高性能与超高性能混凝土管桩的研发与应用.pdf

2 0 1 0年第 6 期 1 2月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA C0NCRETE AND CEMENT PRODUCTS 2 01 0 No 6 De c e mbe r 高性能与超高性能混凝土管桩的研发与应用 冯乃谦 ， 陈乐雄 z ， 叶浩文 。 ， 李 浩 ， 徐勋龙 ， 陈潮龙 ， 周 奇明 ， 齐世坤 ( 1 ． 清华大学 ， 北京 1 0 0 0 8 4 ； 2 ． 深圳 市正强管桩厂， 5 1 8 0 0 0 ； 3 ． 广州中建 四局 ， 5 1 0 0 0 0 ； 4 ． 深圳同成科技有限公司 ， 5 1 8 0 0 0 ) 摘要 ： 采用纳米微珠及 复合超 细粉技术 ， 通过蒸养( 8 5 ~ C ， 4 ～ 5 h ) 获得 了抗压强度 1 0 0 ~ 1 I O MP a的高性 能混凝 土管桩。混凝土 的力学性能与耐久性均得到提高， 所制管桩的性能优于普 通管桩。 同时免除 了管桩生 产过程 中的蒸压工艺 ， 使 生产成本下降， 是一 种省资源 、 省能源 、 与环境相协调的混凝土低碳技术。 关键词 ： 低碳技术 ； 纳米微珠 ； 蒸压； 管桩 A b s t r a c t ： A c c o r d i n g t o n a n o m i c r o - b e a d ( N- MB ) a n d t h e t e c h n o l o g y o f c o mp o s i t e u l t r a f i n e p o w d e r ， t h e h i g h — p e r f o r m a n c e c o n c r e t e p i l e s a r e p r e pa r e d wi t h t h e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h o f 1 0 0 -1 1 0 M P a b y s t r e a m c ur i n g ． Th e me c ha n i s m a n d d u r a b i l i ty p e rfo r ma n c e o f c o n c r e t e a r e i mp mv e d ，a n d t h e p e r f o rm a n c e s o f n e w p r e p a r e d p i l e s a r e b e t t e r t ha n t h e o rig i n a l o n e s ．Me a n wh i l e ，t he n e w t e c h n o l o g y c a n e x e mp t t h e s t r e a m— p r e s s u r e p r o c e s s i n t h e p i l e s p r o d u c t i o n ， wh i c h c a n d e c r e a s e t h e p r o d u c t i o n c o s t ， a n d i t ’ S a k i n d o f c o nc r e t e l o w c a r b o n t e c h — n 0 l 0 g y c o o r d i na ti n g wi t h t h e e n v i r o n me n t ． Ke y wo r d s ：L o w c a r b o n t e c h n o l o g y ； Na n o mi c ro— — b e a d； S t r e a m— - p r e s s u r e ； Pi l e s 中图分 类号 ： T U 5 2 8 ． 7 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 - 4 6 3 7( 2 0 1 0 ) 0 6 — 2 5 — 0 4 O前 言 当前 ，国内外的高强混凝土管桩一般都采用磨细 石英砂作 为掺合料 。 管桩离心成 型后 ， 先蒸养 ( 8 5 ~ C ， 恒 温 4 — 5 h ) ， 使混凝土 强度达到 4 5 MP a 左右， 脱模， 进入 高压蒸养( 1 8 0 ~ C ， 恒温 l O h左右) ， 使磨细石英砂与石灰 反应， 生成托勃莫来石， 以获得高强度 。本研究 以纳米 微珠超 细粉技 术配制混凝土， 通过蒸养 ( 8 5 o C ， 恒温 4 ～ 5 h ) ， 混 凝土 的强 度可 达 1 0 0 — 1 1 0 MP a ， 获 得 了高 强度 高性能管桩 ， 该种新管桩的性能优于普通管桩 ， 且成本 下 降 ， 是一种省 资源 、 省能源 、 与环境相 协调 的混 凝土 低碳技术 。 1 试 验原材料 水泥 ： 5 2 ． 5级早强型水泥。 磨细砂 ： 河砂干燥后磨 细 ， 比表面积 4 1 0 0 c m Z ／ g 。 细骨 料 ： 水洗 海 砂 ， 细 度 模数 2 ． 8 ～ 3 ． 2 ， 属 中偏 粗 砂 ， 级配合格 。 粗 骨料 ： 花 岗岩碎 石 ， 二级 配 ： 5 - 2 5 ． 6 mm( 7 0 ％) ； 0 - 5 m m( 3 0 ％) ， 压碎 指标 7 ． 5 ％～ 7 ． 8 ％， 含 泥量 1 ． 5 ％， 石 粉 含量 2 ． 0 ％， 含泥量偏 高。 减水剂：①萘系水剂，含固量 3 0 ％，净浆流动度 2 3 0 mm， 减水 率 2 2 ％； ②萘 系 、 氨基 系与天然 沸石粉 复 合减水剂 H R WA。 纳 米微珠 ( N — MB ) ： 一 种新 的超 细粉 ， 具有 特殊 的 物理化学性能 ，对水 泥混凝 土具有填充 效应 、减水效 应 、 增强效应 及耐久性效应 。 天 然沸石 超细 粉 ： 比表面 积 6 0 0 0 c m 2 ／ g ， 由浙 江某 沸石粉厂供应 。 复合超细粉 ： 由微珠与天然沸石粉复合 而成 。 硅粉 ： 贵州遵义 市产的凝聚硅粉 S F 。 2普通管桩生产用的混凝土配合 比及生产工艺 表 1为普通管桩生产用 的混凝土配合 比。 表 1 混凝土配合 比 k g C m 整个管桩 的生产工艺可分为 3个过程 ： ( 1 ) 混凝 土搅拌 水及减水剂 水泥] 砂十投入搅拌机一搅拌一 磨细砂j 1 ． 0 ～ 1 5 m i n 粗 骨料 出料 一搅拌 一水泥砂浆 1 ． O mi n ( 2 ) 混凝土喂料与离心成型 f ( 拧 紧 螺 丝)( 根 据 工 艺 参 数) l 混凝土喂 料广— 一离心4 个阶 段— —]I 清除余浆 一 l 高速 一 中高速一 中速 一 低速l l I 上 一 2 5— 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 0年第 6期 混凝土与水泥制品 总第 1 7 6期 ( 3 ) 初蒸与高压蒸养 离心成型后管桩—人池静停一 升温 一 恒温 8 0 ℃+ 5 ℃ ( 3 0 mi n )( 1 ． 0 - 1 ． 5 h) l ( 4 ～ 5 h ) 刷商标全检一脱模+ _ _ 出池 一降温 I ( 强度 4 0 - 4 5 MP a )( 3 0 m i n ) 进入 高压釜—升温一 恒温一 降温一出釜 ( 1 ． 5 h ) ( 8 ~ l O h )( 1 ． 5 h )( 强度 9 5 一 l 0 0 M P a ) 在初蒸与高压蒸养过程 中，每 m桩燃料成本约 8 元( 本案例燃料是废弃木材 ； 大 多数 工厂用煤 ， 每 I n约 l 0元～ 1 3元 ) 。 由此可见 ， 从节省能源 、 节省资源及环保角度都 需 要对现有养护工艺进行革新。 本研究课题分两步进行 ： ①免除高压蒸养 ， 通过初 蒸达到符合要求 的管桩混凝土的强度 ；② 在条件许 可 下 ， 进一步试验以太阳能养护代替初蒸 ， 达到符合要求 的管桩混凝土的强度 。 3蒸养高性能 、 超高性 能混凝土的研 制 ( 1 ) 标养管桩 C 8 0高性能混凝土试验 C 8 0高性能混凝土试验配合 比如表 2所示 ，混凝 土成型 l O O m mx l O O mm x l O O m m试件 ， 标养不同龄期强 度见表 3 。 表 2 混凝土配合 比 k g h n 注 ： 上述结果已换算成 1 5 0 mm x 1 5 0 m mx 1 5 0 ra m试件。 ( 2 ) 蒸养 管桩 C 8 0混 凝土试 验 ( 与车 间蒸 养 同条 件) 蒸养管桩 C 8 0 混凝土试验配合 比见表 4 。 表 4 蒸养混凝土试验配 比 k g ／ m 通过表 4混凝 土试验 ， 采用超细粉 与水泥配合 ， 并 采用新型复合高效减水剂 ， 可研发 出蒸 养 C 8 0高性能 混凝 土。 制作 l O O m m x l O O m m x l O O m m三联模试件 3组 9块 ， 成型后静停 3 ～ 4 h ， 与车间初蒸同条 件养护 ( 8 5 c I = ， 4 h恒温) 。出池冷却后进行抗压试验 ， 结果如表 5 。 然而 ， 在 表 4配合 比中 ， 水泥用量偏高 ， 还采 用了 硅粉及矿渣粉 ， 成本偏高 ， 因此 ， 需 要降低胶凝材料 用 量 ， 调整配 比进一步试验 。 ( 3 ) 调整后混凝土配 比试验 表 6 为调整后混凝 土的配合 比。 成型 l O O m m x l O O m m ~ l O O m m三联试模共 6 条 ， 分 一 26一 表 5 蒸养混凝土强度 注 ： 已换算成 1 5 0 m inx 1 5 0 mm X 1 5 0 mm的试件强度。 表 6 混凝土试验配比 k m 别进行标养及蒸养。 蒸 养 与 管 桩 生 产 初 蒸 同条 件 ，平 均 抗 压 强 度 1 0 3 ． 1 M P a ；标养试件 2 8 d 抗 压强度 9 8 ． 1 M P a( 换算成 1 5 0 m mx 1 5 0 m m x 1 5 0 m m 的试件 ) 。 通过蒸养 、 标养试件 的强度检 验 ， 表 6配合 比的混 凝土 已达到并超过 了 C 8 0高性能 、 超高性 能混凝土 的 强度要求 。 ( 4 ) 提高强度 、 解决余浆试验【 l q 按 表 7混 凝 土配 合 比拌 合 2 0 L混 凝 土 ，成 型 l O O m mx l O O m mx l O O m m 三联试模 6条 ： 3条 与初蒸 同 条件蒸养 ； 3 条在蒸养箱内蒸养。出池后抗压强度分别 为 ： 蒸养箱蒸养混凝土强度为 9 8 ． 5 MP a ； 同条件养护混 凝土强度 为 9 8 MP a 。 试验结果显示按表 7配合 比制成 的混凝 土离心成型时余浆 明显减少 。 表 7 混凝土配合比 k g ／ m ( 5 ) 混凝土强度均匀性试验 按照试验管桩 配合 比( 见 表 7 ) 拌 合混凝土 ， 成型 了 1 0 组混凝土试件 。全部试件与初蒸 同条件养护 ， 出 池后 进行抗 压试验 ，结果混 凝土抗 压强度 平 均值为 1 I O MP a ， 均方差为 4 ． 8 9 MP a 。 说明试验混凝土的质量稳 定， 强度高， 达到了高性能和超高性能混凝土的强度。 4 预应力蒸养高性能与超 高性能管桩的生产试验 在深圳市正强管桩厂进行了约 8 次预应力蒸养高 性 能 与超 高 性 能 管桩 的生 产 试 验 ，共 生 产 管 桩 约 1 0 0 0 I n ，进行 了性 能检测 ，并运送 到工地进行 施打试 验。现摘要叙述管桩试验生产的相关 内容 。 为 了降低 生产成本 ， 在先前使用纳米微珠 、 硅粉和 磨 细矿 渣粉生产高性能与超高性 能管桩 的基础上 ， 使 用上表 7所示 的混凝土配合 比生产管桩 ，试生产的管 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 冯乃谦 ， 陈乐雄 ， 叶浩文 ， 等 高性能与超高性能混凝土管桩的研发与应用 桩尺寸及各种 材料规格如表 8 所示 。 混凝 土的搅拌 、 喂料 、 离心成型及蒸养与普通管桩 生产条 件相同 ， 共生产管桩 5 0 m。混凝土抗压强度 ： 同 条件养护下强度 为 9 5 ． 3 MP a ；蒸养箱蒸养 混凝土强度 为 9 8 ． 5 MP a 。试 生产 的管桩质量优 良。 此后 ，还进行 了多次免 高压蒸 养的高性能混凝土 管桩试验 ， 均证明其具有优 良性 能。 5 预应 力高性能混凝土管桩施打报告 正强管桩厂试制 的预应 力高性 能与超 高性 能混凝 土管桩 ~5 0 0 x 1 2 5 A运往 惠州淡水 ，于 2 0 1 0年 5月 6 表 8 管桩尺寸及各种材料规格 表l r l ll 1 日进行 打桩 施工 应用 。压 桩 深度 2 4 m，竖 向承载 力 3 5 0 o k N( 老管 桩 2 7 0 0 k N) ， 锤击 D 5 0 ， 桩 锤 升 高 3 m 往 下打 ， 共打试验管桩 5 0 m。 结果显示新管桩施打效果很 好 ， 其较原老式管桩锤击性 能好 ， 竖 向承载力高。打桩 ( a )拉桩 过程见 图 l 。 6预应力蒸养高强混凝土的耐久性 ( 1 ) 氯离子扩散 系数 按 照清华 大学建立的 N E L法 ， 快速测 定了蒸养高 ( b )焊端 ( c )打桩 ( d )打桩完 ( e )桩样图 图 1 打桩过程 图 强混 凝土与初蒸一 蒸压高强混 凝土试样 的氯离 子扩散 系数 。蒸养高强混 凝土 的氯离子 扩散系数 ： 0 ． 1 7 6 5 9 8 x 1 0 2 H l 2 ／ s ；初蒸一 蒸压 高强混凝 土 的氯离子扩 散 系数 ： 0 ． 2 3 5 7 9 1 x l 0 2 Ⅱ l z／ s 。可见蒸养 高强混凝 土的氯 离子扩 散系数约为蒸养一 蒸压高强混凝土 的 3 ／ 4左右 ， 蒸 养高 强混凝土具有更好的抗氯离子渗透性 能。 ( 2 ) 氯离子扩散深度 以 N — M B取代 1 0 ％、 2 0 ％的水泥制 成砂浆 ， 与基 准 砂浆浸入饱 和盐水 中( 常温 ) ， 不 同龄期 的砂 浆氯离 子 扩散深度如表 9 16 1 。 表 9 浸泡砂浆 的氯离子扩散深度 肿 ． 由表 9 可知 ， N — MB取代的砂浆试件 ， 在饱和盐水 中的氯离子扩散 深度约为基 准砂 浆 的 1 ／ 2 ， 说 明含 N — MB的砂浆具 有更高 的抗氯离子渗透性 。 ( 3 ) 抗硫酸盐侵蚀试验 蒸养 高强混凝 土与初 蒸一 蒸 压高 强混凝 土试 样 ， 分别 浸 泡于 5 ． 0 ％N a 2 S O 4 溶 液 和 5 ． 0 ％N a 2 S O 4 + 3 ％N a C 1 溶液 中 ， 循环过 程为浸泡 1 4 h ， 后 取 出晾 干 2 h ， 烘干 6 h ( 温度 8 O ℃ 2 ℃) ， 冷却 2 h ， 再放 人浸 泡液 中为 一次循 环 。5 0次循环后 的结果见表 1 0 。 表 1 O 混凝土试件抗硫酸盐及抗硫酸盐 、 氯盐综合侵蚀试验 参 考粉 煤灰 抗硫 酸盐 侵蚀性 能 的公式 ： R = ( C 一 5 ) ／ F ≤1 ． 0 ， C 一 粉 煤 灰 中 C a O含量 ， ％； F 一 粉煤 灰 中 F e O ， 含量 ， ％。纳米 微珠 化学成 分 中 C a O含量 4 ． 8 ％， F e O 含量 5 ． 3 ％， 代入上 述公式 中 ， 可得 R为负值 。由此可 见 ， 纳米微珠具有很高的抗 硫酸盐侵蚀性 能。 7蒸 养高 性能 混凝土 与蒸 养一 蒸 压高 强混 凝土 的微 结构 蒸养高性 能混 凝土与蒸 养一 蒸压 高强混凝土 的扫 描电镜图( S E M) ~ I 图 2 、 图 3 所示 。 蒸养高性能混凝土主要水化 物为 C — S — H凝胶 ， 而 蒸养一 蒸压高强混凝土 的水化物为托勃莫来石 ， 两者界 面的密实性 也有较 大差别 ， 造成 了两者在抗压 强度 、 耐 一 2 7— 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 0年第 6期 混凝土与水泥制品 总第 1 7 6 期 久性和冲击韧性等方面有 明显 的差别。 图 2 蒸养高性能混凝土界面的 S E M 图 3蒸 乔一蒸 压 商 强 混凝 土 界 面 的 sE M 8结论 ( 1 ) 通过纳米微珠与天然沸石超细粉复合 ， 取代部 分水泥 ， 并使用复合高效减水剂 ， 可配制 出蒸 养( 8 5 ℃， 恒 温 4 ～ 5 h ) 高性能混凝土 ， 其强度可达 1 0 0 ～ 1 1 0 MP a 。 ( 2 ) 纳米微珠 复合超细粉混凝 土具有更高 的耐久 性 ，氯离子扩散系数仅为原高压蒸养混凝土的 3 ／ 4 ； 同 时其还具有很高 的抗硫酸盐及抗硫酸盐 、氯盐综 合侵 蚀性能。 ( 3 ) 纳米微珠 复合超细粉蒸养 高强度混凝土管桩 具有很高的抗 冲击韧性。 打桩时 ， 该种新 型管桩具有竖 向承载力 3 5 0 0 k N， 而 旧管桩只有 2 7 0 0 k N； 同时可经受 上升高度 3 m、 多次往返 的锤击( D 5 0 ) 。 ( 4 ) 蒸养高性能混凝 土和蒸养一 蒸压混凝 土组成材 料上的差别造成 了两者在冲击韧性 、断裂能等方面有 很大差别。 ( 5 ) 由于免 除了高压蒸养 ， 可节省 大量能源 、 资源 与投资 ， 便于生产安全操作管理 。同时 ， 大量应用 了污 染环境的工业废弃物一 纳米微珠 ，达到了生产低碳混 凝土制品的 目的。 参考文献： [ 1 ]向安乐， 袁红星， 李全民． 预应力混凝土管桩余浆的试验研究与 回 收利用． 混凝土标准规范及工程应 用， 北 京： 中国建材工业 出版社， 2 0 o 5 ． 【 2 】 朱美英， 边广军． 关 于余浆的回收利用． 混凝土， 2 0 0 9 ， 1 2 ． [ 3 】 冯乃谦编著． 高性能混凝土结构． 北京 ： 机械工业 出版社 ， 2 0 0 4 ． [ 4 】 严志隆． 论 P HC( 含 P C ) 管桩生产工艺及工艺设计． 混凝土与水 泥制 品， 2 0 0 6 ( 5 ) ： 2 1 — 2 5 ． [5 】A i mi n X u and S h o n d e e p L ． S a r k a r Hy d r a t i o n a n d P r o p e r t i e s o f F l y As h Co n c r e t e ．Mi n e r a l Ad e r mi x t u r e s i n Ce me n t an d C o n c r e t e ， Vo l u me 一 4 ，ABI Bo o k s P v t ， Lt d ． I n d i a ， 1 9 9 3 ． [ 6 】 笠井芳 夫等编 著． C e m e n t ， C o n c r e t e用混 合材料 ．技衍 害院， 柬 京。1 9 9 3 ． 收稿 日期 ： 2 0 1 0 - 0 9 - 3 0 作者简介 ： 冯乃谦( 1 9 3 4 一 ) ， 男， 教授 。 通讯地址 ： 清华大学土木工程系 联 系电话 ： 1 3 5 2 0 7 1 0 2 3 9 E-ma i l ： f en g nq@mail ． t s i n gh u a．ed u． c n 广东利盈投资发展有限公司招聘启事 广东利盈投资发展有限公司始创建于2 0 0 4年， 前身是佛冈利盈发展有限公司， 集团 总部位于广东省清远市佛 冈县 ， 在集团董事长的领导下集团公司及下属企业经过十几年 来的持 续发展 壮大 ， 目前 集 团公 司拥有资产规模 达数亿元 ， 逐步发展成为集项 目投 资、 建 材制 造 、 贸 易为一体 的大型 民营集 团企业 ， 分 别在 广 东、 湖北及 陕西等地 设 立 了生产基 地 。现 因扩大再 生产 ， 需招聘车间主作 、 品质部经理 。 生产厂长 若干名 ， 具体要 求： ( 1 ) 男， 大专 以上 ， 胶凝材料及制品或无机非金属材料 、 水泥制品等相 关专业毕业 ； ( 2 ) k k 事水泥制品相关行业二年以上工作经验 ， 有一定的组织管理能力和沟通协调 能力 ， 良好的 团队合作精神 ； ( 3 ) 主要 负责公 司的生产管理、 品质 管理及其他 日常管理 工作 。 待遇面议 !有意者请把个人简历、 学历证书发至 f e n g j iu g a n 7 @1 6 3 ．c o rn， 或直接传 真到 ： 0 7 6 3 — 4 3 8 3 0 0 O 一 28一 联 系人 ： 冯先生 电 话 ： 1 3 9 2 4 4 1 9 0 1 9 ， 0 7 6 3 - 4 3 8 3 0 0 1 、 4 3 8 3 0 0 2 地 址 ：广 东省 清远 市佛 冈县石 角镇 莲塘村 邮 编 ： 5 1 1 6 0 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m