大管樁免蒸養(yǎng)生產(chǎn)工藝的研究與應用

王成啟，劉君，張章龍

（1.中交上海三航科學研究院有限公司，上海 200032；2.中交第三航務(wù)工程局有限公司寧波分公司預制廠，浙江 寧波 315803）

0 引言

大管樁（全稱后張法預應力混凝土大直徑管樁）是一種采用離心、振動和輥壓三復合工藝成型，并經(jīng)蒸養(yǎng)、水養(yǎng)后拼接張拉、灌漿自錨的預應力混凝土管樁，其混凝土具有高密度、低水灰比、高強度、低滲透性等技術(shù)特點[1-3]。自1950年開發(fā)成功以來，已在國內(nèi)外港口、碼頭、橋梁等工程中得到了廣泛應用[4-7]。20世紀80年代中后期，我國引進美國大管樁制樁技術(shù)，并成功開發(fā)研制了大管樁，具有承載力高、耐錘擊性能好等技術(shù)特點，已在華東與華南沿海得到廣泛應用。已建港口工程的調(diào)查表明大管樁工程應用狀況良好，取得了良好的社會和經(jīng)濟效益，從而使我國的港口建設(shè)進入世界先進水平的行列。

為了提高預制構(gòu)件的生產(chǎn)效率，目前通常采用蒸汽養(yǎng)護提高混凝土的早期強度，以提高混凝土的脫模強度。蒸汽養(yǎng)護所產(chǎn)生的能源消耗在預制構(gòu)件生產(chǎn)成本中占據(jù)非常重要的地位，但是蒸汽養(yǎng)護也會對預制構(gòu)件混凝土性能和環(huán)境造成不利影響[8-9]。因此，對PHC管樁開展了免蒸養(yǎng)工藝技術(shù)研究與應用，取得了良好的效果[10]。在大管樁生產(chǎn)過程中，為提高大管樁混凝土的早期強度，縮短拆模時間和提高工效，也需采用蒸汽養(yǎng)護，蒸汽養(yǎng)護工序消耗很多能源，不僅增加了大管樁的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，而且還會對大管樁的混凝土性能產(chǎn)生不利影響，不利于大管樁質(zhì)量控制和性能進一步提高。由于大管樁混凝土配制與制樁工藝和PHC管樁存在顯著差別，需探索大管樁節(jié)能的制樁新工藝，并進一步提升大管樁性能。

本文通過原材料優(yōu)選和超早強混凝土配制技術(shù)研究，大管樁生產(chǎn)養(yǎng)護工藝研究與改進，充分利用混凝土早強作用，環(huán)境溫度對混凝土強度發(fā)展的作用，免去蒸汽養(yǎng)護生產(chǎn)大管樁，開發(fā)出免蒸養(yǎng)大管樁生產(chǎn)工藝技術(shù)，并且在寧波-舟山港梅山港區(qū)6號至10號集裝箱碼頭工程中進行應用性試驗。

1 大管樁干硬性混凝土配制試驗研究

1.1 原材料

1） 水泥

采用海螺P.Ⅱ52.5硅酸鹽水泥，對水泥的安定性、凝結(jié)時間、強度等性能指標進行檢測，其性能指標滿足GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》中要求。

2）礦渣粉

采用寧波S95?；郀t礦渣粉，其物理力學性能指標達到了GB/T 18046—2017《用于水泥、砂漿和混凝土中的?；郀t礦渣粉》中技術(shù)要求。

3） 骨料

細骨料采用河砂，其細度模數(shù)為2.6的Ⅱ區(qū)中砂，粗骨料采用5～20 mm連續(xù)級配的碎石。骨料性能指標滿足有關(guān)規(guī)范要求。

4）減水劑

采用上海GTS-413早強型聚羧酸系高性能減水劑，其性能檢測結(jié)果滿足有關(guān)規(guī)范要求。

1.2 試驗方法

1）力學性能

混凝土抗壓強度、劈拉強度力學性能試驗按JTJ 270—1998《水運工程混凝土試驗規(guī)程》的有關(guān)規(guī)定進行。

2）耐久性

混凝土電通量、擴散系數(shù)（RCM法）和抗凍性試驗按GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》有關(guān)規(guī)定進行。

1.3 混凝土配合比設(shè)計

1）配制方法

大管樁為干硬性混凝土，維勃稠度按照JTS 167-6—2011《港口工程后張預應力混凝土大管樁設(shè)計與施工規(guī)程》的有關(guān)規(guī)定，其干硬性混凝土配制技術(shù)要求如表1所示。

表1 大管樁混凝土配制參數(shù)要求Table 1 Requirements for concrete composition parameters of large pipe piles

2）主要配合比參數(shù)

考慮混凝土早期強度和耐久性，本研究選用S95?；郀t礦渣粉作為礦物摻合料，并采用早強劑提高混凝土強度?；炷恋乃z比為0.25～0.30，S95礦渣粉摻量為10%～20%，混凝土的主要組成材料如表2所示。

表2 大管樁干硬性混凝土配合比參數(shù)Table 2 Mix ratio parameters of dry and hard concrete for large pipe pileskg/m3

1.4 試驗結(jié)果討論與分析

1.4.1 混凝土性能試驗研究

1.4.1.1 工作性能

進行了混凝土的維勃稠度、含氣量和表觀密度性能的試驗，試驗結(jié)果如表3所示。結(jié)果表明，混凝土的維勃稠度滿足大管樁的干硬性混凝土要求，可滿足大管樁離心、振動和輥壓三復合工藝質(zhì)量要求。同時，混凝土具有較低的含氣量和較高的表觀密度，有利于有效提高大管樁混凝土的力學性能和耐久性。

表3 混凝土工作性能測試結(jié)果Table 3 Test results of concrete working performance

1.4.1.2 力學性能

開展了標準養(yǎng)護下混凝土抗壓強度、劈拉強度的試驗，試驗結(jié)果如表4所示?？梢钥闯?，混凝土1 d抗壓強度大于42 MPa，達到脫模強度要求，5 d抗壓強度即達到C60出廠強度要求，且后期強度持續(xù)增加，28 d抗壓強度大于80 MPa，所配制的混凝土具有較高的早期強度和后期強度，有利于提高免蒸養(yǎng)大管樁脫模強度。隨著齡期的增加，劈拉強度不斷增加，具有較高的劈拉強度和良好的抗裂性能?；炷晾瓑罕瘸氏陆第厔?，表明隨著混凝土強度增加，混凝土脆性具有增加趨勢，但混凝土90 d齡期的拉壓比大于0.070 0，混凝土具有較低脆性。

表4 免蒸養(yǎng)混凝土抗壓強度、劈拉強度Table 4 Compressive strength and splitting tensile strength of non-steam concrete

1.4.1.3 耐久性

1）抗氯鹽侵蝕性能

進行了標準養(yǎng)護條件下混凝土電通量和擴散系數(shù)測試，混凝土28 d和56 d的電通量分別為875 C和410 C，混凝土84 d擴散系數(shù)為1.4×10-12m2/s。測試結(jié)果表明混凝土28 d電通量＜1 000 C，56 d電通量小于500 C，84 d擴散系數(shù)小于1.5×10-12m2/s，混凝土具有較高的抗氯鹽侵蝕性能，具有良好的耐久性。

2）抗凍性

開展了28 d齡期混凝土抗凍性試驗，測試結(jié)果如表5所示。結(jié)果表明，經(jīng)歷400次凍融循環(huán)后，混凝土相對動彈性模量為99.1%，質(zhì)量損失率為0.3%，混凝土抗凍等級大于F350，具有良好的抗凍性，可滿足北方高抗凍性的質(zhì)量要求。

表5 混凝土抗凍性測試結(jié)果Table 5 Test results of frost resistance of concrete

2 免蒸養(yǎng)工藝試驗研究

2.1 免蒸養(yǎng)大管樁生產(chǎn)工藝

免蒸養(yǎng)大管樁的生產(chǎn)主要包括混凝土原材料質(zhì)量檢測與控制、混凝土配料、混凝土攪拌、鋼筋籠制作與加工、鋼模制作與安裝、鋼筋籠安裝、混凝土布料、離心振動和輥壓三復合工藝、免蒸養(yǎng)養(yǎng)護工藝、管樁拼接、張拉與灌漿以及混凝土性能檢測等。為提高大管樁的早期脫模強度，采取了早期保溫養(yǎng)護技術(shù)措施，大管樁免蒸養(yǎng)養(yǎng)護工藝由早期養(yǎng)護池的保溫養(yǎng)護、脫模后水養(yǎng)以及堆場自然養(yǎng)護3個階段組成。第一階段：大管樁離心成型后即進入養(yǎng)護池，并蓋上蓋子進行保溫養(yǎng)護，當養(yǎng)護池內(nèi)大管樁混凝土的強度達到42.0 MPa可進行脫模。第二階段：脫模后的大管樁放入水池養(yǎng)護4 d出水養(yǎng)池。第三階段：出水養(yǎng)池后露天環(huán)境下進行自然養(yǎng)護，自然養(yǎng)護達到60.0 MPa出廠強度要求。

2017年5月開展了免蒸養(yǎng)工藝試驗，平均環(huán)境溫度為21℃，將生產(chǎn)的大管樁管節(jié)放入養(yǎng)護池進行保溫養(yǎng)護，分別測試了不同養(yǎng)護時間的環(huán)境溫度、養(yǎng)護池溫度及養(yǎng)護池與環(huán)境溫差，見圖1。

圖1 環(huán)境溫度和養(yǎng)護池的溫度監(jiān)測結(jié)果Fig.1 Monitoring results of ambient temperature and maintenance pool temperature

由圖1可以看出，當養(yǎng)護時間為12 h時，養(yǎng)護池內(nèi)各時間段的溫升為0～23.6℃，其平均溫升9.8℃；當養(yǎng)護時間為24 h時，養(yǎng)護池內(nèi)各時間段的溫升為0～23.6℃，其平均溫升15.5℃。因此，通過養(yǎng)護池保溫養(yǎng)護作用，并在水泥水化放熱的作用下，養(yǎng)護池溫度均不斷增加，可明顯提高混凝土早期強度。

2.2 混凝土性能試驗

1）抗壓強度

按照大管樁制作工藝生產(chǎn)大管樁管節(jié)，分別成型了抗壓強度和耐久性試塊，進行免蒸養(yǎng)養(yǎng)護、蒸汽養(yǎng)護和自然養(yǎng)護3種養(yǎng)護方式的同條件養(yǎng)護，養(yǎng)護到規(guī)定齡期時，測試混凝土的抗壓強度和耐久性，測試結(jié)果如表6所示。測試結(jié)果表明，免蒸養(yǎng)大管樁混凝土的12 h的脫模強度達到55.0 MPa，大于規(guī)范42 MPa的質(zhì)量要求，且后期強度不斷增加，7 d抗壓強度大于70 MPa，滿足拼接張拉的質(zhì)量要求，28 d混凝土抗壓強度進一步增加，抗壓強度超過80 MPa。采用免蒸養(yǎng)工藝技術(shù)的不同齡期混凝土抗壓強度高于蒸汽養(yǎng)護混凝土，而自然養(yǎng)護的大管樁混凝土12 h抗壓強度為40.0 MPa，不能滿足規(guī)范脫模強度要求。

表6 大管樁混凝土抗壓強度測試結(jié)果Table 6 Test results of concrete compressive strength of large pipe piles MPa

2）耐久性

分別測試了不同養(yǎng)護方式的混凝土不同齡期的電通量，測試結(jié)果如表7所示。

表7 不同養(yǎng)護方式大管樁電通量測試結(jié)果Table 7 Test results of electric flux of large pipe piles under different curing modesC

采用免蒸養(yǎng)工藝大管樁混凝土的28 d電通量1 216 C，滿足規(guī)范不大于1 500 C的質(zhì)量要求，隨著齡期的增長，混凝土的電通量進一步降低，90 d電通量小于1 000 C。因此，開發(fā)研制大管樁混凝土具有良好的耐久性，而采用蒸汽養(yǎng)護和自然養(yǎng)護的大管樁混凝土的電通量相對較大。

3）掃描電子顯微鏡試驗

采用日本電子光學公司JSM-5600LV低真空掃描電子顯微鏡，觀察養(yǎng)護90 d齡期的混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)形貌，如圖2所示。可以看出，放大倍數(shù)為600倍的照片表明骨料與水泥水化產(chǎn)物晶體界面無裂縫和缺陷產(chǎn)生，形成均勻和致密體系；放大倍數(shù)為15 000倍掃描電鏡照片表明，形成由板狀氫氧化鈣、云狀的C-S-H凝膠等水化產(chǎn)物致密體系，使混凝土強度和耐久性大幅度增加，免蒸養(yǎng)混凝土具有較高的抗壓強度、劈拉強度，并具有良好的抗氯鹽侵蝕和抗凍性能。

圖2 混凝土掃描電子顯微鏡照片F(xiàn)ig.2 Scanning electron microscope photographs of concrete

3 工程應用試驗

3.1 工程概況

寧波-舟山港梅山港區(qū)6號至10號集裝箱碼頭工程位于梅山島東南側(cè)，青龍山西側(cè)，已建一期工程東北側(cè)的深水岸線段，碼頭前方為梅山港區(qū)進港航道。碼頭由碼頭平臺、變電所平臺和引橋組成，碼頭平臺采用整體寬平臺的結(jié)構(gòu)形式，采用高樁梁板結(jié)構(gòu)，排架間距為10 m?；鶚恫捎忙? 200 mm組合管樁，組合管樁樁長為77～85.5 m，上管節(jié)采用φ1 200 mm的后張法預應力混凝土大管樁（樁長68 m、B32-2型），下管節(jié)為φ938 mm的鋼管樁。

3.2 大管樁出廠性能檢驗

1）抗壓強度

2017年9月，進行了免蒸養(yǎng)大管樁管節(jié)的生產(chǎn)，測得混凝土的維勃稠度為29 s，進行離心、振動和輥壓三復合工藝成型管節(jié)，并將成型的管節(jié)放入保溫養(yǎng)護池進行養(yǎng)護，8 h后脫模并進行水養(yǎng)護4 d，放入堆場進行自然養(yǎng)護。測試了同條件養(yǎng)護各齡期抗壓強度如表8所示。可以看出，混凝土8 h抗壓強度達到61.1 MPa，即滿足脫模強度要求。

表8 免蒸養(yǎng)大管樁混凝土抗壓強度Table 8 Compressive strength of concrete for non-steam large pipe pile

2）耐久性

分別測試了28 d、56 d和90 d的大管樁混凝土的電通量為1 305 C、1 208 C和908 C，可以看出，免蒸養(yǎng)大管樁混凝土28 d電通量滿足規(guī)范不大于1 500 C的質(zhì)量要求。

3.3 大管樁抗彎結(jié)構(gòu)試驗

按照《港口工程后張預應力混凝土大管樁設(shè)計與施工規(guī)程》、GB/T 50152—2012《混凝土結(jié)構(gòu)試驗方法標準》的有關(guān)規(guī)定，進行了養(yǎng)護14 d的D1200B32-2免蒸養(yǎng)大管樁抗彎結(jié)構(gòu)試驗，測得免蒸養(yǎng)大管樁抗裂彎矩為1 786 kN·m，大于抗裂彎矩設(shè)計值1 640 kN·m的要求。因此，免蒸養(yǎng)大管樁具有較高的抗彎性能，且免蒸養(yǎng)大管樁的后期力學性能將持續(xù)增長，其抗彎性能將進一步提高。

3.4 沉樁情況

開發(fā)研制的免蒸養(yǎng)大管樁在寧波-舟山港梅山港區(qū)6號至10號集裝箱碼頭工程進行了沉樁試驗，采用D138錘二檔沉樁，樁頂設(shè)20 cm紙墊，最終貫入度控制在3 mm/擊，沉樁結(jié)束后樁頂樁身完好無損，樁身完整無裂縫，樁基檢測結(jié)果良好，免蒸養(yǎng)大管樁具有良好的抗錘擊性能，可有效提高大管樁的耐久性。

4 結(jié)語

通過對混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計及性能試驗研究，并開展了大管樁免蒸養(yǎng)生產(chǎn)工藝和工程應用性試驗研究，成功開發(fā)出免蒸養(yǎng)大管樁生產(chǎn)工藝技術(shù)。免蒸養(yǎng)大管樁混凝土的抗壓強度滿足規(guī)范要求，具有較高的早期強度、后期強度，并具有良好的耐久性，有效改善了大管樁的性能，可滿足大管樁早期脫模強度和生產(chǎn)技術(shù)要求。開發(fā)研制的免蒸養(yǎng)大管樁在工程中的應用情況表明，大管樁的力學性能滿足有關(guān)規(guī)范要求，具有較高的耐久性，大管樁沉樁未出現(xiàn)裂縫，具有良好的抗錘擊性能，現(xiàn)場沉樁效果良好。免蒸養(yǎng)大管樁生產(chǎn)工藝保證和提高了大管樁性能以及模板周轉(zhuǎn)，可節(jié)約成本和節(jié)能環(huán)保，具有顯著的經(jīng)濟和社會效益。