免蒸压PHC管桩混凝土耐久性的试验研究.pdf

全国中文核心期刊 钎 癯 建鲦 粉 中 国 科 技 核 心 期 刊 竞蒸压 P H C管桩混凝土尉久性硇 试验研夯 詹镇峰 ， 陈峭卉 ， 杨医博 ， ， 李从波 ， 陈应钦 z ， 郝艳浩 ， 何栋 ( 1 广州大学 土木工程学院， 广东 广州5 1 0 0 0 6 ； 2 广东省建筑材料研 究院， 广东 广州5 1 0 0 0 0 ； 3 华南理工大 学， 广东 广州5 1 0 0 0 0 ； 4 南宁鸿基水泥制品有 限公司 ， 广西 南宁5 3 0 1 0 0 ) 摘要 ： 测试了混凝土的电通量、 抗压强度耐蚀系数、 相对动弹性模量和质量损失率等指标， 并进行 S E M分析， 比较了免蒸压 P H C管桩混凝土和蒸压 P H C管桩混凝 土的耐久性能 。结果表 明： 免蒸压管桩混凝土 的电通量 明显低于蒸压管桩混凝土 ， 抗压 强度 耐蚀 系数高于蒸压管桩混凝土 ， 相对动弹性模 量高于蒸压管桩混凝土 ， 质量损失率低于蒸压管桩混凝土， 耐久性优于蒸压混凝土 。 关键词 ： P H C管桩混凝土； 免蒸压； 耐久性 中图分类号： T U 5 2 8 7 文献标识码： A 文章编号： 1 0 0 1 7 0 2 X( 2 0 1 5 ) 1 2 0 0 4 4 0 4 Ex p e r i m e n t a l s t u d y o n t h e d u r a b i l i t y o f n o n - a u t o c l a v e d P HC p i l e c o n c r e t e Z H A N Z h e 咖 ， C HE N Q i a o h u i ， Y A NG Y i b o ， L I C o n g b o ， C HE N Y i n g q i n ， H A0 Y a n h a o ， H E D o n g 4 ( 1 S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e ri n g ， G u a n g z h o u U n i v e r s i t y ， G u a n g z h o u 5 1 0 0 0 6 ， G u a n g d o n g ， C h i n a ： 2 Gu a n g d o n g Bu i l d i n g Ma t e ria l s Re s e a r c h I n s t i t u t e ， Gu a ng z h o u 51 0 0 0 0， Gu a ng d o n g ， Ch i n a ； 3 S o u t h Ch i n a Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y， Gu a n g z h o u 5 1 0 0 0 0， Gu a n g d o n g， Ch i n a ： 4 N a n n i n g Ho n g j i C e me n t C o L t d ， N a n n i n g 5 3 0 1 0 0 ， G u a n g x i ， C h i n a ) Abs t r a c t ： I n t hi s p a p e r ， t h e d u r a b i l i t y o f n o n -a u t o c l a v e d P HC p i l e c o n c r e t e a n d a u t o c l a v e d PHC p i l e c o n c r e t e wa s c o mp are d b y t e s t i n g t h e e l e c t r i c fl u x， t h e c o r r o s i o n c o e ffic i e n t o f c o mp r e s s i v e s t r e n g t h， r e l a t i v e d y n a mi c e l a s t i c mo d u l u s ， ma s s l o s s r a t e e t c， a n d c o mb i n i n g wi t h S EM mi c r o - a n a l y s i s T e s t r e s u l t s s h o w： n o n a u t o c l a v e d p i l e c o n c r e t e s e l e c t ric flu x s i g n i fi c a n t l y l o we r t h a n a n t o c l a v e d c o n c r e t e s ， t h e c o r r o s i o n c o e ffic i e n t o f c o mp r e s s i v e s t r e n g t h a n d r e l a t i v e d y n a mi c e l a s t i c mo d u l u s o f n o n a u t o c l a v e d p i l e c o n c r e t e are h i【 g h e r t h a n t h e a u t o c l a v e d p i l e c o n c r e t e ， n o n - a u t o c l a v e d p i l e c o n c r e t e S ma s s l o s s r a t e l e s s t h a n a u t o c l a v e d c o n c r e t e S Ex p e ri me n t a l d a t a s h o ws t h a t t h e d u r a b i l i t y o f n o n a u t o c l a v e d p i l e c o n c r e t e i s s u p e rio r t o a u t o c l a v e d p i l e c o n c r e t e Ke y wo r d s ： P HC p i l e c o n c r e t e ， n o n a u t o c l a v e d ， d u r a b i l i t y P H C管桩由于质量可靠、 经济实用、 适应性强、 施工方 便、 造价较低等优点， 广泛应用于工业和民用建筑、 港口 码头、 水利、 铁路、 桥梁等工程构筑物的基础。长期服役于地下工程 的P H C管桩， 由于受到来自 于地下水和土壤中的侵蚀性介质 如C l 一 、 S 0 4 2 - 等的侵蚀和冻融的破坏，因此对管桩的长期耐久 基金项 目： 南宁市科学研究与技术开发计划项 目( 2 0 1 3 1 2 9 0 ) ； 广东省重大科技专项 ( 2 0 1 2 A0 1 0 8 0 0 0 2 9 ) 收稿 13期： 2 0 1 5 - 0 9 0 6 ； 修订 日期： 2 0 1 5 1 0 1 4 作者简介 ： 詹镇 峰： 男， 1 9 6 4年生 ， 广东饶平人 ， 硕 士， 高级工程师 ， 从 事水泥基材料的研 究工作 。E ma rl ： 1 3 7 1 0 1 8 7 2 7 0 1 6 3 -c 0 m。 4 4 新型建筑材料 2 0 1 5 1 2 性是一个严峻的考验。 长期以来管桩的生产工艺中， 管桩养护工艺是二次养护， 即常压蒸养和高温高压蒸养。该工艺可以提高管桩的早期强 度， 加速模具的周转， 提高生产效率， 但对管桩的耐久性有一 定的负面影响。已有不少学者对蒸压养护的管桩耐久性进行 了研究， 魏宜岭和李龙 l 1 的试验表明， 尽管管桩的强度达到 C 9 0 ， 但耐久性指标却出乎意料的低。 严志隆等翻 的研究表明， 只要在原材料选用、 混凝土配合比及混凝土搅拌、 离心、 蒸养 ( 包括静停) 、 压蒸等工艺的某个环节或几个环节不符合要求， 其 3 种耐久性试验就会出问题， 特别是冻融循环试验就很难 合格。薛利俊等口 】通过测试电通量、 氯离子扩散系数以及抗冻 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 詹镇峰， 等： 免蒸压 P H C管桩混凝土耐久性的试验研究 性等指标， 研究了不同养护方式对混凝土管桩耐久性的影响， 其结论是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，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， P H C管桩的蒸养温度要适当控制。 近年来， 随着节能减排政策的推行， 管桩行业也面临着较 大的节能减排压力， 免蒸压P H C管桩生产已成为管桩行业的 一 个新的研究热点。实现这一技术途径关键在于调整管桩混 凝土的原材料和配合比， 如用活性掺和料代替原有的磨细砂， 用高减水率的聚羧酸减水剂代替萘系减水剂， 降低水胶比 等， 提高混凝土的早期强度，在生产工艺上以一次常压蒸汽养护 代替原来的二次养护。本文将通过测试混凝土的抗氯离子渗 透性、 抗硫酸盐侵蚀性以及抗冻性等指标和S E M分析， 比较 免蒸压与蒸压管桩的耐久性。 1 试验 1 1 原材料 水泥： P I I 4 2 5 R水泥， 华润水泥( 平南) 有限公司产； 磨 细砂： 某管桩厂生产用， S i O 含量9 2 8 ， 比表面积4 0 8 m k g ； 掺和料 A ： 矿渣粉， 比表面积4 0 0 m g ， 江门某企业生产； 掺 和料 C ： 比表面积2 5 0 m 2 k g ， 主要成分为S i O ： 和A l 2 0 ， ， 深圳 某新材料科技有限公司销售； 聚羧酸减水剂： 江门强力建材科 技有限公司生产， 固含量为 1 0 ； 萘系减水剂： Q L P c型， 江 门强力建材科技有限公司生产， 固含量为 3 0 ； 砂： U区中 砂， 含泥量0 7 ， 细度模数 2 8 ， 产自 广西藤县； 碎石： 花岗岩 碎石， 新会大泽砂石厂生产， 双级配5 1 0 m m 、 1 0 2 5 m m ， 含 泥量O 1 ， 压碎指标9 。 1 2 试验配 比和性能测试方法 本研究通过活性掺和料代替磨细砂、 聚羧酸减水剂代替萘 系减水剂、 降低水胶比等措施， 在生产工艺上以一次常压蒸汽 养护( 即免蒸压养护) 代替蒸压养护。 蒸汽养护制度为： 静停( 5 5 ) 3 5 h 、 升温 1 h ( 升温速率 为5 C 1 0 m i n ) 、 恒温3 5 h ( 8 5 ) ； 蒸压养护制度为： 按以上 蒸汽养护后入釜蒸压养护， 升压1 5 2 0 h 至0 9 M P a , 叵压4 5 5 5 h 、 降压 1 5 2 0 h 。 蒸汽养护和蒸压养护管桩混凝土的配合比见表1 。 表 1 蒸汽养护和燕压养护管桩混凝土的配合比 注 ： 蒸汽养护使用聚羧 酸减水剂 ， 蒸压养护使用萘系减水 剂。 管桩混凝土的抗压强度按照G B T 5 0 0 8 1 -2 0 0 2 普通混 凝土力学性能试验方法标准 进行测试； 耐久性( 抗氯离子渗 透性、 抗硫酸盐侵蚀性和抗冻性) 按照 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能试验方法标准 进行测试； 采用 德国蔡司( Z E I S S )E V O 1 8 S p e c i a l E d i t i o n 扫描电子显微镜进 行微观分析。 2 试验结果与分析 2 1 抗压强度发展规律 图1 为采用蒸压和蒸汽2 种养护方式下管桩混凝土的抗 压强度发展规律。 图 1 2 种养护制度下管桩混凝 土的强度发展规律 从图1 可以看出， 2 种养护方式的管桩混凝土抗压强度后 期发展表现出较为相似的规律， 通过早期的蒸汽养护加速水泥 的水化， 使混凝土获得较高的早期强度， 但是随着养护龄期的 延长， 混凝土强度增长甚微， 甚至出现有倒缩的现象， 这种现象 与文献f 4 1 结果一致。 分析其原因可能有以下几方面： ( 1 ) 蒸汽养 护后， 水泥早期水化速率提高， 而后期未水化的水泥颗粒减少， 或者是未水化的水泥颗粒被水化产物包裹而成为填充料； ( 2 ) 混凝土配合比中的水胶比 较低， 经过高温养护尤其是蒸压养护 后， 混凝土在冷却期间， 水分随温度场的变化而往外蒸发， 导致 混凝土内 部水分减少， 影响后期的水泥水化； ( 3 ) 高温蒸汽养护 导致混凝土内部热膨胀， 产生不同的变形， 使得骨料与浆体界 面过渡区域出现微裂纹， 影响混凝土后期强度发展； ( 4 ) 高温养 护使得水泥水化产物C S H凝胶变得粗大， 孔隙结构疏松， 水 泥石结构变得杂乱和粗糙。当然， 要确切地掌握混凝土蒸汽养 护后强 度的 后期发展 规律， 需要做 更多的 试验加以 验证。 2 2 抗氯离子渗透性 图2 为采用蒸压和蒸汽2 种养护方式下管桩混凝土的电 通量测试结果。 从图2 可以看出： 蒸汽养护的管桩混凝土电通量随龄期的 延长呈现逐渐下降的趋势， 其规律性明显好于蒸压养护的， 而 蒸压养护的后期( 9 0 d 、 1 8 0 d ) 的电通量高于早期的。 蒸汽养护 的管桩混凝土电 通量明显低于蒸压养护的， 蒸汽养护的管桩混 N FW RI I I l n I N M TFPI I 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 詹镇峰， 等： 免蒸压 P H C管桩混凝土耐久性的试验研究 图 2 2种养护制度 下管桩混凝土的电通量 凝土3 d 、 2 8 d 、 9 0 d 、 1 8 0 d电 通量为5 1 7 6 C ， 均小于 1 0 0 C 。参 照A S T M C 1 2 0 2 划分的混凝土抗氯离子渗透性的分级标准罔 ， 蒸汽养护的混凝土氯离子渗透在可忽略的范围。 而蒸压养护的 管桩混凝土 3 d 、 2 8 d 、 9 0 d 、 1 8 0 d电通量为2 5 6 , -4 5 4 C ， 在 A S T M标准的 1 0 0 1 0 0 0 C区间，处于氯离子渗透很低的范 围。 蒸压和蒸汽养护方式导致的电通量差异原因有 2 个方 面： 一是两者的胶凝材料组成不同， 蒸压养护的胶凝材料为水 泥和磨细石英砂， 而蒸汽养护的是水泥和活性掺和料。 磨细石 英砂在常温下是惰性材料，只有在高压高温的条件下才能与 C a ( 0 H ) 反应生成托贝莫来石结晶体。而蒸压养护环节结束 后， C a ( O H ) 不能与石英砂产生二次反应。相比之下， 蒸汽养 护的胶凝材料是水泥和活性掺和料， C a ( O H ) 可以与活性掺和 料中的S i O 产生二次反应， 使得混凝土更为密实。二是蒸压 养护的温度明显高于常压的蒸汽养护， 养护温度越高， 导致水 泥石结构变得更加杂乱和粗糙，混凝土内部的气孔和毛细孔 更加明显可见， 特别是在浆体一 骨料界面上， 因此， 在电场的 作用下， 氯离子容易沿着这些管道渗透， 电通量增大。 2 3 抗硫酸盐侵蚀性 图3 为2 种养护制度下经过1 5 0 、 3 0 0 次硫酸盐干湿循环 后管桩混凝土的抗压强度耐蚀系数。 蒸汽养护 l O 0 8 0 鬟6 0 鏖 。 憩 墨2 0 0 1 5 0 3 0 0 干湿循环次数 次 图 3 2种养护条件下混凝土的抗压强度耐蚀系数 从图3 可以看出， 经过 1 5 0 、 3 0 0 次干湿循环后， 蒸汽养护 的管桩混凝土抗压强度耐蚀系数分别为9 4 1 、 8 8 0 ， 均高于 4 6 新型建筑材料 2 0 1 5 1 2 蒸压养护的7 3 5 和7 0 7 ， 这说明蒸汽养护的混凝土抗硫酸 盐侵蚀性能要好于蒸压养护的管桩混凝土。 硫酸盐侵蚀的机理是 s o 2 一 与水泥水化生成的C a ( O H ) ： 发生化学反应生成石膏， 导致固体体积的膨胀， 形成内应力， 使混凝土结构受到破坏。 而影响混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的因 素有物相组成和孔结构等。 分析2 种养护条件下混凝土的抗硫 酸盐性能的差异也可归结为2 个方面： 一是两者的胶材组成， 使得混凝土的物相和孔结构有差异。活性掺和料的存在可以 与C a ( O H ) 发生二次化学反应， 使结构更加密实， 同时也降 低 C a ( O H ) 的含量， 减少与S 0 4 2 - 反应生产石膏的机率； 二是 蒸压养护的温度高于常压蒸汽养护， 温度越高， 混凝土内部的 气孔和毛细孔更加明显可见， 更有利于S 0 4 2 _ 的渗透。 2 4 抗冻性 2 种养护制度下，冻融循环后管桩混凝土相对动弹性模 量和质量损失率的变化见图4 。 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 冻融次数 次 ( a ) 相对 动弹性模量 ( b ) 质量损失率 图4 2种养护制度下管桩混凝土的抗冻性 从图4 可以看出： 随着冻融循环次数的增加， 蒸压养护的 管桩混凝土相对动弹性模量逐渐下降，下降的幅度明显大于 蒸汽养护的混凝土。 经过2 5 0 次冻融循环后， 蒸压养护的混凝 土 相对动弹性模量为6 5 0 ， 低于蒸汽养护的9 5 5 ， 质量损 失率为0 8 0 ， 明显高于蒸汽养护的0 2 5 。因此， 蒸汽养护 工艺生产的管桩混凝土抗冻性优于现有蒸压养护工艺生产的 管桩混凝土。 混凝土的抗冻性能与其孔结构特征密切相关。养护温度 升高， 混凝土内部孔隙率变大， 升温导致的膨胀应力造成混凝 鲫 蚰 _害 教需舞 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m