輔助膠凝材料對預應力高強混凝土管樁強度及工藝的影響

樊 祺，杜紅秀，趙 壯

(太原理工大學土木工程學院，太原 030024)

0 引 言

隨著我國經濟建設的快速發展，大量高層建筑、大跨度橋梁等工程對優質樁基的需求量越來越大。預應力高強混凝土(prestressed high-strength concrete， PHC)管樁具有承載能力高、適應性廣、質量有保障等諸多優點，近年來其生產與應用發展迅猛。目前PHC管樁材料成本高、養護時間長、早期強度不理想等諸多弊端限制了PHC管樁的發展，因此優化原材料配比，探索蒸養環境下混凝土強度發展規律，對PHC管樁發展意義重大。

蒸汽養護對水泥凝結硬化有著雙重作用，在水泥水化早期，水泥反應速率隨著溫度的上升而加快[1-2],水化產物的密實度更高，但這也阻止了水分子進一步向水泥顆粒內部滲透，從而降低最終水化程度。Lin等[3]研究5～50 ℃水泥凈漿水化情況時發現，25 ℃下水泥凈漿平均水化30%，50 ℃時水化60%，溫度對水泥水化影響較大。蔣正武等[4]通過對比蒸汽養護和標準養護發現，蒸汽養護1 d時，水化產物明顯增多，但28 d水化產物含量基本一致。Lothenbach等[5]對比了不同養護溫度下的水化產物，發現相較于標準養護，50 ℃時C-S-H凝膠更為致密，但水化產物中鈣礬石多呈短針狀，蒸養時間過長同樣對混凝土結構有不利影響。Kjellsen等[6]研究發現提高蒸養溫度會導致純水泥混凝土孔結構粗化，且隨著養護溫度的升高，孔隙率也有所上升。

通過Design-Expert8.0軟件可以設計簡潔、合理、高效的試驗方案,并對試驗數據進行專業分析,采用多元回歸方程擬合不同影響因素與響應值之間的聯系，構建可視化數據模型，并對影響因素進行優化，尋求最優參數，在材料配比設計等試驗中有廣泛應用。試驗通過對蒸養時間、硅灰摻量、偏高嶺土摻量三個因素進行試驗設計，并構建模型，探討最優配合比，最后結合宏觀力學性能、微觀形貌及水化產物進行機理探討。

1 實 驗

1.1 原材料及配合比

依據GB 13476—2009《先張法預應力混凝土管樁》標準中的要求，試驗所用的水泥為P·O 52.5普通硅酸鹽水泥，表觀密度為3 150 kg/m3，具體物理力學性能指標如表1所示。

表1 普通硅酸鹽水泥的物理力學性能Table 1 Physical and mechanical properties of ordinary Portland cement

細骨料使用級配良好、質地均勻堅硬、細度模數在2.6～3.2的中粗砂，表觀密度為2 600 kg/m3，用篩分方法測定石英砂的粗細程度和顆粒級配，計算得其細度模數為2.75，屬于中砂，砂子篩分級配曲線如圖1所示。

圖1 砂子篩分級配曲線Fig.1 Curves of sand sieve classification

粗骨料使用粒徑5～25 mm、級配良好的尾礦石，表觀密度為2 650 kg/m3。

礦粉使用本地產S105級礦粉，礦粉的技術參數如表2所示，測定礦粉7 d的活性指數為80.9，28 d的活性指數為106.8，顆粒粒徑分布如圖2所示，顆粒粒徑較小，主要集中在10～100 μm。

表2 礦粉的技術參數Table 2 Technical parameters of mineral admixture

圖2 礦粉粒徑分布Fig.2 Particle size distribution of mineral powder

輔助膠凝材料選用本地產硅灰和偏高嶺土，粒度分布分別如圖3、圖4所示。原狀硅灰顆粒主要分布在10～100 μm，占比達到了48.58%；0～10 μm粒徑的顆粒占比為33.23%，略高于其他材料；100～2 100 μm粒徑的顆粒占比較少。偏高嶺土顆粒粒徑主要集中在1 000 μm左右，100 μm粒徑以下的顆粒占比僅為37.03%，偏高嶺土顆粒明顯大于硅灰顆粒。

圖3 原狀硅灰粒徑分布Fig.3 Particle size distribution of undisturbed silica fume

圖4 偏高嶺土粒徑分布Fig.4 Particle size distribution of metakaolin

減水劑使用高效聚羧酸減水劑，減水率為28.5%，水使用自來水。

試驗組選用硅灰和偏高嶺土，按膠凝材料5%、8%、10%等質量取代礦粉。混凝土基準配合比如表3所示。

表3 PHC基準配合比Table 3 Reference mixture ratio of PHC /(kg·m-3)

1.2 攪拌與成型

依據CECS 207—2006《高性能混凝土應用技術規程》,制備試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的立方體試塊,混凝土拌合物坍落度控制為(35±15) mm，選用60 L臥式強制式攪拌機進行混凝土的攪拌。

1.3 養護方案

混凝土裝模靜置24 h，隨后拆模放在混凝土管樁模具上跟隨管樁進入蒸養池進行蒸汽養護，如圖5所示。蒸汽養護采用三段升溫法，具體溫度變化過程如圖6所示，蒸汽養護4 h后，溫度恒定為95 ℃。

圖5 蒸汽養護現場圖片Fig.5 Photos of the steam curing site

圖6 蒸養溫度隨時間變化情況Fig.6 Variation of steam curing temperature with time

1.4 試驗方案

1.4.1 抗壓強度測試

抗壓強度試驗依據GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能測試方法標準》進行，分別測試蒸汽養護4 h、8 h和12 h的抗壓強度，加載速率為0.8 MPa/s，試驗結果精確至0.1 MPa。

1.4.2 XRD及SEM分析

使用SF和MK按膠凝材料5%等質量取代水泥，制備水泥硬化漿體。使用UltimaⅣ X射線衍射儀，掃描角度為5°～75°，掃描速度為15 (°)/min。使用JSM-IT200一體式分析掃描電鏡，同時進行微觀形貌分析以及EDS元素分析。

2 結果與討論

2.1 抗壓強度

圖7為不同摻量SF混凝土抗壓強度隨蒸養時間變化情況。由圖7可知，隨著蒸養時間的增加，混凝土抗壓強度略有提高，然后小幅降低。相較于蒸養4 h，蒸養8 h混凝土抗壓強度略有提升，質量分數8%SF試驗組強度最優，與對照組相比，抗壓強度提高了6.2%，達到83.6 MPa，其余各試驗組抗壓強度波動不大。蒸養12 h，相較于蒸養4 h，各組混凝土抗壓強度浮動不大。

圖8為不同摻量MK混凝土抗壓強度隨蒸養時間變化情況。從圖8中可以看出，質量分數5%～10%摻量的MK均可以提高混凝土抗壓強度，質量分數10%的MK效果最好，4 h、8 h、12 h下，強度依次為88.2 MPa、89.1 MPa和88.7 MPa，相較于對照組分別提升了15.6%、13.2%和13.6%。由于MK摻量在5%～10%時，對蒸養混凝土抗壓強度影響不大，考慮到混凝土管樁的成本問題，實際生產中選擇質量分數5%摻量的MK。對比圖7和圖8可以看出，同摻量和蒸養時間下，MK對蒸養混凝土抗壓強度的提升效果優于SF，這可能是由于MK與Ca(OH)2反應生成了低鈣硅比n(Ca)/n(Si)的C-S-H凝膠，C-S-H中的S—O鍵縮聚程度更高，減小了顆粒粒徑，使結構更加致密[13]。同時MK中高活性的氧化鋁與高溫高濕環境形成疊加效應，共同加速了水泥的水化進程，在短時間內促進了更多水化產物的形成[14]，另外經過煅燒的偏高嶺土可以細化結構孔隙，降低混凝土中有害孔的含量[15-16]。

圖7 摻加SF的混凝土抗壓強度隨蒸養時間變化情況Fig.7 Compressive strength of concrete mixedwith SF varies with steam curing time

圖8 摻加MK的混凝土抗壓強度隨蒸養時間變化情況Fig.8 Compressive strength of concrete mixedwith MK varies with steam curing time

2.2 水化性能

通過XRD表征蒸養4 h下，摻加SF和MK的凈漿中水化產物的種類和類型，結果如圖9所示。從圖9中可以看出，水泥硬化漿體中晶體成分主要為Ca(OH)2(CH)，以及未水化的C2S和C3S。圖中有兩個較大的CH峰值，分別在2θ=18°和28°處，對比三組譜圖中CH峰值可以看出對照組>質量分數5%SF試驗組>質量分數5%MK試驗組,表明SF和MK都消耗了部分CH，且MK反應活性高于SF，這可能是因為MK中除了高活性二氧化硅外還存在氧化鋁，蒸養環境下加速了氧化鋁水化，釋放更多的熱量，促進了水泥中水化的反應速度。對比CH峰值銳度可以看出凈漿>質量分數5%SF硬化漿體>質量分數5%MK硬化漿體，表明硬化漿體中CH反應速度較慢，結晶度更高，宏觀上會導致試塊變脆，力學性能下降，這與混凝土試塊抗壓強度測試結果一致。對比峰值的寬化程度也能得到這一結論，寬化程度順序為對照組>質量分數5%SF硬化漿體>質量分數5%MK硬化漿體，表明大量的CH沒有參與水化反應，而出現團聚結晶現象，生成了顆粒較大的CH晶體。從圖9中還可以看出，各組硬化漿體中存在較多的MgO，這可能是由于礦粉中MgO含量較高，較多的MgO也會導致蒸養混凝土早期膨脹率增大，從而影響蒸養混凝土強度發展。

圖9 各組水泥硬化漿體的XRD譜Fig.9 XRD patterns of each group of hardened cement paste

2.3 微觀結構

通過SEM分析水泥凈漿的微觀結構，圖10為對照組水泥凈漿蒸養4 h的微觀結構，可以看出水化產物較為疏松，內部孔隙較多。圖11(a)、圖12(a)分別為質量分數5%SF硬化漿體和質量分數5%MK硬化漿體SEM照片。從圖11(a)可以看出，摻加SF的硬化漿體表面存在一些孔隙，相較于對照組，孔隙較小。圖12(a)中摻加MK后，水泥硬化漿體表面較為致密，可能是由于MK組C-S-H凝膠顆粒更小，可以填充內部孔隙，改善孔結構。

圖10 水泥硬化漿體SEM照片Fig.10 SEM image of hardened cement paste

對SF凈漿與MK凈漿固定區域進行Si元素能譜分析，得到Si元素分布面分布圖像，分別如圖11(b)、圖12(b)所示。由圖11(b)可以看出，SF漿體表面存在高亮區域，表明摻加的硅灰分散不均勻，出現團聚現象。這可能還是由于硅灰粒徑較小，攪拌過程不能打散內部的團聚體。從圖12(b)可以看出，MK漿體中，MK分散較為均勻，基本沒有高亮區域，表明MK在漿體中分散效果較好。這可能是由于MK顆粒較大，在攪拌過程中易被水泥顆粒和骨料打散。部分亮度較暗的區域可能是摻加的MK量較少導致的。

圖11 SF質量分數5%水泥硬化漿體SEM照片及Si元素面掃描能譜圖Fig.11 SEM image of hardened cement paste with SF (mass fraction 5%) and mapping spectrum of Si element

圖12 MK質量分數5%的水泥硬化漿體SEM照片及Si元素面掃描能譜圖Fig.12 SEM image of hardened cement paste with MK (mass fraction 5%) and mapping spectrum of Si element

3 模型預測

3.1 建立模型

相較于傳統的正交試驗，響應面法可以更經濟有效地優化試驗方案[17-18]，在單因素試驗的基礎上，使用Design-Expert8.0軟件進行Box-Behnken試驗設計，以基準配合比為基礎，對硅灰摻量、偏高嶺土摻量、蒸養時間三個因素進行考察，每個因素取3水平，以混凝土試塊抗壓強度為響應值。表3為Design-Expert8.0軟件設計的試驗方案。對各試驗組進行抗壓強度測試，結果見表4。

表4 Box-Behnken試驗方案Table 4 Box-Behnken test programs

續表

3.2 模型可行性分析

表5為各模型信息統計數據，由于二次方程模型R2為0.963 2，相對于線性模型和兩因素交互關系模型更接近1，選擇二次方程模型進行分析。

表5 模型信息統計Table 5 Model information statistics

通過選擇的二次方程模型，對抗壓強度進行擬合，得到三元二次模型如下：

S=78.125-2.581a-0.421b+3.672 5c-0.08ac-0.095bc+
0.256 4a2+0.144 4b2-0.157 66c2

(1)

式中：S為蒸養混凝土抗壓強度，MPa；a為膠凝材料中SF質量分數，%；b為膠凝材料中MK質量分數，%；c為蒸養時間，h。

為了保證所選模型的合理性，對所選二次模型進行可行性分析。本文通過F值驗證，采用95%置信區間和5%顯著性水平對擬合試件抗壓強度的二次模型的可行性進行評估，表6為回歸模型方差分析結果。

表6 方差分析結果Table 6 Analysis of variance results

F值表示均值方差的顯著性。該模型的F值為20.35，可以證明該模型適合于擬合抗壓強度。對17個試驗的實測抗壓強度和模型預測的強度值進行分析，如圖13所示，17個采樣點均勻分布在直線兩邊，沒有離散現象，這進一步表明,擬合的二次模型預測值非常接近測量值。分析式(1)可知，當SF質量分數為6.6%、MK質量分數為10%、蒸養時間為8.6 h時，混凝土抗壓強度達到最高，為104.8 MPa。圖14～16依次為SF摻量、MK摻量、蒸養時間相互耦合作用下的蒸養混凝土抗壓強度響應面，直觀顯示了多種影響因素協同作用下對蒸養混凝土抗壓強度的影響。

圖13 實測C80PHC抗壓強度與模型預測強度對比圖Fig.13 Comparison of measured compressive strength ofC80PHC and predicted strength of the model

圖14 SF摻量和蒸養時間協同作用下的抗壓強度響應面Fig.14 Response surface of compressive strength under thesynergistic effect of SF content and steam curing time

圖15 MK摻量和蒸養時間協同作用下的抗壓強度響應面Fig.15 Response surface of compressive strength under thesynergistic effect of MK content and steam curing time

圖16 SF和MK摻量協同作用下的抗壓強度響應面Fig.16 Response surface of compressive strength under thesynergistic effect of SF content and MK content

4 結 論

(1)質量分數8%摻量的硅灰在蒸養8 h時對蒸養混凝土抗壓強度有小幅提升，抗壓強度達到了83.6 MPa，相較于對照組提升了6.2%，其他試驗組均有小幅波動，提升效果不明顯。質量分數5%～10%摻量的MK均可提高蒸養混凝土抗壓強度，10%摻量的MK對蒸養4 h、8 h、12 h下蒸養混凝土抗壓強度提升依次為15.6%、13.2%和13.6%，但MK摻量和蒸養時間效果差異不顯著。考慮到實際生產的成本問題，較優的蒸養時間為8 h，SF摻量為8%，MK摻量為5%。

(2)SF和MK均能加速水泥水化，消耗水泥漿體中Ca(OH)2，使反應產物更致密，SF和MK可以有效填充蒸養混凝土孔隙，改善孔結構，MK效果優于SF。

(3)基于Box-Behnken試驗，構建三因素回歸方程，回歸系數R2為0.963 2，擬合效果較好，通過F值驗證可知，該模型F值為20.35，置信度較高。通過分析回歸方程可知，當SF質量分數為6.6%、MK質量分數為10%、蒸養時間為8.6 h時，混凝土抗壓強度達到最高，為104.8 MPa。