PHC管樁免蒸養(yǎng)生產(chǎn)工藝的研究與應(yīng)用

謝烈金 王成啟 周郁兵 張宜兵

中交第三航務(wù)工程局有限公司

1 引言

傳統(tǒng)的PHC管樁生產(chǎn)工藝采用常壓蒸汽養(yǎng)護(hù)加高壓蒸養(yǎng)，即二次蒸養(yǎng)工藝[1][2][3]。為克服傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝大量能源消耗以及高壓蒸養(yǎng)對PHC管樁混凝土性能影響等弊端，通過大量的試驗(yàn)和研究，成功開發(fā)出了PHC管樁免高壓蒸養(yǎng)生產(chǎn)工藝。相比于傳統(tǒng)高壓蒸養(yǎng)制樁工藝，免高壓蒸養(yǎng)工藝具有改善混凝土抗錘擊性和耐久性，并具有節(jié)能環(huán)保和制樁成本低等特點(diǎn)[4]。免壓蒸PHC管樁已在眾多工程中獲得應(yīng)用，不僅簡化了生產(chǎn)工序、提高了PHC管樁耐久性和抗錘擊性等性能[5]，而且降低了成本，保護(hù)了環(huán)境。

盡管免壓蒸PHC管樁制造技術(shù)，比傳統(tǒng)高壓蒸養(yǎng)PHC管樁生產(chǎn)技術(shù)取得了較大的技術(shù)進(jìn)步，但PHC管樁的生產(chǎn)工藝仍需采用蒸汽養(yǎng)護(hù)，需要消耗大量的能源，且蒸汽養(yǎng)護(hù)也會對PHC管樁混凝土的性能產(chǎn)生不利的影響。

目前，在實(shí)施節(jié)能環(huán)保戰(zhàn)略的大環(huán)境下，國家、政府、業(yè)主及設(shè)計單位除了對PHC管樁的質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)性提出要求外，同時對節(jié)能環(huán)保也提出了更高的要求。因此，為進(jìn)一步提高PHC管樁質(zhì)量、降低能耗，需探索PHC管樁生產(chǎn)的新工藝。

在保證和提高PHC管樁性能以及模板周轉(zhuǎn)效率的基礎(chǔ)上，本文通過原材料優(yōu)選和超早強(qiáng)混凝土配制技術(shù)研究，結(jié)合生產(chǎn)工藝研究與改進(jìn)，充分利用環(huán)境溫度對混凝土強(qiáng)度的作用，免去蒸汽養(yǎng)護(hù)工藝生產(chǎn)PHC管樁，開發(fā)出PHC管樁免蒸養(yǎng)工藝技術(shù)。此技術(shù)在工程中獲得應(yīng)用，取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。

2 混凝土性能的試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)原材料、配合比與試驗(yàn)方法

2.1.1原材料

(1)水泥

采用句容臺泥生產(chǎn)的強(qiáng)度等級為52．5RⅡ型硅酸鹽水泥，對水泥的安定性、凝結(jié)時間、強(qiáng)度等性能指標(biāo)檢測，如表1所示，其性能指標(biāo)滿足GB175-2007標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)度等級52．5R的Ⅱ型硅酸鹽水泥的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

表1 水泥性能測試結(jié)果

(2)礦渣粉

采用馬鋼嘉華生產(chǎn)的S95粒化高爐礦渣粉，其物理力學(xué)性能指標(biāo)如表2所示，達(dá)到了GB/T18046-2008標(biāo)準(zhǔn)S95粒化高爐礦渣粉的技術(shù)要求。

(3)細(xì)骨料

采用細(xì)度模數(shù)為2．7的Ⅱ區(qū)中砂，有關(guān)性能指標(biāo)檢測結(jié)果如表3所示，符合PHC管樁混凝土所用砂的有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。

(4)粗骨料

采用5～25mm連續(xù)級配的碎石（由5～10mm和16～25mm兩級配制而成，5～10mm和16～25的比例為3∶7），其性能指標(biāo)的檢測結(jié)果如表4所示，滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求。

(5)減水劑

采用上海華登HP400聚羧酸系高性能減水劑，其性能檢測結(jié)果如表5所示。

表2 礦渣粉的物理力學(xué)性能指標(biāo)

表3 砂的技術(shù)指標(biāo)檢測結(jié)果

表4 粗骨料的性能指標(biāo)檢測結(jié)果

表5 上海華登HP400檢測結(jié)果

2.1.2 試驗(yàn)方法

（1）力學(xué)性能

混凝土抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度和彈性模量等力學(xué)性能試驗(yàn)按《水運(yùn)工程混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（JTJ270）的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行。

（2）耐久性

混凝土電通量和擴(kuò)散系數(shù)（RCM法）試驗(yàn)按《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50082-2009）有關(guān)規(guī)定進(jìn)行。

（3）掃描電子顯微鏡

采用華東理工大學(xué)日本電子光學(xué)公司JSM-5600LV低真空掃描電子顯微鏡觀察混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)形貌，掃描電子顯微鏡分辨率為3．5nm，儀器的加速電壓為20kV。

2.1.3混凝土配合比設(shè)計

采用活性較高的粒化高爐礦渣粉作為礦物摻合料，本研究選用S95粒化高爐礦渣粉作為礦物摻合料，水膠比為 0．24～0．30，S95 粒化高爐礦渣粉摻量為10%～30%，膠凝材料用量為480kg/m3～550 kg/m3，用 水 量 為 125 kg/m3～145 kg/m3，砂用量為 640 kg/m3～730 kg/m3，粗骨料用量為1100 kg/m3～1200 kg/m3，減水劑用量為 4．0 kg/m3～5．5 kg/m3，并采用早強(qiáng)劑提高混凝土早期強(qiáng)度。

2.1.4養(yǎng)護(hù)制度

免蒸養(yǎng)混凝土采用養(yǎng)護(hù)池保溫養(yǎng)護(hù)等養(yǎng)護(hù)技術(shù)措施，提高混凝土早期強(qiáng)度。采用高低溫養(yǎng)護(hù)箱，模擬免蒸養(yǎng)混凝土的養(yǎng)護(hù)池溫度，出養(yǎng)護(hù)箱后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)到規(guī)定齡期開展相關(guān)的性能試驗(yàn)研究。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果討論與分析

2.2.1混凝土性能

1)工作性能

免蒸養(yǎng)混凝土的坍落度、含氣量和表觀密度測試結(jié)果如表6所示。表6的測試結(jié)果表明，混凝土坍落度滿足PHC管樁的要求，同時具有較低含氣量和較高表觀密度，有利于提高混凝土抗壓強(qiáng)度。

表6 混凝土工作性能測試結(jié)果

2)力學(xué)性能

（1）抗壓強(qiáng)度

免蒸養(yǎng)混凝土抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果如表7所示。從表7可以看出，混凝土1天抗壓強(qiáng)度即達(dá)到脫模強(qiáng)度要求，5天抗壓強(qiáng)度即達(dá)到C80出廠強(qiáng)度要求，且后期強(qiáng)度持續(xù)增加，28天抗壓強(qiáng)度大于90MPa，所配制的混凝土具有較高的早期強(qiáng)度和后期強(qiáng)度，可滿足PHC管樁力學(xué)性能的要求。

表7 免蒸養(yǎng)混凝土抗壓強(qiáng)度（MPa）

（2）劈拉強(qiáng)度與彈性模量

免蒸養(yǎng)混凝土劈拉強(qiáng)度和彈性模量的測試結(jié)果如表8所示。從表8可以看出，混凝土的劈拉強(qiáng)度和彈性模量均隨著齡期的增加而不斷增加，具有較高的劈拉強(qiáng)度和彈性模量。由于免除了蒸汽養(yǎng)護(hù)，可消除蒸汽養(yǎng)護(hù)對PHC管樁混凝土的劈拉強(qiáng)度和彈性模量的影響[5]。

表8 免蒸養(yǎng)混凝土的劈拉強(qiáng)度和彈性模量

（3）耐久性

a)抗氯鹽侵蝕性能

免蒸養(yǎng)混凝土電通量和擴(kuò)散系數(shù)測試結(jié)果如表9所示。混凝土28天電通量小于1000C，56天電通量小于500C，84天擴(kuò)散系數(shù)小于1．0×10-12m2/s，具有較高的抗氯鹽侵蝕性能。采用免蒸養(yǎng)工藝，可避免蒸汽養(yǎng)護(hù)對混凝土耐久性的影響，從而顯著提高混凝土的耐久性指標(biāo)。

表9 免蒸養(yǎng)混凝土電通量和擴(kuò)散系數(shù)測試結(jié)果

b)抗凍性

免蒸養(yǎng)混凝土抗凍性測試結(jié)果如表10所示。表10的測試結(jié)果表明，混凝土經(jīng)歷400次循環(huán)的相對動彈性模量為99%，質(zhì)量損失率為0，經(jīng)歷1000次凍融循環(huán)的免蒸養(yǎng)混凝土的相對動彈性模量仍為99%，質(zhì)量損失率為0，具有良好的抗凍性，可滿足北方高抗凍性的質(zhì)量要求。由于采用免蒸養(yǎng)工藝技術(shù)，消除了蒸汽養(yǎng)護(hù)對混凝土微觀結(jié)構(gòu)的影響，有效提高混凝土抗凍耐久性。

（4）微觀分析

圖1 免蒸養(yǎng)混凝土掃描電子顯微鏡照片

對養(yǎng)護(hù)90天齡期的免蒸養(yǎng)混凝土進(jìn)行掃描電子顯微鏡試驗(yàn)，如圖1所示。從圖1掃描電子顯微照片可以看出，放大倍數(shù)為600倍的照片表明骨料與水泥水化產(chǎn)物晶體界面結(jié)合較為緊密，無裂縫和缺陷產(chǎn)生，骨料界面上附著較多的凝膠等水泥水化產(chǎn)物，水化產(chǎn)物較多，發(fā)育良好且結(jié)構(gòu)較為緊密；放大倍數(shù)為15000倍掃描電鏡照片進(jìn)一步表明，形成了板狀氫氧化鈣和較多的凝膠體等多種水化產(chǎn)物交織的致密的水化產(chǎn)物體系，使混凝土強(qiáng)度和抗氯鹽侵蝕和抗凍等耐久性持續(xù)增長。免蒸養(yǎng)混凝土具有較高的抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度和彈性模量，并具有良好的抗氯鹽侵蝕和抗凍性能。

3 管樁抗彎性能試驗(yàn)

按《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB50152-92、《先張法預(yù)應(yīng)力混凝土管樁》GB13476-2009的規(guī)定，測試了養(yǎng)護(hù)7天的C型Φ1000免蒸養(yǎng)PHC管樁抗裂彎矩和極限抗裂彎矩，測試結(jié)果如表11所示。表11的測試結(jié)果表明，所開發(fā)研制的免蒸養(yǎng)PHC管樁抗彎力學(xué)性能滿足有關(guān)規(guī)范對抗裂彎矩和極限抗裂彎矩的要求，具有較高的抗彎性能，隨著養(yǎng)護(hù)齡期進(jìn)一步增長，免蒸養(yǎng)PHC管樁的力學(xué)性能將持續(xù)增長，其抗彎性能將進(jìn)一步提高。

表11 免蒸養(yǎng)PHC管樁的抗裂彎矩和極限抗裂彎矩測試結(jié)果（kN·m）

4 實(shí)際生產(chǎn)與工程應(yīng)用

4.1 工程概況

鎮(zhèn)江港高橋港區(qū)孟家港公用碼頭工程，位于江蘇省鎮(zhèn)江市丹徒區(qū)高橋鎮(zhèn)，新建荷花池作業(yè)區(qū)一期散貨碼頭。本工程建設(shè)50,000t級卸船泊位3座，平面尺寸為790m×32m；裝卸平臺和引橋均采用透空的高樁梁板式結(jié)構(gòu)；基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)采用PHC樁基，樁長約為47～57m，埋置標(biāo)高在-53～-55m左右；樁基擬采用打入樁，靠近陸域部分?jǐn)M采用水上灌注樁施工。設(shè)計PHC管樁為1000C型47m～57m，共計567根，采用免蒸養(yǎng)工藝生產(chǎn)的PHC管樁進(jìn)行施工。

表10 混凝土抗凍性測試結(jié)果

4.2 免蒸養(yǎng)PHC管樁生產(chǎn)與出廠檢驗(yàn)

4.2.1免蒸養(yǎng)PHC管樁生產(chǎn)

采用設(shè)計混凝土配合比進(jìn)行混凝土生產(chǎn)，主要的生產(chǎn)流程：混凝土配料、混凝土攪拌、鋼筋籠制作、混凝土布料、預(yù)應(yīng)力張拉、離心成型、養(yǎng)護(hù)池保溫養(yǎng)護(hù)、脫模施加預(yù)應(yīng)力、管樁自然養(yǎng)護(hù)以及混凝土性能檢驗(yàn)。養(yǎng)護(hù)方法分為PHC管樁早期養(yǎng)護(hù)池的保溫養(yǎng)護(hù)和脫模后的自然養(yǎng)護(hù)兩個階段。第一階段養(yǎng)護(hù)池保溫養(yǎng)護(hù)，主要是提高混凝土養(yǎng)護(hù)溫度、促進(jìn)強(qiáng)度增長以及防止混凝土失水產(chǎn)生收縮；第二階段養(yǎng)護(hù)主要促進(jìn)PHC管樁混凝土強(qiáng)度持續(xù)增長。

第一階段（養(yǎng)護(hù)池保溫養(yǎng)護(hù)）：PHC管樁離心成型后即進(jìn)入養(yǎng)護(hù)池，并蓋上蓋子進(jìn)行保溫養(yǎng)護(hù)，當(dāng)養(yǎng)護(hù)池內(nèi)PHC管樁大于45．0MPa的脫模強(qiáng)度后即可進(jìn)行脫模。第二階段（自然養(yǎng)護(hù)）：脫模后的PHC管樁放入露天環(huán)境進(jìn)行自然養(yǎng)護(hù)，直至達(dá)到80．0MPa出廠強(qiáng)度要求。

4.2.2出廠檢驗(yàn)

(1)抗壓強(qiáng)度

2014年6月6日試生產(chǎn)了1根C 1000 47mPHC管樁。測得混凝土坍落度為160mm，和易性良好；同時，合模、張拉、離心、倒?jié){均正常，PHC管樁脫模后樁身混凝土密實(shí)、顏色均勻正常，然后放入堆場自然養(yǎng)護(hù)，至2014年6月16日裝船出廠，環(huán)境溫度為21～31℃。測試了各齡期同條件養(yǎng)護(hù)混凝土抗壓強(qiáng)度，如表12所示。由表12可以看出，1天即達(dá)到了脫模強(qiáng)度，2天后進(jìn)行脫模，7天達(dá)到出廠強(qiáng)度要求，混凝土后期強(qiáng)度持續(xù)增長。

表12 免蒸養(yǎng)PHC管樁混凝土抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果（MPa）

(2)耐久性

分別成型兩組φ100×50mm的電通量試塊，養(yǎng)護(hù)到規(guī)定齡期，按照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)分別測試混凝土28天和56天的電通量，測試結(jié)果如表13所示。表13的測試結(jié)果表明，免蒸養(yǎng)PHC管樁混凝土28天電通量為631C，56天電通量為508C，免蒸養(yǎng)PHC管樁混凝土具有較高耐久性。

表13 免蒸養(yǎng)PHC管樁電通量測試結(jié)果（C）

4.3 沉樁情況

免蒸養(yǎng)PHC管樁于2014年6月19日在鎮(zhèn)江高橋孟家港碼頭60-D樁位沉樁，為6：1斜樁，由“浙江合力樁3號”用138錘二檔沉樁，樁頂設(shè)20cm紙墊，現(xiàn)場記錄PHC管樁沉樁技術(shù)數(shù)據(jù)，沉樁記錄與沉樁的情況分別如表14和圖2所示。表14的沉樁記錄表明，該地域地質(zhì)條件不利，沉樁難度大，沉樁全程88分鐘，總錘擊數(shù)3531，其中貫入度5mm以下錘擊數(shù)超過2300錘，最終貫入度3．2mm，沉樁結(jié)束后樁頂樁身完好無損。圖2沉樁情況表明，現(xiàn)場沉樁過程正常，樁身完整無裂縫，樁基檢測結(jié)果良好。這表明免蒸養(yǎng)PHC管樁具有良好的抗錘擊性能，可有效提高耐久性。

表14 免蒸養(yǎng)PHC管樁沉樁記錄

圖2 免蒸養(yǎng)PHC管樁沉樁情況

5 節(jié)能減排效益

5.1 免蒸養(yǎng)實(shí)施前能耗情況

免蒸養(yǎng)工藝技術(shù)實(shí)施前，PHC管樁生產(chǎn)的養(yǎng)護(hù)主要采用高壓蒸養(yǎng)加普養(yǎng)或免壓蒸即普養(yǎng)工藝，均消耗蒸汽，高壓蒸養(yǎng)環(huán)節(jié)PHC管樁還需進(jìn)出高壓釜，外加消耗電能、機(jī)械能、人工。根據(jù)歷史記錄，表15列出了PHC管樁高壓蒸養(yǎng)和免壓蒸能源消耗與成本。

表15 不同養(yǎng)護(hù)方式，生產(chǎn)每m3PHC管樁的能源消耗及成本

5.2 免蒸養(yǎng)實(shí)施后的節(jié)能減排量及經(jīng)濟(jì)效益

本工藝技術(shù)已在中交三航局三公司預(yù)制廠應(yīng)用，2015年生產(chǎn)免蒸養(yǎng)PHC管樁5．0萬立方米混凝土，2016年生產(chǎn)免蒸養(yǎng)PHC管樁5．5萬立方米混凝土。根據(jù)表15，僅以中交三航局三公司預(yù)制廠2016年的產(chǎn)量為例，按照傳統(tǒng)的燃煤能耗計算（煤炭的折標(biāo)煤系數(shù)取0．7143）。

（1）與高壓蒸養(yǎng)工藝進(jìn)行比較：

每年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤：＝5．5×10000×58．1×0．7143/1000=2282．5t。

按每噸煤炭燃燒排放CO21．9779噸計算，

每年 CO2減排量為：＝5．5×10000×58．1÷1000×1．9779＝6320．4t。

僅節(jié)能產(chǎn)生的直接經(jīng)濟(jì)效益每年為：＝5．5×41．5＝2,282,500元。

（2）同理計算，與免壓蒸工藝進(jìn)行比較：

每年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤：1430t；減排CO2量為：3959．8t；經(jīng)濟(jì)效益為：1,430,000萬元。

6 結(jié)束語

免蒸養(yǎng)工藝技術(shù)，開創(chuàng)了PHC管樁生產(chǎn)新方法和途徑，全面提高了PHC管樁行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。免蒸養(yǎng)PHC管樁無需進(jìn)行靜停、升溫、恒溫和降溫等控制，簡化了制樁工藝流程，提高制樁的靈活性，消除了蒸汽養(yǎng)護(hù)對PHC管樁混凝土力學(xué)和耐久性等性能的不利影響。免蒸養(yǎng)的PHC管樁混凝土耐久性高，抗錘擊性能高。同時，免蒸養(yǎng)PHC管樁工藝還可大幅度節(jié)約原生產(chǎn)工藝蒸養(yǎng)過程中所消耗的大量能源，實(shí)現(xiàn)PHC管樁生產(chǎn)的節(jié)能環(huán)保，具有顯著的社會效益，推廣應(yīng)用前景廣闊。

[1]嚴(yán)志隆，鐘以林，高仁輝，PHC管樁混凝土耐久性，混凝土與水泥制品，2008（6）：26-29

[2]鄭琨鵬，孫振平，PHC管樁混凝土自收縮致裂影響因素及預(yù)防措施，混凝土世界，2011（3）：66-69

[3]蔣元海，管樁混凝土抗壓強(qiáng)度及管樁抗彎試驗(yàn)驗(yàn)證，江蘇建材，2001（3）：43-46

[4]王成啟，王春明，周郁兵，免壓蒸PHC管樁的研制與工程應(yīng)用，混凝土與水泥制品，2011（4）：29-34

[5]王成啟，王春明，周郁兵，張宜兵，養(yǎng)護(hù)方式對PHC管樁力學(xué)的影響，中國港灣建設(shè)，2014（5）：28-31

青浦區(qū)經(jīng)委舉辦2018年工業(yè)節(jié)能現(xiàn)場培訓(xùn)

日前，青浦區(qū)經(jīng)委聯(lián)合上海市能效中心在東北亞新紡織科技有限公司舉辦2018年青浦區(qū)工業(yè)節(jié)能現(xiàn)場培訓(xùn)會。期間，區(qū)經(jīng)委介紹了2018年工業(yè)節(jié)能各項(xiàng)重點(diǎn)工作，並下達(dá)了節(jié)能考核指標(biāo)任務(wù)。要求全區(qū)企業(yè)加大節(jié)能工作力度，提高能源利用效率，做好節(jié)能技改、合同能源管理、重點(diǎn)用能設(shè)備替換等改造項(xiàng)目，努力構(gòu)建綠色制造體系，進(jìn)一步推進(jìn)青浦區(qū)工業(yè)節(jié)能減排工作，確保完成"十三五"雙控目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)綠色、循環(huán)、低碳發(fā)展。

（青浦區(qū)）