熱電廠蒸汽在PHC 管樁生產(chǎn)應(yīng)用的探討

許建釗 陳黎明

（汕頭市宏基混凝土構(gòu)件有限公司）

0 前言

先張法預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁（下稱：PHC 管樁）是采用離心成型工藝生產(chǎn)的水泥混凝土制品，混凝土強(qiáng)度等級(jí)要求≥C80。PHC 管樁生產(chǎn)過(guò)程中，混凝土養(yǎng)護(hù)包括雙蒸養(yǎng)護(hù)（85℃/0.4MPa 常壓蒸汽養(yǎng)護(hù)和180℃/1.0MPa高壓蒸汽養(yǎng)護(hù)）[1]和保濕自然養(yǎng)護(hù)兩種生產(chǎn)方式。采用蒸汽養(yǎng)護(hù)的生產(chǎn)方式需消耗大量水蒸汽。目前，管樁行業(yè)中大多數(shù)使用燃煤鍋爐生產(chǎn)飽和水蒸汽，規(guī)格為φ3.2m×28m 蒸壓釜，每生產(chǎn)一釜管樁需要消耗15t 左右的飽和水蒸汽，折合2t 標(biāo)準(zhǔn)煤[2]。

燃料燃燒是我國(guó)大氣污染物的重要來(lái)源，而煤炭是所有燃料中污染最為嚴(yán)重的一種，燃煤鍋爐產(chǎn)生的廢氣和煙塵進(jìn)入大氣將造成嚴(yán)重污染，危害環(huán)境和人體健康。隨著國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)力度的不斷加強(qiáng)，禁用燃煤鍋爐，改用清潔能源已經(jīng)勢(shì)在必行。然而，采用清潔能源鍋爐會(huì)造成蒸汽使用成本大幅提升，根據(jù)目前各燃料的市場(chǎng)價(jià)格及相應(yīng)鍋爐的產(chǎn)汽效率計(jì)算對(duì)比：生物質(zhì)鍋爐成本增加30%～40%，且燃料熱值不足，輕烴氣鍋爐成本增加95%～105%，天然氣鍋爐成本增加100%～110%。成本提升造成產(chǎn)品利潤(rùn)降低，增加管樁生產(chǎn)企業(yè)負(fù)擔(dān)。因此，引入工廠附近工業(yè)園區(qū)熱電廠蒸汽用于管樁生產(chǎn)，保持管樁雙蒸生產(chǎn)方式，是一種相對(duì)經(jīng)濟(jì)、方便實(shí)用的清潔能源。

熱電聯(lián)產(chǎn)方式的發(fā)電廠一方面生產(chǎn)電能，另一方面又利用汽輪發(fā)電機(jī)作過(guò)功的蒸汽供熱。熱電廠蒸汽是抽汽式汽輪機(jī)的調(diào)整抽汽或背式汽輪機(jī)的排汽，供工業(yè)生產(chǎn)的蒸汽壓力通常為0.78～1.28MPa[3]。由于熱電廠到用戶之間有一定的距離，高壓蒸汽在管網(wǎng)輸送過(guò)程中存在較大的安全隱患，熱電廠為規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，源頭供汽壓力一般控制在0.90MPa 以下，到達(dá)終端用戶的蒸汽壓力只在0.65～0.80MPa 之間，波動(dòng)較大，且溫度高達(dá)210～230℃，與目前管樁行業(yè)所使用的飽和蒸汽（1.0MPa、180℃）相比，其蒸汽壓力低、溫度高，屬于過(guò)熱非飽和蒸汽。由于熱電廠蒸汽與燃煤鍋爐所產(chǎn)飽和蒸汽特征上的差異，使用熱電廠蒸汽是否對(duì)管樁混凝土的結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度以及性能帶來(lái)不利影響，管樁質(zhì)量能否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，都是管樁生產(chǎn)企業(yè)關(guān)心的問(wèn)題。

本文首先通過(guò)模擬熱電廠蒸汽壓力特征進(jìn)行管樁混凝土養(yǎng)護(hù)試驗(yàn)研究。由于熱電廠到達(dá)終端用戶的蒸汽壓力低、溫度高，當(dāng)進(jìn)入管樁的養(yǎng)護(hù)設(shè)施（蒸養(yǎng)池和高壓釜）對(duì)管樁進(jìn)行常壓及高壓養(yǎng)護(hù)時(shí)，初期升溫速度相對(duì)較快，但隨著養(yǎng)護(hù)進(jìn)行，溫度快速下降，并逐漸趨于飽和蒸汽狀態(tài)。根據(jù)上述實(shí)際情況，試驗(yàn)只模擬熱電廠蒸汽壓力特征，通過(guò)設(shè)置不同養(yǎng)護(hù)工藝制度，在常壓蒸汽養(yǎng)護(hù)溫度90℃和高壓蒸汽養(yǎng)護(hù)壓力0.70～0.80MPa 的條件下，對(duì)管樁混凝土試件進(jìn)行養(yǎng)護(hù)試驗(yàn)，并與采用壓力1.0MPa 蒸汽養(yǎng)護(hù)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。然后，采用熱電廠蒸汽實(shí)際生產(chǎn)管樁，分析管樁生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)用熱電廠蒸汽的可行性，并進(jìn)行成本比較。

1 原材料

⑴水泥：粵東產(chǎn)水泥，強(qiáng)度等級(jí)P·Ⅱ42.5R。抗折強(qiáng)度：3d 6.4MPa、28d 9.5MPa，抗壓強(qiáng)度：3d 34.3MPa、28d 56.7MPa，比表面積375m2/kg。

⑵石：花崗巖碎石，5mm～25mm 連續(xù)級(jí)配，針片狀含量5.0%，含泥量0.4%，壓碎指標(biāo)9.0%。

⑶機(jī)制砂：細(xì)度模數(shù)為2.9，泥粉含量3.0%。

⑷硅砂粉：韓江河砂磨制，二氧化硅91.7%，燒失量0.5%，比表面積406m2/kg。

⑸減水劑：萘系高效減水劑（粉劑），含水率8.2%，減水率19.8%。

⑹水：潔凈自來(lái)水。

2 試驗(yàn)設(shè)備

強(qiáng)制式混凝土攪拌機(jī)J50 型；混凝土三聯(lián)試模100mm×100mm×100mm；混凝土試模150mm×150mm×150mm；振動(dòng)臺(tái)ZT-1000×1000；控溫式混凝土蒸汽養(yǎng)護(hù)箱YH-55；液壓式壓力試驗(yàn)機(jī)YE-3000。

3 試驗(yàn)方法

依據(jù)GB/T50080-2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》和GB/T50081－2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行混凝土攪拌、振動(dòng)和成型。控制混凝土坍落度20mm～30mm，分別成型100mm×100mm×100mm 試件和150mm×150mm×150mm 試件，按設(shè)定的養(yǎng)護(hù)制度進(jìn)行室內(nèi)常壓蒸養(yǎng)和高壓釜蒸壓養(yǎng)護(hù)，然后測(cè)試試件的抗壓強(qiáng)度（100mm 立方體試件抗壓強(qiáng)度為按標(biāo)準(zhǔn)修正值）。

4 試驗(yàn)配合比和養(yǎng)護(hù)制度

試驗(yàn)混凝土配合比見(jiàn)表1，從A 到D 硅砂粉比例逐級(jí)增加，膠凝材料總用量430kg/m3不變，編號(hào)D 為在用生產(chǎn)配合比。

混凝土試件養(yǎng)護(hù)制度見(jiàn)表2。I、II、III 采用模擬熱電廠蒸汽進(jìn)行蒸養(yǎng)，蒸養(yǎng)溫度設(shè)定為90℃；Ⅳ為飽和蒸汽養(yǎng)護(hù)，蒸養(yǎng)溫度設(shè)定為85℃。I、II、III 的蒸壓壓力（0.70 MPa、0.75 MPa 和0.80MPa）與溫度（165℃、167℃和170℃）低于Ⅳ的蒸壓壓力（1.0MPa）和溫度（180℃）。

5 試驗(yàn)結(jié)果與分析

不同配合比混凝土在四種養(yǎng)護(hù)制度下100mm 及150mm 立方體試件的蒸養(yǎng)強(qiáng)度和蒸壓強(qiáng)度結(jié)果見(jiàn)表3。

5.1 蒸養(yǎng)強(qiáng)度變化規(guī)律

根據(jù)表3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制蒸養(yǎng)強(qiáng)度折線圖，見(jiàn)圖1。

由圖1 可見(jiàn)：

⑴在模擬的養(yǎng)護(hù)制度條件下，不同配合比的混凝土試件蒸養(yǎng)強(qiáng)度均滿足管樁拆模強(qiáng)度（≥45MPa）要求。

⑵同一養(yǎng)護(hù)制度下，隨著硅砂粉摻量比例的增加，試件的蒸養(yǎng)強(qiáng)度逐漸降低。100mm 立方體試件蒸養(yǎng)強(qiáng)度降低最大差值為9.1MPa，150mm 立方體試件蒸養(yǎng)強(qiáng)度降低最大差值為7.2MPa；100mm 立方體試件比150mm 立方體試件蒸養(yǎng)強(qiáng)度高，差值在7.7MPa～10.0MPa 之間。

⑶同一配合比混凝土，在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ養(yǎng)護(hù)制度90℃下的蒸養(yǎng)強(qiáng)度與IV 養(yǎng)護(hù)制度85℃蒸養(yǎng)強(qiáng)度相比，并未因養(yǎng)護(hù)溫度升高而明顯提高。

5.2 蒸壓強(qiáng)度變化規(guī)律

根據(jù)表3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制蒸壓強(qiáng)度折線圖，見(jiàn)圖2。由圖2 可見(jiàn)：

⑴在蒸汽壓力為0.70～0.80MPa、溫度165～170℃的蒸壓養(yǎng)護(hù)條件下，膠凝材料中不同硅砂粉摻量對(duì)混凝土蒸壓后的強(qiáng)度影響較為明顯。隨著硅砂粉摻量從15%～30%逐級(jí)增加，相同養(yǎng)護(hù)條件下不同尺寸試件蒸壓強(qiáng)度均有所上升，100mm 立方體試件蒸壓強(qiáng)度提高3.1～6.5MPa，150mm 立方體試件蒸壓強(qiáng)度提高1.1～5.8MPa。

⑵蒸汽壓力越大，對(duì)蒸壓強(qiáng)度的提高作用越明顯，同一配合比的100mm 立方體試件提高最大值為9.0～10.3MPa、150mm 立方體試件提高最大值為18.9 ～22.0MPa。

表1 試驗(yàn)配合比

表2 混凝土試件養(yǎng)護(hù)制度

表3 混凝土試件抗壓強(qiáng)度

⑶在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ養(yǎng)護(hù)制度下，相同配合比及相同養(yǎng)護(hù)條件對(duì)不同尺寸的混凝土試件抗壓強(qiáng)度影響各不同，隨著蒸汽壓力的增加，100mm 立方體試件蒸壓強(qiáng)度增長(zhǎng)較大，而150mm 立方體試件蒸壓強(qiáng)度增長(zhǎng)較小，100mm 立方體試件比150mm 立方體試件的蒸壓強(qiáng)度高出3.8～12.4MPa，差距較明顯。當(dāng)蒸汽壓力達(dá)到養(yǎng)護(hù)制度IV 的養(yǎng)護(hù)條件時(shí)，由于壓力滲透作用，150mm 立方體試件內(nèi)部膠凝材料水化反應(yīng)較為完全，因此同一配合比的兩種尺寸試件蒸壓強(qiáng)度基本一致。

圖1 不同配合比及養(yǎng)護(hù)制度下試件蒸養(yǎng)強(qiáng)度折線圖

圖2 不同配合比及養(yǎng)護(hù)制度下試件蒸壓強(qiáng)度折線圖

⑷由模擬試驗(yàn)結(jié)果可知，在Ⅱ、Ⅲ養(yǎng)護(hù)制度下，硅砂粉摻量25%～30%時(shí)，100mm 立方體混凝土試件蒸壓強(qiáng)度滿足PHC 管樁強(qiáng)度要求，而150mm 立方體混凝土試件蒸壓強(qiáng)度波動(dòng)大，總體偏低。

6 生產(chǎn)與應(yīng)用

6.1 管樁的生產(chǎn)制備

為驗(yàn)證使用熱電廠蒸汽養(yǎng)護(hù)對(duì)管樁混凝土強(qiáng)度的影響及使用效果，根據(jù)模擬試驗(yàn)結(jié)果，選擇表1 中混凝土配合比D 作為生產(chǎn)配合比，并以表2 養(yǎng)護(hù)制度Ⅱ作為熱電廠蒸汽養(yǎng)護(hù)制度進(jìn)行PHC 管樁生產(chǎn)實(shí)踐。有計(jì)劃分批 生 產(chǎn) φ400AB95、φ500AB100、φ500AB125、φ600A 130 四種規(guī)格型號(hào)的管樁各8000 多米。

生產(chǎn)過(guò)程中，根據(jù)不同規(guī)格型號(hào)管樁在布料口處按要求抽取混凝土樣品，分別制作100mm 立方體和150mm立方體混凝土試件若干組。試件與管樁一起使用熱電廠蒸汽進(jìn)行常壓養(yǎng)護(hù)和高壓養(yǎng)護(hù)，然后測(cè)試其蒸養(yǎng)抗壓強(qiáng)度和蒸壓抗壓強(qiáng)度，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 熱電廠蒸汽養(yǎng)護(hù)管樁芯樣抗壓強(qiáng)度與試件抗壓強(qiáng)度

經(jīng)過(guò)熱電廠蒸汽蒸壓養(yǎng)護(hù)后的部分混凝土試件再次入釜進(jìn)行二次蒸壓養(yǎng)護(hù)，即在使用熱電廠蒸汽升壓到0.75MPa 后，改用自產(chǎn)飽和蒸汽補(bǔ)壓至1.0MPa、180℃，恒溫恒壓4h，再測(cè)試試件蒸壓抗壓強(qiáng)度，結(jié)果見(jiàn)表5。

同時(shí)隨機(jī)抽取與試件同批次、同養(yǎng)護(hù)條件、不同規(guī)格型號(hào)管樁，依據(jù)GB/T19496－2004《鉆芯檢測(cè)離心高強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)要求，鉆取管樁芯樣，觀察芯樣外觀，并測(cè)試了芯樣強(qiáng)度，結(jié)果見(jiàn)表4 和表5。

對(duì)各個(gè)規(guī)格型號(hào)管樁不同位置鉆取的芯樣進(jìn)行外觀分析發(fā)現(xiàn)，管樁內(nèi)部石子分布均勻有序，結(jié)構(gòu)密實(shí)，膠砂層厚5mm～8mm、過(guò)度自如，說(shuō)明混凝土配合比合理，管樁離心工藝制度符合要求。

從表4 使用熱電廠蒸汽養(yǎng)護(hù)的管樁芯樣抗壓強(qiáng)度與試件抗壓強(qiáng)度結(jié)果對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)：不同尺寸混凝土試件蒸養(yǎng)強(qiáng)度都達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求；100mm 立方體試件蒸壓強(qiáng)度均在87MPa 以上，而150mm 立方體試件蒸壓強(qiáng)度只在83MPa 上下，兩者相差較大。由于熱電廠蒸汽的過(guò)熱非飽和特征，在同樣的0.75MPa 蒸汽壓力養(yǎng)護(hù)條件下，混凝土試件強(qiáng)度比模擬試驗(yàn)的同尺寸試件強(qiáng)度略有提高。從管樁芯樣強(qiáng)度看，φ400AB 95、φ500AB 100 管樁芯樣平均強(qiáng)度達(dá)到98MPa 左右，比100mm 立方體混凝土試件強(qiáng)度高8MPa 以上；φ500AB 125 管樁芯樣平均強(qiáng)度為89.3MPa，比100mm 立方體混凝土試件強(qiáng)度高2.1MPa；φ600A 130 管樁芯樣強(qiáng)度大部分在87MPa 左右，比100mm 立方體混凝土試件強(qiáng)度低1.1MPa。上述結(jié)果說(shuō)明，混凝土試件尺寸越大，蒸壓強(qiáng)度越低，并且隨著管樁壁厚增加，芯樣強(qiáng)度出現(xiàn)下降。

表5 試驗(yàn)結(jié)果顯示，混凝土試件經(jīng)飽和蒸汽二次蒸壓養(yǎng)護(hù)后，100mm 立方體試件抗壓強(qiáng)度略微增長(zhǎng)，而150mm 立方體試件抗壓強(qiáng)度比原來(lái)提高了8MPa 以上，提升幅度大，與100mm 立方體混凝土試件抗壓強(qiáng)度達(dá)到同一水平。從鉆芯取樣試驗(yàn)結(jié)果看，φ400AB95、φ500AB100 管樁芯樣平均抗壓強(qiáng)度略有增長(zhǎng)，但幅度小，φ500AB125、φ600A130 管樁芯樣平均抗壓強(qiáng)度達(dá)到99MPa 左右，比原來(lái)提高了10MPa，增長(zhǎng)幅度較大。上述結(jié)果說(shuō)明，經(jīng)1.0MPa、180℃的飽和蒸汽蒸壓養(yǎng)護(hù)后，壁厚125mm 以上的管樁芯樣抗壓強(qiáng)度與150mm 立方體試件抗壓強(qiáng)度明顯提高，芯樣強(qiáng)度比試件強(qiáng)度高了8～10MPa，符合PHC 管樁混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究結(jié)論[4]。

根據(jù)生產(chǎn)應(yīng)用結(jié)果綜合分析，使用壓力為0.75MPa熱電廠蒸汽進(jìn)行管樁蒸壓養(yǎng)護(hù)時(shí)，由于壓力較低，對(duì)壁厚越大（≥125mm）的管樁，水蒸汽滲透到其內(nèi)部相對(duì)困難，內(nèi)部膠凝材料在養(yǎng)護(hù)過(guò)程中無(wú)法進(jìn)行完全的水化反應(yīng)，養(yǎng)護(hù)效果較差，使樁內(nèi)部混凝土出現(xiàn)“蒸不透、蒸不熟”現(xiàn)象，影響混凝土強(qiáng)度的提升。

表5 試件二次蒸壓抗壓強(qiáng)度與管樁芯樣抗壓強(qiáng)度

表6 使用熱電廠蒸汽與燃煤及天然氣鍋爐蒸汽經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

6.2 工程應(yīng)用效果

對(duì)上述使用熱電廠蒸汽分批生產(chǎn)的3.2 萬(wàn)多米各規(guī)格型號(hào)PHC 管樁在不同工程施工應(yīng)用的情況進(jìn)行了質(zhì)量跟蹤，發(fā)現(xiàn)該批管樁樁身強(qiáng)度高，抗彎力學(xué)性能優(yōu)良，滿足錘擊法沉樁和靜壓法沉樁施工要求，成樁率高，與鍋爐自產(chǎn)飽和蒸汽養(yǎng)護(hù)的管樁在工程應(yīng)用性能上沒(méi)有差異，得到施工方與業(yè)主的充分肯定。根據(jù)潮汕地區(qū)目前燃料價(jià)格，熱電廠蒸汽與燃煤鍋爐及天然氣鍋爐蒸汽經(jīng)濟(jì)性對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表6。

與燃煤鍋爐蒸汽對(duì)比，熱電廠蒸汽成本提高8.1%，天然氣鍋爐蒸汽成本提高101.4%。使用熱電廠蒸汽比使用天然氣鍋爐蒸汽具有更明顯的經(jīng)濟(jì)性，既可充分綜合利用清潔熱能，也減少鍋爐的使用，有益于保護(hù)環(huán)境和安全生產(chǎn)，同時(shí)可避免企業(yè)改造其他清潔能源鍋爐設(shè)備投入，降低企業(yè)的經(jīng)營(yíng)壓力和生產(chǎn)成本，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

7 結(jié)語(yǔ)

⑴使用熱電廠蒸汽對(duì)管樁進(jìn)行常壓養(yǎng)護(hù)能滿足管樁脫模強(qiáng)度要求，但蒸養(yǎng)強(qiáng)度并未因?yàn)轲B(yǎng)護(hù)溫度的升高而明顯提高。由于熱電廠過(guò)熱非飽和蒸汽特征，生產(chǎn)使用時(shí)應(yīng)調(diào)整管樁養(yǎng)護(hù)工藝制度，適當(dāng)延長(zhǎng)常壓養(yǎng)護(hù)靜停時(shí)間，控制蒸養(yǎng)及蒸壓升溫速度，避免管樁升溫過(guò)快，影響混凝土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

⑵熱電廠蒸汽壓力穩(wěn)定在0.75～0.80MPa 的情況下，能夠滿足生產(chǎn)要求，管樁樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)可達(dá)到C80。對(duì)壁厚≥125mm 的管樁，可采用額外補(bǔ)壓養(yǎng)護(hù)，避免因蒸汽壓力不足引起的蒸不透問(wèn)題，提高管樁強(qiáng)度。

⑶使用熱電廠蒸汽生產(chǎn)管樁制品，既充分綜合利用清潔熱能、保護(hù)環(huán)境和安全生產(chǎn)，又降低企業(yè)的經(jīng)營(yíng)壓力和生產(chǎn)成本，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。