大管樁免蒸養生產工藝的研究與應用

王成啟，劉君，張章龍

（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寧波分公司預制廠，浙江 寧波 315803）

0 引言

大管樁（全稱后張法預應力混凝土大直徑管樁）是一種采用離心、振動和輥壓三復合工藝成型，并經蒸養、水養后拼接張拉、灌漿自錨的預應力混凝土管樁，其混凝土具有高密度、低水灰比、高強度、低滲透性等技術特點[1-3]。自1950年開發成功以來，已在國內外港口、碼頭、橋梁等工程中得到了廣泛應用[4-7]。20世紀80年代中后期，我國引進美國大管樁制樁技術，并成功開發研制了大管樁，具有承載力高、耐錘擊性能好等技術特點，已在華東與華南沿海得到廣泛應用。已建港口工程的調查表明大管樁工程應用狀況良好，取得了良好的社會和經濟效益，從而使我國的港口建設進入世界先進水平的行列。

為了提高預制構件的生產效率，目前通常采用蒸汽養護提高混凝土的早期強度，以提高混凝土的脫模強度。蒸汽養護所產生的能源消耗在預制構件生產成本中占據非常重要的地位，但是蒸汽養護也會對預制構件混凝土性能和環境造成不利影響[8-9]。因此，對PHC管樁開展了免蒸養工藝技術研究與應用，取得了良好的效果[10]。在大管樁生產過程中，為提高大管樁混凝土的早期強度，縮短拆模時間和提高工效，也需采用蒸汽養護，蒸汽養護工序消耗很多能源，不僅增加了大管樁的生產環節，而且還會對大管樁的混凝土性能產生不利影響，不利于大管樁質量控制和性能進一步提高。由于大管樁混凝土配制與制樁工藝和PHC管樁存在顯著差別，需探索大管樁節能的制樁新工藝，并進一步提升大管樁性能。

本文通過原材料優選和超早強混凝土配制技術研究，大管樁生產養護工藝研究與改進，充分利用混凝土早強作用，環境溫度對混凝土強度發展的作用，免去蒸汽養護生產大管樁，開發出免蒸養大管樁生產工藝技術，并且在寧波-舟山港梅山港區6號至10號集裝箱碼頭工程中進行應用性試驗。

1 大管樁干硬性混凝土配制試驗研究

1.1 原材料

1） 水泥

采用海螺P.Ⅱ52.5硅酸鹽水泥，對水泥的安定性、凝結時間、強度等性能指標進行檢測，其性能指標滿足GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》中要求。

2）礦渣粉

采用寧波S95?；郀t礦渣粉，其物理力學性能指標達到了GB/T 18046—2017《用于水泥、砂漿和混凝土中的?；郀t礦渣粉》中技術要求。

3） 骨料

細骨料采用河砂，其細度模數為2.6的Ⅱ區中砂，粗骨料采用5～20 mm連續級配的碎石。骨料性能指標滿足有關規范要求。

4）減水劑

采用上海GTS-413早強型聚羧酸系高性能減水劑，其性能檢測結果滿足有關規范要求。

1.2 試驗方法

1）力學性能

混凝土抗壓強度、劈拉強度力學性能試驗按JTJ 270—1998《水運工程混凝土試驗規程》的有關規定進行。

2）耐久性

混凝土電通量、擴散系數（RCM法）和抗凍性試驗按GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》有關規定進行。

1.3 混凝土配合比設計

1）配制方法

大管樁為干硬性混凝土，維勃稠度按照JTS 167-6—2011《港口工程后張預應力混凝土大管樁設計與施工規程》的有關規定，其干硬性混凝土配制技術要求如表1所示。

表1 大管樁混凝土配制參數要求Table 1 Requirements for concrete composition parameters of large pipe piles

2）主要配合比參數

考慮混凝土早期強度和耐久性，本研究選用S95?；郀t礦渣粉作為礦物摻合料，并采用早強劑提高混凝土強度?；炷恋乃z比為0.25～0.30，S95礦渣粉摻量為10%～20%，混凝土的主要組成材料如表2所示。

表2 大管樁干硬性混凝土配合比參數Table 2 Mix ratio parameters of dry and hard concrete for large pipe pileskg/m3

1.4 試驗結果討論與分析

1.4.1 混凝土性能試驗研究

1.4.1.1 工作性能

進行了混凝土的維勃稠度、含氣量和表觀密度性能的試驗，試驗結果如表3所示。結果表明，混凝土的維勃稠度滿足大管樁的干硬性混凝土要求，可滿足大管樁離心、振動和輥壓三復合工藝質量要求。同時，混凝土具有較低的含氣量和較高的表觀密度，有利于有效提高大管樁混凝土的力學性能和耐久性。

表3 混凝土工作性能測試結果Table 3 Test results of concrete working performance

1.4.1.2 力學性能

開展了標準養護下混凝土抗壓強度、劈拉強度的試驗，試驗結果如表4所示?？梢钥闯?，混凝土1 d抗壓強度大于42 MPa，達到脫模強度要求，5 d抗壓強度即達到C60出廠強度要求，且后期強度持續增加，28 d抗壓強度大于80 MPa，所配制的混凝土具有較高的早期強度和后期強度，有利于提高免蒸養大管樁脫模強度。隨著齡期的增加，劈拉強度不斷增加，具有較高的劈拉強度和良好的抗裂性能?；炷晾瓑罕瘸氏陆第厔?，表明隨著混凝土強度增加，混凝土脆性具有增加趨勢，但混凝土90 d齡期的拉壓比大于0.070 0，混凝土具有較低脆性。

表4 免蒸養混凝土抗壓強度、劈拉強度Table 4 Compressive strength and splitting tensile strength of non-steam concrete

1.4.1.3 耐久性

1）抗氯鹽侵蝕性能

進行了標準養護條件下混凝土電通量和擴散系數測試，混凝土28 d和56 d的電通量分別為875 C和410 C，混凝土84 d擴散系數為1.4×10-12m2/s。測試結果表明混凝土28 d電通量＜1 000 C，56 d電通量小于500 C，84 d擴散系數小于1.5×10-12m2/s，混凝土具有較高的抗氯鹽侵蝕性能，具有良好的耐久性。

2）抗凍性

開展了28 d齡期混凝土抗凍性試驗，測試結果如表5所示。結果表明，經歷400次凍融循環后，混凝土相對動彈性模量為99.1%，質量損失率為0.3%，混凝土抗凍等級大于F350，具有良好的抗凍性，可滿足北方高抗凍性的質量要求。

表5 混凝土抗凍性測試結果Table 5 Test results of frost resistance of concrete

2 免蒸養工藝試驗研究

2.1 免蒸養大管樁生產工藝

免蒸養大管樁的生產主要包括混凝土原材料質量檢測與控制、混凝土配料、混凝土攪拌、鋼筋籠制作與加工、鋼模制作與安裝、鋼筋籠安裝、混凝土布料、離心振動和輥壓三復合工藝、免蒸養養護工藝、管樁拼接、張拉與灌漿以及混凝土性能檢測等。為提高大管樁的早期脫模強度，采取了早期保溫養護技術措施，大管樁免蒸養養護工藝由早期養護池的保溫養護、脫模后水養以及堆場自然養護3個階段組成。第一階段：大管樁離心成型后即進入養護池，并蓋上蓋子進行保溫養護，當養護池內大管樁混凝土的強度達到42.0 MPa可進行脫模。第二階段：脫模后的大管樁放入水池養護4 d出水養池。第三階段：出水養池后露天環境下進行自然養護，自然養護達到60.0 MPa出廠強度要求。

2017年5月開展了免蒸養工藝試驗，平均環境溫度為21℃，將生產的大管樁管節放入養護池進行保溫養護，分別測試了不同養護時間的環境溫度、養護池溫度及養護池與環境溫差，見圖1。

圖1 環境溫度和養護池的溫度監測結果Fig.1 Monitoring results of ambient temperature and maintenance pool temperature

由圖1可以看出，當養護時間為12 h時，養護池內各時間段的溫升為0～23.6℃，其平均溫升9.8℃；當養護時間為24 h時，養護池內各時間段的溫升為0～23.6℃，其平均溫升15.5℃。因此，通過養護池保溫養護作用，并在水泥水化放熱的作用下，養護池溫度均不斷增加，可明顯提高混凝土早期強度。

2.2 混凝土性能試驗

1）抗壓強度

按照大管樁制作工藝生產大管樁管節，分別成型了抗壓強度和耐久性試塊，進行免蒸養養護、蒸汽養護和自然養護3種養護方式的同條件養護，養護到規定齡期時，測試混凝土的抗壓強度和耐久性，測試結果如表6所示。測試結果表明，免蒸養大管樁混凝土的12 h的脫模強度達到55.0 MPa，大于規范42 MPa的質量要求，且后期強度不斷增加，7 d抗壓強度大于70 MPa，滿足拼接張拉的質量要求，28 d混凝土抗壓強度進一步增加，抗壓強度超過80 MPa。采用免蒸養工藝技術的不同齡期混凝土抗壓強度高于蒸汽養護混凝土，而自然養護的大管樁混凝土12 h抗壓強度為40.0 MPa，不能滿足規范脫模強度要求。

表6 大管樁混凝土抗壓強度測試結果Table 6 Test results of concrete compressive strength of large pipe piles MPa

2）耐久性

分別測試了不同養護方式的混凝土不同齡期的電通量，測試結果如表7所示。

表7 不同養護方式大管樁電通量測試結果Table 7 Test results of electric flux of large pipe piles under different curing modesC

采用免蒸養工藝大管樁混凝土的28 d電通量1 216 C，滿足規范不大于1 500 C的質量要求，隨著齡期的增長，混凝土的電通量進一步降低，90 d電通量小于1 000 C。因此，開發研制大管樁混凝土具有良好的耐久性，而采用蒸汽養護和自然養護的大管樁混凝土的電通量相對較大。

3）掃描電子顯微鏡試驗

采用日本電子光學公司JSM-5600LV低真空掃描電子顯微鏡，觀察養護90 d齡期的混凝土內部結構形貌，如圖2所示。可以看出，放大倍數為600倍的照片表明骨料與水泥水化產物晶體界面無裂縫和缺陷產生，形成均勻和致密體系；放大倍數為15 000倍掃描電鏡照片表明，形成由板狀氫氧化鈣、云狀的C-S-H凝膠等水化產物致密體系，使混凝土強度和耐久性大幅度增加，免蒸養混凝土具有較高的抗壓強度、劈拉強度，并具有良好的抗氯鹽侵蝕和抗凍性能。

圖2 混凝土掃描電子顯微鏡照片Fig.2 Scanning electron microscope photographs of concrete

3 工程應用試驗

3.1 工程概況

寧波-舟山港梅山港區6號至10號集裝箱碼頭工程位于梅山島東南側，青龍山西側，已建一期工程東北側的深水岸線段，碼頭前方為梅山港區進港航道。碼頭由碼頭平臺、變電所平臺和引橋組成，碼頭平臺采用整體寬平臺的結構形式，采用高樁梁板結構，排架間距為10 m?；鶚恫捎忙? 200 mm組合管樁，組合管樁樁長為77～85.5 m，上管節采用φ1 200 mm的后張法預應力混凝土大管樁（樁長68 m、B32-2型），下管節為φ938 mm的鋼管樁。

3.2 大管樁出廠性能檢驗

1）抗壓強度

2017年9月，進行了免蒸養大管樁管節的生產，測得混凝土的維勃稠度為29 s，進行離心、振動和輥壓三復合工藝成型管節，并將成型的管節放入保溫養護池進行養護，8 h后脫模并進行水養護4 d，放入堆場進行自然養護。測試了同條件養護各齡期抗壓強度如表8所示?？梢钥闯?，混凝土8 h抗壓強度達到61.1 MPa，即滿足脫模強度要求。

表8 免蒸養大管樁混凝土抗壓強度Table 8 Compressive strength of concrete for non-steam large pipe pile

2）耐久性

分別測試了28 d、56 d和90 d的大管樁混凝土的電通量為1 305 C、1 208 C和908 C，可以看出，免蒸養大管樁混凝土28 d電通量滿足規范不大于1 500 C的質量要求。

3.3 大管樁抗彎結構試驗

按照《港口工程后張預應力混凝土大管樁設計與施工規程》、GB/T 50152—2012《混凝土結構試驗方法標準》的有關規定，進行了養護14 d的D1200B32-2免蒸養大管樁抗彎結構試驗，測得免蒸養大管樁抗裂彎矩為1 786 kN·m，大于抗裂彎矩設計值1 640 kN·m的要求。因此，免蒸養大管樁具有較高的抗彎性能，且免蒸養大管樁的后期力學性能將持續增長，其抗彎性能將進一步提高。

3.4 沉樁情況

開發研制的免蒸養大管樁在寧波-舟山港梅山港區6號至10號集裝箱碼頭工程進行了沉樁試驗，采用D138錘二檔沉樁，樁頂設20 cm紙墊，最終貫入度控制在3 mm/擊，沉樁結束后樁頂樁身完好無損，樁身完整無裂縫，樁基檢測結果良好，免蒸養大管樁具有良好的抗錘擊性能，可有效提高大管樁的耐久性。

4 結語

通過對混凝土配合比優化設計及性能試驗研究，并開展了大管樁免蒸養生產工藝和工程應用性試驗研究，成功開發出免蒸養大管樁生產工藝技術。免蒸養大管樁混凝土的抗壓強度滿足規范要求，具有較高的早期強度、后期強度，并具有良好的耐久性，有效改善了大管樁的性能，可滿足大管樁早期脫模強度和生產技術要求。開發研制的免蒸養大管樁在工程中的應用情況表明，大管樁的力學性能滿足有關規范要求，具有較高的耐久性，大管樁沉樁未出現裂縫，具有良好的抗錘擊性能，現場沉樁效果良好。免蒸養大管樁生產工藝保證和提高了大管樁性能以及模板周轉，可節約成本和節能環保，具有顯著的經濟和社會效益。