PHC管桩免蒸养生产工艺的研究与应用

谢烈金 王成启 周郁兵 张宜兵

中交第三航务工程局有限公司

1 引言

传统的PHC管桩生产工艺采用常压蒸汽养护加高压蒸养，即二次蒸养工艺[1][2][3]。为克服传统生产工艺大量能源消耗以及高压蒸养对PHC管桩混凝土性能影响等弊端，通过大量的试验和研究，成功开发出了PHC管桩免高压蒸养生产工艺。相比于传统高压蒸养制桩工艺，免高压蒸养工艺具有改善混凝土抗锤击性和耐久性，并具有节能环保和制桩成本低等特点[4]。免压蒸PHC管桩已在众多工程中获得应用，不仅简化了生产工序、提高了PHC管桩耐久性和抗锤击性等性能[5]，而且降低了成本，保护了环境。

尽管免压蒸PHC管桩制造技术，比传统高压蒸养PHC管桩生产技术取得了较大的技术进步，但PHC管桩的生产工艺仍需采用蒸汽养护，需要消耗大量的能源，且蒸汽养护也会对PHC管桩混凝土的性能产生不利的影响。

目前，在实施节能环保战略的大环境下，国家、政府、业主及设计单位除了对PHC管桩的质量、经济性提出要求外，同时对节能环保也提出了更高的要求。因此，为进一步提高PHC管桩质量、降低能耗，需探索PHC管桩生产的新工艺。

在保证和提高PHC管桩性能以及模板周转效率的基础上，本文通过原材料优选和超早强混凝土配制技术研究，结合生产工艺研究与改进，充分利用环境温度对混凝土强度的作用，免去蒸汽养护工艺生产PHC管桩，开发出PHC管桩免蒸养工艺技术。此技术在工程中获得应用，取得了良好的技术经济效益。

2 混凝土性能的试验研究

2.1 试验原材料、配合比与试验方法

2.1.1原材料

(1)水泥

采用句容台泥生产的强度等级为52．5RⅡ型硅酸盐水泥，对水泥的安定性、凝结时间、强度等性能指标检测，如表1所示，其性能指标满足GB175-2007标准的强度等级52．5R的Ⅱ型硅酸盐水泥的质量标准。

表1 水泥性能测试结果

(2)矿渣粉

采用马钢嘉华生产的S95粒化高炉矿渣粉，其物理力学性能指标如表2所示，达到了GB/T18046-2008标准S95粒化高炉矿渣粉的技术要求。

(3)细骨料

采用细度模数为2．7的Ⅱ区中砂，有关性能指标检测结果如表3所示，符合PHC管桩混凝土所用砂的有关技术标准要求。

(4)粗骨料

采用5～25mm连续级配的碎石（由5～10mm和16～25mm两级配制而成，5～10mm和16～25的比例为3∶7），其性能指标的检测结果如表4所示，满足相关标准的技术要求。

(5)减水剂

采用上海华登HP400聚羧酸系高性能减水剂，其性能检测结果如表5所示。

表2 矿渣粉的物理力学性能指标

表3 砂的技术指标检测结果

表4 粗骨料的性能指标检测结果

表5 上海华登HP400检测结果

2.1.2 试验方法

（1）力学性能

混凝土抗压强度、劈拉强度和弹性模量等力学性能试验按《水运工程混凝土试验规程》（JTJ270）的有关规定进行。

（2）耐久性

混凝土电通量和扩散系数（RCM法）试验按《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GB/T50082-2009）有关规定进行。

（3）扫描电子显微镜

采用华东理工大学日本电子光学公司JSM-5600LV低真空扫描电子显微镜观察混凝土内部结构形貌，扫描电子显微镜分辨率为3．5nm，仪器的加速电压为20kV。

2.1.3混凝土配合比设计

采用活性较高的粒化高炉矿渣粉作为矿物掺合料，本研究选用S95粒化高炉矿渣粉作为矿物掺合料，水胶比为 0．24～0．30，S95 粒化高炉矿渣粉掺量为10%～30%，胶凝材料用量为480kg/m3～550 kg/m3，用 水 量 为 125 kg/m3～145 kg/m3，砂用量为 640 kg/m3～730 kg/m3，粗骨料用量为1100 kg/m3～1200 kg/m3，减水剂用量为 4．0 kg/m3～5．5 kg/m3，并采用早强剂提高混凝土早期强度。

2.1.4养护制度

免蒸养混凝土采用养护池保温养护等养护技术措施，提高混凝土早期强度。采用高低温养护箱，模拟免蒸养混凝土的养护池温度，出养护箱后进行标准养护，养护到规定龄期开展相关的性能试验研究。

2.2 试验结果讨论与分析

2.2.1混凝土性能

1)工作性能

免蒸养混凝土的坍落度、含气量和表观密度测试结果如表6所示。表6的测试结果表明，混凝土坍落度满足PHC管桩的要求，同时具有较低含气量和较高表观密度，有利于提高混凝土抗压强度。

表6 混凝土工作性能测试结果

2)力学性能

（1）抗压强度

免蒸养混凝土抗压强度测试结果如表7所示。从表7可以看出，混凝土1天抗压强度即达到脱模强度要求，5天抗压强度即达到C80出厂强度要求，且后期强度持续增加，28天抗压强度大于90MPa，所配制的混凝土具有较高的早期强度和后期强度，可满足PHC管桩力学性能的要求。

表7 免蒸养混凝土抗压强度（MPa）

（2）劈拉强度与弹性模量

免蒸养混凝土劈拉强度和弹性模量的测试结果如表8所示。从表8可以看出，混凝土的劈拉强度和弹性模量均随着龄期的增加而不断增加，具有较高的劈拉强度和弹性模量。由于免除了蒸汽养护，可消除蒸汽养护对PHC管桩混凝土的劈拉强度和弹性模量的影响[5]。

表8 免蒸养混凝土的劈拉强度和弹性模量

（3）耐久性

a)抗氯盐侵蚀性能

免蒸养混凝土电通量和扩散系数测试结果如表9所示。混凝土28天电通量小于1000C，56天电通量小于500C，84天扩散系数小于1．0×10-12m2/s，具有较高的抗氯盐侵蚀性能。采用免蒸养工艺，可避免蒸汽养护对混凝土耐久性的影响，从而显著提高混凝土的耐久性指标。

表9 免蒸养混凝土电通量和扩散系数测试结果

b)抗冻性

免蒸养混凝土抗冻性测试结果如表10所示。表10的测试结果表明，混凝土经历400次循环的相对动弹性模量为99%，质量损失率为0，经历1000次冻融循环的免蒸养混凝土的相对动弹性模量仍为99%，质量损失率为0，具有良好的抗冻性，可满足北方高抗冻性的质量要求。由于采用免蒸养工艺技术，消除了蒸汽养护对混凝土微观结构的影响，有效提高混凝土抗冻耐久性。

（4）微观分析

图1 免蒸养混凝土扫描电子显微镜照片

对养护90天龄期的免蒸养混凝土进行扫描电子显微镜试验，如图1所示。从图1扫描电子显微照片可以看出，放大倍数为600倍的照片表明骨料与水泥水化产物晶体界面结合较为紧密，无裂缝和缺陷产生，骨料界面上附着较多的凝胶等水泥水化产物，水化产物较多，发育良好且结构较为紧密；放大倍数为15000倍扫描电镜照片进一步表明，形成了板状氢氧化钙和较多的凝胶体等多种水化产物交织的致密的水化产物体系，使混凝土强度和抗氯盐侵蚀和抗冻等耐久性持续增长。免蒸养混凝土具有较高的抗压强度、劈拉强度和弹性模量，并具有良好的抗氯盐侵蚀和抗冻性能。

3 管桩抗弯性能试验

按《混凝土结构试验方法标准》GB50152-92、《先张法预应力混凝土管桩》GB13476-2009的规定，测试了养护7天的C型Φ1000免蒸养PHC管桩抗裂弯矩和极限抗裂弯矩，测试结果如表11所示。表11的测试结果表明，所开发研制的免蒸养PHC管桩抗弯力学性能满足有关规范对抗裂弯矩和极限抗裂弯矩的要求，具有较高的抗弯性能，随着养护龄期进一步增长，免蒸养PHC管桩的力学性能将持续增长，其抗弯性能将进一步提高。

表11 免蒸养PHC管桩的抗裂弯矩和极限抗裂弯矩测试结果（kN·m）

4 实际生产与工程应用

4.1 工程概况

镇江港高桥港区孟家港公用码头工程，位于江苏省镇江市丹徒区高桥镇，新建荷花池作业区一期散货码头。本工程建设50,000t级卸船泊位3座，平面尺寸为790m×32m；装卸平台和引桥均采用透空的高桩梁板式结构；基础结构采用PHC桩基，桩长约为47～57m，埋置标高在-53～-55m左右；桩基拟采用打入桩，靠近陆域部分拟采用水上灌注桩施工。设计PHC管桩为1000C型47m～57m，共计567根，采用免蒸养工艺生产的PHC管桩进行施工。

表10 混凝土抗冻性测试结果

4.2 免蒸养PHC管桩生产与出厂检验

4.2.1免蒸养PHC管桩生产

采用设计混凝土配合比进行混凝土生产，主要的生产流程：混凝土配料、混凝土搅拌、钢筋笼制作、混凝土布料、预应力张拉、离心成型、养护池保温养护、脱模施加预应力、管桩自然养护以及混凝土性能检验。养护方法分为PHC管桩早期养护池的保温养护和脱模后的自然养护两个阶段。第一阶段养护池保温养护，主要是提高混凝土养护温度、促进强度增长以及防止混凝土失水产生收缩；第二阶段养护主要促进PHC管桩混凝土强度持续增长。

第一阶段（养护池保温养护）：PHC管桩离心成型后即进入养护池，并盖上盖子进行保温养护，当养护池内PHC管桩大于45．0MPa的脱模强度后即可进行脱模。第二阶段（自然养护）：脱模后的PHC管桩放入露天环境进行自然养护，直至达到80．0MPa出厂强度要求。

4.2.2出厂检验

(1)抗压强度

2014年6月6日试生产了1根C 1000 47mPHC管桩。测得混凝土坍落度为160mm，和易性良好；同时，合模、张拉、离心、倒浆均正常，PHC管桩脱模后桩身混凝土密实、颜色均匀正常，然后放入堆场自然养护，至2014年6月16日装船出厂，环境温度为21～31℃。测试了各龄期同条件养护混凝土抗压强度，如表12所示。由表12可以看出，1天即达到了脱模强度，2天后进行脱模，7天达到出厂强度要求，混凝土后期强度持续增长。

表12 免蒸养PHC管桩混凝土抗压强度测试结果（MPa）

(2)耐久性

分别成型两组φ100×50mm的电通量试块，养护到规定龄期，按照有关标准分别测试混凝土28天和56天的电通量，测试结果如表13所示。表13的测试结果表明，免蒸养PHC管桩混凝土28天电通量为631C，56天电通量为508C，免蒸养PHC管桩混凝土具有较高耐久性。

表13 免蒸养PHC管桩电通量测试结果（C）

4.3 沉桩情况

免蒸养PHC管桩于2014年6月19日在镇江高桥孟家港码头60-D桩位沉桩，为6：1斜桩，由“浙江合力桩3号”用138锤二档沉桩，桩顶设20cm纸垫，现场记录PHC管桩沉桩技术数据，沉桩记录与沉桩的情况分别如表14和图2所示。表14的沉桩记录表明，该地域地质条件不利，沉桩难度大，沉桩全程88分钟，总锤击数3531，其中贯入度5mm以下锤击数超过2300锤，最终贯入度3．2mm，沉桩结束后桩顶桩身完好无损。图2沉桩情况表明，现场沉桩过程正常，桩身完整无裂缝，桩基检测结果良好。这表明免蒸养PHC管桩具有良好的抗锤击性能，可有效提高耐久性。

表14 免蒸养PHC管桩沉桩记录

图2 免蒸养PHC管桩沉桩情况

5 节能减排效益

5.1 免蒸养实施前能耗情况

免蒸养工艺技术实施前，PHC管桩生产的养护主要采用高压蒸养加普养或免压蒸即普养工艺，均消耗蒸汽，高压蒸养环节PHC管桩还需进出高压釜，外加消耗电能、机械能、人工。根据历史记录，表15列出了PHC管桩高压蒸养和免压蒸能源消耗与成本。

表15 不同养护方式，生产每m3PHC管桩的能源消耗及成本

5.2 免蒸养实施后的节能减排量及经济效益

本工艺技术已在中交三航局三公司预制厂应用，2015年生产免蒸养PHC管桩5．0万立方米混凝土，2016年生产免蒸养PHC管桩5．5万立方米混凝土。根据表15，仅以中交三航局三公司预制厂2016年的产量为例，按照传统的燃煤能耗计算（煤炭的折标煤系数取0．7143）。

（1）与高压蒸养工艺进行比较：

每年节约标准煤：＝5．5×10000×58．1×0．7143/1000=2282．5t。

按每吨煤炭燃烧排放CO21．9779吨计算，

每年 CO2减排量为：＝5．5×10000×58．1÷1000×1．9779＝6320．4t。

仅节能产生的直接经济效益每年为：＝5．5×41．5＝2,282,500元。

（2）同理计算，与免压蒸工艺进行比较：

每年节约标准煤：1430t；减排CO2量为：3959．8t；经济效益为：1,430,000万元。

6 结束语

免蒸养工艺技术，开创了PHC管桩生产新方法和途径，全面提高了PHC管桩行业的技术进步。免蒸养PHC管桩无需进行静停、升温、恒温和降温等控制，简化了制桩工艺流程，提高制桩的灵活性，消除了蒸汽养护对PHC管桩混凝土力学和耐久性等性能的不利影响。免蒸养的PHC管桩混凝土耐久性高，抗锤击性能高。同时，免蒸养PHC管桩工艺还可大幅度节约原生产工艺蒸养过程中所消耗的大量能源，实现PHC管桩生产的节能环保，具有显著的社会效益，推广应用前景广阔。

[1]严志隆，钟以林，高仁辉，PHC管桩混凝土耐久性，混凝土与水泥制品，2008（6）：26-29

[2]郑琨鹏，孙振平，PHC管桩混凝土自收缩致裂影响因素及预防措施，混凝土世界，2011（3）：66-69

[3]蒋元海，管桩混凝土抗压强度及管桩抗弯试验验证，江苏建材，2001（3）：43-46

[4]王成启，王春明，周郁兵，免压蒸PHC管桩的研制与工程应用，混凝土与水泥制品，2011（4）：29-34

[5]王成启，王春明，周郁兵，张宜兵，养护方式对PHC管桩力学的影响，中国港湾建设，2014（5）：28-31

青浦区经委举办2018年工业节能现场培训

日前，青浦区经委联合上海市能效中心在东北亚新纺织科技有限公司举办2018年青浦区工业节能现场培训会。期间，区经委介绍了2018年工业节能各项重点工作，並下达了节能考核指标任务。要求全区企业加大节能工作力度，提高能源利用效率，做好节能技改、合同能源管理、重点用能设备替换等改造项目，努力构建绿色制造体系，进一步推进青浦区工业节能减排工作，确保完成"十三五"双控目标，实现绿色、循环、低碳发展。

（青浦区）