不同养护方式对混凝土管桩耐久性影响的试验与分析

薛利俊，陈芳斌，杨牧，李斌斌

（建华建材（中国）投资有限公司，江苏 镇江 212000）

0 引言

目前，PHC管桩在建筑地基中应用较为广泛。但我国幅员辽阔，地质条件复杂，地下混凝土管桩结构受氯离子、硫酸盐和冻融影响严重，造成混凝土结构被破坏，最终影响管桩的使用寿命，严重危害建筑物的使用安全，因此PHC混凝土管桩的耐久性倍受关注。随着新工艺和新材料的不断应用，在管桩生产中，有了高温高压蒸汽养护方式，大大提高了效率；为在安全且不影响效率的情况下节省蒸汽成本，有了掺入矿物掺合料的免蒸压养护方式。本文主要研究了不同养护方式对混凝土管桩结构耐久性的影响，并试着寻找管桩蒸汽养护温度与混凝土管桩耐久性的关系。

1 实验方案

1.1 试验原材料及基准配合比

（1）水泥：采用江南小野田公司生产的P·Ⅱ52.5R级硅酸盐水泥，其基本性能指标见表1。

（2）矿粉：采用S95级矿渣微粉，比表面积为430 m/kg，表观密度为2.8 g/cm。

（3）细集料：采用赣江黄砂，堆积密度1 440 kg/m，表观密度2 680 kg/m，细度模数为2.8。

（4）粗集料：采用长安石料厂生产的5~25 mm连续级配的石灰石碎石，压碎值为6.7%。

（5）减水剂：采用高性能聚羧酸减水剂，减水率为22%，含固量为20%。

（6）拌和用水：自来水。

（7）配合比：按 JGJ55-2011，《普通混凝土配合比设计规程》进行混凝土配合比设计，矿粉掺量为20%，水胶比为0.26，砂率为0.37，采用绝对体积法，坍落度为30~50 mm，具体配合比如表2所示。

表1水泥的基本性能

表2混凝土配合比

1.2 试块的制作方法和养护制度

试件按照GB/T50081《普通混凝土力学性能试验方法标准》中的规定进行制作，测定电通量和氯离子扩散系数，采用直径为100 mm,厚度为50 mm的圆柱体试块，测定抗冻性，采用100 mm×100 mm×400 mm棱柱体试块。

养护方式分别为标准养护、免蒸压养护和二次蒸养养护。具体的养护制度：标准养护为试块在温度 （20±2）℃，湿度为95%以上的标准养护室中养护；免蒸压养护为试块在恒温为80℃的蒸汽条件下，恒温蒸养6小时6分钟，升温控制在20℃/h，降温控制在20℃/h，共12小时6分钟；二次蒸养养护为试块先在恒温为85℃的蒸汽条件下，恒温蒸养5小时48分钟，升温控制在20℃/h，降温控制在20℃/h，然后再在恒压为1.0 MPa，恒温为180℃的高温高压蒸汽条件下，恒温、恒压2 h，升压控制在0.5 MPa/h，降压控制在0.5 MPa/h，共18小时18分钟。为了更好地对比不同养护方式对混凝土管桩耐久性的影响，试块同时制作，同时养护。标准养护根据实验的需要确定龄期，免蒸压、二次蒸养养护结束后，对应相应的标准养护龄期再进行标准养护。

2 不同养护方式下混凝土管桩抗氯盐侵蚀性能的区别

三种养护制度下，按照基准混凝土配方制作的混凝土管桩试块的电通量，测试结果如表3所示。采用NT BUILD 443测试三种养护制度混凝土管桩试块的扩散系数如表4所示。具体评定标准见表5和表6。

根据上述试验结果，按照JGJ/T193-2009《混凝土结构耐久性检验评定标准》中给出的抗氯离子渗透等级划分标准，标准养护、免蒸压养护的PHC桩混凝土耐久性很好，二次蒸养养护的PHC管桩混凝土耐久性较好。同时，从表3和表4也可以看出，常压蒸汽养护和二次蒸养均对管桩混凝土抗氯离子渗透性具有一定的影响。

表3三种养护方式留样混凝土的电通量

表4三种养护制度下混凝土的扩散系数

表5 28 d龄期中混凝土抗氯离子渗透性能的等级划分（电通量法）

表6 对应84 d龄期中混凝土抗氯离子渗透性能的等级划分（RCM法）

表7 PHC管桩混凝土抗冻试验结果

3 不同养护方式下混凝土管桩抗冻性的区别

表7是按照基准混凝土配方制作的混凝土管桩试块抗冻试验结果。对于标准养护条件下的混凝土，抗冻等级能达到F800以上，具有较高的抗冻性。免蒸压养护条件下的混凝土，抗冻等级达到F400，能满足管桩混凝土的抗冻要求。而在二次蒸养养护条件下的混凝土，经100次冻融循环后试块已经出现了宏观可见的裂缝，此时混凝土动弹性模量已经下降到70%，此后150次冻融循环后动弹模降低到60%以下，试块硬化水泥石已经被严重冻融剥蚀，表面骨料之间的浆体出现严重脱落，表面出现很多小坑，试件破坏，见图1。可以看出，蒸养虽然加速了胶凝材料的水化反应过程，却对混凝土微观孔隙结构的形成带来不利影响，经过蒸养，混凝土的孔隙率变大，直接导致抗冻性下降。

图1冻融试验前后的二次蒸养养护试块

针对按照基准混凝土配方制作的混凝土管桩试块，在二次蒸养养护条件下抗冻试验结果不理想的情况，调整了配方和养护工艺，再次进行了PHC管桩混凝土抗冻试验。试验结果见表8。在新的配方中加大了矿物掺合料的掺量，具体配方见表9。同时优化了高压蒸养养护制度，降低了常压蒸养温度和升降温速率。优化后的高压蒸养养护制度为,试块先在恒温为75℃的蒸汽条件下恒温蒸养6小时30分钟，升温控制在15℃/h，降温控制在15℃/h，然后再在恒压为1.0 MPa、恒温为180℃的高温高压蒸汽条件下，恒温、恒压2 h，升压控制在0.4 MPa/h，降压控制在0.4 MPa/h，共20小时48分钟。

本次试验说明：虽然前面研究结果证实蒸汽养护对混凝土抗冻性带来不利影响，但不论是免蒸压养护还是二次蒸养养护，只要严格控制原料、混凝土配方并制定合理的养护制度，可以将蒸汽养护的不利影响控制在可以接受的程度。无论是采用二次蒸养养护工艺还是免蒸压养护工艺均可生产出抗冻性较高的PHC管桩。

4 不同蒸养温度对混凝土管桩耐久性的影响

选择管桩在恒温阶段所受的蒸汽温度与时间的积490℃·H进行混凝土蒸养温度对PHC管桩性能影响的研究，蒸养温度取65~90℃，具体的养护制度设置如下：

（1）养护制度（a）：蒸养温度为 65 ℃，静停 2 h→升温控制在20℃/h→恒温7 h30 min→降温控制在20℃/h；

（2）养护制度（b）：蒸养温度为 70 ℃，静停 2 h→升温控制在20℃/h→恒温7 h→降温控制在20℃/h；

表8 PHC管桩混凝土抗冻试验结果

表9混凝土配合比

（3）养护制度（c）：蒸养温度为 75 ℃，静停 2 h→升温控制在20℃/h→恒温6 h 30 min→降温控制在20℃/h；

（4）养护制度（d）：蒸养温度为 8 0℃，静停 2 h→升温控制在20℃/h→恒温6 h 6 min→降温控制在20℃/h；

（5）养护制度（e）：蒸养温度为 85 ℃，静停 2 h→升温控制在20℃/h→恒温5 h 48 min→降温控制在20℃/h；

（6）养护制度（f）：蒸养温度为 90 ℃，静停 2h→升温控制在20℃/h→恒温5 h 24 min→降温控制在20℃/h。

蒸养制度如图2所示。

图2不同温度的养护制度

不同蒸养温度混凝土电通量的测试结果见表10。从表10可以看出，PHC管桩混凝土随着蒸养温度的增加，混凝土的早期电通量不断减小，但随着龄期的不断增加，蒸养温度较低的混凝土电通量不断减小，逐渐小于蒸养温度较高混凝土的电通量，蒸养温度较低的混凝土具有较低的电通量，这与混凝土抗压强度的趋势基本一致。

表10混凝土电通量测试结果(C)

蒸养温度越高，混凝土的水化反应速度越快，水化产物越多。混凝土早期的电通量较小，但较高养护温度下，水化产物粗化并可能形成微缺陷使混凝土后期的电通量变化较小。尽管较低的蒸养温度也可能产生混凝土内部结构的损伤，但通过后期水化作用，不断填充和修复混凝土中的内部结构，混凝土的电通量减小。因此，过高的蒸养温度对混凝土的后期耐久性有一定的影响，应适当控制蒸养温度。

5 结论

根据以上的研究表明：蒸汽养护和高压蒸养均对混凝土耐久性产生一定的影响，特别是管桩混凝土的抗冻性。但如果严格控制原材料质量、混凝土配合比并制定合理的养护工艺，试验表明两种工艺生产的PHC管桩90 d电通量小于600 C、180 d氯离子扩散系数小于1.0×10~12 m2/s、抗冻等级达到F350以上。这说明二次蒸养和免蒸压工艺均能生产耐久性符合国标要求的PHC管桩。同时通过蒸养温度对PHC管桩混凝土耐久性的影响研究发现：随着蒸汽养护温度的提高，混凝土的耐久性早龄期耐久性提高，而长龄期耐久性下降，因此从耐久性考虑，PHC管桩的蒸养温度要适当控制。

[1]GB13476-2009，先张法预应力混凝土管桩[S].

[2]金伟良，赵羽习.混凝土结构耐久性[M].北京：科学出版社，2002.

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[4]GB/T50082-2009，普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准[S].