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提高免压蒸PHC管桩性能的试验研究

王成启

中交上海三航科学研究院有限公司

摘 要：为改善免压蒸PHC管桩的性能，开展了矿物掺合料和纤维对免压蒸PHC管桩性能的影响的研究。研究结果表明，掺入20%矿渣粉可改善PHC管桩混凝土脆性和耐久性，纤维也可改善PHC管桩混凝土的脆性和耐久性，钢纤维的改善作用显著。

关键词： 免压蒸PHC管桩；矿渣粉；脆性；耐久性；纤维

1 引 言

对水泥混凝土来说，常温条件下养护主要有标准养护和自然养护。在标准养护和自然养护条件下混凝土的硬化速度比较缓慢，混凝土通常采用蒸汽养护的方法加速水泥硬化，而PHC管桩传统的养护工艺采用蒸汽养护和高压蒸汽养护进行二次蒸汽养护，研究表明[1]，通过混凝土配合比、养护制度以及现场试验等研究，可开发出免压蒸PHC管桩工艺技术。免压蒸PHC管桩技术既可节约成本，又提高PHC管桩的性能，具有广泛的应用前景。

目前，高强混凝土已在桥梁工程、高层建筑、港口与海洋工程及混凝土制品等领域得到广泛的应用，但高强混凝土也存在一定缺陷，主要表现在，混凝土强度越高，脆性就越大，就会使高强钢筋混凝土构件受压区混凝土在高能荷载或冲击振动作用下产生爆裂现象。因此，高强混凝土的脆性研究一直为研究的热点问题[2-3]。研究表明[1]，免压蒸PHC管桩混凝土具有较高的耐久性，其脆性比高压蒸养PHC管桩的脆性略有降低。而免压蒸PHC管桩为C80高强混凝土，但其较高的强度使其脆性十分突出，其脆性会对沉桩和使用性能也产生显著影响，从而对免压蒸PHC管桩混凝土使用性能会产生不利影响，需要对其脆性进行研究，以改善PHC管桩的性能。本文开展矿物掺合料和纤维对免压蒸PHC管桩脆性和耐久性的影响的研究。

2 试验过程

2.1试验原材料

（1）水泥：采用52.5Ⅱ型硅酸盐水泥，对水泥物理力学性能进行了试验，试验结果如表1所示，其性能指标满足国家有关标准的技术要求。

2.2混凝土配合比

配制不掺矿物掺合料的基准混凝土（编号为Z0）；配制矿粉掺量为10%、20%、30%和40%的配合比，编号分别为Z1、Z2、Z3、Z4；并以矿粉掺量为20%的混凝土为基准混凝土，分别掺入聚丙烯、PVA纤维和钢纤维三种不同弹性模量的纤维，配制三种纤维混凝土。由于钢纤维的直径和密度均比聚丙烯纤维和PVA纤维大，为保证纤维的根数大致相当，适当增加钢纤维的掺量。聚丙烯、PVA纤维和钢纤维的掺量分别为0.9kg/m3、0.9kg/m3和20 kg/m3。

2.3养护制度

养护分按照标准养护和蒸汽养护两种养护制度进行，采用设定的养护制度进行蒸汽养护。

2.4试验方法

（1）混凝土力学性能

PHC管桩混凝土的抗压强度、劈拉强度的试验按《水运工程混凝土试验规程》（JTJ270—98）的有关规定进行。

（2）混凝土断裂能

断裂能试验的试块尺寸采用100mm×100mm×515mm，按照有关规定[4-5] ，采用三点弯曲梁测试PHC管桩混凝土的断裂能，测试前在梁的中点处用切割机进行切口，切口深度为5cm。试块养护到规定的龄期后，采用闭环反馈控制万能材料试验机进行测试，加载速度控制为0.025mm/min，测试出荷载与挠度曲线，按照有关文献的规定[6]，计算混凝土的断裂能。

（3）混凝土延性指数

根据有关文献的规定[4-5]，延性指数按下式进行计算：

2 试验结果讨论与分析

3.1 混凝土力学性能与拉压比

混凝土的抗压强度、劈拉强度和拉压比测试结果如表5所示，从表5可以看出，基准混凝土和掺入不同矿粉的混凝土的28天抗压强度均超过90MPa，均满足PHC管桩混凝土的质量要求，且随着矿粉掺量的增加，混凝土抗压强度呈现下降的趋势。

根据表5中的数据可绘制PHC管桩混凝土的拉压比和龄期的关系图如图2所示。从图2可以看出，掺入矿粉的混凝土拉压比比基准混凝土有一定程度增大，且掺入30%矿粉编号为Z2的混凝土拉压比相对较大，混凝土脆性较低，因此掺入矿粉对PHC管桩混凝土的脆性具有一定的改善作用。混凝土拉压比可反映混凝土的脆性的大小[7]，掺入矿粉后，其大量的活性组分与水泥水化产物氢氧化钙进行二次水化反应，生成大量水化产物凝胶体，填充水泥石孔隙内，提高了水泥石的密实度，使混凝土拉压比增加，从而掺入适量矿粉的混凝土的脆性较低。此外，水泥水化产物中的氢氧化钙的形态为片、块、板等，其强度较低，掺入矿渣粉使水化产物中氢氧化钙晶体数量的大幅度减少，混凝土中浆体与骨料界面的改善，可提高混凝土抗拉强度，提高混凝土拉压比，因而有助于改善混凝土的韧性。

从图2还可以看出，三种纤维混凝土的拉压比均比基准混凝土有所增加，但其拉压比存在明显不同，拉压比的次序按聚丙烯纤维、PVA纤维、钢纤维的次序递减，掺入钢纤维混凝土的拉压比较大，这表明掺入不同种类的纤维对PHC管桩混凝土的脆性具有明显的改善作用，尤其是钢纤维改善作用较为显著。掺入纤维能够有效地减少混凝土的收缩，从而有利于减少混凝土内部的微裂缝的出现，有助于提高混凝土抗拉强度和拉压比，从而掺入不同纤维混凝土脆性较低。同时，纤维还具有明显阻止混凝土裂缝扩展的作用，纤维的阻裂作用可改善混凝土变形性能，提高混凝土的韧性。但纤维的阻裂作用与纤维的强度和弹性模量密切相关，当采用高强和高弹性模量的纤维时，可大幅度提高混凝土的韧性，改变混凝土的单缝开裂破坏方式[8-9]。因此，强度和弹性模量较高的钢纤维可显著提高混凝土的拉压比和韧性。

3.2混凝土的断裂性能

分别测试标准养护90天和不同种类纤维蒸汽养护后养护至90天的断裂能和延性指数。图3为标准养护和蒸汽养护以及掺聚丙烯纤维和PVA纤维混凝土经蒸汽养护后切口梁荷载与挠度曲线，图4为掺钢纤维混凝土蒸汽养护切口梁荷载与挠度曲线。对图3和图4的全曲线进行积分，并按公式（1）和公式（2）可计算出，标准养护和蒸汽养护混凝土以及掺不同纤维的蒸汽养护混凝土的断裂能和延性指数，计算结果如表6所示。表6的数据清楚地表明，混凝土的延性指数大小为：钢纤维混凝土＞PVA纤维混凝土＞聚丙烯纤维混凝土＞标准养护混凝土＞蒸汽养护混凝土。混凝土延性指数是表征混凝土的脆性指标，可反映混凝土的脆性的大小，脆性较大的混凝土具有较小的延性指数[4-5]。因此，蒸汽养护的混凝土脆性大于标准养护混凝土；聚丙烯纤维、PVA纤维、钢纤维对PHC管桩混凝土的脆性具有明显的改善作用，钢纤维的作用较为显著，这与拉压比的测试结果是一致的。

3.3耐久性

按有关标准的规定，测试不同矿粉掺量和不同纤维混凝土蒸养后的90天扩散系数，测试结果如表7所示。由表7可知，随着矿粉掺量的增加，蒸养混凝土的扩散系数逐渐减小，掺纤维的蒸养混凝土的扩散系数小于矿粉掺量为20%基准混凝土，这表明矿粉可起到二次水化和填充等效应提高PHC管桩混凝土的抗氯盐侵蚀耐久性；纤维能有效地控制混凝土中的裂缝的扩展，增强混凝土阻止氯离子侵蚀的能力，从而对耐久性具有一定的改善作用。

4结论

在PHC管桩沉桩过程中时常出现桩顶破坏等情况，影响PHC管桩的工程质量。PHC管桩混凝土为C80高强混凝土，混凝土脆性较为突出，其脆性对PHC管桩沉桩产生重要影响。本文在研发出免压蒸PHC管桩工艺的基础上，开展了提高免压蒸PHC管桩脆性和耐久性等性能的研究。试验研究结果表明，掺入20%矿粉可改善PHC管桩混凝土脆性和耐久性；纤维对PHC管桩混凝土的耐久性和脆性性能均具有明显的改善作用，钢纤维的改善作用较为显著。

参 考 文 献

[1]王成启，免压蒸PHC管桩的研制与工程应用，混凝土与水泥制品，2011年第4期，第29-34页

[2]严安，吴科如，张东，高强混凝土脆性与断裂面特性的关系，同济大学学报，2002（1）：66-70

[3]张东，吴科如，李宗津，高强混凝土的断裂特性及其影响因素初探，新世纪海峡两岸高性能混凝土研究与应用学术会议，2002：178-182

[4]Jan G.M.van Mier,Fracture Process of, Assessment of materials parameters for fracture models, CRC press.

[5]严安，混凝土断裂面信息及其与力学性能关系的研究，同济大学博士学位论文

[6]王成启，王春明，周郁兵，张宜兵，养护制度对预应力高强混凝土管桩脆性及耐久性的影响，混凝土，2014年第10期，131-133

[7]姜正平，宋旭艳，何耀辉，不同外加剂对PHC桩混凝土拉压比的影响研究，混凝土与水泥制品，2011（1）：18-22

[8]Boulfiza M,Banthia N, Sakai K., Application of continuum damage machanics to carber fiber-reinforced cement composites[J].ACI materials Journal,2000(5):245-253

[9]王成启，吴科如，不同弹性模量的纤维对高强混凝土力学性能的影响，混凝土与水泥制品，2002（3）：36-37

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