原材料对免蒸压PHC管桩强度的影响

王武锁，董福成，宋心*，孙朋伟，包贵安，王鑫

（1. 陕西秦汉恒盛新型建材科技股份有限公司，陕西 西咸新区 712000；2. 陕西恒盛集团新材料研究中心，陕西 西咸新区 712000；3. 陕西恒盛混凝土有限公司，陕西 西咸新区 712000）

0 前言

随着国家经济建设持续快速的发展，预应力高强混凝土管桩行业发展也很快，管桩企业正在顺着黄河、长江从沿海地区向内地发展。目前很多管桩企业在高温高压蒸汽养护过程中，由于加快了升温和降温速度，造成管桩混凝土缺陷增加，长期耐久性能下降。而在管桩生产中采用免蒸压工艺，不仅可降低能耗，更有利于管桩混凝土耐久性的提高，因此免蒸压管桩混凝土受到人们越来越多的关注。但取消了压蒸工艺后，管桩混凝土的强度和强度发展方面都出现了问题[1]。

为解决该问题，我公司在已有免蒸压管桩技术的基础上，通过使用低压碎值石子，或在掺合料中引入磨细矿渣粉或者硅灰[2-4]，对原材料进行优化，使管桩蒸汽养护后 1d 内的强度达到 89～98MPa 以上，满足出厂要求，并在其他原材料不变的情况下，较大幅度地降低单方水泥用量，从而取得良好的经济效益。

1 原材料

（1）水泥：P·Ⅱ52.5 级水泥，陕西省宝鸡市扶风县冀东水泥有限公司，水泥的物理性能和胶凝材料化学成分如表 1、表 2 所示。

表1 水泥物理性能

表2 胶凝材料的化学组成 %

（2）砂：粗砂，Ⅱ 区，含泥量 1.0%，细度模数2.4，产地：陕西省宝鸡市。

（3）碎石 1：花岗岩碎石，咸阳武功生产。5～16mm 和 5～31.5mm 双级配，含泥量 0.2%，压碎指标 10.8%。碎石 2：花岗岩碎石，陕西汉中生产。5～16mm 和 5～31.5mm 双级配，含泥量 0.1%，压碎指标5.9%。

（4）掺合料：矿粉，陕西韩城大唐盛龙有限公司生产 S95 级，流动度比 96%，7 天活性指数 74%，28d活性指数 96%。硅灰，北京正源益新材料技术有限公司生产，7 天活性指数 93 %，28d 活性指数 115%。磨细矿渣粉，陕西韩城大唐盛龙有限公司生产，7 天活性指数 78%，28d 活性指数 99 %。

（5）减水剂：早强型聚羧酸减水剂，pH 值 10.3，密度 1.05g/cm3，含固量 13.50%，减水率 26%。

2 试验过程

以公司现有免蒸压 PHC 管桩配合比为基准，使用低压碎值石子，磨细矿渣粉或硅灰代替矿粉，单方用水量取 120㎏，砂率 34%，外加剂掺量 2.2%，对比分析免蒸压管桩蒸汽养护后 1d 的强度，根据前期各组单独试验结果，优化后配比如表 3 所示。

表3 对比试验配合比 kg/m3

基准组与各对比组混凝土出机状态如表 4 所示。

表4 基准组与各对比组混凝土出机状态

以上每组试验留置试块各一组，振动成型后放置于室内，24h 拆模后放置于蒸汽养护箱内进行蒸养，蒸养制度为：室温时将试件放入养护箱，开启蒸养，升温速率为 15℃/h，4h 后升温至 95℃，恒温 4h 后取出试件，待试件降至室温后进行抗压试验，结果如表 5 所示。

表5 蒸养后 1d 抗压强度

硅灰提升强度的效果显著，对此，又进行了提高单方硅灰用量和复合掺加硅灰及磨细矿渣粉的对比试验，配合比如表 6 所示。

表6 硅灰的对比试验配合比 kg/m3

混凝土和易性及试件蒸养后 1d 强度如表 7 所示。

表7 硅灰的对比试验结果

3 试验结果分析

通过表 4、表 5 的结果可以得出：在原有免蒸压管桩混凝土配比中用低压碎值石子替换原石子，在掺合料中引入磨细矿渣粉或硅灰，保持其他原材料质量不变，在不改变现有生产工艺的情况下，免蒸压管桩在蒸养后 1d 的抗压强度值均有明显提高，达到 89～98MPa 以上，强度提高了 8～15MPa 左右。其中以加入硅灰效果最为明显，当单方硅灰用量达到 30kg 或复合使用硅灰和磨细矿渣粉时，蒸养后 1d 强度可达到 93～98MPa 以上，完全满足免蒸压 C80 管桩的强度要求。

混凝土的抗压强度由胶凝材料浆体与碎石的粘结面的强度决定，混凝土强度等级较低时，碎石压碎值的对混凝土的抗压强度影响不明显。但随着混凝土强度等级的提升，胶凝材料浆体与碎石结合强度逐步提高。进行混凝土抗压试验时，混凝土试件的破碎面往往贯穿于碎石，致使碎石骨料直接破碎，因此碎石的压碎值直接影响高强度等级混凝土抗压强度的高低，在其他材料相同的情况下，压碎值越低的碎石配制的混凝土抗压强度越高[3]。

上述试验表明，在其他原材料不变的情况下，通过加入硅灰即可实现试块强度的大幅度提升，完全满足免蒸压管桩的强度要求，无论矿物掺合料使用矿粉或者磨细矿渣粉均能满足强度要求。相比于普通矿粉和磨细矿渣粉，硅灰有以下好处：（1）硅灰的高细度、高活性使其在混凝土中有较好的填充作用和火山灰效应，使混凝土界面区晶体数量和孔隙率减少，在与 Al2O3并存时，更易生成托博莫来石相，使其强度增强，可以与水泥水化产物 Ca(OH)2发生二次水化作用形成胶凝产物，改善浆体的微观结构，填充水泥石结构，使水泥石更加致密，从而提高硬化体的力学性能和耐久性。（2）硅灰为无定型球状颗粒，可以显著改善混凝土的和易性，提高混凝土的流变性能，大大降低混凝土粘度，有利于工人施工。（3）虽然目前硅灰价格过高，在900～1000 元/吨左右，但在强度不变的前提下，一份硅灰可替代 2～3 份水泥，反而降低了整体胶材成本。

4 结论

在现有免蒸压管桩生产配合比和工艺的基础上，通过对比在原材料中引入高活性的磨细矿渣粉、硅灰、矿粉、压碎指标值在 6% 以下的石子，均可使免蒸压管桩在蒸汽养护 1d 后的强度达到 89MPa 以上。当单方混凝土中硅灰用量达到 30kg 以上后，无论使用矿粉或磨细矿渣粉，管桩混凝土蒸养后强度可达到 93～98MPa 以上，提升效果尤为显著，并且大幅度降低了出机混凝土的粘度，提升混凝土的施工性能。同时每方混凝土可降低 30～50kg 水泥用量，通过免蒸压也可节约 70% 以上的天然气用量，具有非常好的经济与环境效益。