管桩生产中石灰石集料对混凝土强度的影响.pdf

2 0 1 1年第 1 O期 1 0月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA CONCRETE AND CEMENT PR0DUCTS 201 l No 1 0 Oc t o b e r 管桩生产中石灰石集料对混凝土强度的影响 蒋元海 ， 董沛善 ( 1 嘉兴学院建筑工程学院 ， 3 1 4 0 0 1 ； 2 湖北神磋管桩有限公司 ， 仙桃 4 3 3 0 0 0 ) 摘要 ： 采用石质为石灰石 与石质为硅 质岩的 两种 不同粗 集料拌 制混凝土 ， 经过常压养护 、 压 蒸养护等不 同的 混凝土蒸汽养护工艺 ， 测 定混凝土脱模抗压 强度及压 蒸后抗压强度 。结果表 明： 石质 为石灰石与石质 为花 岗岩 的两 种不 同粗集料在 常压 养护 结束后 ， 混凝 土抗 压强度均有较 大的增 长， 混凝 土强度 增长规律 基本一致 ； 但经压蒸养护 后 石质为石灰石与石质为花 岗岩的两种不同粗集料 配制的混凝 土抗 压强度产 生很 大的差异 ，石质 为石灰石 的粗 集 料配制的混凝土强度增长较低 ， 而石质 为硅质岩 的粗集料 配制的混凝土强度有很 大的提 高。 关键词 ： 石灰石集料 ； 卵石集料 ； 混凝土强度 ； 管桩 ； 压 蒸养护 Ab s t r a c t ：T a k i n g t h e l i me s t o n e a n d s i l i c e o u s r o c k s a s c o a r s e a g g r e g a t e s t o mi x c o n c r e t e ， t h r o u g h a t mo s p h e ric c u rin g a n d a u t o c l a v e c u ri n g ， t h e c o n c r e t e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h a f t e r d e mo u l d a n d c o mp r e s s i v e s t r e n g t h a f t e r a u t o c l a v e c u rin g a r e t e s t e d r h e r e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h e c o n c r e t e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h i n c r e a s e s o b v i o u s l y aft e r a t mo s p h e ri c c u rin g wh e n t a k i n g t h e l i me s t o n e a n d gra n i t e a s c o a r s e a g g r e g a t e s ，a n d t h e s t r e n g t h i n c r e a s i n g l a ws a r e b a s i c a l l y i n a c c o r d a n c e Ho we v e r ， t h e c o n c r e t e c o mp r e s s i v e s t r e n gth i s g r e a t d i f f e r e n t a f t e r a u t o c l a v e c u rin g w h e n t a k i n g t h e l i me s t o n e a n d gra n i t e a s c o a r s e a g g r e g a t e s ， t h e c o n c r e t e s t r e n gth i n c r e a s e s l o we r wi t h l i me s t o n e a s c o a r s e a g g r e g a t e ，b u t t h e c o n c r e t e s t r e n gth i n c r e a s e s h i g h e r wi t h s i l i c e o u s r o c k s a s c o a r s e a g g r e g a t e Ke y wo r d s ：L i me s t o n e a g gre g a t e ； Gr a v e l a g g r e g a t e ； C o n c r e t e s t r e n gth ； P i l e s ； Au t o c l a v e c u ri n g 中图分类号 ： T U 5 2 8 7 3 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 - 4 6 3 7 ( 2 0 1 1 ) 1 0 - 3 0 0 3 0前 言 近年来 ， 随着基本建设 的大力发展 ， 我 国预应 力混凝土管桩得到了很好的推广应用 ， 管桩产 品的 生产规模不断扩大 ， 据不完全统计 ， 至 2 0 1 0年底我 国有管桩生产企业 5 0 0余家 ， 管桩年产达 3 5亿 m， 已经成为世界第一的管桩生产和应用大国。 管桩生产 中， 砂 、 石是主要 的大宗原材料 ， 占原 材料用量的 7 0 以上 ， 大量的生产实践表明 ， 砂石 的质 量对 管桩 产 品 的质 量有 很大 的影 响 。由于砂 石 资源的大量消耗 ， 优质 的砂石越来越 匮乏 ， 砂石资 源的综合利用 已经成为管桩生产技 术的一个主要 方 向 。 G B 1 3 4 7 6 2 0 0 9 先张法预应力混凝土管桩 中 对细集料作出下列规定“ 细骨料宜采用洁净的天然 硬质中粗砂或人工砂 ， 细度模数宜为 2 5 - 3 2 ， 采用 人工砂时 ， 细度模数 可为 2 5 3 5 ， 质量应符 合 G B T 1 4 6 8 4的有关规定 ， 且砂 的含泥量不大于 l ， 氯离 子含量不大于 0 0 1 ，硫化物及硫酸盐含量不大于 0 5 。” “ 粗骨料宜采用碎石或破碎 的卵石 ， 其最大 粒径不应大于 2 5 mm且不得超过钢筋净距 的 3 4 ， 质 量应符合 G B T 1 4 6 8 5的有关规定 ， 且石的含泥量不 一 3 0一 大于 0 5 ， 硫化物及硫酸盐含量不大于 0 5 ” _ l 】 。上 述规定 明确指出了管桩生产中， 砂石质量的具体要 求 ， 对指导生产实践 、 规范产 品质量具有 十分积极 的作 用 。 由于管桩生产工艺的特殊性 ， 预应力高强混凝 土管桩( 简称 P H C管桩) 生产 中通常采用常压蒸 汽 养护与压蒸养护相结合 的“ 二次养护 ” 生产工艺 ， 常 压蒸汽养 护可 以加快 P HC管桩生产过程中钢模 的 周转 ， 提高生产效率 ； 高压蒸汽养护使管桩混凝土 在短时间 内由 4 0 6 0 MP a提高到 8 0 1 0 0 MP a ，可 以 满足工程快速施工的需要 2 。 然而， 在很多生产实践中 ，由于采用的粗细集 料 的石质 的不 同， 发现高压蒸汽养 护后 ， 混凝 土强 度的增长并不完全一致 ， 特别是采用石灰石质的集 料 ， 蒸压混凝土强度增长并没有达到有关标准规范 规定 的技术要求 ，严重影响了管桩产 品的质量 ， 给 生产企业带来很大的困惑。 本文利用不同来源石质 的二种粗集料 ， 开展对 混凝土强度做试验研究对比。 1 原 材料 ( 1 ) 水泥 ：P I 型 5 2 5级硅酸盐水泥 ， 3 d抗折强 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 蒋元海 ， 董沛善 管桩生产中石灰石集料对混凝土强度的影响 度 6 3 MP a， 3 d抗 压 强度 3 2 2 MP a ， 2 8 d抗 折强 度 9 2 MP a， 2 8 d抗 压强 度 5 9 6 MP a 。 ( 2 ) 矿渣 粉 ： $ 9 5矿 渣粉 ， 比表面 积 4 1 0 m2 k g 。 ( 3 ) 硅砂粉 ： S i O 2 含量 9 2 0 ，比表面积 4 2 5 m2 k g。 ( 4 ) 细集料 ： 洞庭湖中粗石英砂 ， 细度模数 2 8 ， 含 泥量 1 2 。 ( 5 ) 粗集料 ： 采用二种石质的粗集料做对 比： 湖北京 山某石场石灰石 ， 经破碎 ， 为 5 2 5 mm连续级 配 ， 压碎值 8 8 ， 针 片状含量 3 5 ； 当地河道 的 卵石 ，石质为硅质岩 ，使用前经筛选成为 5 2 5 mm 的连续 级配 。 ( 6 ) 减水 剂 ： MD - 1 5 0 。 2试 验 方法 按 J G J 5 5 2 0 0 0规定 ，采用 6 0 L单 卧轴强制式 混凝土搅拌机拌制混凝土 ，材料用量以重量计 ， 称 量的精确度 ： 骨料为 l 、 水 、 水泥、 掺合料与外加剂 均为 0 5 ， 控制混凝土坍落度 3 0 5 0 m m。 每次混凝 土拌制 的数量为 2 0 L 。投料顺序 ： 河砂 、 碎石 、 水泥 、 掺合料干拌 2 0 s 后投放水 、 减水剂 ( 减水剂投入到水 中) ， 搅拌 1 0 5 s 出料 ， 检测混凝土坍落度后用振动 台 振 动成型制作 1 0 0 m mx l 0 0 m mx l 0 0 mm立方体试块 三组 ， 静放 2 h ， 再至车间养护池蒸养 6 5 h 。 一组脱模 后 2 h试压 ， 另两组放高压釜压蒸 1 0 h后 出釜 ， 试块 放 2 h温度下降至室温后试压。常压蒸汽养 护工艺 制度 ： 静停 2 h ， 升温 2 h ， 均匀升温至 8 5 ； 恒温 4 5 h ， 温度保持 ( 8 5 + 3 ) ； 降温， 开池盖降温即可 。压蒸养 护 工艺制度 ： 升压阶段 ， 每 0 5 h升压约 ( O 2 5 _+ 0 0 5 ) MP a ， 前慢后 快 ， 时间 2 h ； 恒压 阶段压强保 持 ( 1 O 0 0 5 ) MP a ， 时间 4 h ； 降压 阶段 均匀降压 ， 时 间 2 5 h ； 降温阶段 ， 时间 0 5 h ， 然后拉开釜 门， 通风降压后拉 桩 出釜 。 3试验 结 果 试验采用 1 样 、 2 #二个混凝土配合 比， 试 验方案 见表 1 所示 。混凝土强度的测定值分别见表 2 、 表 3 所示 。 表 1 混凝土配合 比方案 k m 表 2 l 样混凝 土配合 比的抗 压强度测定值 MP a 表 3 混凝土配合比的抗压强度测定值 MP a 4试 验 结果分 析 从表 2可见 ， 1 #混凝土配合 比，采用石灰石集 料 ，混凝土常压蒸汽养护后 的混凝 土脱模 强度为 5 5 5 MP a ； 压蒸养护 后 的混凝 土强度 6 3 1 MP a ， 混 凝 土强度提高 7 6 MP a ， 可见采用石灰石集料压蒸养护 后混凝土强度增长的幅度很小 ， 仅仅只有 l 3 7 。 在 与 1 #相同配合 比情况下 ， 采用筛选卵石集料 ， 混凝 土常压蒸汽养 护后 的混凝 土脱模 强度为 4 9 6 M P a ， 压蒸养护后的混凝 土强度 9 1 2 MP a ，混凝土强度提 高 4 1 6 MP a ，采用卵石集料压蒸养护后 的混凝土强 度幅度较大 ， 达到 8 3 9 。1 #配合 比的石灰石集料 比卵石集料在 常压蒸汽养护后 的混凝 土强度高 出 5 9 MP a ，但是压蒸养护后卵石集料 的混凝土强度 比 石灰石集料 的混凝土强度高 出 2 8 1 MP a 。 从表 3可见 ， 2 混凝土配合 比，采用石灰石集 料 ，混凝土 常压蒸汽养护后 的混凝 土脱模 强度为 一 3】一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 1 年第 1 0期 混凝土与水泥制品 总第 1 8 6期 4 2 3 MP a ， 压蒸 养护后 的混凝 土强度 7 5 1 MP a ， 混凝 土强度提高 3 2 8 MP a ，石灰石集料压蒸养护后的混 凝土强度提高 7 7 5 ；在 2 #相 同配合 比情况下 ， 采 用筛选卵石集料 ， 混凝土常压蒸汽养护后 的混凝土 脱 模强度 为 4 4 4 MP a ，压 蒸养 护后 的混凝 土强度 8 5 1 MP a ， 混凝土强度提 高 4 0 7 MP a ， 可见采 用卵石 集料压蒸养护后 的混凝 土强度提高达 9 1 7 。2 #配 合 比的石灰石集料与卵石集料在常压蒸汽养护后 的混凝土强度相差很小 ， 但是压蒸养护后卵石集料 的混凝 土强 度 比石 灰石 集料 的混 凝 土强 度 高 出 1 0 0 MPa。 从上述试验结果可见 ， 在混凝土常压蒸汽养护 后 ， 石质为石灰岩的粗集料与卵石粗集料配制 的混 凝土具有同样 的规律 ， 混凝土强度增长较快 。但是 在蒸压养护条件下 ， 石质为石灰岩 的粗集料与卵石 粗集料所配制 的混凝土强度变化较大 ： 在没有掺加 硅砂粉为混凝土掺合料情况下 ( 如 1 #混凝土配合 比) ， 石灰岩的粗集料混凝 土经压蒸养护后 ， 混凝土 抗压强度增长很少 ， 然而在掺加一定 比例 的硅砂粉 等量替代水泥的情况下( 如 2 #混凝土配合 比) 混凝 土的抗压强度有较大幅度 的提高 ， 但 比卵石配制的 混凝土抗压强度低 1 0 MP a 左右 ， 仍然难 以满足技术 要求 。卵石粗集料的混凝土经压蒸养护后 ， 混凝土 抗压强度有很大的增长( 1 j!i 、 2 #混凝土配合 比) 。由 此可见 ， 石灰石质粗集料不适用于压蒸养护工艺 的 混 凝 土 。 混凝土在压蒸养护过程 中，砂石集料表面 的 S i O 在 1 7 0 C以上的温度下与水泥水化 时，大量生 成的强度很低 的水化产 物 C a ( O H ) ： 进行水热合成反 应 ， 生成强度很高的托勃莫来石晶体 C S H ， 这样将 混凝 土强度很弱 的砂石与水泥浆 的界面转化为强 度 很 高 的界 面 ， 由此 成 为 压蒸 混凝 土 强 度 提 高 的一 个主要 因素。长石 、 玄武岩、 花岗岩 、 石英岩等均含 5 0 以上的 S i O ， 在水热合成 中， 可以充分发生化学 反应 ， 生成大量 的 C S H ， 提高混凝土 的抗压强度 。 但是 ， 采用石灰岩质的粗集料 ， 其岩石 的主要化学 成分是 C a C O ， ，在 1 7 0 以上的温度下与水泥 中的 C a ( O H ) ： 不会进行水热合成化学反应 ， 因此 ， 混凝土 粗集料与水泥砂浆的界面结构没有得到增强 ， 大量 的 C a ( O H ) 保留在混凝土内部 ， 没有参与反应 ， 混凝 土的强度增长很慢。但是 ， 在采用硅砂粉作为混凝 土掺合料等量替代水泥的情况下 ， 虽然石灰石质的 集料没有参与界面的水热合成反应 ， 但是外掺加入 的硅砂粉在高温高压的水蒸气作用下 ， 与水泥水化 一 3 2一 时大量生成的强度很低的水化产物 C a ( o H) 进行 了 水热合成反应 ， 在消耗强度很低的 C a ( 0 H ) ： 的的 同 时 ， 生成了强度很高的托勃莫来石 晶体 C S H ， 这样 使混凝土强度得到一定程度的提高 。 当然 ， 若 采用石灰 质型的人工砂 ， 在 细集料 与 水泥浆 的界面同样也不会发生水热合成反应 ， 其结 构难 以得到增强 ， 因此 ， 压蒸养护工艺条件下混凝 土强度也将不会有很大幅度的提高 。 另外 ， 在水泥早期水化过程 中， 粗集料表面 的 少量 C a C O s 与 C A等在大量水存在 的条件下 ， 发生 反应生成强度较高的水化产 物， 即 C a C O ， 型的钙矾 石 C 3 A 3 C a C O 3 3 1 H 2 0，C 3 C a C O 3 3 1 H2 o的形 成 对提 高混凝土早 期强度具 有很 大的作用 ，但是 ， C 3 A 3 C a C O 3 3 1 H 2 0是化学性质 不稳定 的产 物 ， 随 着养护温度的提高( 6 0 o C) ， C 3 A 3 C a C O 3 3 1 H 2 0分 子结构逐渐将发生分解 ， 温度越高 ， 分解程度愈大 ， 生成产物的强度很小 。压蒸养护过程 中， 恒温恒压 达 1 0 MP a 、 1 8 0 ， C 3 C a C O 3 3 1 H 2 0几乎 彻底 分 解 。相 对于花岗岩石 质的卵石 ，粗集料表 面没有 C a C O ， 因此 ， 也就没有上述化学反应 ， 混凝土强度 有较大的稳定增长。 5结语 ( 1 ) 石质为 C a C 0 的粗细集料可以适合常压养 护生产工艺 ， 混凝土脱模抗压强度有较 大的稳定增 长 。 ( 2 ) 石质为 C a C O 。 的粗 细集料在压蒸养护过程 中， 在没有掺加硅砂粉情况下混凝土抗压强度增 长 较小 ， 在用硅砂粉等量部分替代 水泥情况下 ， 压蒸 混凝土抗压强度有一定 的提高 ， 但仍然不符合技术 规范的指标要求 ， 不适合用 于压蒸养护作业方式生 产预应力高强混凝土管桩 。 参考文献 ： 1 1 G B l 3 4 7 6 2 0 0 9 先张法预应力混凝土管桩 【 S 2 】 蒋元海 关于我 国管桩行业现状及发 展的建议 混凝 土与 水泥制 品 J 2 0 0 7 ( 4 ) ： 3 1 - 3 2 收稿 日期 ： 2 0 1 1 - 0 8 - 2 6 作者简 介： 蒋元 海( 1 9 6 5 一 ) ， 男 ， 教授级高工 、 副院长。 通讯地址 ： 嘉兴 市越 秀南路 5 6号 联 系电话 ： 1 3 0 6 7 5 5 2 0 8 8 E - ma i l ： s y h 8 8 8 1 6 3 c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m