管樁生產(chǎn)中石灰石集料對混凝土強(qiáng)度的影響

　　嘉興學(xué)院建筑工程學(xué)院教授蔣元海

1、前言

近年來，隨著基本建設(shè)的大力發(fā)展，我國預(yù)應(yīng)力混凝土管樁得到了很好的推廣應(yīng)用，管樁產(chǎn)品的生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，至2010年底我國有管樁生產(chǎn)企業(yè)500余家，管樁年產(chǎn)達(dá)3.3～3.5億米，已經(jīng)成為世界第一的管樁生產(chǎn)和應(yīng)用大國。

管樁生產(chǎn)中，砂、石是主要的大宗原材料，占原材料用量的70%以上，大量的生產(chǎn)實(shí)踐表明，砂石的質(zhì)量對管樁產(chǎn)品的質(zhì)量具有很大的影響。由于砂石資源的大量消耗，優(yōu)質(zhì)的砂石越來越匱乏，砂石資源的綜合利用已經(jīng)成為管樁生產(chǎn)技術(shù)的一個主要方向。

國標(biāo)GB13476-2009《先張法預(yù)應(yīng)力混凝土管樁》中對細(xì)集料作出下列規(guī)定“細(xì)骨料宜采用潔凈的天然硬質(zhì)中粗砂或人工砂，細(xì)度模數(shù)宜為2.5～3.2，采用人工砂時，細(xì)度模數(shù)可為2.5～3.5，質(zhì)量應(yīng)符合GB/T14684的有關(guān)規(guī)定，且砂的含泥量不大于1％，氯離子含量不大于0.01％，硫化物及硫酸鹽含量不大于0.5％?！薄按止橇弦瞬捎盟槭蚱扑榈穆咽?，其最大粒徑不應(yīng)大于25mm且不得超過鋼筋凈距的3/4，質(zhì)量應(yīng)符合GB/T14685的有關(guān)規(guī)定，且石的含泥量不大于0.5％，硫化物及硫酸鹽含量不大于0.5％?！盵1]。上述規(guī)定明確指出了管樁生產(chǎn)中，砂石質(zhì)量的具體要求，對指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐、規(guī)范產(chǎn)品質(zhì)量具有十分積極的作用。

由于管樁生產(chǎn)工藝的特殊性，預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁生產(chǎn)中通常采用常壓蒸汽養(yǎng)護(hù)與壓蒸養(yǎng)護(hù)相結(jié)合的“二次養(yǎng)護(hù)”生產(chǎn)工藝，常壓蒸汽養(yǎng)護(hù)可以加快PHC管樁生產(chǎn)過程中的鋼模的周轉(zhuǎn)，提高生產(chǎn)效率；高壓蒸汽養(yǎng)護(hù)使管樁混凝土在短時間內(nèi)由40～60 MPa提高到80～100MPa，可以滿足工程快速施工的需要[2]。

然而，在很多生產(chǎn)實(shí)踐中，由于采用的粗細(xì)集料的石質(zhì)的不同，發(fā)現(xiàn)高壓蒸汽養(yǎng)護(hù)后，混凝土強(qiáng)度的增長并不完全一致，特別是采用石灰石質(zhì)的集料，蒸壓混凝土強(qiáng)度增長并沒有達(dá)到有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范規(guī)定的技術(shù)要求，嚴(yán)重影響了管樁產(chǎn)品的質(zhì)量，給生產(chǎn)企業(yè)帶來很大的困惑，

本文利用不同來源石質(zhì)的二種粗集料，開展對混凝土強(qiáng)度做試驗(yàn)研究對比，分析蒸壓養(yǎng)護(hù)工藝對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響。

2、原材料

1) 水泥： PI型52.5硅酸鹽水泥，3d抗折強(qiáng)度6.3MPa ，3d抗壓強(qiáng)度32.2MPa，28 d抗折強(qiáng)度9.2MPa ，28d抗壓強(qiáng)度59.6MPa。

2）礦渣粉：S95礦渣粉，比表面積410m2/kg。

3）硅砂粉：SiO2為92.0%，比表面積425m2/kg。

4) 細(xì)集料：洞庭湖中粗石英砂，細(xì)度模數(shù)2.8，含泥量1.2%。

5）粗集料：采用二種石質(zhì)的粗集料做對比，a)湖北京山某石場石灰石，經(jīng)破碎，為5~25連續(xù)級配，壓碎值8.8%，針片狀含量3.5%；b)當(dāng)?shù)睾拥赖穆咽?，石質(zhì)為硅質(zhì)巖，使用前經(jīng)篩選成為5~25mm 的連續(xù)級配。

6）減水劑：花王MD-150。

3、試驗(yàn)方法

按JGJ55-2000規(guī)定采用60L單臥軸強(qiáng)制式混凝土攪拌機(jī)拌制混凝土，材料用量以重量計(jì)，稱量的精確度：骨料為±l％、水、水泥、摻合料與外加劑均為±0.5％，控制混凝土坍落度30～50mm。每次混凝土拌制的數(shù)量為20L。投料順序：河砂、碎石、水泥、摻合料干拌20秒后投放水、減水劑，攪拌105秒出料，檢測混凝土塌落度后用震動臺震動成型制作100×100×100mm?立方體試塊三組，靜放2小時，再至車間養(yǎng)護(hù)池蒸養(yǎng)6.5小時。一組脫模后2小時試壓，另兩組放高壓釜蒸壓10小時后出釜，試塊放2小時溫度下降至室溫后試壓。常壓蒸汽養(yǎng)護(hù)工藝制度：靜停2h，升溫2h，均勻升溫至85℃；恒溫4.5h，溫度保持85±3℃；降溫，開池蓋降溫即可。蒸壓汽養(yǎng)護(hù)工藝制度：升壓階段，每0.5h升壓約0.25±0.05MPa，前慢后快，時間2h；恒壓階段壓強(qiáng)保持1.0±0.05MPa，時間4h；降壓階段均勻降壓，時間2.5h；降溫階段，時間0.5h，然后拉開釜門，通風(fēng)降壓后拉樁出釜。

4、試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)采用1#、2#二個混凝土配合比，試驗(yàn)方案見表1所示?；炷翉?qiáng)度的測定值分別見表2、表3所示。

5、試驗(yàn)結(jié)果分析

從表2可見，混凝土1#配合比，采用石灰石集料，混凝土常壓蒸汽養(yǎng)護(hù)后的混凝土脫模強(qiáng)度為55.5MPa；蒸壓養(yǎng)護(hù)后的混凝土強(qiáng)度63.1MPa，混凝土強(qiáng)度提高7.6MPa，可見采用石灰石集料蒸壓養(yǎng)護(hù)后的混凝土強(qiáng)度增長的幅度很小，僅僅只有13.7%。在1#相同配合比情況下，采用篩選卵石集料，混凝土常壓蒸汽養(yǎng)護(hù)后的混凝土脫模強(qiáng)度為49.6MPa，蒸壓養(yǎng)護(hù)后的混凝土強(qiáng)度91.2MPa，混凝土強(qiáng)度提高41.6MPa，采用卵石集料蒸壓養(yǎng)護(hù)后的混凝土強(qiáng)度幅度較大，達(dá)到83.9%。1#配合比的石灰石集料比卵石集料在常壓蒸汽養(yǎng)護(hù)后的混凝土強(qiáng)度高出5.9MPa，但是蒸壓養(yǎng)護(hù)后卵石集料的混凝土強(qiáng)度比石灰石集料的混凝土強(qiáng)度高出28.1MPa。

從表3可見，混凝土2#配合比，采用石灰石集料，混凝土常壓蒸汽養(yǎng)護(hù)后的混凝土脫模強(qiáng)度為42.3MPa，蒸壓養(yǎng)護(hù)后的混凝土強(qiáng)度75.1MPa，混凝土強(qiáng)度提高32.8MPa，石灰石集料蒸壓養(yǎng)護(hù)后的混凝土強(qiáng)度提高77.5%；在2#相同配合比情況下，采用篩選卵石集料，混凝土常壓蒸汽養(yǎng)護(hù)后的混凝土脫模強(qiáng)度為44.4MPa，蒸壓養(yǎng)護(hù)后的混凝土強(qiáng)度85.1MPa，混凝土強(qiáng)度提高40.7MPa，可見采用卵石集料蒸壓養(yǎng)護(hù)后的混凝土強(qiáng)度提高達(dá)91.7%。2#配合比的石灰石集料比卵石集料在常壓蒸汽養(yǎng)護(hù)后的混凝土強(qiáng)度相差很小，但是蒸壓養(yǎng)護(hù)后卵石集料的混凝土強(qiáng)度比石灰石集料的混凝土強(qiáng)度高出10.0MPa。

從上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見，在混凝土常壓蒸汽養(yǎng)護(hù)后，石質(zhì)為石灰?guī)r的粗集料與卵石粗集料配制的混凝土具有同樣的規(guī)律，混凝土強(qiáng)度增長較快。但是在蒸壓養(yǎng)護(hù)條件下，石質(zhì)為石灰?guī)r的粗集料與卵石粗集料所配制的混凝土強(qiáng)度變化較大：在沒有摻加硅砂粉為混凝土摻合料情況下，石灰?guī)r的粗集料的混凝土經(jīng)蒸壓養(yǎng)護(hù)后，混凝土抗壓強(qiáng)度增長很少，然而在摻加一定比例的硅砂粉等量替代水泥的情況下混凝土的抗壓強(qiáng)度有較大幅度的提高，但比卵石配制的混凝土抗壓強(qiáng)度低10MPa左右，仍然難以滿足技術(shù)要求。卵石粗集料的混凝土經(jīng)蒸壓養(yǎng)護(hù)后，混凝土抗壓強(qiáng)度有很大的增長。由此可見，石灰石質(zhì)粗集料不適用于蒸壓養(yǎng)護(hù)工藝的混凝土原材料。

混凝土在蒸壓養(yǎng)護(hù)過程中，砂石集料表面的SiO2在170℃以上的溫度下與水泥水化時大量生成的強(qiáng)度很低的水化產(chǎn)物Ca(OH)2進(jìn)行水熱合成反應(yīng)，生成強(qiáng)度很高的--托勃莫來石晶體C5S6H5，這樣將混凝土強(qiáng)度很弱的砂石與水泥漿的界面轉(zhuǎn)化為強(qiáng)度很高的界面，由此成為蒸壓混凝土強(qiáng)度提高的一個主要因素。長石、玄武巖、花崗巖、石英巖等均含50%以上的SiO2，在水熱合成中，可以充分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成大量的C5S6H5，提高混凝土的抗壓強(qiáng)度。但是，采用石灰?guī)r質(zhì)的粗集料，其巖石的主要化學(xué)成分是CaCO3 ，在170℃以上的溫度下與水泥中的Ca(OH)2不會進(jìn)行水熱合成化學(xué)反應(yīng)，因此混凝土粗集料與水泥砂漿的界面結(jié)構(gòu)沒有得到增強(qiáng)，大量的Ca(OH)2保留在混凝土內(nèi)部，沒有參與反應(yīng)，混凝土的強(qiáng)度增長很慢。但是，在采用硅砂粉作為混凝土摻合料等量替代水泥的情況下，雖然石灰石質(zhì)的集料沒有參與界面的水熱合成反應(yīng)，但是外摻加入的硅砂粉在高溫高壓的水蒸氣作用下，與水泥水化時大量生成的強(qiáng)度很低的水化產(chǎn)物Ca(OH)2進(jìn)行水熱合成反應(yīng)，在消耗強(qiáng)度很低的Ca(OH)2的的同時，生成了強(qiáng)度很高的--托勃莫來石晶體C5S6H5，這樣使混凝土強(qiáng)度得到一定程度的提高。

當(dāng)然，若采用石灰質(zhì)型的人工砂，在細(xì)集料與水泥漿的界面同樣也不會發(fā)生水熱合成反應(yīng)，其結(jié)構(gòu)難以得到增強(qiáng)，因此蒸壓養(yǎng)護(hù)工藝條件下混凝土強(qiáng)度也將不會有很大幅度的提高。

另外，在水泥早期水化過程中，粗集料表面的少量CaCO3與C3A等大量水存在的條件下，發(fā)生反應(yīng)生成強(qiáng)度較高的水化產(chǎn)物，即CaCO3型的鈣礬石C3A·3CaCO3·31H2O， C3A·3CaCO3·31H2O的形成對提高混凝土早期強(qiáng)度具有很大的作用，但是C3A·3CaCO3·31H2O是化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定的產(chǎn)物，隨著養(yǎng)護(hù)溫度的提高，C3A·3CaCO3·31H2O分子結(jié)構(gòu)逐漸將發(fā)生分解，溫度越高，分解程度愈大，生成產(chǎn)物的強(qiáng)度很小很小。蒸壓養(yǎng)護(hù)過程中，恒溫恒壓達(dá)1.0MPa、180℃，C3A·3CaCO3·31H2O幾乎徹底分解。相對于花崗巖石質(zhì)的卵石，粗集料表面的沒有CaCO3，因此也就沒有上述化學(xué)反應(yīng)，混凝土強(qiáng)度有較大的穩(wěn)定增長。

6、結(jié)語

石質(zhì)為CaCO3的粗細(xì)集料可以適合常壓養(yǎng)護(hù)生產(chǎn)工藝，混凝土脫?？箟簭?qiáng)度有較大的穩(wěn)定增長。

石質(zhì)為CaCO3的粗細(xì)集料在蒸壓養(yǎng)護(hù)過程中，在沒有摻加硅砂粉情況下混凝土抗壓強(qiáng)度增長較小，在用硅砂粉等量部分替代水泥情況下，蒸壓混凝土抗壓強(qiáng)度有一定的提高，但仍然不符合技術(shù)規(guī)范的指標(biāo)要求，不適合用于蒸壓養(yǎng)護(hù)作業(yè)方式生產(chǎn)預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁。

參考文獻(xiàn)

[1]國標(biāo)GB13476-2009.《先張法預(yù)應(yīng)力混凝土管樁》[S]。

[2]蔣元海. 關(guān)于我國管樁行業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展的建議，混凝土與水泥制品[J]，2007.4， 31-32。