养护制度对预应力高强度混凝土管桩脆性及耐久性的影响.pdf

2 0 1 4年 第 1 0期 ( 总 第 3 0 0期 ) N u mb e r 1 0 i n 2 0 1 4 ( T o t a l No 3 0 0 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 混凝土制品 cONCRETE P R0DUCTS d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 4 1 0 0 3 5 养护制度对预应力高强度混凝土管桩脆性及 耐久性的影响 王成启 ，王春明 2 ，周郁兵 ，张宜兵 ( 1 中交上海三航科学研究院有限公司，上海 2 0 0 0 3 2 ；2 中交第三航务工程局有限公司 南京分公司，江苏 南京 2 1 0 0 1 1 ) 摘要 ： 试验研究 了常压蒸养护和高压蒸汽养护工艺生产的预应力高强度混凝 土管桩混凝 土的脆性 和耐久性。 研究结果表 明， 常压蒸养预应力高强度混凝土管桩混凝土的脆性小于高压蒸养混凝土； 常压蒸养预应力高强度混凝土管桩混凝土抗氯盐侵蚀 性能和抗冻性等耐久性高于高压蒸养混凝土。 采用常压蒸养生产预应力高强度混凝土管桩有利于预应力高强度混凝土管桩的抗锤 击性能， 适用于北方冻融和海洋环境。 关键词： 养护 ；常压蒸养；高压蒸养 ；脆性 ；耐久性 中图分类号： T U 5 2 8 0 6 4 文献标志码 ： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 4 ) 1 0 0 1 3 1 - 0 3 E ffe c t o f c ur i n g w a y o n br i t t l e n e s s a n d d ur a bi l i t y o f p r e s t r e s s h i gh c o n c r e t e p i p e p i l e s WANG Che n gq i ， WANG Ch u n mi n g ， ZHOU Yu b i n g 2 ， ZHANG Yi b i n g ( 1 C h i n a C o mmt mi c a t i o n s S h a n g h a i T h i r dHa r b o r E n g i n e e r i n g S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y R e s e arc h I n s t i t u t e C o ， L t d ， S h ang h a i 2 0 0 0 3 2 ， C h i n a ； 2 N i n g B r a n c h P r e c a s t C o n c r e t e F a c t o r yo f C h i n a C o mm u n i c a t i o n s T h i r d H arb o r E n g i n e e r i n g C o ， L t d ， N a n j i n g 2 1 0 0 1 1 ， C h i n a ) Abs t r a c t ： Th e b r i t t l e n e s s a n d d u r a b i l i t y o f pr e s t r e s s h i g h c o nc r e t e p i pe pi l e s o n n o n - -s t e a m a u t o c l a v e d a nd s t e am a u t o c l a v e d we r e e x pe r - - i me nt a l l y s t ud i e dEx pe r i me n t a l r e s ul t s s ho we d t ha t the b rit t l e n e s s o f no n s t e am a u t oc l a v e d c o nc r e t e wa s l e s s t h a n s t e am a u t o c l a ve d c o n c r e t e S Mo r e o v e r ， the c h l o r i n e r e s i s t an t an d f r o s t - r e s i s t anc e p r o pe r t i e s o f n o n- s t e a m a ut o c l a v e d c o n c r e t e we r e b e tte r tha n s t e am a ut o c l a v e d c o n c r e t e S p r e s t r e s s h i gh c o n c r e t e p ip e p i l e s o n n o n - s t e am a u t o c l a v e d e x c e l s i n a n t i h a m me r ， i t wa s a p p l i c a b l e i n e e z e tha w and c h l o r i n e c i r c u ms t an c e Ke ywo r d s ： c u r i n g； n o n s t e am a u t o c l a v e d c o n c r e t e ； s t e am a u t o c l a v e d； b r i tt l e n e s s ； d ura b i l i ty 0 引 言 对于水泥混凝土来 说 ， 在养护温度为( 2 0 + 3 ) 、 相对 湿度为 9 0 以上条件下进行的养护， 称为标准养护。 在 自 然 条件下采取浇水润湿 、 防风防干 、 保温 防冻等措施养护 混凝 土 ， 则属于 自然养护 。 混凝土在标准养护和 自然养护 条件下的硬化速度比较缓慢 ， 混凝土制品通常采用加速水 泥硬化工艺， 其中蒸汽湿热养护较为常用的方法。 随着介 质压力的不 同， 湿热养护又分为常压 、 无压 、 微压及高压湿 热 养护 。 蒸 汽养护 的凝 结放 热 系数很 高 ， 所 以湿热 养护 时均利用蒸汽的凝结放热来加热混凝土。 常压湿热养护时 ， 介 质的温度不超过 1 0 0 ， 相对 湿度 9 0 以上 ， 又称 蒸汽 养护。 高压蒸汽养护则高于 1 O 0 C的饱和蒸汽 中进行 ， 又称 为压蒸养护。 标准养护、 自然养护、 蒸汽养护和压蒸养护是 预应力 高强度混凝土生产过程中经常涉及到 的养护方式。 混凝土养护制度对预应力高强度混凝土管桩混凝土 内部结构及力学性能会产生一定的影响。 温度是决定水泥 收稿 日期 ：2 0 1 4 - - 0 4 1 1 水化作用速度快慢 的重要条件 ， 养护温度高 ， 水泥早期水 化速度快 ， 混凝 土早期强度就高 。 大量 的研究表明口 - 4 ， 混凝 土硬化初期的温度对后期强度有影 响， 混凝土初始养护温 度越高， 其后期强度增进率就越低。 由于温度对混凝土强 度发展产生较 大的影 响 ， 因此 ， 混凝土养护制度也会对 预 应力高强度混凝土管桩的脆性产生影响， 从而影响预应力 高强度混凝土管桩的抗锤击性能。 笔者对标准养护、 蒸汽 养护 和高压蒸养预应力高强度混凝土管桩混凝土预应力 高强度混凝土管桩脆性等力学性能性能进行试验研究与 分析。 1 试 验 过 程 1 1 试验原材料 ( 1 ) 水泥 采用安徽白马山水泥厂生产的P I I 5 2 5 级水泥， 其物 理力学性能指标如表 1 所示 ， 达 到了 G B 1 7 5 2 0 0 7 标准 P I I 5 2 5 级水泥的质量标准 。 1 31 表 1 水泥的物理力学性能指标 ( 2 ) 矿渣粉 采用马钢嘉华 的 $ 9 5 粒化高炉矿渣粉 ， 其物理力学性 能指标如表 2 所示 ， 达到了 G B T 1 8 0 4 6 -2 0 0 8 标准 $ 9 5 粒 化高炉矿渣粉的技术要求 。 表 2粒化高炉矿渣粉的物理力学性能指标 ( 3 ) 砂 采用细度模数 为 2 6的中砂 ， 含泥量为 0 6 ， 泥块含 量为 0 2 。 ( 4) 石 采用 5 2 5 m m 连续级配 的碎石 ( 由 5 1 0 m m 和 1 0 2 5 ln m两级配配制而成 ， 5 1 0 m n l 和 1 0 2 5 mm 的比例为 1 ： 4 ) ， 含泥量为 0 4 ， 泥块含量为 0 1 。 ( 5 ) 外加剂 采用上海华登 H P 4 0 0 高效减水剂。 上海华登 H P 4 0 0 高 效减水剂 的匀质性 的检测结果如表 3 所示。 表 3 高效减水剂性能 1 2西 己 合 比 混凝土的配合 比如表 4 所示 。 表 4混凝土的配合比 ( 水 k g 泥 m 3 ) ( 矿 k g 粉 m3 ) ( k 砂 g m3 ) ( k 石 g m。 ) 减 ( k 水 g m ) ( k 水 g m3 )水胶比 ) ) ) 。 ) 。 ) ) 41 6 1 0 4 71 2 1 1 6 2 4 4 2 1 35 0 2 6 1 3 养护制度 进行蒸汽养护、 高压蒸养( 先蒸养再进行高压蒸养 ) 两 种养护生产预应力高强度混凝土管桩 。 到规定养护龄期 ， 测试预应力高强度混凝土管桩混凝土抗 压强度 、 脆性 和耐 久性指标 。 1 4试 验 方 法 ( 1 ) 试块 的切割与加工 按照预应力高强度 混凝 土管桩 的生产工 艺制作试 验 桩 ， 制作试验桩 的直径为 1 2 0 0 r n m， 长为 1 0 m， 为使切 割 取下的试件内不含钢筋， 将管桩中供割取试件的区域处的 主筋与箍筋去除。 为 了保证切割混凝土试块 的质量 ， 试验桩 加厚 以便于切割 。 切割制 作抗压 强度 、 劈拉强 度 、 弹 性模 量 、 断裂能以及耐久性试件 。 力学性能 抗压 强度 、 劈拉 强度 、 弹性模 量 以及 干燥 收缩 试验 按 J T J 2 7 0 9 8 水运工 程混凝土试 验规 程 的有关 规定 进行 。 1 3 2 断裂能 断裂能试 块尺 寸采用 1 0 0 mmx l O 0 mmx 5 1 5 m m， 测 试前用切割机切 口， 切 口深度为 5 c m。 2 8 d 龄期后 ， 采用同 济大学 闭环反馈控制万能材料试验机进行测试 ， 测试加载 速度为 0 0 2 5 mm mi n 。 根据国际材料与结构试验室联合会 ( R I L E M) 的混凝土断裂力学委员会 的建议 ， 采用三点弯曲 梁测定混凝土断裂能圈 ， 如图 1 所示 。 图 1 三点弯 曲梁测定混凝土断裂能示意图 混凝土 的断裂能按式 ( 1 ) 进行计算 ： Gf - Wo +m g 6 , ( 1 ) Afi g 式 中： 。 荷载与挠度 曲线的包络面积 ， N m； ， 混凝 土梁支撑段 的自重 ； 梁最终破坏时的变形 ； A k 试件的韧带面积 。 ( 2 ) 延性指数 断裂能并不能直接反映材料开裂变形能力的大小 ， 建 议采用延性指数来表示混凝土的开裂变形 的特征 ， 并用来 反 映采 用材 料脆性 程度 的参数 ， 延 性指 数越 小 ， 材 料越 脆 ， 其值可由下式进行计算 ： D = ( 2 ) 式中 ： G 厂断裂能 ； 峰值荷载 。 ( 3 ) 耐久性 电通量试验按 G B T 5 0 0 8 2 -2 0 0 9 普通混凝土长期 性能和耐久性性能试验方法标准 的电通量法 进行 ； 扩散 系数试验 G B T 5 0 0 8 2 -2 0 0 9 ( 普通混凝土长期性能和耐久 性性能试验方法标准 的 R C M 法进行。 2 试验 结果讨论分析 2 1 拉压 比和折压 比 预应力高强度混凝土管桩由于具有强度高， 因而具有 承载力大 ， 抗锤击 性能好等施工特性 。 但混凝土抗压强度 提高并不与抗拉强度成比例增加， 高强混凝土往往脆性较 大 。 混凝 土的拉压 比( 抗拉强 度与抗压 强度 比) 和折压 比 ( 抗 折强度与抗压 强度 比)常常作为评价混凝土脆性的重 要指标 q ， 脆性较大的混凝土具有较小的拉压 比。 免压蒸和二次压蒸养管节切割混凝土 9 0 d 抗压强度 、 劈拉强度、 弹性模量 、 拉压 比的测试结果如表 5 所示。 从表 5 囫 可以看 出， 与免压蒸混凝土相 比较 ， 高压蒸养混凝土的拉压 比和折压比较小 ， 表明高压蒸养混凝土的脆性稍大。 因此 ， 免 压蒸 预应力 高强度 混凝 土管桩混凝土的脆性小于高压蒸 养预应力高强度混凝土管桩 。 表 5 管桩切割混凝土 9 0 d力学性能指标 养护献 黜 M 敲 Pa 撕 M 嫩 Pa 姻E勰E M _P a 一 2 2延 性 指 数 混凝土是准脆性材料 ， 其断裂破坏包括峰值荷载前 的 弹性可逆 能量消耗 、 部分产生微裂纹的不可逆能量耗散及 峰值荷载后 的不可逆能量耗散。 而断裂能作为混凝土材料 最重要 的非线性参数 ， 其值的大小 主要 由峰值荷载后的曲 线决定 的。 而峰值后 的荷载与挠度 曲线对应于混凝土的裂 缝 扩展过程 ， 从 而对混凝土的断裂韧性和断裂能产生一定 地影响。 混凝土断裂能不能完全反映混凝土的脆性的大小 ， 采用延性指数判定混凝土的脆性 的大小 。 为测试混凝土 的断裂能和延性指数 ， 采用 同济大学全 自动万能材料试验 机 ， 进行测试 了免压蒸后标准养护和高压蒸养后标准养护 两种养护制度 的切 口梁的荷载与挠度 曲线 的测试 ， 荷载与 挠度 曲线测试结果如 图 2 所示。 挠 厦 mm 图 2 高压蒸养和免压蒸混凝土切口梁荷载与挠度 曲线 按式 ( 1 ) 和式 ( 2 ) 可计算出两种养护制度混凝土梁 的 断裂能和延性 指数 ， 如表 6 所示。 从表 6 可以看 出， 虽然免 压蒸混凝土与高压蒸养混凝土的断裂能相差较大 ， 但两者 的延性指数相差并不大 ， 免压蒸的预应力高强度混凝土管 桩的延性指数比高压蒸养预应力高强度混凝土管桩混凝 土的延性指数稍大， 表明高压蒸养预应力高强度混凝土管 桩混凝土 比免压蒸混凝土 的脆性稍大 ， 这与混凝土拉压 比 和折压 比的测试结果是一致的。 表 6 管桩切割混凝土 9 0 d断裂能和延性指数 混凝土宏 观力学性能与微观结构密切相关。 经 高温高 压的高压蒸养预应力高强度混凝土管桩混凝土在较短的 时间内形成大量的水化产物， 使混凝土的强度增加， 但形 成的水化产物粗化， 结晶程度相对较差， 使混凝土内凝胶 数量减少 ， 晶体含量增加 ， 混凝土脆性增加 。 2 3耐 久 性 ( 1 ) 抗氯盐侵蚀性能 两种养护方式管节混凝 土的电通量和扩散系数测试 结果如表 7 所示。 表 7中的 1 0 d 和 9 0 d电通量测试数据表 明， 免压蒸混凝土具有较小的电通量 ； 表 7中的 9 0 d 和 1 8 0 d 扩散系数也表 明 ， 免压蒸混凝土具有较小 的扩散 系数 。 高 压蒸养混凝土在高温作用对混凝土 内部结构产生一定影 响 ， 生成水化产物粗化 ， 且高温作用下 内部温差作用会使 混凝 土产生 内部缺陷 ， 因此 ， 免压蒸混凝 土 比高压蒸养 混 凝土具有较 高的耐久性 。 表 7 混凝土的电通量和扩散系数测试结果 ( 2 ) 抗冻性 免压蒸混凝土 和高压蒸养混凝土的抗冻性试验结果 如表 8 所示 ， 从表 8 可 以看出 ， 经历 4 0 0 个冻融循环 ， 免压 蒸 混凝土相对动 弹性模 量为 9 9 ， 重量损失率 为 0 ， 经 历 1 0 0 0 个冻融循环， 其相对动弹性模量仍为 9 7 ， 重量损失 率为 0 ； 高压蒸养混凝土经历 4 0 0 个冻融循环相对动 弹性 模量为 9 2 ， 重量损失率仅为 0 2 1 ， 经历 1 0 0 0 个冻融循 环 ， 其相对动弹性模量 为 9 0 ， 重量损失率为 1 2 0 。 因此 ， 免压蒸混凝土和高压蒸养混凝土均具有比较高的抗冻性 ， 但免压蒸混凝土 的抗冻性相对较好。 表 8 免压蒸混凝土和高压蒸养混凝土的抗冻性测试结果 下转第 1 4 4页 1 3 3 4 4 3 3 2 2 1 1 O z 挺