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        PHC管樁混凝土的錯誤認知分析

        2021-07-28 09:25:09

        從上世紀80年代始,預應力高強混凝土管樁(以下簡稱“PHC管樁”)在我國經歷了幾十年的長足發展。2020年,我國PHC管樁產量達2.8億米,占全國水泥制品行業產值的50%左右;廣東是我國PHC管樁制造大省,全國第一、第二大PHC管樁生產企業--建華建材、三和管樁都發端于廣東省中山市。

        行業的急驟發展及認識的不足導致PHC管樁混凝土行業專業技術人員不那么“專業”,存在不少誤區。PHC管樁混凝土和普通商品混凝土(以下簡稱“普通混凝土”)有共同點,也有很多不同之處。不同點主要有:凝結時間的要求、坍落度要求、成型方式、養護方式、強度等級等。很多專業技術人員學習的混凝土相關知識適用于普通混凝土,也了解其與PHC管樁混凝土的不同之處,但是運用到生產實踐中卻常常出現失誤,有的似是而非,或大相徑庭。本文對關于PHC管樁混凝土的幾種錯誤認知展開詳細探討,以供相關技術人員參考。

        一、水膠比越低,強度越高

        這句話本身沒問題,在普通混凝土中應用無誤,但應用在PHC管樁混凝土中將會出現問題,因為這句話有一個隱含條件,即膠材顆粒的相對充分分散(反應)。由于水膠比越低,強度越高,所以部分專業技術人員盡量減少混凝土單方用水量,同樣的方法在普通混凝土和PHC管樁混凝土中有極大的區別。普通混凝土單方用水量大,水膠比高,為塑性(流動性)混凝土;PHC管樁混凝土單方用水量小,水膠比低,為干硬性混凝土。PHC管樁混凝土非常低的單方用水量致使水分及減水劑不足以包裹浸潤膠材(水泥+礦物摻合料)顆粒表面,無法形成連續光滑的溶劑化水膜層,導致膠材顆粒分散性不夠,在混凝土中是團聚的。這樣攪拌出機的PHC管樁混凝土顏色偏黑、啞光,降低了硬化后的強度。

        減水劑的作用是減少混凝土中水的用量。水泥顆粒的水化形成絮凝水囊結構,使30%左右的拌合水被包裹在水泥顆粒之間,不能參與自由流動和潤滑作用,從而影響了混凝土拌合物的流動性。當加入減水劑后,由于減水劑分子能定向吸附于水泥顆粒表面,使水泥顆粒表面帶有同一種電荷(通常為負電荷),形成靜電排斥及空間位阻作用,促使水泥顆粒相互分散,絮凝結構解體,釋放出被包裹的水,從而增加了混凝土拌合物的流動性,減少了混凝土單方用水量,見圖1。

        減水劑作用示意圖

        圖1 減水劑作用示意圖

        一般認為,萘系減水劑的減水機理是靜電斥力;聚羧酸系的減水機理是靜電斥力+空間位阻,見圖2。

        減水劑機理示意圖

        圖2 減水劑機理示意圖

        通過作用機理分析,水和減水劑除了提供混凝土的流動性外,一直被忽視的另一個作用是充分分散膠材顆粒。分散性好的混凝土應是凈漿均勻一致、砂漿包裹在石子表面,呈現有光澤的偏黃的灰亮色。這樣的混凝土因膠材顆粒能夠均勻分散,相對充分反應,強度比沒有分散開的混凝土高很多。

        二、滿足工作性能,砂率越低,強度越高

        有了“滿足工作性能”的前提條件,砂率越低強度越高,這是很大部分專業技術人員理所當然的看法,但這個概念是錯誤的。

        當前,部分專業技術人員的錯誤觀念也有其依據:在混凝土的質控試塊制作時,額外多放一些石子,試塊抗壓破型試驗時強度會多幾兆帕;用回彈儀回彈檢測普通混凝土結構時,石子多的普通混凝土其回彈強度值也較高。所以從質控試塊到實體強度都驗證了“砂率越低,強度越高”。

        事實上,上述“依據”是表象,真正的實體強度是混凝土結構實體鉆孔取芯強度?;貜椀膹姸戎禐橥茢嘀?,非真正的實體強度。石子用得多,回彈推斷值高的原因 是:石子用得多,所以回彈的沖擊錘頭打在石子上的概率高,而打在石子上的回彈力比打在砂漿上要大,回彈力大顯示回彈強度數據值就高,那么最終就會從回彈強度值上得出錯誤的結論。

        混凝土質控試塊多加石子強度高的原因是:混凝土在試模內經插搗和振實,石子沉降到試模下部,砂漿聚集在試模的上部,如就此成型,混凝土試塊上部砂漿層因石子很少變成強度薄弱點,試塊破型抗壓試驗時因薄弱點先破壞形成偏心受力,導致整個試塊抗壓強度低。如試塊成型時加入部分石子填充砂漿層,這樣混凝土試塊結構均勻,無明顯薄弱點,破型抗壓試驗時整體受力,呈現出“多加石子強度高”的表象。

        實際上,低砂率混凝土的受力結構并不合理。因為混凝土結構并非要石子挨著石子,而是要石子懸浮在砂漿里,將石子間點受力變成石子和砂漿間面受力,這樣的傳遞分散壓力方式能夠增大混凝土實體強度。所以,正確的做法是以滿足工作性能為條件,適當提高砂率。

        三、滿足工作性能,大粒徑級配石子比小粒徑混凝土強度高

        在生產φ600以上大直徑管樁時,不少專業技術人員往往下意識調整配合比--增加大石子用量,以增強混凝土強度,這雖然有道理,但是錯誤的,因為沒有分清主次矛盾。普通混凝土振搗成型時,石子下沉漿體上浮,在每一顆石子的正下方就會壓著一個水包(為與前文中的“水囊”相區分,這里稱為“水包”),這個水包嚴重影響石子和砂漿的粘結力,導致界面強度非常低,普通混凝土的承載破壞首先從該界面開始。同樣,管樁混凝土離心成型時石子往管樁外壁走,漿體往內壁移動,在石子指向管樁外壁的法向上也存在這樣的水包,見圖3。

        管樁混凝土石子和水包相對位置示意圖

        圖3 管樁混凝土石子和水包相對位置示意圖

        因此,石子和砂漿之間存在一個對強度影響非常大的水包才是主要矛盾。要降低該影響可采取兩個方法:一是石子粒型要相對圓潤,便于排水,減小水包體積;二是高強度混凝土石子相對要選用小粒徑的,也利于分散、減小水包體積。

        四、高壓碎值砂不能用

        一般認為,高壓碎值的砂不能在PHC管樁中使用,《建設用砂》(GB/T 14684-2011)有明確規定,壓碎指標應滿足表1。

        表1 壓碎指標

        類別單極最大壓碎指標/%
        ≤20
        ≤25
        ≤30

        PHC管樁強度要求為C80以上,屬高強混凝土,一般專業技術人員按標準選?、窦?、Ⅱ級的砂,不會選用Ⅲ級砂,認為壓碎指標值高的砂會降低混凝土強度。但壓碎指標值達到甚至超過Ⅲ級的砂并非一定不能用。

        吳其群等研究認為,管樁離心成型嚴格來講是離心力+振動力的復合,離心成型過程中管模的振動頻率一般每min達數千次,這樣的高頻振動使得砂中的輕物質(引起砂壓碎指標值偏高的顆粒成分)“浮”于管樁內壁,構成浮漿層,離開了混凝土結構,相當于對原材料進行了“分選”,改善了原材料的品質,從而極大提高了離心混凝土整體強度。

        而普通混凝土的成型是振搗,不同于離心混凝土的“分選”,輕物質均布于普通混凝土中。眾所周知輕物質抗壓強度較低,在普通混凝土里形成了相對較薄弱的砂漿結構。受力后砂中輕物質先破碎,砂漿出現裂縫,砂漿和石子結合面剝落,導致整個混凝土結構被破壞。

        所以,壓碎指標值達Ⅲ級及以上砂不能用在普通高強混凝土中,恰恰可以使用在離心高強混凝土中,成型工藝的不同是其原因所在。

        五、管樁內壁掛漿,減少砂用量

        管樁內壁掛漿在管樁中是比較常見的缺陷,原因有很多,例如水泥反應速率較慢、外加劑用量不足、砂石含泥量偏高、離心轉速或時間不夠等,這里不作詳細探討。還有一種原因則是砂漿過多導致掛漿。針對此問題,很多專業技術人員認為既然砂漿多了,那就要減少砂用量。然而,減少砂用量是錯誤的。

        前文已述,水和減水劑分散膠材顆粒形成凈漿--凈漿包裹砂子、形成砂漿--砂漿包裹石子,形成混凝土。管樁開模線混凝土的膠材用量基本在400kg/m3以上,合模泵送線混凝土的膠材用量基本在450kg/m3以上,這樣的膠材用量完全可以滿足對混凝土中砂石骨料的包裹。因此,“砂漿”多了形成的掛漿,不是真正的砂漿多,而是凈漿多;也就是砂少了,膠材多了。

        這時,正確的調整方法是:①如混凝土和易性不良,則增加砂用量。用砂來吸附多出的凈漿,同時增加了砂漿總量,改善了和易性;②如混凝土和易性良,則減少膠材用量。既解決了漿多的問題,也節約了成本。

        六、結束語

        混凝土行業看似粗糙,實則是個要求控制細微精細的行業。不同的性能要求、原材料、施工工法、不養護條件等都會對生產控制過程以及結果產生重大影響。專業技術人員對混凝土知識的學習實踐,要“雜”而“精”,“雜”的是知識面,“精”的是追尋事物的本質原理。

        本文對PHC管樁混凝土的一些錯誤認知進行了闡明分析,旨在為相關技術人員提供參考,以期促進PHC管樁行業技術發展。

        標簽: PHC管樁