绿色高性能混凝土在管桩行业应用探讨

李娟科，王 敏

(湖南宁华混凝土制品有限公司，湖南 宁乡 410600)

0 前 言

自从1824年水泥混凝土诞生以来，水泥混凝土是工程建设中应用最广，用量最多的工程材料，在今后相当长的一段时期内，尚无可以替代的产品。据中国混凝土网的不完全统计，2017年我国的商品混凝土总产量为22.98亿 m3，比上一年增长3.11%。

混凝土管桩作为一种新兴的混凝土制品，发展十分迅速，成为混凝土制品行业中的一个重要分支，同时也是混凝土用量大户。全国每年超过3亿m的管桩，需要消耗大量的水泥混凝土材料。大量水泥混凝土的应用带来相关的资源、能源与环境问题十分突出，在目前政府比以往更加重视环境保护，混凝土生产过程中的若干资源出现了供应短缺，人们意识到无节制地滥用资源已经导致混凝土行业出现危机时，我们应该反思：混凝土材料如何才能实现可持续发展。

1 管桩行业混凝土应用现状

据统计，2016年全国的管桩产量超过了3亿m，形成了一个新兴的行业。无论是预应力混凝土管桩(PC管桩)、预应力混凝土薄壁管桩(PTC管桩)和预应力高强混凝土管桩(PHC管桩)，其基本材料都是混凝土。在一般情况下，各种混凝土管桩的混凝土强度为C50～C80。

由于工业化专业化生产，管桩生产中混凝土砂石骨料质量控制和管理较好，配合比各项指标控制较好，原材料计量较准确，总体而言，混凝土质量控制好于现场搅拌混凝土。由于毕竟管桩行业每年消耗的混凝土量巨大，对于自然资源的消耗仍然是不可忽视的。

目前管桩企业在较高强度混凝土的生产中，主要添加的材料为硅砂粉，而在普通混凝土中常用的粉煤灰、矿粉等添加物很少使用。为了规范硅砂粉的使用，编制了行业规范《预应力高强混凝土管桩用硅砂粉》(JC/T950-2005)。

管桩对于混凝土的要求主要是两个方面：强度和耐久性。管桩的强度一般不低于C60，属于高强混凝土，在目前工业化生产条件下不难达到。由于管桩的使用条件常常在对混凝土有一定腐蚀作用的环境中，因此，管桩的耐久性要求比普通混凝土更为突出。

为了解决管桩混凝土的强度和耐久性问题，绿色高性能混凝土的推广是很有必要的。

2 绿色高性能混凝土在管桩行业的应用

中国混凝土学会将高性能混凝土定义为：以耐久性和可持续发展为基本要求并适合工业化生产与施工的混凝土。 与传统高强度混凝土重点关注强度指标不同，高性能混凝土把耐久性指标放在首位，通过对水泥基混合料硬化前后各种性能的改善，提高混凝土结构的耐久性和强度。高性能混凝土的特点是通过掺加细磨的矿物细掺料实现混凝土的低孔隙率、高密实度。

吴中伟院士认为，混凝土能否长期作为最主要的建筑结构材料，取决于能否成为绿色材料，多年以来的基本建设的快速发展，通过矿山开采、挖取河砂已经造成了大量的环境问题。现在到了必须重视这个问题的时候了。吴院士提出了绿色高性能混凝土(Green High Performance Concrete，简称GHPC)的概念。GHPC 应具有下列特征：减少对自然资源的占用，减少水泥用量，减少自然资源的占用和环境污染；充分利用工业废渣为主的细掺料；发挥高性能混凝土性能强度高、耐久性好的优势，减少混凝土用量；扩大在较低标号的混凝土生产中高性能混凝土的生产和应用，扩大GHPC的应用范围[1-2]。

绿色高性能混凝土强调的是混凝土的绿色含量，减少自然资源的消耗，减少排放，关注混凝土的可持续发展。绿色高性能混凝土由于具有良好的工程性能，而且具有资源节约性和环境友好性，已成为国内外的产业发展方向。管桩行业作为混凝土用量很大的产业，应该加快研究应用绿色高性能混凝土，满足经济社会发展需要，是水泥管桩行业实现可持续发展的重要途径。

活性粉末混凝土，也称超高性能混凝土(UHPC)实现了超高的力学性能和超高的耐久性，实现了水泥基材料近几十年来最具创新性的改进，也是国内外混凝土材料的研究热点。UHPC以远远低于普通混凝土的孔隙率，使用增强纤维提高材料的韧性，其强度和耐磨性能远高于普通混凝土。目前，UHPC在结构和桥梁已经有了一些实际应用，而且效果很好。不过，对于混凝土管桩，由于不需要很高的强度，只是对于耐久性的要求更高，因此，中等强度的高性能混凝土在管桩中的应用也许具有更高的利用价值。

3 管桩行业实现GHPC的途径

3.1 利用工业废渣细掺料，降低水泥用量

混凝土生产中的所有原材料(水泥、砂、石)都要占用大量的自然资源，水泥是资源消耗、能耗和环境污染最严重的一种。混凝土生产过程中，排放大量的CO2和SO3，降低水泥用量对实现绿色混凝土最直接有效的途径。比较有效的措施是充分利用工业废渣(如粉煤灰、矿粉等)，在配制混凝土时加入较大量矿物细掺料，降低混凝土中的水泥用量，可降低水泥凝结过程中的温升，改善工作性能，提高后期强度。并通过改善混凝土的密实度，改善混凝土应对外部环境影响的能力。国外将这种混合材料称为辅助胶凝材料，是高性能混凝土不可缺少的组分。科学地大量使用矿物细掺料，降低混凝土中的水泥用量，既可以增加混凝土的密实度，提高耐久性，又可减少对水泥用量的需求；既可减少水泥生产时 CO2的排放，又因大量利用其他工业废料而减少排放有利于保护环境。国内这些年的实践表明，应用大掺量粉煤灰和矿渣作为水泥替代材料，是满足国家基础设施建设的需要，而不用增加水泥产量的有效措施。

我国于2015年颁布了国家标准《活性粉末混凝土》(GB/T31387-2015)，规定了活性粉末混凝土的原材料、配合比设计、制备与运输、养护、试验方法、检验规则。在管桩行业实现绿色混凝土的转变过程中，还应该进行掺入料的品种，细度和掺入量对于混凝土性能影响的研究，使绿色高性能混凝土在管桩行业能够得到更广泛的应用。

3.2 合理地选用外加剂

合理地使用混凝土外加剂在改善混凝土的性能方面有着不可替代的作用，绿色高性能混凝土推广有赖于各种混凝土外加剂的研制和成功应用。合理地选用混凝土外加剂可以减少水泥用量，按要求改善混凝土的力学性能、施工性能，提高混凝土的耐久性。应该研究改进掺入细磨料之后的混凝土性能的外加剂，促进磨细矿渣、粉煤灰及硅灰等的应用，有助于推广掺入较大量细磨料的混凝土应用。

3.3 合理选用增强纤维的品种和用量

普通混凝土其抗拉强度远远低于抗压强度，因脆性而容易产生裂缝是其固有的弱点，影响了工程的使用寿命。随着我国经济社会的高速发展，建筑技术的不断进步，高层建筑、高架路桥、地铁交通等都对混凝土的性能提出了高抗拉抗压、高韧性、高抗裂等更高的要求。在混凝土性能改良的过程中，纤维增强混凝土的应用就顺理成章了。在管桩行业中，预应力管桩的预应力施加就是对管桩施加预加的压应力来抵抗吊装、沉桩和使用过程中桩身出现的拉应力，而不至于使桩身开裂。纤维增强混凝土，即在普通混凝土中掺加聚合物纤维、钢纤维等，这有利于改变混凝土固有的抗拉抗裂性能较差的特点。尤其是聚合物纤维增强混凝土，混凝土中分散的增强纤维可大大减缓材料内部微裂缝的扩展，从而使材料表现出超高的韧性和延性性能。不仅保留甚至增强了混凝土高抗压强度的特点，又大大增加其抗裂性能、韧性，使混凝土更加符合现代土木工程对材料性能的要求。

4 绿色高性能混凝土的研究展望

4.1 加强对绿色高性能混凝土配套技术的研究开发

着重解决高性能混凝土和绿色高性能混凝土由于低水胶比引起的自收缩问题，由于高强度带来的脆性问题等。除了改善胶凝材料的性能外，研究新型的外加剂和纤维增强混凝土应该是合理的思路。

4.2 提高混凝土材料的绿色度

混凝土的主要原料水泥的生产，不仅原材料需要大量的自然资源，生产过程消耗大量的能源，还会产生大量的废物排放。因此，倡导绿色混凝土，必须采用有效措施减少水泥的使用量。在混凝土中科学地加大细磨粉煤灰等掺合料的用量，既可以改善混凝土性能，又可减少水泥用量；还可做到工业废料的再利用、减少水泥生产时废物的排放。

4.3 降低高性能混凝土的成本

目前，高性能混凝土的成本明显高于普通混凝土高，使用成本较高是混凝土新技术推广的一个主要障碍。与此同时，研究表明，高性能混凝土不等于高成本，在新技术，新工艺条件下，降低高性能混凝土的生产成本是可以实现的。按照2017年生产混凝土约23 亿m3，即使每m3混凝土生产成本降低1元左右，便能节约人民币23亿元。只有通过技术研究和创新，有效地降低生产成本和使用成本，才能够使高性能混凝土得到广泛的应用。

4.4 绿色高性能混凝土下预应力管桩的预应力度的调整

预应力管桩的预应力施加是为了使管桩在使用过程中不至于因受拉而出现裂缝，这是由于普通混凝土固有的抗拉强度低的特点决定的。在高性能混凝土应用后，在混凝土本身的抗裂能力有所提升，管桩的应用范围可以更加广泛，可以更多地用于受弯或者受拉的领域，比如基坑支护等方面。或者，在常规的应用范围内，管桩的预应力度是不是可以降低，是不是可以通过减少预应力钢筋数量或者降低预应力钢筋的拉伸应力，这些都是在绿色高性能混凝土应用之后管桩行业可以研究的问题。

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