养护方式对PHC管桩力学性能的影响

王成启，王春明，周郁兵，张宜兵

（1.中交上海三航科学研究院有限公司，上海 200032；2.中交第三航务工程局有限公司南京分公司，江苏 南京 210001）

0 引言

对于水泥混凝土来说，在温度为（20±3）℃、相对湿度为90%以上条件下进行的养护，称为标准养护。在自然条件下采取浇水润湿、防风防干、保温防冻等措施养护混凝土，则属于自然养护。混凝土在标准养护和自然养护条件下的硬化速度比较缓慢，混凝土制品通常采用加速水泥硬化工艺，其中蒸汽湿热养护是较为常用的方法。随着介质压力的不同，湿热养护又分为常压、无压、微压及高压湿热养护。蒸汽养护的凝结放热系数很高，所以湿热养护时均利用蒸汽的凝结放热来加热混凝土。常压湿热养护时，介质的温度不超过100℃，相对湿度90%以上，又称蒸汽养护。高压蒸养护则是在高于100℃的饱和蒸汽中进行，又称为压蒸养护。

传统生产PHC管桩采用高压蒸养进行养护，以缩短PHC管桩的出厂时间，而目前新工艺也采用免高压蒸养技术，省去高压蒸养环节也可达到C80强度等级要求[1]，标准养护、自然养护、蒸汽养护和压蒸养护是PHC生产过程中经常涉及到的养护方式[2-4]。温度是水泥水化的重要动力学因素，是决定水泥水化作用速度快慢的重要因素，养护温度越高，水泥早期水化速度快，混凝土早期强度就高，但对混凝土后期强度产生影响。此外，养护湿度也对混凝土强度产生影响[5]。混凝土养护方式对PHC管桩混凝土的性能会产生一定的影响。本文对标准养护、蒸汽养护和高压蒸养PHC管桩混凝土力学性能进行试验研究与分析。

1 试件的制作及试验方法

1.1 试件的制作

1）留样混凝土的制作

在PHC管桩混凝土生产线上取混凝土，采用试模成型混凝土试块进行留样，分别进行标准养护以及与PHC管桩同条件养护后再进行标准养护和自然养护。分别测试不同龄期混凝土的力学性能和耐久性指标。

2）养护方式

免压蒸混凝土分别采用蒸汽养护制度一和蒸汽养护制度二，混凝土配合比K2采用蒸汽养护制度一和蒸汽养护制度二；混凝土配合比K3采用蒸汽养护制度二。

高压蒸养混凝土采用常压蒸汽养护和高压蒸养两次蒸养；采用混凝土配合比二。

留样混凝土的养护分为：标准养护、免压蒸后标准养护、免压蒸后自然养护、高压蒸养（两次蒸养）后标准养护4种养护方式；管桩切割混凝土的养护分为免压蒸后和高压蒸养（两次蒸养）后进行自然养护。具体试验计划如表1所示。

表1 免压蒸PHC管桩性能试验计划Table 1 Performance test program of non-steam autoclaved PHC pipe piles

1.2 试验方法

抗压强度、劈拉强度、弹性模量试验按JTJ 270—98《水运工程混凝土试验规程》的有关规定进行。

2 试验结果讨论与分析

2.1 抗压强度

标准养护、免压蒸和高压蒸养3种养护方式留样混凝土的抗压强度如表2所示。从表2可以清楚地看出，早期混凝土的抗压强度按标准养护、免压蒸养护、高压蒸养的次序递减，高压蒸养混凝土具有较高的抗压强度；随着龄期的增加，3种养护方式混凝土的抗压强度均不断增加，但3种养护混凝土的增幅存在较大的差别，在90 d内，标准养护、免压蒸养护、高压蒸养抗压强度增幅分别为247.9%、27.0%、8.3%，其中90 d标准养护混凝土抗压强度已超过免压蒸混凝土和高压蒸养混凝土，高压蒸养混凝土抗压强度增幅较小。

表2 3种养护方式留样混凝土的抗压强度Table 2 Compressive strengths of the concrete samples by three curing ways

蒸汽湿热养护可以加速水泥的水化反应，使混凝土在较短的时间内具有较高的抗压强度，但蒸汽养护混凝土细观结构发生变化，凝胶数量减少，晶相含量增加，水化产物变粗。此外，湿热养护过程中凝聚结晶结构初步形成、强度快速增长的同时，部分晶体仍在增长，由此产生的结晶压力引起结构内部拉应力的出现，使混凝土结构削弱。因此，蒸汽养护过程中混凝土的结构是不断变化的，在强度增长的同时，还可造成混凝土某些结构缺陷和损伤，从而导致混凝土后期强度增幅较小。压蒸养护是采用普通蒸汽养护和高压蒸汽养护两次养护方法进行的。通过高压蒸养，混凝土在普通养护时生成的水化硅酸钙很大程度地转化为托勃莫来石结晶体，使混凝土的抗压强度在较短的时间内明显提高，但其后期强度增幅不大。

2.2 脆性分析

混凝土抗拉强度与抗压强度之比（简称拉压比）常作为宏观上衡量混凝土脆性的一项最简便、适用的指标，拉压比值降低就意味着混凝土的脆性增加[6-7]。免压蒸后标准养护、自然养护以及免压蒸和高压蒸养PHC管桩混凝土的不同龄期拉压比和弹性模量的测试结果如图1～图3所示。从图1～图3可以明显看出，在早期（10 d龄期内），标准养护和自然养护对免压蒸混凝土的拉压比相差不大，后期标准养护混凝土的拉压比大于自然养护的混凝土，而浇水自然养护的混凝土的拉压比略大于自然养护的混凝土。图4为免压蒸和高压蒸养混凝土的拉压比与龄期的关系，图4表明免压蒸混凝土的拉压比大于高压蒸养混凝土。因此，养护对免压蒸混凝土的脆性有一定的影响，适当养护对免压蒸混凝土的脆性具有减小作用。此外，免压蒸混凝土的脆性小于高压蒸养混凝土。养护有利于水化充分进行和凝胶的形成，水化产物结晶程度增加并生成较多凝胶，有利于降低PHC管桩混凝土的脆性。

图1 养护制度二配合比K 2的混凝土拉压比Fig.1 Concrete tension-compression ratio of K 2mix ratio in No.2 curing system

图2 养护制度二配合比K 3的混凝土拉压比Fig.2 Concrete tension-compression ratio of K 3mix ratio in No.2 curing system

图3 养护制度一配合比K 3的混凝土拉压比Fig.3 Concrete tension-compression ratio of K 3mix ratio in No.1 curing system

图4 配合比K 2的免压蒸和高压蒸养拉压比Fig.4 Tension-compression ratios of non-steam autoclaved and steam autoclaved concrete of K 2mix ratio

2.3 弹性模量

根据弹性模量的测试结果，绘制不同龄期混凝土弹性模量，如图5～图7所示。图5～图7表明，随着龄期的增加，混凝土弹性模量均增加；标准养护混凝土早期弹性模量与自然养护混凝土相差不大，后期自然养护混凝土弹性模量小于标准养护混凝土，而自然养护混凝土的弹性模量小于浇水养护的混凝土。从图8可以看出，高压蒸养混凝土的弹性模量明显小于免压蒸混凝土。因此，养护对免压蒸混凝土弹性模量具有一定的影响，适当的养护可提高混凝土弹性模量，免压蒸混凝土弹性模量大于高压蒸养混凝土。

图5 养护制度二配合比K 2的混凝土弹性模量Fig.5 Concrete modulus of elasticity of K 2mix ratio in No.2 curing system

图6 养护制度二配合比K3的混凝土弹性模量Fig.6 Concrete modulus of elasticity of K 3mix ratio in No.2 curing system

图7 养护制度一配合比K3的混凝土弹性模量Fig.7 Concrete modulus of elasticity of K3 mix ratio in No.1 curing system

3 结语

研究结果表明，标准养护、免压蒸养护和高压蒸养3种养护方式对PHC管桩混凝土后期强度产生明显的影响；3种养护方式也对PHC管桩的脆性有一定的影响。3种养护方式抗压强度增幅以及耐久性按标准养护、免压蒸养护和高压蒸养的次序递减，环境湿度对免压蒸混凝土的脆性有一定的影响，适当对免压蒸混凝土进行后期养护可降低免压蒸混凝土的脆性，免压蒸混凝土的脆性小于高压蒸养混凝土；环境湿度也对免压蒸混凝土的弹性模量产生一定的影响，适当后期养护可提高免压蒸混凝土的弹性模量，免压蒸养护的弹性模量大于高压蒸养混凝土。

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