王博，达胜利，董福成，宋心*，孙朋伟，包贵安，赵军伟

（1. 陕西恒盛集团新材料研究中心，陕西 西安 710000；2. 陕西秦汉恒盛新型建材科技股份有限公司；陕西西安 710000；3. 陕西恒盛混凝土有限公司，陕西 西安 710000）

0 前言

传统的 PHC 管桩采用两段式的养护工艺，即常压蒸养和高压蒸养。压蒸养护工艺使混凝土内部结构形成速度加快，晶体结构中粗大晶粒占大多数，导致内部晶胶比偏大，混凝土脆性大，长期耐久性差；同时混凝土压蒸养护工艺能耗占管桩生产成本的 7%～20%，占整个养护过程耗能的 80% 左右，大量消耗不可再生的煤、石油、天然气等能源[1-2]。目前，国内实现免蒸压技术的厂家主要集中在南方一带，这些区域的管桩出厂后可在当地较高的气温下强度继续增长，而北方夏热冬冷地区的混凝土管桩免蒸压技术还缺乏研究与应用[3]。

本文针对北方地区冬季免蒸压 PHC 管桩进行试验研究，从环保、节能、技术和经济的综合角度，充分利用工业废料，变废为宝，同时避免因高温高压蒸养导致管桩脆性增大所产生的裂纹，提高管桩的耐久性[4]。该研究项目的应用前景广阔，将为北方夏热冬冷地区的混凝土管桩生产行业提供重要的技术支撑，产生较大的技术、经济和社会综合效益。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

水泥：P·Ⅱ52.5 级水泥，陕西省宝鸡市扶风县冀东水泥有限公司，水泥的物理性能如表 1 所示。

表1 水泥物理性能表

砂：粗砂，Ⅱ 区，含泥量 1%，细度模数 2.4，产地：陕西省宝鸡市。

碎石：花岗岩碎石，咸阳武功生产。双级配，5～16mm 和 5～31.5mm，含泥量 0.1%，压碎指标 8.8%。

掺合料：矿粉，陕西韩城大唐盛龙有限公司生产S95 级，流动度比 96%，7d 活性指数 74%，28d 活性指数 96%。

减水剂：早强型减水剂，密度 1.05g/cm3，pH 值为10.3，含固量 13.50%。

1.2 试验方法

按现行相关标准进行。

2 免蒸压管桩试验室正交试验

2.1 正交试验过程

通过前期的试验情况和数据结论，提高胶材用量、引入早强外加剂都可以明显提高管桩的早期强度。同时为了保证混凝土的工作性能，拟将单方水泥用量、单方矿粉用量、砂率作为影响因子，设计三因素三水平正交试验，探究各因子对混凝土强度的影响，并找出最佳配比[5]。试验如表 2 所示。

表2 正交试验设定

设计容重 2550kg/m3；大小石子比例为 4:6；减水剂掺量 2.2%，可根据和易性情况调整；严格控制用水量；正交试验配比表如表 3 所示。

试验过程中，采用机械搅拌，将混凝土出机坍落度控制为 120～160mm，保证混凝土不抓底，流动性良好，无离析、泌水现象发生。试配结果如表 4 所示。以上每组试验留置蒸养 5h 及 7h 试块各两组，震动成型后放置于室内，24h 后拆模后放置于蒸汽养护箱内进行蒸养，蒸养制度为：60℃ 时将试件放入养护箱，开启蒸养，升温速率为 15℃/h，2.5h 后升温至 95℃，恒温 5h和 7h 后取出试件，待试件降至室温后进行抗压试验。抗压试验结果如表 4 所示。

表3 正交试验配比表 kg/m3

表4 试配结果

2.2 正交试验结果

以蒸养时间为 5h 的强度为计算值，其中 k1，k2，k3 为强度平均值，R 为极差。正交分析试验结果如表 5所示。

直接比较抗压强度值可知：在这 9 组试验结果中，以第 7 组试验生产出的混凝土管桩强度最高，其水平组合为 A3、B1、C3（水泥 420kg/m3，矿粉 80 kg/m3，砂率 34%）；通过 R 值的大小可以看出本试验各影响因素的主次关系为 A＞C＞B，即影响管桩混凝土强度的因素最主要的是水泥的用量，其次是砂率，最后是矿粉用量；一定条件下，水泥用量与混凝土强度成正相关，但因所用石子颗粒级配中 2.36mm 以下粒径含量极少，当水泥用量达到一定程度时，通过提高砂及矿粉用量，可以很好地填充水泥颗粒和石子之间的空隙，提高混凝土的密实度，进而改善混凝土的和易性和强度。

表5 正交试验结果分析

对于不同配比的混凝土试样，经过 5h 和 7h 的蒸养后测得抗压强度值如图 1。

图1 5h 和 7h 的蒸养后测得抗压强度值

根据试验强度及和易性结果，虽所有试验组的强度均不能达到 80MPa 以上，但在试验室中，未能模拟实际生产中的离心工艺，在离心过程中可以有效提高管桩混凝土内部的均匀性和密实度，提高管桩强度。所以，在现有原材料状况下，综合考虑成本和工作效率，最大程度降低因配比改变对现有工艺流程及设备状况的影响，选取以下试验配比作为中试配比：其中 3 号试验组直接进入中试，5 号、7 号试验组作为备用配比（原材质量波动、气温降低时使用），优选配比如表 6 所示。

表6 优选配比 kg/m3

3 免蒸压管桩中试研究

3.1 中试试验

根据以上结论，以正交试验中 3 号试验组配比进行中试。生产中严格控制砂含水及用水量，外加剂掺量和出机坍落度根据生产需要适时进行调整，生产工艺流程不做调整，但是对于操作楼搅拌混凝土时的用水量进行现场跟踪与观察，严格控制配合比及用水量。

在每日生产中，随机抽取上午及下午生产各 3 条管桩为试验对象。上午生产的管桩蒸养时间为 6h，下午生产管桩蒸养时间为 10h，分别跟踪出池后、出池后2d、出池后 3d 强度，连续生产跟踪 14d。

3.2 中试试验结果

试验结果见表 7。

表7 中试平均强度值

结果表明，在原材料性质优良且稳定的前提下，在水泥用量 380kg/m3、矿粉用量 120kg/m3、日均气温在 0℃ 以上、保证混凝土出机和易性良好的情况下生产时，管桩出池强度虽不能达到 80MPa，但出池后管桩在室内环境温度下，强度仍在增长，出池 2d 后强度均可达到 80MPa 以上；在不影响整体生产秩序的前提下，通过拌料过程控制、蒸养制度优化、出池养护等工艺优化可有效提升管桩的整体强度；当原材料质量及气温出现下降时，应适当提高胶凝材料用量，且保证混凝土有良好的出机和易性，再配合优化工艺可保证管桩出池 2d 后强度亦可达到 80MPa 以上。

4 结论

在原材料性质优良且稳定的前提下，在水泥用量380kg/m3、矿粉用量 120kg/m3、日均气温在 0℃ 以上、保证混凝土出机和易性良好的情况下生产时，管桩出池强度虽不能达到 80MPa，但出池 2d 后强度均可达到80MPa 以上，此配方可最大限度节约原材料用量而达到免蒸压效果；当原材料质量及气温出现下降时，应适当提高胶凝材料用量，且保证混凝土有良好的出机和易性，再配合优化工艺可保证管桩出池 2d 后强度亦可达到 80MPa 以上。

在不影响整体生产秩序的前提下，通过操作楼拌料过程控制、蒸养制度优化、出池后余热养护等措施也可有效提升管桩的整体强度。免蒸压管桩对原材料品质要求高，对技术人员操作规范性要求较高。因此，应从源头把控原材料的品质，并能及时跟踪检测原材料性能，车间技术人员也应当严格执行既定工艺。

通过管桩免蒸压的生产，一方面节约生产成本、减少生产流程，按照每月 3.8 万米管桩产量计算，目前免蒸压后可以节省天然气 2800～3000 方/天，每月可节约成本 14～18 万元/月，若实行两班倒还可进一步节约成本 28～36 万元/月。