楊牧,秦鴻根,陳芳斌,茍德勝

（1.建華建材（中國）投資有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212413；

2.東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 211189）

0 引言

混凝土預(yù)應(yīng)力管樁是現(xiàn)階段建材行業(yè)不可缺少的基礎(chǔ)承重構(gòu)件。傳統(tǒng)的管樁混凝土是低水膠比的普通混凝土，采用先蒸養(yǎng)再壓蒸的養(yǎng)護(hù)工藝，其水泥用量高，對(duì)耐久性考慮不足，壓蒸養(yǎng)護(hù)過程中消耗大量的能源。目前管樁混凝土生產(chǎn)技術(shù)試圖通過優(yōu)化混凝土配比和采用合理的蒸汽養(yǎng)護(hù)技術(shù)生產(chǎn)免蒸壓高強(qiáng)管樁，并通過礦物摻合料和耐腐蝕外加劑來改善其耐久性。

相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，蒸汽養(yǎng)護(hù)具有顯著提高混凝土初期(脫模)與早期強(qiáng)度、加快模具周轉(zhuǎn)、縮短生產(chǎn)周期、提高生產(chǎn)效率的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于混凝土預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)[1]。蒸汽養(yǎng)護(hù)可以加速水泥的水化，但是水化產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)和形態(tài)會(huì)發(fā)生變化[2-3]。在蒸養(yǎng)過程中，由于液相和汽相的膨脹、遷移將會(huì)給混凝土結(jié)構(gòu)帶來破壞作用，對(duì)強(qiáng)度和耐久性產(chǎn)生不利影響[4-6]。

為配制節(jié)能型免蒸壓耐腐蝕高強(qiáng)管樁用混凝土，研究的思路是采用活性摻合料改善混凝土耐久性，同時(shí)通過熱激發(fā)等技術(shù)激發(fā)膠凝材料的活性，提高混凝土強(qiáng)度。前期試驗(yàn)表明，水膠比及蒸養(yǎng)制度對(duì)蒸養(yǎng)混凝土的強(qiáng)度有較大影響。為此，本文著重研究水膠比、靜置時(shí)間、升溫速度、蒸養(yǎng)溫度與恒溫時(shí)間對(duì)免蒸壓高強(qiáng)耐腐蝕管樁混凝土強(qiáng)度和耐久性的影響。

1 原材料、配合比及試驗(yàn)方法

水泥為江南小野田PII 52.5水泥。鋼渣為馬鋼產(chǎn)鋼渣，密度3.467 g/cm3，比表面積370.2 m2/kg，燒失量2.4%。爐底渣為管樁廠鏈條鍋爐廢渣，密度2.56 g/cm3，比表面積555 m2/kg，燒失量7.9%。礦渣微粉為江南粉磨有限公司產(chǎn)的S95級(jí)礦渣，密度2.8 g/cm3，比表面400 m2/kg，燒失量3.0%。水泥和礦物摻合料的化學(xué)成分見表1。減水劑為西卡中國的高性能聚羧酸減水劑，含固量20%，減水率30%。砂為河砂，級(jí)配II區(qū)，細(xì)度模數(shù)為2.7。碎石為5～25 mm連續(xù)級(jí)配玄武巖碎石。

砂漿強(qiáng)度試驗(yàn)按照GB/T 17671-1999標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行，試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm棱柱形試件，成型后的部分試件放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)，溫度為（20±）2℃，相對(duì)濕度 ＞95%，另一部分進(jìn)行蒸汽養(yǎng)護(hù)后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)到一定的齡期測試不同養(yǎng)護(hù)條件下的砂漿強(qiáng)度。

設(shè)計(jì)6種不同的配合比來比較水膠比（分別為0.50和0.30）對(duì)砂漿蒸養(yǎng)性能的影響（表2），在2.1試驗(yàn)的基礎(chǔ)上優(yōu)選水膠比，設(shè)計(jì)砂漿配合比(表3)研究蒸養(yǎng)制度對(duì)砂漿強(qiáng)度的影響，不同的蒸養(yǎng)制度參數(shù)見表4。

為提高管樁混凝土的強(qiáng)度和耐久性，并降低生產(chǎn)成本，在優(yōu)選最佳蒸養(yǎng)制度的前提下，設(shè)4組摻加不同摻合料及其摻量的C80高強(qiáng)管樁混凝土配比(表 5)，根據(jù) GB/T 50081-2002 測試其 1 d、3 d、7 d、28 d的抗壓強(qiáng)度，并采用 ASTM C1202（電通量試驗(yàn)）評(píng)價(jià)混凝土的抗氯離子滲透性能。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 水膠比對(duì)蒸養(yǎng)強(qiáng)度的影響

按照表2的配合比制配砂漿試件，分別進(jìn)行標(biāo)養(yǎng)和蒸汽養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)制度：靜置15 h、升溫速率30℃/h、恒溫溫度80℃、恒溫時(shí)間6 h。測試7 d和28 d抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

圖1 水膠比對(duì)蒸養(yǎng)砂漿強(qiáng)度的影響

從圖1中可以看出，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的7 d抗壓強(qiáng)度 、 低 水 膠 比 的 4、5、6 組 分 別 比 1、2、3 組 高53.2%、58.2%、47.47%，在蒸養(yǎng)條件下7 d齡期時(shí)，4、5、6 組抗壓 強(qiáng)度分 別 比 1、2、3 組高 66.1%、62.1%、54.4%，說明降低水膠比可以明顯提高砂漿在蒸汽養(yǎng)護(hù)和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下的早期強(qiáng)度。相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，蒸汽養(yǎng)護(hù)對(duì)4、5、6組強(qiáng)度的提高明顯大于對(duì)1、2、3組的提高，說明低水膠比可以改善砂漿在蒸養(yǎng)條件下的性能，這主要是因?yàn)榈退z比減少了自由水的含量，防止在高溫條件下水汽的膨脹和遷移對(duì)試件結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的破壞；另外低水膠比也有利于早期強(qiáng)度的提高，在靜置時(shí)間一定時(shí)，產(chǎn)生一定的初始強(qiáng)度，能抵抗水分和水汽的膨脹和遷移；而且低水膠比使砂漿的結(jié)構(gòu)更致密，降低孔隙，有利于砂漿性能的提高[7]。

表1 材料的化學(xué)成分(wt/%)

表2 水膠比對(duì)蒸養(yǎng)強(qiáng)度影響試驗(yàn)砂漿配合比

表4 不同蒸養(yǎng)制度參數(shù)

表5 高強(qiáng)耐腐蝕管樁混凝土配合比（kg/m3）

標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下28 d齡期時(shí)，低水膠比的4、5、6組抗壓強(qiáng)度分別比 1、2、3組提高 29.8%、34.6%、39.4%，在蒸養(yǎng)條件下28 d齡期時(shí)，4、5、6抗壓強(qiáng)度組分別比 1、2、3組提高44.9%、61.1%、58.6%， 說明低水膠比可以明顯地提高砂漿在蒸汽養(yǎng)護(hù)和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下的后期強(qiáng)度。在28 d時(shí)，在蒸汽養(yǎng)護(hù)條件下的砂漿強(qiáng)度比在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下有明顯降低，4、5、6組在蒸養(yǎng)條件下的強(qiáng)度比標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)分別低8.5%、6.10%、8.50%，1、2、3 組在蒸養(yǎng)條件下的強(qiáng)度比標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)分別低18.1%、21.56%、19.62%?？梢钥闯觯退z比的砂漿在后期的強(qiáng)度損失比較小。

2.2 蒸養(yǎng)制度對(duì)強(qiáng)度的影響

2.2.1靜置時(shí)間的影響

按照表3配合比制配砂漿，分別靜置不同的時(shí)間后進(jìn)行蒸汽養(yǎng)護(hù)。測試1 d、3 d、7 d和28 d抗壓和抗折強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 靜置時(shí)間對(duì)砂漿不同齡期強(qiáng)度的影響

由圖2可知：隨著靜置時(shí)間的增加，砂漿的1 d強(qiáng)度也隨之提高。靜置時(shí)間5 h和7 h的試件抗壓分別比3 h高7.7%和9.9%；抗折強(qiáng)度分別高4.7%和5.4%。這主要是由于隨著靜置時(shí)間的增加，水泥水化生成的水化產(chǎn)物增多，使試件具有更高的初始強(qiáng)度，可以更加有效地抵御高溫蒸養(yǎng)對(duì)砂漿微結(jié)構(gòu)的破壞；其次，水泥水化可以消耗一部分自由水，生成水化產(chǎn)物填充原自由水空間，生成的C-S-H凝膠也能吸附一部分自由水，減少了液相和汽相受熱膨脹對(duì)砂漿微結(jié)構(gòu)的破壞。

從圖2中可以看出，靜置時(shí)間5 h和7 h對(duì)強(qiáng)度的提高不是很明顯，并且靜養(yǎng)時(shí)間較長會(huì)影響生產(chǎn)效率。吳中偉院士曾提出了“臨界初始結(jié)構(gòu)強(qiáng)度”及“最佳預(yù)養(yǎng)時(shí)間”的概念[8]：混凝土在一定的預(yù)養(yǎng)時(shí)間里，能使升溫后的腫脹變形最小，并獲得最大密實(shí)度及最高強(qiáng)度的最低初始結(jié)構(gòu)強(qiáng)度稱為臨界初始結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，此時(shí)對(duì)應(yīng)的預(yù)養(yǎng)時(shí)間就稱為最佳預(yù)養(yǎng)時(shí)間。

2.2.2升溫速率的影響

同樣，按照表3的配合比制備砂漿試件，按表4的蒸養(yǎng)制度分別按照不同的升溫速率進(jìn)行蒸汽養(yǎng)護(hù)，測試其不同齡期的抗壓和抗折強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 升溫速率對(duì)砂漿不同齡期強(qiáng)度的影響

由圖3可知，升溫速率15℃/h組各齡期的抗壓強(qiáng)度均最高，升溫速率20℃/h組次之，升溫速率30℃/h組最低。升溫速率30℃/h組1 d抗折強(qiáng)度最高，升溫速率20℃/h組次之，升溫速率15℃/h組抗折強(qiáng)度最低。但是升溫速率15℃/h組抗折強(qiáng)度隨齡期增長最快，7 d后強(qiáng)度最高，升溫速率30℃/h組抗折強(qiáng)度增長緩慢，7 d、28 d抗折強(qiáng)度均最低。這主要因?yàn)檩^高升溫速率不僅會(huì)產(chǎn)生較大的溫度梯度，產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力，導(dǎo)致砂漿微裂縫和缺陷的產(chǎn)生；同時(shí)增加了液相向汽相轉(zhuǎn)變的趨勢，加大了水汽的膨脹和遷移對(duì)砂漿結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的破壞，所以升溫速率越低對(duì)試件產(chǎn)生的不利影響越小，但是升溫速率太小會(huì)浪費(fèi)大量時(shí)間。

2.2.3恒溫溫度的影響

按照表3的配合比制備砂漿試件，按表4的蒸養(yǎng)制度分別在不同恒溫溫度下進(jìn)行蒸汽養(yǎng)護(hù)，測試不同齡期的砂漿抗壓和抗折強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果見圖4。

圖4 恒溫溫度對(duì)砂漿不同齡期強(qiáng)度的影響

由圖4可知，1 d抗壓抗折強(qiáng)度隨蒸養(yǎng)溫度的升高有很大程度的提高，主要是因?yàn)檩^高的蒸養(yǎng)溫度可加速試件中水泥的水化速度，生成較多的水化產(chǎn)物。但是較高的蒸養(yǎng)溫度不僅會(huì)產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力，同時(shí)增加了液相向汽相轉(zhuǎn)變的趨勢，增大氣泡之間的壓差、氣泡容積，由此產(chǎn)生的膨脹壓作用在孔隙、凝膠孔內(nèi)壁，對(duì)水泥石內(nèi)部的孔結(jié)構(gòu)造成破壞。隨著齡期的增長，恒溫溫度低組的抗壓和抗折強(qiáng)度有較大的提高，60℃恒溫試件抗壓和抗折強(qiáng)度增長最快，80℃恒溫試件強(qiáng)度增長最慢。這主要是由于高的蒸養(yǎng)溫度可以加速水泥的水化，但是水化速度太快時(shí)生成的水化產(chǎn)物不能及時(shí)擴(kuò)散，大量的水化產(chǎn)物包裹著沒有水化的顆粒，形成致密的外殼，導(dǎo)致水分很難擴(kuò)散進(jìn)未水化的顆粒內(nèi)部，對(duì)后期強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響；在高溫養(yǎng)護(hù)條件下生成的水泥水化產(chǎn)物纖維狀晶體更粗短，因而早期強(qiáng)度較高，而由于連接點(diǎn)的減少，使得砂漿后期強(qiáng)度偏低。

2.2.4恒溫時(shí)間的影響

按照表3的配合比配制砂漿試件，按表4的蒸養(yǎng)制度進(jìn)行不同恒溫時(shí)間的蒸汽養(yǎng)護(hù)，測試砂漿不同齡期的抗壓、抗折強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果見圖5。

圖5 恒溫時(shí)間對(duì)砂漿不同齡期強(qiáng)度的影響

由圖5可知，隨著恒溫時(shí)間的增加，砂漿1 d抗壓和抗折強(qiáng)度均有增加，這主要是因?yàn)楹銣貢r(shí)間增長可以增加水化產(chǎn)物量，從而提高早期強(qiáng)度。但是恒溫時(shí)間增長會(huì)對(duì)砂漿微觀結(jié)構(gòu)的演化和后期強(qiáng)度發(fā)展帶來不利影響，到第7 d時(shí)，恒溫時(shí)間4 h試件抗壓強(qiáng)度最大，恒溫時(shí)間7.5 h變成最小。但是到了28 d，恒溫時(shí)間7.5 h抗壓強(qiáng)度最大，主要因?yàn)殡S著水化反應(yīng)的進(jìn)行，后期抑制水泥水化的致蒸養(yǎng)對(duì)早期、后期強(qiáng)度的影響和生產(chǎn)的要求，確定管樁混凝土蒸養(yǎng)制度參數(shù)：靜置時(shí)間4 h、升溫速率20℃/h、恒溫溫度80℃、恒溫時(shí)間 5 h，蒸養(yǎng)后試件放于混凝土標(biāo)養(yǎng)室，測試不同齡期的抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果見圖6；見同時(shí)測試混凝土28 d電通量，試驗(yàn)結(jié)果見表6。

由圖6可知，第2組 （礦渣20%+粉煤灰10密外殼由于后期水化產(chǎn)物的增加而破裂，增加了水分進(jìn)入的通道，一定程度上加速了水化反應(yīng)。相對(duì)于抗壓強(qiáng)度，試件結(jié)構(gòu)孔隙和裂紋對(duì)抗折強(qiáng)度的影響更為明顯，28 d恒溫時(shí)間7.5 h組的抗折強(qiáng)度最低，恒溫時(shí)間4 h組抗折強(qiáng)度增長速度最快。主要因?yàn)楹銣貢r(shí)間7.5 h的砂漿試件由于早期生成大量的水化產(chǎn)物，抗折強(qiáng)度最高，但是汽相和液相對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞程度增加，使后期抗折強(qiáng)度增長緩慢，恒溫時(shí)間4 h和6 h砂漿試件由于高溫養(yǎng)護(hù)試件較短，早期水化產(chǎn)物較少，抗折強(qiáng)度較低，但是汽相和液相對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞程度較小，后期強(qiáng)度增長較快，恒溫時(shí)間4 h的砂漿試件強(qiáng)度增加稍大于6 h砂漿試件。

表6 免蒸壓管樁混凝土電通量試驗(yàn)結(jié)果

圖6 免蒸壓管樁混凝土強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律

2.3 免壓蒸C80管樁混凝土的配制與性能

按照表5的管樁混凝土配合比制備4組混凝土，進(jìn)行蒸養(yǎng)試驗(yàn)。根據(jù)上述的試驗(yàn)結(jié)果，綜合考慮%）混凝土各齡期強(qiáng)度均高于其他組別，28 d強(qiáng)度可達(dá)90.6 MPa，說明礦渣和粉煤灰的復(fù)摻可提高混凝土在蒸汽養(yǎng)護(hù)條件下的強(qiáng)度[9]。第1（摻礦渣微粉30%）組和第2組蒸養(yǎng)后1 d強(qiáng)度均超過80 MPa，說明本文提出的蒸汽養(yǎng)護(hù)制度是正確、可行的。第3組（摻礦渣微粉20%、粉煤灰+鋼渣共10%）和第4組（摻礦渣微粉20、粉煤灰+鋼渣+爐底渣共10%）由于摻加了部分活性比較低的鋼渣和爐底渣，導(dǎo)致混凝土的早期強(qiáng)度相對(duì)偏低，28 d齡期強(qiáng)度分別為80.7 MPa和87.1 MPa，雖有較大幅度增長，但仍低于第1組和第2組。

從表6中可以看出，第1和第2組的電通量數(shù)值均小于1 000 C，抗氯離子滲透性能良好，第3組和第4組電通量數(shù)值小于1 500 C，第1、2組的抗氯離子滲透性能明顯優(yōu)于第3、4組，這主要是因?yàn)樵陴B(yǎng)護(hù)過程中礦物摻合料可以和水泥水化生成的Ca(OH)2發(fā)生二次水化反應(yīng)，生成C-S-H凝膠，可填充孔隙和裂紋、細(xì)化晶粒、改善界面，從而提高混凝土的抗氯離子滲透性能。第3、4組的電通量相對(duì)較高，主要是因?yàn)閾饺牖钚员容^低的鋼渣和爐渣，且由于鋼渣中Fe2O3含量較高。

3 結(jié)論

（1）降低水灰比可以減少蒸養(yǎng)對(duì)混凝土微結(jié)構(gòu)的破壞。有利于提高早期強(qiáng)度，降低蒸養(yǎng)混凝土后期強(qiáng)度的損失。

（2）蒸養(yǎng)制度對(duì)管樁混凝土強(qiáng)度的影響很大。延長靜置時(shí)間可以提高混凝土早期和后期強(qiáng)度，但過多延長靜置時(shí)間對(duì)強(qiáng)度的提高程度不明顯，還會(huì)降低生產(chǎn)效率；提高恒溫溫度、升溫速率和延長恒溫時(shí)間可以增加水化產(chǎn)物的數(shù)量、提高混凝土的早期強(qiáng)度，但養(yǎng)護(hù)溫度過高、升溫太快會(huì)對(duì)混凝土微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的損傷，影響后期強(qiáng)度的發(fā)展。

（3）通過復(fù)摻活性摻合料、優(yōu)化混凝土配合比及合理的蒸養(yǎng)制度可以制備出3 d強(qiáng)度達(dá)到80 MPa的免蒸壓高強(qiáng)管樁混凝土，制備的大摻量活性摻合料混凝土具有良好的力學(xué)性能和抗氯離子滲透性能。

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