詹镇峰，陈峭卉，杨医博，李从波，陈应钦，郝艳浩，何　栋

免蒸压PHC管桩混凝土耐久性的试验研究

詹镇峰1，陈峭卉2，杨医博3，李从波1，陈应钦2，郝艳浩3，何栋4

（1.广州大学土木工程学院，广东广州510006；2.广东省建筑材料研究院，广东广州510000；3.华南理工大学，广东广州510000；4.南宁鸿基水泥制品有限公司，广西南宁530100）

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SEM分析，比较了免蒸压PHC管桩混凝土和蒸压PHC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。

PHC管桩混凝土；免蒸压；耐久性

PHC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PHC管桩，由于受到来自于地下水和土壤中的侵蚀性介质如Cl-、SO42-等的侵蚀和冻融的破坏，因此对管桩的长期耐久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［1］的试验表明，尽管管桩的强度达到C90，但耐久性指标却出乎意料的低。严志隆等［2］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［3］通过测试电通量、氯离子扩散系数以及抗冻性等指标，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，PHC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PHC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SEM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·Ⅱ42.5R水泥，华润水泥（平南）有限公司产；磨细砂：某管桩厂生产用，SiO2含量92.8%，比表面积408 m2/kg；掺和料A：矿渣粉，比表面积400 m2/kg，江门某企业生产；掺和料C：比表面积250 m2/kg，主要成分为SiO2和Al2O3，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10%；萘系减水剂：QL-PC型，江门强力建材科技有限公司生产，固含量为30%；砂：Ⅱ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5～10 mm、10～25 mm，含泥量0.1%，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（55℃）3.5 h、升温1 h（升温速率为5℃/10 min）、恒温3.5 h（85℃）；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 MPa、恒压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　蒸汽养护和蒸压养护管桩混凝土的配合比

管桩混凝土的抗压强度按照GB/T 50081—2002《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GB/T 50082—2009《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（ZEISS）EVO18 Special Edition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［4］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（90 d、180 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，蒸汽养护的管桩混凝土3d、28d、90d、180d电通量为51～76C，均小于100C。参照ASTM C1202划分的混凝土抗氯离子渗透性的分级标准［5］，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、28 d、90 d、180 d电通量为256～454 C，在ASTM标准的100～1000 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Ca（OH）2反应生成托贝莫来石结晶体。而蒸压养护环节结束后，Ca（OH）2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，Ca（OH）2可以与活性掺和料中的SiO2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-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150、300次硫酸盐干湿循环后管桩混凝土的抗压强度耐蚀系数。

图2　2种养护制度下管桩混凝土的电通量

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150、300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94.1%、88.0%，均高于蒸压养护的73.5%和70.7%，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SO42-与水泥水化生成的Ca（OH）2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Ca（OH）2发生二次化学反应，使结构更加密实，同时也降低Ca（OH）2的含量，减少与SO42-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SO42-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。

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250次冻融循环后，蒸压养护的混凝土相对动弹性模量为65.0%，低于蒸汽养护的95.5%，质量损失率为0.80%，明显高于蒸汽养护的0.25%。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土结构内部裂纹的发生扩展，有害孔含量增加。混凝土在潮湿条件下进行冻融循环时，裂缝内所含的水结冰导致体积膨胀，并进一步促进裂纹的生长和扩展，最终导致混凝土抗冻性的降低，这是造成蒸压养护混凝土抗冻性差的根本原因。而蒸汽混凝土的蒸汽养护温度低，同时，胶凝材料中有活性掺和料，在混凝土水化过程中能发挥火山灰活性和填充作用，二次反应的产物填充较大的孔隙中，降低混凝土孔隙率，减少混凝土有害孔含量，提高抗冻性。

3　微观分析

经早期蒸压和蒸汽养护后，再继续自然养护3 d、28 d，管桩混凝土的SEM照片见图5、图6。

图5　早期蒸压养护后管桩混凝土的SEM照片

图6　早期蒸汽养护后管桩混凝土的SEM照片

从图5、图6可以看出：蒸压养护后，混凝土中的水泥水化产物大小不一，显得杂乱和粗糙［见图5（a）］，而且在图5（b）中明显看到浆体与骨料之间的界面处有1条裂纹；相对而言，蒸汽养护的混凝土微观结构显得较为密实，骨料与浆体之间的界面也无裂纹出现。由此可以看出，蒸压养护，由于温度高，使得水化产物变得杂乱和粗糙，结构疏松，同时也容易诱发骨料与浆体之间界面裂纹的产生，这些因素是导致混凝土耐久性下降的主要原因。

4　结语

（1）蒸汽养护的管桩混凝土在3 d、28 d、90 d、180 d的电通量为51～76 C，明显低于蒸压养护的256～454 C；经150、300次硫酸盐干湿循环后的管桩混凝土抗压强度耐蚀系数分别为94.1%、88.0%，均高于蒸压养护的73.5%和70.7%。经过250次冻融循环后，蒸压养护的管桩混凝土相对动弹性模量为65.0%，低于蒸汽养护的95.5%，质量损失率为0.80%，明显高于蒸汽养护的0.25%。试验数据表明，免蒸压管桩混凝土的耐久性好于蒸压混凝土。

（2）从SEM照片可以看出，蒸压养护后的管桩混凝土水化产物杂乱、粗糙，而且骨料与浆体界面有裂纹缺陷存在；而蒸汽养护后的管桩混凝土结构相对密实，这就从微观结构上解释了蒸压养护混凝土的耐久性不如免蒸压养护的原因。

［1］魏宜岭，李龙.PHC管桩耐久性研究的现状及建议［J］.广东建材，2007（5）：10-12.

［2］严志隆，陆酉教，仲以林，等.PHC管桩混凝土耐久性［J］.混凝土与水泥制品，2008（6）：26-29.

［3］薛利俊，陈芳斌，杨牧，等.不同养护方式对混凝土管桩耐久性影响的试验与分析［J］.江苏建材，2013（6）：27-30.

［4］刘伟，贺志敏，谢友均，等.蒸养混凝土抗氯离子渗透性能研究［J］.混凝土，2005（6）：56-60.

［5］冷发光，田冠飞.混凝土抗氯离子渗透性试验方法［J］.东南大学学报：自然科学版，2006（11）：32-38.

Experimental study on the durability of non-autoclaved PHC pile concrete

ZHAN Zhenfeng1，CHEN Qiaohui2，YANG Yibo3，LI Congbo1，CHEN Yingqin2，HAO Yanhao3，HE Dong4
（1.School of Civil Engineering，Guangzhou University，Guangzhou 510006，Guangdong，China；2.Guangdong Building Materials Research Institute，Guangzhou 510000，Guangdong，China；3.South China University of Technology，Guangzhou 510000，Guangdong，China；4.Nanning Hongji Cement Co.Ltd.，Nanning 530100，Guangxi，China）

In this paper，the durability of non-autoclaved PHC pile concrete and autoclaved PHC pile concrete was compared by testing the electric flux，the corrosion coefficient of compressive strength，relative dynamic elastic modulus，mass loss rate etc，and combining with SEM micro-analysis.Test results show：non-autoclaved pile concrete's electric flux significantly lower than autoclaved concrete's，the corrosion coefficient of compressive strength and relative dynamic elastic modulus of non-autoclaved pile concrete are higher than the autoclaved pile concrete，non-autoclaved pile concrete's mass loss rate less than autoclaved concrete's. Experimental data shows that the durability of non-autoclaved pile concrete is superior to autoclaved pile concrete.

PHC pile concrete，non-autoclaved，durability

TU528.7

A

1001-702X（2015）12-0044-04

南宁市科学研究与技术开发计划项目（20131290）；广东省重大科技专项（2012A010800029）

2015-09-06；

2015-10-14

詹镇峰：男，1964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。