綠色高性能混凝土在管樁行業(yè)應(yīng)用探討

李娟科，王 敏

(湖南寧華混凝土制品有限公司，湖南 寧鄉(xiāng) 410600)

0 前 言

自從1824年水泥混凝土誕生以來，水泥混凝土是工程建設(shè)中應(yīng)用最廣，用量最多的工程材料，在今后相當(dāng)長的一段時(shí)期內(nèi)，尚無可以替代的產(chǎn)品。據(jù)中國混凝土網(wǎng)的不完全統(tǒng)計(jì)，2017年我國的商品混凝土總產(chǎn)量為22.98億 m3，比上一年增長3.11%。

混凝土管樁作為一種新興的混凝土制品，發(fā)展十分迅速，成為混凝土制品行業(yè)中的一個(gè)重要分支，同時(shí)也是混凝土用量大戶。全國每年超過3億m的管樁，需要消耗大量的水泥混凝土材料。大量水泥混凝土的應(yīng)用帶來相關(guān)的資源、能源與環(huán)境問題十分突出，在目前政府比以往更加重視環(huán)境保護(hù)，混凝土生產(chǎn)過程中的若干資源出現(xiàn)了供應(yīng)短缺，人們意識(shí)到無節(jié)制地濫用資源已經(jīng)導(dǎo)致混凝土行業(yè)出現(xiàn)危機(jī)時(shí)，我們應(yīng)該反思：混凝土材料如何才能實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

1 管樁行業(yè)混凝土應(yīng)用現(xiàn)狀

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2016年全國的管樁產(chǎn)量超過了3億m，形成了一個(gè)新興的行業(yè)。無論是預(yù)應(yīng)力混凝土管樁(PC管樁)、預(yù)應(yīng)力混凝土薄壁管樁(PTC管樁)和預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁(PHC管樁)，其基本材料都是混凝土。在一般情況下，各種混凝土管樁的混凝土強(qiáng)度為C50～C80。

由于工業(yè)化專業(yè)化生產(chǎn)，管樁生產(chǎn)中混凝土砂石骨料質(zhì)量控制和管理較好，配合比各項(xiàng)指標(biāo)控制較好，原材料計(jì)量較準(zhǔn)確，總體而言，混凝土質(zhì)量控制好于現(xiàn)場(chǎng)攪拌混凝土。由于畢竟管樁行業(yè)每年消耗的混凝土量巨大，對(duì)于自然資源的消耗仍然是不可忽視的。

目前管樁企業(yè)在較高強(qiáng)度混凝土的生產(chǎn)中，主要添加的材料為硅砂粉，而在普通混凝土中常用的粉煤灰、礦粉等添加物很少使用。為了規(guī)范硅砂粉的使用，編制了行業(yè)規(guī)范《預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁用硅砂粉》(JC/T950-2005)。

管樁對(duì)于混凝土的要求主要是兩個(gè)方面：強(qiáng)度和耐久性。管樁的強(qiáng)度一般不低于C60，屬于高強(qiáng)混凝土，在目前工業(yè)化生產(chǎn)條件下不難達(dá)到。由于管樁的使用條件常常在對(duì)混凝土有一定腐蝕作用的環(huán)境中，因此，管樁的耐久性要求比普通混凝土更為突出。

為了解決管樁混凝土的強(qiáng)度和耐久性問題，綠色高性能混凝土的推廣是很有必要的。

2 綠色高性能混凝土在管樁行業(yè)的應(yīng)用

中國混凝土學(xué)會(huì)將高性能混凝土定義為：以耐久性和可持續(xù)發(fā)展為基本要求并適合工業(yè)化生產(chǎn)與施工的混凝土。 與傳統(tǒng)高強(qiáng)度混凝土重點(diǎn)關(guān)注強(qiáng)度指標(biāo)不同，高性能混凝土把耐久性指標(biāo)放在首位，通過對(duì)水泥基混合料硬化前后各種性能的改善，提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性和強(qiáng)度。高性能混凝土的特點(diǎn)是通過摻加細(xì)磨的礦物細(xì)摻料實(shí)現(xiàn)混凝土的低孔隙率、高密實(shí)度。

吳中偉院士認(rèn)為，混凝土能否長期作為最主要的建筑結(jié)構(gòu)材料，取決于能否成為綠色材料，多年以來的基本建設(shè)的快速發(fā)展，通過礦山開采、挖取河砂已經(jīng)造成了大量的環(huán)境問題?，F(xiàn)在到了必須重視這個(gè)問題的時(shí)候了。吳院士提出了綠色高性能混凝土(Green High Performance Concrete，簡稱GHPC)的概念。GHPC 應(yīng)具有下列特征：減少對(duì)自然資源的占用，減少水泥用量，減少自然資源的占用和環(huán)境污染；充分利用工業(yè)廢渣為主的細(xì)摻料；發(fā)揮高性能混凝土性能強(qiáng)度高、耐久性好的優(yōu)勢(shì)，減少混凝土用量；擴(kuò)大在較低標(biāo)號(hào)的混凝土生產(chǎn)中高性能混凝土的生產(chǎn)和應(yīng)用，擴(kuò)大GHPC的應(yīng)用范圍[1-2]。

綠色高性能混凝土強(qiáng)調(diào)的是混凝土的綠色含量，減少自然資源的消耗，減少排放，關(guān)注混凝土的可持續(xù)發(fā)展。綠色高性能混凝土由于具有良好的工程性能，而且具有資源節(jié)約性和環(huán)境友好性，已成為國內(nèi)外的產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向。管樁行業(yè)作為混凝土用量很大的產(chǎn)業(yè)，應(yīng)該加快研究應(yīng)用綠色高性能混凝土，滿足經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要，是水泥管樁行業(yè)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。

活性粉末混凝土，也稱超高性能混凝土(UHPC)實(shí)現(xiàn)了超高的力學(xué)性能和超高的耐久性，實(shí)現(xiàn)了水泥基材料近幾十年來最具創(chuàng)新性的改進(jìn)，也是國內(nèi)外混凝土材料的研究熱點(diǎn)。UHPC以遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于普通混凝土的孔隙率，使用增強(qiáng)纖維提高材料的韌性，其強(qiáng)度和耐磨性能遠(yuǎn)高于普通混凝土。目前，UHPC在結(jié)構(gòu)和橋梁已經(jīng)有了一些實(shí)際應(yīng)用，而且效果很好。不過，對(duì)于混凝土管樁，由于不需要很高的強(qiáng)度，只是對(duì)于耐久性的要求更高，因此，中等強(qiáng)度的高性能混凝土在管樁中的應(yīng)用也許具有更高的利用價(jià)值。

3 管樁行業(yè)實(shí)現(xiàn)GHPC的途徑

3.1 利用工業(yè)廢渣細(xì)摻料，降低水泥用量

混凝土生產(chǎn)中的所有原材料(水泥、砂、石)都要占用大量的自然資源，水泥是資源消耗、能耗和環(huán)境污染最嚴(yán)重的一種?；炷辽a(chǎn)過程中，排放大量的CO2和SO3，降低水泥用量對(duì)實(shí)現(xiàn)綠色混凝土最直接有效的途徑。比較有效的措施是充分利用工業(yè)廢渣(如粉煤灰、礦粉等)，在配制混凝土?xí)r加入較大量礦物細(xì)摻料，降低混凝土中的水泥用量，可降低水泥凝結(jié)過程中的溫升，改善工作性能，提高后期強(qiáng)度。并通過改善混凝土的密實(shí)度，改善混凝土應(yīng)對(duì)外部環(huán)境影響的能力。國外將這種混合材料稱為輔助膠凝材料，是高性能混凝土不可缺少的組分?？茖W(xué)地大量使用礦物細(xì)摻料，降低混凝土中的水泥用量，既可以增加混凝土的密實(shí)度，提高耐久性，又可減少對(duì)水泥用量的需求；既可減少水泥生產(chǎn)時(shí) CO2的排放，又因大量利用其他工業(yè)廢料而減少排放有利于保護(hù)環(huán)境。國內(nèi)這些年的實(shí)踐表明，應(yīng)用大摻量粉煤灰和礦渣作為水泥替代材料，是滿足國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的需要，而不用增加水泥產(chǎn)量的有效措施。

我國于2015年頒布了國家標(biāo)準(zhǔn)《活性粉末混凝土》(GB/T31387-2015)，規(guī)定了活性粉末混凝土的原材料、配合比設(shè)計(jì)、制備與運(yùn)輸、養(yǎng)護(hù)、試驗(yàn)方法、檢驗(yàn)規(guī)則。在管樁行業(yè)實(shí)現(xiàn)綠色混凝土的轉(zhuǎn)變過程中，還應(yīng)該進(jìn)行摻入料的品種，細(xì)度和摻入量對(duì)于混凝土性能影響的研究，使綠色高性能混凝土在管樁行業(yè)能夠得到更廣泛的應(yīng)用。

3.2 合理地選用外加劑

合理地使用混凝土外加劑在改善混凝土的性能方面有著不可替代的作用，綠色高性能混凝土推廣有賴于各種混凝土外加劑的研制和成功應(yīng)用。合理地選用混凝土外加劑可以減少水泥用量，按要求改善混凝土的力學(xué)性能、施工性能，提高混凝土的耐久性。應(yīng)該研究改進(jìn)摻入細(xì)磨料之后的混凝土性能的外加劑，促進(jìn)磨細(xì)礦渣、粉煤灰及硅灰等的應(yīng)用，有助于推廣摻入較大量細(xì)磨料的混凝土應(yīng)用。

3.3 合理選用增強(qiáng)纖維的品種和用量

普通混凝土其抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于抗壓強(qiáng)度，因脆性而容易產(chǎn)生裂縫是其固有的弱點(diǎn)，影響了工程的使用壽命。隨著我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)的高速發(fā)展，建筑技術(shù)的不斷進(jìn)步，高層建筑、高架路橋、地鐵交通等都對(duì)混凝土的性能提出了高抗拉抗壓、高韌性、高抗裂等更高的要求。在混凝土性能改良的過程中，纖維增強(qiáng)混凝土的應(yīng)用就順理成章了。在管樁行業(yè)中，預(yù)應(yīng)力管樁的預(yù)應(yīng)力施加就是對(duì)管樁施加預(yù)加的壓應(yīng)力來抵抗吊裝、沉樁和使用過程中樁身出現(xiàn)的拉應(yīng)力，而不至于使樁身開裂。纖維增強(qiáng)混凝土，即在普通混凝土中摻加聚合物纖維、鋼纖維等，這有利于改變混凝土固有的抗拉抗裂性能較差的特點(diǎn)。尤其是聚合物纖維增強(qiáng)混凝土，混凝土中分散的增強(qiáng)纖維可大大減緩材料內(nèi)部微裂縫的擴(kuò)展，從而使材料表現(xiàn)出超高的韌性和延性性能。不僅保留甚至增強(qiáng)了混凝土高抗壓強(qiáng)度的特點(diǎn)，又大大增加其抗裂性能、韌性，使混凝土更加符合現(xiàn)代土木工程對(duì)材料性能的要求。

4 綠色高性能混凝土的研究展望

4.1 加強(qiáng)對(duì)綠色高性能混凝土配套技術(shù)的研究開發(fā)

著重解決高性能混凝土和綠色高性能混凝土由于低水膠比引起的自收縮問題，由于高強(qiáng)度帶來的脆性問題等。除了改善膠凝材料的性能外，研究新型的外加劑和纖維增強(qiáng)混凝土應(yīng)該是合理的思路。

4.2 提高混凝土材料的綠色度

混凝土的主要原料水泥的生產(chǎn)，不僅原材料需要大量的自然資源，生產(chǎn)過程消耗大量的能源，還會(huì)產(chǎn)生大量的廢物排放。因此，倡導(dǎo)綠色混凝土，必須采用有效措施減少水泥的使用量。在混凝土中科學(xué)地加大細(xì)磨粉煤灰等摻合料的用量，既可以改善混凝土性能，又可減少水泥用量；還可做到工業(yè)廢料的再利用、減少水泥生產(chǎn)時(shí)廢物的排放。

4.3 降低高性能混凝土的成本

目前，高性能混凝土的成本明顯高于普通混凝土高，使用成本較高是混凝土新技術(shù)推廣的一個(gè)主要障礙。與此同時(shí)，研究表明，高性能混凝土不等于高成本，在新技術(shù)，新工藝條件下，降低高性能混凝土的生產(chǎn)成本是可以實(shí)現(xiàn)的。按照2017年生產(chǎn)混凝土約23 億m3，即使每m3混凝土生產(chǎn)成本降低1元左右，便能節(jié)約人民幣23億元。只有通過技術(shù)研究和創(chuàng)新，有效地降低生產(chǎn)成本和使用成本，才能夠使高性能混凝土得到廣泛的應(yīng)用。

4.4 綠色高性能混凝土下預(yù)應(yīng)力管樁的預(yù)應(yīng)力度的調(diào)整

預(yù)應(yīng)力管樁的預(yù)應(yīng)力施加是為了使管樁在使用過程中不至于因受拉而出現(xiàn)裂縫，這是由于普通混凝土固有的抗拉強(qiáng)度低的特點(diǎn)決定的。在高性能混凝土應(yīng)用后，在混凝土本身的抗裂能力有所提升，管樁的應(yīng)用范圍可以更加廣泛，可以更多地用于受彎或者受拉的領(lǐng)域，比如基坑支護(hù)等方面。或者，在常規(guī)的應(yīng)用范圍內(nèi)，管樁的預(yù)應(yīng)力度是不是可以降低，是不是可以通過減少預(yù)應(yīng)力鋼筋數(shù)量或者降低預(yù)應(yīng)力鋼筋的拉伸應(yīng)力，這些都是在綠色高性能混凝土應(yīng)用之后管樁行業(yè)可以研究的問題。

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