的管樁混凝土在3 d、28 d、90 d、180 d的電通量為51～76 C，明顯低于蒸壓養(yǎng)護(hù)的256～454 C；經(jīng)150、300次硫酸鹽干濕循環(huán)后的管樁混凝土抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)分別為94.1%、88.0%，均高于蒸壓養(yǎng)護(hù)的73.5%和70.7%。經(jīng)過(guò)250次凍融循環(huán)后，蒸壓養(yǎng)護(hù)的管樁混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量為65.0%，低于蒸汽養(yǎng)護(hù)的95.5%，質(zhì)量損失率為0.80%，明顯高于蒸汽養(yǎng)護(hù)的0.25%。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，免蒸壓管樁混凝土的耐久性好于蒸壓混凝土。

（2）從SEM照片可以看出，蒸壓養(yǎng)護(hù)后的管樁混凝土水化產(chǎn)物雜亂、粗糙，而且骨料與漿體界面有裂紋缺陷存在；而蒸汽養(yǎng)護(hù)后的管樁混凝土結(jié)構(gòu)相對(duì)密實(shí)，這就從微觀結(jié)構(gòu)上解釋了蒸壓養(yǎng)護(hù)混凝土的耐久性不如免蒸壓養(yǎng)護(hù)的原因。

［1］魏宜嶺，李龍.PHC管樁耐久性研究的現(xiàn)狀及建議［J］.廣東建材，2007（5）：10-12.

［2］嚴(yán)志隆，陸酉教，仲以林，等.PHC管樁混凝土耐久性［J］.混凝土與水泥制品，2008（6）：26-29.

［3］薛利俊，陳芳斌，楊牧，等.不同養(yǎng)護(hù)方式對(duì)混凝土管樁耐久性影響的試驗(yàn)與分析［J］.江蘇建材，2013（6）：27-30.

［4］劉偉，賀志敏，謝友均，等.蒸養(yǎng)混凝土抗氯離子滲透性能研究［J］.混凝土，2005（6）：56-60.

［5］冷發(fā)光，田冠飛.混凝土抗氯離子滲透性試驗(yàn)方法［J］.東南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006（11）：32-38.

Experimental study on the durability of non-autoclaved PHC pile concrete

ZHAN Zhenfeng1，CHEN Qiaohui2，YANG Yibo3，LI Congbo1，CHEN Yingqin2，HAO Yanhao3，HE Dong4
（1.School of Civil Engineering，Guangzhou University，Guangzhou 510006，Guangdong，China；2.Guangdong Building Materials Research Institute，Guangzhou 510000，Guangdong，China；3.South China University of Technology，Guangzhou 510000，Guangdong，China；4.Nanning Hongji Cement Co.Ltd.，Nanning 530100，Guangxi，China）

In this paper，the durability of non-autoclaved PHC pile concrete and autoclaved PHC pile concrete was compared by testing the electric flux，the corrosion coefficient of compressive strength，relative dynamic elastic modulus，mass loss rate etc，and combining with SEM micro-analysis.Test results show：non-autoclaved pile concrete's electric flux significantly lower than autoclaved concrete's，the corrosion coefficient of compressive strength and relative dynamic elastic modulus of non-autoclaved pile concrete are higher than the autoclaved pile concrete，non-autoclaved pile concrete's mass loss rate less than autoclaved concrete's. Experimental data shows that the durability of non-autoclaved pile concrete is superior to autoclaved pile concrete.

PHC pile concrete，non-autoclaved，durability

TU528.7

A

1001-702X（2015）12-0044-04

南寧市科學(xué)研究與技術(shù)開(kāi)發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（20131290）；廣東省重大科技專項(xiàng)（2012A010800029）

2015-09-06；

2015-10-14

詹鎮(zhèn)峰：男，1964年生，廣東饒平人，碩士，高級(jí)工程師，從事水泥基材料的研究工作。