管桩生产中石灰石集料对混凝土强度的影响

　　嘉兴学院建筑工程学院教授蒋元海

　　1、前言

　　近年来，随着基本建设的大力发展，我国预应力混凝土管桩得到了很好的推广应用，管桩产品的生产规模不断扩大，据不完全统计，至2010年底我国有管桩生产企业500余家，管桩年产达3.3～3.5亿米，已经成为世界第一的管桩生产和应用大国。

　　管桩生产中，砂、石是主要的大宗原材料，占原材料用量的70%以上，大量的生产实践表明，砂石的质量对管桩产品的质量具有很大的影响。由于砂石资源的大量消耗，优质的砂石越来越匮乏，砂石资源的综合利用已经成为管桩生产技术的一个主要方向。

　　国标GB13476-2009《先张法预应力混凝土管桩》中对细集料作出下列规定“细骨料宜采用洁净的天然硬质中粗砂或人工砂，细度模数宜为2.5～3.2，采用人工砂时，细度模数可为2.5～3.5，质量应符合GB/T14684的有关规定，且砂的含泥量不大于1％，氯离子含量不大于0.01％，硫化物及硫酸盐含量不大于0.5％。”“粗骨料宜采用碎石或破碎的卵石，其最大粒径不应大于25mm且不得超过钢筋净距的3/4，质量应符合GB/T14685的有关规定，且石的含泥量不大于0.5％，硫化物及硫酸盐含量不大于0.5％。”^[1]。上述规定明确指出了管桩生产中，砂石质量的具体要求，对指导生产实践、规范产品质量具有十分积极的作用。

　　由于管桩生产工艺的特殊性，预应力高强混凝土管桩（简称PHC管桩）生产中通常采用常压蒸汽养护与压蒸养护相结合的“二次养护”生产工艺，常压蒸汽养护可以加快PHC管桩生产过程中的钢模的周转，提高生产效率；高压蒸汽养护使管桩混凝土在短时间内由40～60 MPa提高到80～100MPa，可以满足工程快速施工的需要^[2]。

　　然而， 在很多生产实践中，由于采用的粗细集料的石质的不同，发现高压蒸汽养护后，混凝土强度的增长并不完全一致，特别是采用石灰石质的集料，蒸压混凝土强度增长并没有达到有关标准规范规定的技术要求，严重影响了管桩产品的质量，给生产企业带来很大的困惑，

　　本文利用不同来源石质的二种粗集料，开展对混凝土强度做试验研究对比，分析蒸压养护工艺对混凝土抗压强度的影响。

　　2、原材料

　　1) 水泥： PI型52.5硅酸盐水泥，3d抗折强度6.3MPa ，3d抗压强度32.2MPa，28 d抗折强度9.2MPa ，28d抗压强度59.6MPa。

　　2）矿渣粉：S95矿渣粉，比表面积410m²/kg。

　　3）硅砂粉：SiO2为92.0%， 比表面积425m²/kg。

　　4) 细集料：洞庭湖中粗石英砂，细度模数2.8，含泥量1.2%。

　　5）粗集料：采用二种石质的粗集料做对比，a)湖北京山某石场石灰石，经破碎，为5~25连续级配，压碎值8.8%，针片状含量3.5%；b)当地河道的卵石，石质为硅质岩，使用前经筛选成为5~25mm 的连续级配。

　　6）减水剂：花王MD-150。

　　3、 试验方法

　　按JGJ55-2000规定采用60L单卧轴强制式混凝土搅拌机拌制混凝土，材料用量以重量计，称量的精确度：骨料为±l％、水、水泥、掺合料与外加剂均为±0.5％，控制混凝土坍落度30～50mm。每次混凝土拌制的数量为20L。投料顺序：河砂、碎石、水泥、掺合料干拌20秒后投放水、减水剂（减水剂投入到水中），搅拌105秒出料，检测混凝土塌落度后用震动台震动成型制作100×100×100mm?立方体试块三组，静放2小时，再至车间养护池蒸养6.5小时。一组脱模后2小时试压，另两组放高压釜蒸压10小时后出釜，试块放2小时温度下降至室温后试压。常压蒸汽养护工艺制度：静停2h，升温2h，均匀升温至85℃；恒温4.5h，温度保持85±3℃；降温，开池盖降温即可。蒸压汽养护工艺制度：升压阶段，每0.5h升压约0.25±0.05MPa，前慢后快，时间2h；恒压阶段压强保持1.0±0.05MPa，时间4h；降压阶段均匀降压，时间2.5h；降温阶段，时间0.5h，然后拉开釜门，通风降压后拉桩出釜。

　　4、试验结果

　　试验采用1#、2#二个混凝土配合比，试验方案见表1所示。混凝土强度的测定值分别见表2、表3所示。

　　5、试验结果分析

　　从表2可见，混凝土1#配合比，采用石灰石集料，混凝土常压蒸汽养护后的混凝土脱模强度为55.5MPa；蒸压养护后的混凝土强度63.1MPa，混凝土强度提高7.6MPa，可见采用石灰石集料蒸压养护后的混凝土强度增长的幅度很小，仅仅只有13.7%。在1#相同配合比情况下，采用筛选卵石集料，混凝土常压蒸汽养护后的混凝土脱模强度为49.6MPa，蒸压养护后的混凝土强度91.2MPa，混凝土强度提高41.6MPa，采用卵石集料蒸压养护后的混凝土强度幅度较大，达到83.9%。1#配合比的石灰石集料比卵石集料在常压蒸汽养护后的混凝土强度高出5.9MPa，但是蒸压养护后卵石集料的混凝土强度比石灰石集料的混凝土强度高出28.1MPa。

　　从表3可见，混凝土2#配合比，采用石灰石集料，混凝土常压蒸汽养护后的混凝土脱模强度为42.3MPa，蒸压养护后的混凝土强度75.1MPa，混凝土强度提高32.8MPa，石灰石集料蒸压养护后的混凝土强度提高77.5%；在2#相同配合比情况下，采用筛选卵石集料，混凝土常压蒸汽养护后的混凝土脱模强度为44.4MPa，蒸压养护后的混凝土强度85.1MPa，混凝土强度提高40.7MPa，可见采用卵石集料蒸压养护后的混凝土强度提高达91.7%。2#配合比的石灰石集料比卵石集料在常压蒸汽养护后的混凝土强度相差很小，但是蒸压养护后卵石集料的混凝土强度比石灰石集料的混凝土强度高出10.0MPa。

　　从上述实验结果可见，在混凝土常压蒸汽养护后，石质为石灰岩的粗集料与卵石粗集料配制的混凝土具有同样的规律，混凝土强度增长较快。但是在蒸压养护条件下，石质为石灰岩的粗集料与卵石粗集料所配制的混凝土强度变化较大：在没有掺加硅砂粉为混凝土掺合料情况下（如1#混凝土配合比），石灰岩的粗集料的混凝土经蒸压养护后，混凝土抗压强度增长很少，然而在掺加一定比例的硅砂粉等量替代水泥的情况下（如2#混凝土配合比）混凝土的抗压强度有较大幅度的提高，但比卵石配制的混凝土抗压强度低10MPa左右，仍然难以满足技术要求。卵石粗集料的混凝土经蒸压养护后，混凝土抗压强度有很大的增长（1#、2#混凝土配合比）。由此可见，石灰石质粗集料不适用于蒸压养护工艺的混凝土原材料。

　　混凝土在蒸压养护过程中，砂石集料表面的SiO2在170℃以上的温度下与水泥水化时大量生成的强度很低的水化产物Ca(OH)₂进行水热合成反应，生成强度很高的--托勃莫来石晶体C₅S₆H₅，这样将混凝土强度很弱的砂石与水泥浆的界面转化为强度很高的界面，由此成为蒸压混凝土强度提高的一个主要因素。长石、玄武岩、花岗岩、石英岩等均含50%以上的SiO₂，在水热合成中，可以充分发生化学反应，生成大量的C₅S₆H₅，提高混凝土的抗压强度。但是，采用石灰岩质的粗集料，其岩石的主要化学成分是CaCO₃ ，在170℃以上的温度下与水泥中的Ca(OH)₂不会进行水热合成化学反应，因此混凝土粗集料与水泥砂浆的界面结构没有得到增强，大量的Ca(OH)₂保留在混凝土内部，没有参与反应，混凝土的强度增长很慢。但是，在采用硅砂粉作为混凝土掺合料等量替代水泥的情况下，虽然石灰石质的集料没有参与界面的水热合成反应，但是外掺加入的硅砂粉在高温高压的水蒸气作用下，与水泥水化时大量生成的强度很低的水化产物Ca(OH)₂进行水热合成反应，在消耗强度很低的Ca(OH)₂的的同时，生成了强度很高的--托勃莫来石晶体C₅S₆H₅，这样使混凝土强度得到一定程度的提高。

　　当然，若采用石灰质型的人工砂，在细集料与水泥浆的界面同样也不会发生水热合成反应，其结构难以得到增强，因此蒸压养护工艺条件下混凝土强度也将不会有很大幅度的提高。

　　另外，在水泥早期水化过程中，粗集料表面的少量CaCO₃与C₃A等大量水存在的条件下，发生反应生成强度较高的水化产物，即CaCO₃型的钙矾石C₃A·3CaCO₃·31H2O， C₃A·3CaCO₃·31H₂O的形成对提高混凝土早期强度具有很大的作用，但是C₃A·3CaCO₃·31H2O是化学性质不稳定的产物，随着养护温度的提高（≥60℃），C3A·3CaCO3·31H2O分子结构逐渐将发生分解，温度越高，分解程度愈大，生成产物的强度很小很小。蒸压养护过程中，恒温恒压达1.0MPa、180℃，C3A·3CaCO3·31H2O几乎彻底分解。相对于花岗岩石质的卵石，粗集料表面的没有CaCO₃，因此也就没有上述化学反应，混凝土强度有较大的稳定增长。

　　6、结语

　　（1）石质为CaCO₃的粗细集料可以适合常压养护生产工艺，混凝土脱模抗压强度有较大的稳定增长。

　　（2）石质为CaCO₃的粗细集料在蒸压养护过程中，在没有掺加硅砂粉情况下混凝土抗压强度增长较小，在用硅砂粉等量部分替代水泥情况下，蒸压混凝土抗压强度有一定的提高，但仍然不符合技术规范的指标要求，不适合用于蒸压养护作业方式生产预应力高强混凝土管桩。

　　参考文献

　　[1]国标GB13476-2009.《先张法预应力混凝土管桩》[S]。

　　[2]蒋元海. 关于我国管桩行业现状及发展的建议，混凝土与水泥制品[J]，2007.4， 31-32。