王成启，刘君，张章龙

（1.中交上海三航科学研究院有限公司，上海 200032；2.中交第三航务工程局有限公司宁波分公司预制厂，浙江 宁波 315803）

0 引言

大管桩（全称后张法预应力混凝土大直径管桩）是一种采用离心、振动和辊压三复合工艺成型，并经蒸养、水养后拼接张拉、灌浆自锚的预应力混凝土管桩，其混凝土具有高密度、低水灰比、高强度、低渗透性等技术特点[1-3]。自1950年开发成功以来，已在国内外港口、码头、桥梁等工程中得到了广泛应用[4-7]。20世纪80年代中后期，我国引进美国大管桩制桩技术，并成功开发研制了大管桩，具有承载力高、耐锤击性能好等技术特点，已在华东与华南沿海得到广泛应用。已建港口工程的调查表明大管桩工程应用状况良好，取得了良好的社会和经济效益，从而使我国的港口建设进入世界先进水平的行列。

为了提高预制构件的生产效率，目前通常采用蒸汽养护提高混凝土的早期强度，以提高混凝土的脱模强度。蒸汽养护所产生的能源消耗在预制构件生产成本中占据非常重要的地位，但是蒸汽养护也会对预制构件混凝土性能和环境造成不利影响[8-9]。因此，对PHC管桩开展了免蒸养工艺技术研究与应用，取得了良好的效果[10]。在大管桩生产过程中，为提高大管桩混凝土的早期强度，缩短拆模时间和提高工效，也需采用蒸汽养护，蒸汽养护工序消耗很多能源，不仅增加了大管桩的生产环节，而且还会对大管桩的混凝土性能产生不利影响，不利于大管桩质量控制和性能进一步提高。由于大管桩混凝土配制与制桩工艺和PHC管桩存在显著差别，需探索大管桩节能的制桩新工艺，并进一步提升大管桩性能。

本文通过原材料优选和超早强混凝土配制技术研究，大管桩生产养护工艺研究与改进，充分利用混凝土早强作用，环境温度对混凝土强度发展的作用，免去蒸汽养护生产大管桩，开发出免蒸养大管桩生产工艺技术，并且在宁波-舟山港梅山港区6号至10号集装箱码头工程中进行应用性试验。

1 大管桩干硬性混凝土配制试验研究

1.1 原材料

1） 水泥

采用海螺P.Ⅱ52.5硅酸盐水泥，对水泥的安定性、凝结时间、强度等性能指标进行检测，其性能指标满足GB 175—2007《通用硅酸盐水泥》中要求。

2）矿渣粉

采用宁波S95粒化高炉矿渣粉，其物理力学性能指标达到了GB/T 18046—2017《用于水泥、砂浆和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》中技术要求。

3） 骨料

细骨料采用河砂，其细度模数为2.6的Ⅱ区中砂，粗骨料采用5～20 mm连续级配的碎石。骨料性能指标满足有关规范要求。

4）减水剂

采用上海GTS-413早强型聚羧酸系高性能减水剂，其性能检测结果满足有关规范要求。

1.2 试验方法

1）力学性能

混凝土抗压强度、劈拉强度力学性能试验按JTJ 270—1998《水运工程混凝土试验规程》的有关规定进行。

2）耐久性

混凝土电通量、扩散系数（RCM法）和抗冻性试验按GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》有关规定进行。

1.3 混凝土配合比设计

1）配制方法

大管桩为干硬性混凝土，维勃稠度按照JTS 167-6—2011《港口工程后张预应力混凝土大管桩设计与施工规程》的有关规定，其干硬性混凝土配制技术要求如表1所示。

表1 大管桩混凝土配制参数要求Table 1 Requirements for concrete composition parameters of large pipe piles

2）主要配合比参数

考虑混凝土早期强度和耐久性，本研究选用S95粒化高炉矿渣粉作为矿物掺合料，并采用早强剂提高混凝土强度。混凝土的水胶比为0.25～0.30，S95矿渣粉掺量为10%～20%，混凝土的主要组成材料如表2所示。

表2 大管桩干硬性混凝土配合比参数Table 2 Mix ratio parameters of dry and hard concrete for large pipe pileskg/m3

1.4 试验结果讨论与分析

1.4.1 混凝土性能试验研究

1.4.1.1 工作性能

进行了混凝土的维勃稠度、含气量和表观密度性能的试验，试验结果如表3所示。结果表明，混凝土的维勃稠度满足大管桩的干硬性混凝土要求，可满足大管桩离心、振动和辊压三复合工艺质量要求。同时，混凝土具有较低的含气量和较高的表观密度，有利于有效提高大管桩混凝土的力学性能和耐久性。

表3 混凝土工作性能测试结果Table 3 Test results of concrete working performance

1.4.1.2 力学性能

开展了标准养护下混凝土抗压强度、劈拉强度的试验，试验结果如表4所示。可以看出，混凝土1 d抗压强度大于42 MPa，达到脱模强度要求，5 d抗压强度即达到C60出厂强度要求，且后期强度持续增加，28 d抗压强度大于80 MPa，所配制的混凝土具有较高的早期强度和后期强度，有利于提高免蒸养大管桩脱模强度。随着龄期的增加，劈拉强度不断增加，具有较高的劈拉强度和良好的抗裂性能。混凝土拉压比呈下降趋势，表明随着混凝土强度增加，混凝土脆性具有增加趋势，但混凝土90 d龄期的拉压比大于0.070 0，混凝土具有较低脆性。

表4 免蒸养混凝土抗压强度、劈拉强度Table 4 Compressive strength and splitting tensile strength of non-steam concrete

1.4.1.3 耐久性

1）抗氯盐侵蚀性能

进行了标准养护条件下混凝土电通量和扩散系数测试，混凝土28 d和56 d的电通量分别为875 C和410 C，混凝土84 d扩散系数为1.4×10-12m2/s。测试结果表明混凝土28 d电通量＜1 000 C，56 d电通量小于500 C，84 d扩散系数小于1.5×10-12m2/s，混凝土具有较高的抗氯盐侵蚀性能，具有良好的耐久性。

2）抗冻性

开展了28 d龄期混凝土抗冻性试验，测试结果如表5所示。结果表明，经历400次冻融循环后，混凝土相对动弹性模量为99.1%，质量损失率为0.3%，混凝土抗冻等级大于F350，具有良好的抗冻性，可满足北方高抗冻性的质量要求。

表5 混凝土抗冻性测试结果Table 5 Test results of frost resistance of concrete

2 免蒸养工艺试验研究

2.1 免蒸养大管桩生产工艺

免蒸养大管桩的生产主要包括混凝土原材料质量检测与控制、混凝土配料、混凝土搅拌、钢筋笼制作与加工、钢模制作与安装、钢筋笼安装、混凝土布料、离心振动和辊压三复合工艺、免蒸养养护工艺、管桩拼接、张拉与灌浆以及混凝土性能检测等。为提高大管桩的早期脱模强度，采取了早期保温养护技术措施，大管桩免蒸养养护工艺由早期养护池的保温养护、脱模后水养以及堆场自然养护3个阶段组成。第一阶段：大管桩离心成型后即进入养护池，并盖上盖子进行保温养护，当养护池内大管桩混凝土的强度达到42.0 MPa可进行脱模。第二阶段：脱模后的大管桩放入水池养护4 d出水养池。第三阶段：出水养池后露天环境下进行自然养护，自然养护达到60.0 MPa出厂强度要求。

2017年5月开展了免蒸养工艺试验，平均环境温度为21℃，将生产的大管桩管节放入养护池进行保温养护，分别测试了不同养护时间的环境温度、养护池温度及养护池与环境温差，见图1。

图1 环境温度和养护池的温度监测结果Fig.1 Monitoring results of ambient temperature and maintenance pool temperature

由图1可以看出，当养护时间为12 h时，养护池内各时间段的温升为0～23.6℃，其平均温升9.8℃；当养护时间为24 h时，养护池内各时间段的温升为0～23.6℃，其平均温升15.5℃。因此，通过养护池保温养护作用，并在水泥水化放热的作用下，养护池温度均不断增加，可明显提高混凝土早期强度。

2.2 混凝土性能试验

1）抗压强度

按照大管桩制作工艺生产大管桩管节，分别成型了抗压强度和耐久性试块，进行免蒸养养护、蒸汽养护和自然养护3种养护方式的同条件养护，养护到规定龄期时，测试混凝土的抗压强度和耐久性，测试结果如表6所示。测试结果表明，免蒸养大管桩混凝土的12 h的脱模强度达到55.0 MPa，大于规范42 MPa的质量要求，且后期强度不断增加，7 d抗压强度大于70 MPa，满足拼接张拉的质量要求，28 d混凝土抗压强度进一步增加，抗压强度超过80 MPa。采用免蒸养工艺技术的不同龄期混凝土抗压强度高于蒸汽养护混凝土，而自然养护的大管桩混凝土12 h抗压强度为40.0 MPa，不能满足规范脱模强度要求。

表6 大管桩混凝土抗压强度测试结果Table 6 Test results of concrete compressive strength of large pipe piles MPa

2）耐久性

分别测试了不同养护方式的混凝土不同龄期的电通量，测试结果如表7所示。

表7 不同养护方式大管桩电通量测试结果Table 7 Test results of electric flux of large pipe piles under different curing modesC

采用免蒸养工艺大管桩混凝土的28 d电通量1 216 C，满足规范不大于1 500 C的质量要求，随着龄期的增长，混凝土的电通量进一步降低，90 d电通量小于1 000 C。因此，开发研制大管桩混凝土具有良好的耐久性，而采用蒸汽养护和自然养护的大管桩混凝土的电通量相对较大。

3）扫描电子显微镜试验

采用日本电子光学公司JSM-5600LV低真空扫描电子显微镜，观察养护90 d龄期的混凝土内部结构形貌，如图2所示。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无裂缝和缺陷产生，形成均匀和致密体系；放大倍数为15 000倍扫描电镜照片表明，形成由板状氢氧化钙、云状的C-S-H凝胶等水化产物致密体系，使混凝土强度和耐久性大幅度增加，免蒸养混凝土具有较高的抗压强度、劈拉强度，并具有良好的抗氯盐侵蚀和抗冻性能。

图2 混凝土扫描电子显微镜照片Fig.2 Scanning electron microscope photographs of concrete

3 工程应用试验

3.1 工程概况

宁波-舟山港梅山港区6号至10号集装箱码头工程位于梅山岛东南侧，青龙山西侧，已建一期工程东北侧的深水岸线段，码头前方为梅山港区进港航道。码头由码头平台、变电所平台和引桥组成，码头平台采用整体宽平台的结构形式，采用高桩梁板结构，排架间距为10 m。基桩采用φ1 200 mm组合管桩，组合管桩桩长为77～85.5 m，上管节采用φ1 200 mm的后张法预应力混凝土大管桩（桩长68 m、B32-2型），下管节为φ938 mm的钢管桩。

3.2 大管桩出厂性能检验

1）抗压强度

2017年9月，进行了免蒸养大管桩管节的生产，测得混凝土的维勃稠度为29 s，进行离心、振动和辊压三复合工艺成型管节，并将成型的管节放入保温养护池进行养护，8 h后脱模并进行水养护4 d，放入堆场进行自然养护。测试了同条件养护各龄期抗压强度如表8所示。可以看出，混凝土8 h抗压强度达到61.1 MPa，即满足脱模强度要求。

表8 免蒸养大管桩混凝土抗压强度Table 8 Compressive strength of concrete for non-steam large pipe pile

2）耐久性

分别测试了28 d、56 d和90 d的大管桩混凝土的电通量为1 305 C、1 208 C和908 C，可以看出，免蒸养大管桩混凝土28 d电通量满足规范不大于1 500 C的质量要求。

3.3 大管桩抗弯结构试验

按照《港口工程后张预应力混凝土大管桩设计与施工规程》、GB/T 50152—2012《混凝土结构试验方法标准》的有关规定，进行了养护14 d的D1200B32-2免蒸养大管桩抗弯结构试验，测得免蒸养大管桩抗裂弯矩为1 786 kN·m，大于抗裂弯矩设计值1 640 kN·m的要求。因此，免蒸养大管桩具有较高的抗弯性能，且免蒸养大管桩的后期力学性能将持续增长，其抗弯性能将进一步提高。

3.4 沉桩情况

开发研制的免蒸养大管桩在宁波-舟山港梅山港区6号至10号集装箱码头工程进行了沉桩试验，采用D138锤二档沉桩，桩顶设20 cm纸垫，最终贯入度控制在3 mm/击，沉桩结束后桩顶桩身完好无损，桩身完整无裂缝，桩基检测结果良好，免蒸养大管桩具有良好的抗锤击性能，可有效提高大管桩的耐久性。

4 结语

通过对混凝土配合比优化设计及性能试验研究，并开展了大管桩免蒸养生产工艺和工程应用性试验研究，成功开发出免蒸养大管桩生产工艺技术。免蒸养大管桩混凝土的抗压强度满足规范要求，具有较高的早期强度、后期强度，并具有良好的耐久性，有效改善了大管桩的性能，可满足大管桩早期脱模强度和生产技术要求。开发研制的免蒸养大管桩在工程中的应用情况表明，大管桩的力学性能满足有关规范要求，具有较高的耐久性，大管桩沉桩未出现裂缝，具有良好的抗锤击性能，现场沉桩效果良好。免蒸养大管桩生产工艺保证和提高了大管桩性能以及模板周转，可节约成本和节能环保，具有显著的经济和社会效益。