大管樁和PHC管樁的抗凍性研究

汪冬冬，田偉麗，王成啟，陳克偉，陳慶

（1.中交上海三航科學研究院有限公司，上海 200032；2.中交第三航務工程局有限公司，上海 200032）

0 引言

大管樁、PHC管樁是港口碼頭工程中使用的樁型，多年來廣泛應用于我國華東、華南沿海港口碼頭與橋梁工程。2005年，山東東營碼頭擴建工程成功采用大管樁[1]，2009年，河北黃驊港綜合港區碼頭工程采用大管樁[2]，2011年，一航局三公司在長興島投資建設的大連信德混凝土制品有限公司投產PHC管樁[3]，PHC管樁在大連、天津和東營的一些碼頭開始使用[3-4]。總體而言，大管樁、PHC管樁在北方港口碼頭的應用才剛剛起步。

在有抗凍要求的北方地區，預制混凝土管樁尚未被廣泛應用，主要原因是懷疑其抗凍性和抗冰荷載能力，也有專家質疑大管樁接縫抗凍性[5]。目前，北方港口碼頭仍優先選用鋼管樁作為基礎，不僅前期投入成本較高，而且需要投入大量防腐蝕成本。大量檢測資料[6-7]表明：大管樁、PHC管樁耐久性好，大管樁具有優越的力學性能、抗滲透性能以及對各種復雜地質的適應性。但也有許多負面的研究報道，中山三和建材有限公司魏宜嶺和李龍[8]報道PHC管樁耐久性低，并認為是蒸壓工藝所導致。嚴志隆等人[9]研究表明生產工藝的某個環節或幾個環節不符合要求，PHC管樁抗凍性很難合格。JTS 202—2011《水運工程混凝土施工規范》[10]規定混凝土的抗凍性以抗凍等級表示，對混凝土抗凍要求最嚴格為F350。為充分論證大管樁、PHC管樁的抗凍性，本研究對大管樁C60混凝土和PHC管樁C80混凝土開展系統抗凍試驗研究，并提出提高抗凍性的方法。為北方地區推廣應用大管樁和PHC管樁提供理論參考。

1 試驗方案與方法

抗凍試驗采用CDR-6型快速凍融試驗設備。該儀器符合GB/T 50082—2009標準，并參考ASTM/C 666的標準試驗方法。本研究抗凍試驗遵照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》中快凍法進行。相對動彈性模量P計算見式（1），并以3個試件試驗結果的算術平均值作為測定值。混凝土的抗凍等級應以相對動彈性模量下降至不低于60%或者質量損失率不超過5%時的最大凍融循環次數來確定。混凝土抗凍指數（DF）的計算參照CCES 01—2004《混凝土結構耐久性設計與施工指南》規定：DF計算見式（2），其值為300次快速凍融循環后的動彈性模量與初始值的比值。如在300次循環以前，試件的動彈模已降到初始值的60%以下或重量損失已超過5%，則以此時的循環次數N計算DF值，并取DF=（N/300）× 0.6。

式中：Pi為經N次凍融循環后第i個混凝土試件的相對動彈性模量，%，精確到0.1；fni為經N次凍融循環后第i個混凝土試件的橫向基頻，Hz；f0i為凍融循環試驗前第i個混凝土試件的橫向基頻初始值，Hz。

式中：DF為混凝土抗凍融指數；p為經N次凍融循環后混凝土的相對動彈性模量。

大管樁、PHC管樁的抗凍試驗方案見表1。本研究對A、B、C三個預制廠的大管樁和D、E兩個預制廠的PHC管樁進行抗凍試驗。針對大管樁先蒸汽養護后水養的生產過程，分別對留樣混凝土同條件養護試塊、大管樁管節切割混凝土和模擬大管樁接縫的抗凍試塊進行抗凍試驗。由于目前PHC管樁的生產廣泛存在“壓蒸”（先常壓蒸養后高壓蒸養）和“免壓蒸”（只經常壓蒸養后自然養護）兩種工藝，對于PHC管樁的抗凍性，分別對標準養護、一次蒸養護、二次蒸養護的留樣混凝土以及“壓蒸”和“免壓蒸”兩種工藝生產的PHC管節（少配筋）切割混凝土進行抗凍試驗研究。

表1 大管樁、PHC管樁的抗凍試驗方案

2 大管樁抗凍性研究

A、B、C三個廠大管樁混凝土抗凍試驗結果見表2及圖1。A廠大管樁A-Z、A-Z-A1、A-Z-A2、A-M這4組抗凍試件抗凍等級均大于F350，并且其中管節切割A-Z進行1000次凍融循環后相對動彈模82.8%，混凝土外觀良好（見圖2）。B-JF是模擬大管樁接縫的抗凍試驗，BJF的成型見圖3，采用壓力對接方式模擬大管樁的張拉，接縫材料采用大管樁粘結劑。試驗結果表明B-JF抗凍等級大于F350，抗凍指數為90.8%，350次凍融循環后，試件相對動彈性模量80.6%，模擬接縫粘結完好，未見劣化。據此推測大管樁接縫抗凍性可靠，受凍后不會成為大管樁薄弱環節。B-M是大管樁留樣混凝土同條件養護試塊，抗凍等級大于F300，抗凍指數94.5%，抗凍性好。C-X13、C-X46、C1、C2、C1-2、C1-3抗凍等級分別為F100、F100、F200、F200、F50、F50，抗凍指數分別為26.9%、25.2%、49.2%、45.8%、19.7%、19.7%，抗凍性很差。而C1-1、C-LY、C-ZS的抗凍等級分別為F700、F850、>F850，抗凍指數分別為98%、99%、93%，抗凍性很好。其原因尚有待進一步分析，C1-1、C-LY、C-ZS摻用了25%S95礦粉復合膠凝材料，由此可見，礦粉對改善大管樁混凝土抗凍性有利。

表2 大管樁混凝土抗凍試驗與結果

圖1 大管樁凍融循環試驗相對動彈性模量曲線

圖2 A-Z凍融循環1000次后外觀

圖3 B-JF抗凍試件制作

以上抗凍試驗研究表明：三個廠生產大管樁混凝土的抗凍性均達到F350以上的抗凍等級。C廠大管樁抗凍性出現抗凍等級不足F200的情況是膠凝材料不合理所致，通過更換水泥并使用適量礦粉使大管樁抗凍性達到F800以上。總體而言，只要控制好原料和生產工藝，采用“離心—振動—輥壓”三復合工藝，并經蒸養、水養后的C60大管樁混凝土本體抗凍性好，接縫抗凍性可靠。

3 PHC管樁抗凍性研究

對D、E兩個預制廠PHC管樁混凝土進行抗凍試驗研究。D廠采用“壓蒸”工藝生產PHC管樁，E廠采用“壓蒸”和“免壓蒸”兩種工藝。PHC管樁抗凍試驗結果見表3及圖4。

表3 PHC管樁混凝土抗凍試驗結果

圖4 PHC管樁抗凍試驗結果匯總

根據抗凍試驗結果，蒸養可能對PHC管樁抗凍性帶來不利影響。所有標準養護留樣混凝土（D-LY-BY-08、EBY-M-09、D-BY-M-09、D-BY-M-10）的抗凍性均達F400以上，而一次蒸養和兩次蒸養留樣混凝土抗凍性可能很差。E-MYZ-M-09是一次蒸養留樣試塊，抗凍等級僅F100，D-LY-YZ-08、E-GY-M-09、D-GY-M-09 均是兩次蒸養留樣試塊，其抗凍等級分別為F100、F150、

如果在原材料、配合比、離心和養護工藝的某個環節出現問題，可能導致PHC管樁抗凍性變差。D-ZS-J-08、D-ZS-A-08、D-GY-Z-09均為采用“壓蒸”工藝制作的PHC管樁切割混凝土，抗凍等級分別為

采用“壓蒸”工藝的PHC樁切割混凝土E-GZ-Z-0912、E-YZ-Z-0910、D-GY-Z-10抗凍等級分別達到>F850、>F1000、F600，抗凍指數分別為99%、94%、90%。而采用“免壓蒸”工藝的PHC樁切割混凝土EMYZ-Z-0912、E-MYZ-Z-0910歷經1000次凍融循環后相對動彈性模量分別為95%、97%，抗凍等級均大于F1000，抗凍指數達到99%，抗凍性極佳。

PHC管樁抗凍研究表明：通過控制原料、配合比和生產工藝，無論采用“壓蒸”還是“免壓蒸”工藝，PHC管樁本體抗凍性均可達F350以上，甚至可達F1000以上。

4 結語

通過對多個預制廠大管樁和PHC管樁混凝土的抗凍試驗研究，得出以下結論：

1）強度等級C60大管樁抗凍等級均能達到F350以上，甚至大于F1000。大管樁接縫抗凍性良好，凍融循環后不會成為薄弱環節。

2）通過控制原材料、配合比、離心和養護工藝，采用“壓蒸”和“免壓蒸”兩種工藝均能制作強度等級C80、抗凍性F350甚至F1000以上的PHC管樁。

3）混凝土預制樁的生產工藝對抗凍性影響顯著，為保證混凝土樁的抗凍性，必須對原材料、配合比、生產工藝（特別是養護制度）等全過程嚴格控制。選擇合適的水泥并使用適量礦粉等礦物摻合料有助于提高其抗凍性。

4）通過合理控制原料和生產工藝，大管樁和PHC管樁的抗凍性完全滿足北方寒冷地區嚴酷的使用環境。針對有抗凍要求北方工程，建議根據抗凍試驗確定抗凍等級控制管樁的抗凍性。

5）本試驗作為對大管樁和PHC樁抗凍性研究提供了較豐富的資料成果和數據。但由于整個試驗的時間跨度較大、取樣的生產廠家較多（工藝上可能有所差異）等因素，其結果的規律性、重現性尚有待進一步的研究、試驗和積累。

[1]劉銳.預應力混凝土大直徑管樁在北方港口工程中的應用實踐[J].中國港灣建設，2007（4）：58-61.

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[3]古越.大連信德大口徑PHC樁投產[J].混凝土世界，2009（8）：78-79.

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[7]BERK N S，M C HICKS.Predicting Chloride Profiles in Concrete[J].Corrosion，1994（3）：234-239.

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

[9]嚴志隆，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（12）：26-29.

[10]JTS 202—2011，水運工程混凝土施工規范[S].