一种利用硅灰制备免蒸压PHC管桩的方法

孙朋伟，殷勇，董福成，宋心，包贵安

（1. 陕西秦汉恒盛新型建材科技股份有限公司，陕西 咸阳 712000；2. 商南县鹿柏商砼有限公司，陕西 商洛 726300）

0 前言

混凝土管桩作为一种重要的桩基材料，因其承载力高、施工快捷方便、施工工期短、经济环保等诸多优点[1]，在许多大型工程地基处理中得到了广泛的应用。随着近年来国家经济建设持续快速的发展，造成了市场对预应力管桩的需求急速增长，预应力混凝土管桩行业得到了快速发展，同时也对 PHC 管桩在节能环保、性能、质量以及经济性方面提出了更高的要求。

当前，大多数管桩生产企业在管桩生产中采用两段式养护，即蒸汽养护和蒸压养护，其中蒸汽养护是在 80～95℃ 下常压养护，蒸压养护在 0.9～1.0MPa、170～180℃ 条件下加压养护，该养护制度可使管桩在一个养护周期内基本达到出厂强度，但也存在一定的弊端：

一是养护过程中能耗较高，整个养护过程能耗占管桩生产总能耗的 90% 以上，蒸压养护占据其中的 80%以上[2]，大量消耗不可再生的煤、石油、天然气等能源。

二是蒸压养护工艺使混凝土内部结构形成速度加快，晶体结构中粗大晶粒占大多数，导致内部晶胶比偏大，造成管桩脆性大，长期耐久性差[3]。

三是蒸压养护使用的蒸压釜前期投资大、维养成本高，同时作为压力设备本身也存在着一定的安全隐患。

我公司已有以水泥单掺矿粉为胶凝材料的免蒸压PHC 管桩技术，本试验是在现有配合比中加入一定量的硅灰，使其在蒸汽养护 4h 后，1d 内强度达到 80MPa以上，3d 强度达到 85MPa 以上。该技术不但可以降低单方水泥用量、增强管桩早期强度、减短蒸养时间、提高生产效率，同时避免因高温高压蒸养导致管桩脆性增大所产生的裂纹，提高管桩的耐久性。

1 原材料

（1）水泥：P·O52.5R 水泥，陕西省宝鸡市扶风县冀东水泥有限公司，水泥的物理性能和矿物组成如表 1和表 2 所示。

表 1 水泥物理性能

（2）砂：咸阳武功天然河砂，Ⅱ区中砂，含泥量1.8%，细度模数 2.8。

（3）天然碎石 1：咸阳泾阳，5～16mm 连续级配，含泥量 0.3%，压碎指标 9.8%，针片状含量 5.3%。

（4）天然碎石 2：咸阳泾阳，16～31.5mm 单级配，含泥量 0.2%，压碎指标 10.8%，针片状含量6.1%。

（5）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 76%，28d 活性指数98%。

（6）硅灰：北京正源益新材料技术有限公司生产，需水量比 99%，活性指数 106%。

（7）减水剂：江苏博特早强型聚羧酸高性能减水剂，密度 1.05g/cm3，含固量 14.5%，减水率 28%，推荐掺量 2.0%。

表 2 水泥的矿物组成 %

2 正交试验

2.1 试验过程

因我公司已有利用水泥+矿粉生产免蒸压 PHC 管桩的技术，此次研究是在该工艺的基础上，通过掺入硅灰对配合比进行优化，以期提高管桩早期强度和强度富余系数，减少养护时间。根据现有的原材料情况、生产实际及前期试验积累的数据，设计容重为 2550kg/m3，单方用水量取 120kg，大小石子比例为 4:6，砂率均取32%，减水剂掺量为 2.0%。采用三因素三水平正交试验，正交设置如表 3 所示。

表 3 正交试验因素水平表 kg/m3

具体试验配合比设计如表 4 所示。

表 4 试验配合比 kg/m3

试验采用机械搅拌，控制混凝土出机坍落度为(140±20)mm，15min 坍落度损失不大于 20mm，30min坍落度保留值不大于 100mm（以上坍落度控制值设置的目的是保证 15min 以内有适宜的坍落度保证施工，30min 后合模完成进入离心阶段，应保证较小的坍落度以保证在离心过程中桩体不会坍塌），保证混凝土无离析、泌水、抓底。

因高强度等级混凝土水胶比较低、粘度较大，为便于实际生产施工操作，试验过程中也将混凝土出机时的倒提时间作为一个参考指标。

出机观察 30min 后采用振动成型，分别留置 (150×150×150)mm3试件两组放置于成型室内，成型后 (24±1)h 拆模，将混凝土试件放置于蒸汽养护箱内进行蒸养，蒸养制度为：蒸汽养护箱内温度为 (30±2)℃ 时将试件放入，匀速升温 4h 至 (90±1)℃，恒温 4h 后关闭蒸汽养护箱，试件自然冷却至室温后进行自然养护，分别试压蒸压后 1d 及 3d 抗压强度。混凝土拌合物情况及试压结果如表 5 所示。

表 5 混凝土拌合物情况及试压结果

根据试验结果可知：加入硅灰后，混凝土出机和易性普遍良好，粘度明显降低，无泌水抓底现象，15min及 30min 坍落度保留值满足试验设计要求。蒸养后 1d强度可达 80MPa 以上，3d 强度可达到 85MPa 以上，强度发展曲线如图 1 所示。

图 1 蒸养后 1d、3d 抗压强度

2.2 正交试验分析

根据上述 2.1 部分正交试验结果，对 3d 抗压强度结果进行正交试验分析，具体结果如表 6 所示。

直接比较表 5 可知，9 号试验组的抗压强度为最高，其水平组合为 A3、B3、C2，通过表 6 中 R 值的大小可看出试验中各因素存在显著性顺序，其主次关系为B＞A＞C，即影响抗压强度的因素最主要的是硅灰用量，其次是水泥用量，再次是矿粉用量。

综合考虑混凝土和易性、施工性、强度及经济性等因素，选择 6 号试验组作为最优配比，鉴于管桩生产工艺的特殊性，试验室无法完全模拟实际生产的全过程，遂对 6 号试验组进行中试。

表 6 正交试验结果分析

3 中试

中试试验选取表 4 中 6 号试验组配比，单方用水量以实测砂、石含水率进行扣除，外加剂掺量根据生产实际调整为 1.8%。

具体生产工艺流程如下：

步骤 1：按照配合比将各自原料按照先骨料再粉料后液剂的顺序投入搅拌机，搅拌 180s 以上，坍落度控制为 (140±20)mm，和易性应良好。

步骤 2：将步骤 1 中制备好的混凝土喂料入模，合模，张拉。

步骤 3：将步骤 2 的管桩带模放入离心机离心成型，离心方式为：低速 120 转/min，持续 2min；中速300 转/min，持续 4min；高速 420 转/min，持续 6min。

步骤 4：排浆，将离心过程中产生的余浆充分排除。

步骤 5：常压养护制度：离心并排浆成型后，管桩带模在 (30±5)℃条件下静停 1h，然后 2.5h 升温至90℃ 并恒温养护 4h。

步骤 6：从养护池取出，脱模后自然环境下冷却。

中试共制作试验桩 5 条，每条桩取样并成型标准试件 3 组，试件跟随试验桩进入蒸养池进行同条件蒸养，蒸养结束后，对试验桩进行 1d、3d、28d 回弹，对每条试验桩成型的试件分别试压蒸养后 1d、3d、28d 抗压强度。具体回弹及抗压强度见表 7。

试验结果表明：采用表 4 中 6 号组配合比，在现有生产工艺下，严格按照配合比进行生产，蒸养后桩体回弹强度和试件抗压强度在 1d 即可达到 80MPa 以上，满足免蒸压工艺要求，后期在自然环境下进行养护，强度仍会有缓慢增长。

表 7 试验桩回弹及成型试件抗压强度结果

4 结论

（1）硅灰的高细度使其在混凝土中有良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，从而提高硬化体的早期和后期抗压强度。

（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，但硅灰的取代量宜在 5%～9%之间[4]，本试验最优配比中硅灰取代率约为 9%。

（3）添加硅灰后，在保证强度的前提下，可以降低水泥和其他掺合料的用量，且实现免蒸压后，经粗略测算，生产每米管桩的用气量可降低 50% 以上，用气成本可降低 2～3 元，综合成本降低 3～4 元/m，具有明显的社会效益和经济效益。