養(yǎng)護(hù)方式對(duì)PHC管樁力學(xué)性能的影響

王成啟，王春明，周郁兵，張宜兵

（1.中交上海三航科學(xué)研究院有限公司，上海 200032；2.中交第三航務(wù)工程局有限公司南京分公司，江蘇 南京 210001）

0 引言

對(duì)于水泥混凝土來說，在溫度為（20±3）℃、相對(duì)濕度為90%以上條件下進(jìn)行的養(yǎng)護(hù)，稱為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。在自然條件下采取澆水潤濕、防風(fēng)防干、保溫防凍等措施養(yǎng)護(hù)混凝土，則屬于自然養(yǎng)護(hù)。混凝土在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和自然養(yǎng)護(hù)條件下的硬化速度比較緩慢，混凝土制品通常采用加速水泥硬化工藝，其中蒸汽濕熱養(yǎng)護(hù)是較為常用的方法。隨著介質(zhì)壓力的不同，濕熱養(yǎng)護(hù)又分為常壓、無壓、微壓及高壓濕熱養(yǎng)護(hù)。蒸汽養(yǎng)護(hù)的凝結(jié)放熱系數(shù)很高，所以濕熱養(yǎng)護(hù)時(shí)均利用蒸汽的凝結(jié)放熱來加熱混凝土。常壓濕熱養(yǎng)護(hù)時(shí)，介質(zhì)的溫度不超過100℃，相對(duì)濕度90%以上，又稱蒸汽養(yǎng)護(hù)。高壓蒸養(yǎng)護(hù)則是在高于100℃的飽和蒸汽中進(jìn)行，又稱為壓蒸養(yǎng)護(hù)。

傳統(tǒng)生產(chǎn)PHC管樁采用高壓蒸養(yǎng)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，以縮短PHC管樁的出廠時(shí)間，而目前新工藝也采用免高壓蒸養(yǎng)技術(shù)，省去高壓蒸養(yǎng)環(huán)節(jié)也可達(dá)到C80強(qiáng)度等級(jí)要求[1]，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、自然養(yǎng)護(hù)、蒸汽養(yǎng)護(hù)和壓蒸養(yǎng)護(hù)是PHC生產(chǎn)過程中經(jīng)常涉及到的養(yǎng)護(hù)方式[2-4]。溫度是水泥水化的重要?jiǎng)恿W(xué)因素，是決定水泥水化作用速度快慢的重要因素，養(yǎng)護(hù)溫度越高，水泥早期水化速度快，混凝土早期強(qiáng)度就高，但對(duì)混凝土后期強(qiáng)度產(chǎn)生影響。此外，養(yǎng)護(hù)濕度也對(duì)混凝土強(qiáng)度產(chǎn)生影響[5]。混凝土養(yǎng)護(hù)方式對(duì)PHC管樁混凝土的性能會(huì)產(chǎn)生一定的影響。本文對(duì)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、蒸汽養(yǎng)護(hù)和高壓蒸養(yǎng)PHC管樁混凝土力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)研究與分析。

1 試件的制作及試驗(yàn)方法

1.1 試件的制作

1）留樣混凝土的制作

在PHC管樁混凝土生產(chǎn)線上取混凝土，采用試模成型混凝土試塊進(jìn)行留樣，分別進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)以及與PHC管樁同條件養(yǎng)護(hù)后再進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和自然養(yǎng)護(hù)。分別測試不同齡期混凝土的力學(xué)性能和耐久性指標(biāo)。

2）養(yǎng)護(hù)方式

免壓蒸混凝土分別采用蒸汽養(yǎng)護(hù)制度一和蒸汽養(yǎng)護(hù)制度二，混凝土配合比K2采用蒸汽養(yǎng)護(hù)制度一和蒸汽養(yǎng)護(hù)制度二；混凝土配合比K3采用蒸汽養(yǎng)護(hù)制度二。

高壓蒸養(yǎng)混凝土采用常壓蒸汽養(yǎng)護(hù)和高壓蒸養(yǎng)兩次蒸養(yǎng)；采用混凝土配合比二。

留樣混凝土的養(yǎng)護(hù)分為：標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、免壓蒸后標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、免壓蒸后自然養(yǎng)護(hù)、高壓蒸養(yǎng)（兩次蒸養(yǎng)）后標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)4種養(yǎng)護(hù)方式；管樁切割混凝土的養(yǎng)護(hù)分為免壓蒸后和高壓蒸養(yǎng)（兩次蒸養(yǎng)）后進(jìn)行自然養(yǎng)護(hù)。具體試驗(yàn)計(jì)劃如表1所示。

表1 免壓蒸PHC管樁性能試驗(yàn)計(jì)劃Table 1 Performance test program of non-steam autoclaved PHC pipe piles

1.2 試驗(yàn)方法

抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度、彈性模量試驗(yàn)按JTJ 270—98《水運(yùn)工程混凝土試驗(yàn)規(guī)程》的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行。

2 試驗(yàn)結(jié)果討論與分析

2.1 抗壓強(qiáng)度

標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、免壓蒸和高壓蒸養(yǎng)3種養(yǎng)護(hù)方式留樣混凝土的抗壓強(qiáng)度如表2所示。從表2可以清楚地看出，早期混凝土的抗壓強(qiáng)度按標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、免壓蒸養(yǎng)護(hù)、高壓蒸養(yǎng)的次序遞減，高壓蒸養(yǎng)混凝土具有較高的抗壓強(qiáng)度；隨著齡期的增加，3種養(yǎng)護(hù)方式混凝土的抗壓強(qiáng)度均不斷增加，但3種養(yǎng)護(hù)混凝土的增幅存在較大的差別，在90 d內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、免壓蒸養(yǎng)護(hù)、高壓蒸養(yǎng)抗壓強(qiáng)度增幅分別為247.9%、27.0%、8.3%，其中90 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)混凝土抗壓強(qiáng)度已超過免壓蒸混凝土和高壓蒸養(yǎng)混凝土，高壓蒸養(yǎng)混凝土抗壓強(qiáng)度增幅較小。

表2 3種養(yǎng)護(hù)方式留樣混凝土的抗壓強(qiáng)度Table 2 Compressive strengths of the concrete samples by three curing ways

蒸汽濕熱養(yǎng)護(hù)可以加速水泥的水化反應(yīng)，使混凝土在較短的時(shí)間內(nèi)具有較高的抗壓強(qiáng)度，但蒸汽養(yǎng)護(hù)混凝土細(xì)觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，凝膠數(shù)量減少，晶相含量增加，水化產(chǎn)物變粗。此外，濕熱養(yǎng)護(hù)過程中凝聚結(jié)晶結(jié)構(gòu)初步形成、強(qiáng)度快速增長的同時(shí)，部分晶體仍在增長，由此產(chǎn)生的結(jié)晶壓力引起結(jié)構(gòu)內(nèi)部拉應(yīng)力的出現(xiàn)，使混凝土結(jié)構(gòu)削弱。因此，蒸汽養(yǎng)護(hù)過程中混凝土的結(jié)構(gòu)是不斷變化的，在強(qiáng)度增長的同時(shí)，還可造成混凝土某些結(jié)構(gòu)缺陷和損傷，從而導(dǎo)致混凝土后期強(qiáng)度增幅較小。壓蒸養(yǎng)護(hù)是采用普通蒸汽養(yǎng)護(hù)和高壓蒸汽養(yǎng)護(hù)兩次養(yǎng)護(hù)方法進(jìn)行的。通過高壓蒸養(yǎng)，混凝土在普通養(yǎng)護(hù)時(shí)生成的水化硅酸鈣很大程度地轉(zhuǎn)化為托勃莫來石結(jié)晶體，使混凝土的抗壓強(qiáng)度在較短的時(shí)間內(nèi)明顯提高，但其后期強(qiáng)度增幅不大。

2.2 脆性分析

混凝土抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度之比（簡稱拉壓比）常作為宏觀上衡量混凝土脆性的一項(xiàng)最簡便、適用的指標(biāo)，拉壓比值降低就意味著混凝土的脆性增加[6-7]。免壓蒸后標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、自然養(yǎng)護(hù)以及免壓蒸和高壓蒸養(yǎng)PHC管樁混凝土的不同齡期拉壓比和彈性模量的測試結(jié)果如圖1～圖3所示。從圖1～圖3可以明顯看出，在早期（10 d齡期內(nèi)），標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和自然養(yǎng)護(hù)對(duì)免壓蒸混凝土的拉壓比相差不大，后期標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)混凝土的拉壓比大于自然養(yǎng)護(hù)的混凝土，而澆水自然養(yǎng)護(hù)的混凝土的拉壓比略大于自然養(yǎng)護(hù)的混凝土。圖4為免壓蒸和高壓蒸養(yǎng)混凝土的拉壓比與齡期的關(guān)系，圖4表明免壓蒸混凝土的拉壓比大于高壓蒸養(yǎng)混凝土。因此，養(yǎng)護(hù)對(duì)免壓蒸混凝土的脆性有一定的影響，適當(dāng)養(yǎng)護(hù)對(duì)免壓蒸混凝土的脆性具有減小作用。此外，免壓蒸混凝土的脆性小于高壓蒸養(yǎng)混凝土。養(yǎng)護(hù)有利于水化充分進(jìn)行和凝膠的形成，水化產(chǎn)物結(jié)晶程度增加并生成較多凝膠，有利于降低PHC管樁混凝土的脆性。

圖1 養(yǎng)護(hù)制度二配合比K 2的混凝土拉壓比Fig.1 Concrete tension-compression ratio of K 2mix ratio in No.2 curing system

圖2 養(yǎng)護(hù)制度二配合比K 3的混凝土拉壓比Fig.2 Concrete tension-compression ratio of K 3mix ratio in No.2 curing system

圖3 養(yǎng)護(hù)制度一配合比K 3的混凝土拉壓比Fig.3 Concrete tension-compression ratio of K 3mix ratio in No.1 curing system

圖4 配合比K 2的免壓蒸和高壓蒸養(yǎng)拉壓比Fig.4 Tension-compression ratios of non-steam autoclaved and steam autoclaved concrete of K 2mix ratio

2.3 彈性模量

根據(jù)彈性模量的測試結(jié)果，繪制不同齡期混凝土彈性模量，如圖5～圖7所示。圖5～圖7表明，隨著齡期的增加，混凝土彈性模量均增加；標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)混凝土早期彈性模量與自然養(yǎng)護(hù)混凝土相差不大，后期自然養(yǎng)護(hù)混凝土彈性模量小于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)混凝土，而自然養(yǎng)護(hù)混凝土的彈性模量小于澆水養(yǎng)護(hù)的混凝土。從圖8可以看出，高壓蒸養(yǎng)混凝土的彈性模量明顯小于免壓蒸混凝土。因此，養(yǎng)護(hù)對(duì)免壓蒸混凝土彈性模量具有一定的影響，適當(dāng)?shù)酿B(yǎng)護(hù)可提高混凝土彈性模量，免壓蒸混凝土彈性模量大于高壓蒸養(yǎng)混凝土。

圖5 養(yǎng)護(hù)制度二配合比K 2的混凝土彈性模量Fig.5 Concrete modulus of elasticity of K 2mix ratio in No.2 curing system

圖6 養(yǎng)護(hù)制度二配合比K3的混凝土彈性模量Fig.6 Concrete modulus of elasticity of K 3mix ratio in No.2 curing system

圖7 養(yǎng)護(hù)制度一配合比K3的混凝土彈性模量Fig.7 Concrete modulus of elasticity of K3 mix ratio in No.1 curing system

3 結(jié)語

研究結(jié)果表明，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、免壓蒸養(yǎng)護(hù)和高壓蒸養(yǎng)3種養(yǎng)護(hù)方式對(duì)PHC管樁混凝土后期強(qiáng)度產(chǎn)生明顯的影響；3種養(yǎng)護(hù)方式也對(duì)PHC管樁的脆性有一定的影響。3種養(yǎng)護(hù)方式抗壓強(qiáng)度增幅以及耐久性按標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、免壓蒸養(yǎng)護(hù)和高壓蒸養(yǎng)的次序遞減，環(huán)境濕度對(duì)免壓蒸混凝土的脆性有一定的影響，適當(dāng)對(duì)免壓蒸混凝土進(jìn)行后期養(yǎng)護(hù)可降低免壓蒸混凝土的脆性，免壓蒸混凝土的脆性小于高壓蒸養(yǎng)混凝土；環(huán)境濕度也對(duì)免壓蒸混凝土的彈性模量產(chǎn)生一定的影響，適當(dāng)后期養(yǎng)護(hù)可提高免壓蒸混凝土的彈性模量，免壓蒸養(yǎng)護(hù)的彈性模量大于高壓蒸養(yǎng)混凝土。

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