CN103321218B - 预应力离心耐腐蚀空心方桩 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种预应力离心耐腐蚀空心方桩，包括桩身、桩端或桩尖、端头连接结构和接头保护结构，桩尖位于桩身的前端且与桩身为整体结构，桩尖前端设有钢棒；端头连接结构包括端板和带钢裙板，端板设于空心方桩的端部并与桩身主筋连接，端板侧面具有焊接坡口，端板上设有穿筋孔和张拉孔，穿筋孔和张拉孔以端板中心呈中心对称，带钢裙板与端板连接在一起，该带钢裙板设于端板与空心方桩的桩身连接部，接头保护结构包括防腐涂层和/或阴极垫块，其中阴极垫块埋于空心方桩的端部，防腐涂层涂覆于桩身的接头处且将端板及端板的焊接处包围在其内部。本发明提高了离心蒸汽养护预制桩及桩基的耐久性和耐腐蚀性能，使建筑材料和建筑物基础的安全性提高。

Description

预应力离心耐腐蚀空心方桩

技术领域

本发明涉及建筑材料领域，具体属于一种涉及耐腐蚀和耐久性的预应力离心空心方桩。

背景技术

我国幅员辽阔，海洋环境各异且气候多样，如东南沿海地区的湿热、碳化和氯盐腐蚀，北方沿海地区的冻融、碳化和氯盐腐蚀，西部盐湖地区的干冷、干热、氯盐和硫酸盐腐蚀，这些都使得预制混凝土的破坏形式普遍、多样且复杂。

1991年召开的第二届混凝土耐久性国际会议上，Metha在题为“混凝土耐久性-五十年进展”的报告中指出“当今世界，混凝土构件破坏的主要原因按重要性递减排列顺序：钢筋锈蚀、冻融循环、侵蚀环境的物理化学作用”，也就是说，腐蚀是影响混凝土耐久性的主要因素之一，通常腐蚀包括酸、碱、盐对混凝土的腐蚀。

与现浇混凝土相比，预制混凝土关于耐腐蚀性、耐久性的研究和相关技术开发严重不足。2006年，由中山市三和建材有限公司、清华大学深圳研究生院、同济大学材料工程研究所联合完成了一项研究，该研究认为目前广泛使用的掺磨细砂、采用蒸压工艺生产的预应力高强混凝土桩的耐久性较低，不适宜用于干湿循环条件下有抗冻、抗氯离子渗透和硫酸盐腐蚀等要求的桩基工程。20世纪80年代，Mehta和Gerwick调查了旧金山湾SanMateo-Hayward大桥遭受腐蚀的梁体，该梁体混凝土的单方水泥用量为370kg，其中一部分梁采用蒸汽养护，一部分梁采用自然养护。经过17年的暴露后，采用蒸汽养护的梁已经发生了锈蚀而不得不进行修补，而自然养护的梁却还没有出现任何腐蚀的迹象。Detwiler等人的研究结果表明，较高温度下的养护会降低硅酸盐水泥混凝土抗氯离子渗透的能力，这说明蒸汽养护的混凝土构件比自然养护的构件更容易发生耐腐蚀性问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种预应力离心耐腐蚀空心方桩，解决离心蒸汽养护混凝土构件的耐久性和耐腐蚀性问题。

为解决上述技术问题，本发明提供的预应力离心耐腐蚀空心方桩，包括桩身、桩端、端头连接结构和接头保护结构，

所述端头连接结构包括端板和带钢裙板，所述端板设于空心方桩的端部并与桩身的主筋连接，所述端板的侧面具有焊接坡口，端板上设有穿筋孔和张拉孔，所述穿筋孔和张拉孔以端板中心呈中心对称，所述带钢裙板与端板连接在一起，该带钢裙板设于端板与空心方桩的桩身连接部，所述带钢裙板上压有若干凸筋，所述凸筋向空心方桩的中心突出；所述端板的边长小于空心方桩的桩身边长，所述带钢裙板呈阶梯状，其靠近桩身的部分边长与空心方桩的桩身边长相同，靠近端板的部分边长小于空心方桩的桩身边长；

所述接头保护结构包括防腐涂层和/或阴极垫块，其中阴极垫块预埋于端板、带钢裙板和方桩端部的交汇处，防腐涂层涂覆于桩身的接头处且将端板及端板的焊接处包围在其内部。

进一步的，所述方桩还可以包括桩尖，该桩尖位于混凝土空心方桩桩身的前端且与桩身为整体结构，所述桩尖为棱台形，桩尖内设有桩尖钢筋，每组桩尖钢筋包括一倾斜段和一竖直段，桩尖的前端设有一钢棒，所述钢棒被桩尖钢筋的竖直段包围在内部并与桩尖钢筋固定连接，所述钢棒伸出并位于桩尖的顶面外。

在上述结构中，所述桩身及桩尖的混凝土包括水泥、掺合料、砂石、耐腐蚀剂、减水剂和水。其中，所述耐腐蚀剂包括氢氧化钡、柠檬酸钠、硼酸、六偏磷酸钠、苯甲酸钠、十二烷基苯磺酸钠、硅砂；所述掺合料包括粉煤灰、矿粉、硅灰、偏高岭土；所述减水剂包括萘系、聚羧酸、聚羧酸嫁接支链、萘系改良(由萘系减水剂与其它外加剂复配而成)。

优选的，所述桩尖为正四棱台形，所述钢棒位于正四棱台的中心，且钢棒的前端伸出在桩尖顶面外；所述桩尖内设有四组桩尖钢筋，相邻两组桩尖钢筋之间的夹角为90°，每组桩尖钢筋的倾斜段平行于桩尖的一侧面。

优选的，所述桩身具有圆筒形的中孔，端板上具有与方桩的中孔直径相同的圆孔；所述穿筋孔和张拉孔分布在端板的圆孔外侧并呈方形分布。

本发明的预应力离心耐腐蚀空心方桩从建筑桩基础整体防护的角度出发，对桩基础整体耐久性和耐腐蚀性的研究和设计，优化方桩桩身的混凝土组成成分及配比，并且调整方桩配筋形式及保护层厚度等，提高了离心蒸汽养护预制桩及桩基的耐久性和耐腐蚀性能，解决了混凝土、钢筋混凝土在腐蚀介质和环境中的使用寿命问题。提高了建筑材料和建筑物基础的安全性。

附图说明

图1是本发明所述的耐腐蚀空心方桩的立体示意图；

图2是桩尖的放大示意图；

图3是经过方桩中心线的纵向截面示意图；

图4是桩尖处的横向截面示意图；

图5是方桩的俯视图；

图6是端头连接结构的一种示意图；

图7是端头连接结构的另一种示意图；

图8是端板的剖视图；

图9是端板上的焊接坡口的局部放大图；

图10是接头保护结构的示意图。

其中附图标记说明如下：

1为桩身；2为桩尖；3为主筋；4为桩尖钢筋；5为圆钢；6为端板；7为带钢裙板；8为焊接坡口；9为穿筋孔；10为张拉孔；11为凸筋；12为焊接处；13为阴极垫块；14为防腐涂层；L1为端板的边长；L2为桩身边长；W为焊接坡口宽度。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供的预应力离心耐腐蚀空心方桩，如图1所示，包括桩身1、桩端、端头连接结构和接头保护结构，此外还可以包括桩尖2。

如图2所示，所述桩尖2位于桩身1的前端，且与桩身1为整体结构，所述桩尖2的前端设有钢棒(如圆钢5或方钢)。如图2、图3所示，桩尖2为正四棱台形，所述圆钢5或方钢位于正四棱台的中心，且圆钢5或方钢的前端伸出在桩尖2顶面外。如图4所示，桩尖2内设有四组桩尖钢筋4，相邻两组桩尖钢筋4之间的夹角为90°，每组桩尖钢筋4包括一倾斜段和一竖直段，每个倾斜段平行于桩尖的一侧面，所述圆钢5或方钢被竖直段包围在内部。

如图1所示，桩尖2的底面与方桩桩身1的截面相同。方桩桩身主筋3位置设有平行于方桩中心轴的钢筋，如图3所示，可增加其抗弯性能和穿透性。桩尖钢筋4的倾斜段连接有构造钢筋，所述构造钢筋平行于方桩桩身的主筋3并位于方桩桩身内。

如图6、图7、图8所示，端头连接结构包括端板6和带钢裙板7，所述端板6设于空心方桩的端部并与桩身1的主筋3连接，所述端板6的侧面具有焊接坡口8，端板6上设有穿筋孔9和张拉孔10，所述穿筋孔9和张拉孔10以端板6中心呈中心对称，所述带钢裙板7与端板6连接在一起，该带钢裙板7设于端板6与空心方桩的桩身连接部。

所述接头保护结构包括防腐涂层14和/或阴极垫块13，其中阴极垫块13预埋于空心方桩的端部，防腐涂层14涂覆于桩身1的接头处且将端板6及端板的焊接处12包围在其内部。

所述桩身1及桩尖2的混凝土采用相同配比的混凝土，并且一同离心成型和养护，包括水泥、掺合料(掺合料A、B、C分别代表矿粉、粉煤灰和硅灰)、砂石、耐腐蚀剂、减水剂和水，其成分配比见下表。

前述混凝土具有较高的耐腐蚀性，在不同等级的氯离子环境侵蚀中，电通量性能控制在100C～1000C；氯离子扩散系数控制在0.9×10^-12～3.0×10^-12m²/s；在不同等级的硫酸根离子环境侵蚀中，抗硫酸盐侵蚀等级控制在KS90～KS150以上；在不同等级的严寒环境侵蚀中，抗冻等级控制在F300～F400以上。

其中，所述耐腐蚀剂包括氢氧化钡、柠檬酸钠、硼酸、六偏磷酸钠、苯甲酸钠、十二烷基苯磺酸钠、硅砂；所述掺合料包括粉煤灰、矿粉、硅灰、偏高岭土；所述减水剂包括萘系、聚羧酸、萘系改良(由萘系减水剂与其它外加剂复配而成)、聚羧酸嫁接支链。

如图4、图5所示，空心方桩内具有圆筒形的中孔，在中孔的外侧均匀分布有主筋3，在本发明中，主筋3为八根，所述主筋3呈方形分布并与方桩的中孔轴线平行。端板6上具有与方桩的中孔直径相同的圆孔，穿筋孔9和张拉孔10呈方形分布在端板圆孔外侧，并以端板6的中心呈中心对称。带钢裙板7与端板6通过焊接和机械压型连接在一起，并且带钢裙板7上压有若干凸筋11(在本发明中为两条凸筋)，如图6、图7所示，凸筋6向空心方桩的中心突出。

其中，端板6的边长L1、带钢裙板7的边长与空心方桩的桩身1边长L2均相同(基本相同)，如图6所示。或者，端板6采用桩端缩径技术，如图7所示，端板6的边长L1小于空心方桩的桩身1边长L2，方桩与方桩连接后，通过该区域在桩接口处涂抹防腐涂层14。与端板6配合连接的带钢裙板7呈阶梯状，其靠近桩身1的部分边长与空心方桩的桩身边长L2相同，靠近端板6的部分边长小于空心方桩的桩身边长L2，其中优选的，带钢裙板2不同边长的两部分的连接处到端板与端板的连接面之间的距离为15mm～25mm。

如图9所示，方桩桩身边长为300mm～500mm的耐腐蚀空心方桩，设计使用年限为50年时，焊接坡口宽度W为12mm即可；设计使用年限为100年时，焊接坡口宽度W为15mm即可。而方桩桩身边长为550～1000mm的耐腐蚀空心方桩，设计使用年限为50年和100年时，焊接坡口宽度W均为15mm即可，这样使得端板之间的焊接面积增大。

在上述结构中，方桩接头处可以根据不同腐蚀环境和类别，单独采用防腐涂层14的防护方式，也可以单独采用阴极垫块13的防护方式，还可以采用二者结合的方式。

由电化学腐蚀原理可得，焊接处12的腐蚀速率不大于端板6的腐蚀速率，同时端板6的总焊接厚度应满足方桩的各项力学性能，因此为了保证耐腐蚀空心方桩在所设计的腐蚀年限内满足耐腐蚀空心方桩所需的力学性能，需要根据相关因素设计端板的焊接厚度。端板可以根据设计年限和所采用的耐腐蚀方案来预留腐蚀厚度，即增加焊接厚度。提高耐腐蚀空心方桩的腐蚀性能和耐久性能。不同环境情况和桩型，其腐蚀速率和腐蚀厚度(根据《港口工程钢结构设计规范》中的规律公式进行设计)如下：

常规涂料初期涂层破损系数应为水中1％～2％，泥中25％～50％，涂层破损率为每年增加1％～3％。保护面积应包括金属结构在水中和泥中的面积，并应考虑影响金属结构阴极保护效果的其它金属结构的面积(包括端板、钢筋墩头等)。根据方桩的端板厚度和裙板的宽度对各种边长的方桩每个端头与水的接触的面积进行计算，计算结果如下所示(根据《水工金属结构防腐蚀规范》中的规律公式进行设计)。

因此，阴极保护即牺牲阳极根据不同质量制成合适厚度的裙板(增加板厚，满足焊接和连接要求)代替原来的裙板(厚度在1.5mm以下，无法满足焊接和连接等要求)，用来保证阴极垫块的安放，本发明设计的牺牲阳极质量(根据规律公式进行设计)如下：

优选的，如图10所示，阴极垫块5预埋于端板2、裙板3和方桩1端部的交汇处。

其中，防腐涂层14包括防锈漆、有机硅渗透型涂料、环氧树脂、聚氨酯防水涂料和沥青。该防腐涂层的形成方法为表面成膜式、渗透式或封闭式，其中表面成膜式是防腐涂层在方桩表面形成防护膜，起到与外界隔绝的作用，渗透式则是防腐涂层渗透进入桩体内部，填实桩体的毛细孔洞，使桩体表面更加密实，外界物质无法渗透至其内部，而封闭式是表面成膜式和渗透式的结合，效果最佳。

本发明的空心方桩中，空心方桩桩尖与桩身为整体结构，不存在明显的连接点，没有空隙存在，可以有效地抵制腐蚀介质的侵蚀，具有优越的耐腐蚀性能，并且桩尖和桩身采用相同配比的混凝土，可以通过同批次搅拌、离心和养护而成。同时，端板具有焊接坡口，可以根据方桩使用环境和方桩的型号及寿命要求设计，增加了端板与端板之间的焊接面积和高度，提高了焊接处的预腐蚀量。此外，接头防护结构采用阴极保护技术和防腐涂层技术，可以根据不同腐蚀环境和类别，采用一种或多种保护结构，这样就可以提高方桩接头处的耐久性和耐腐蚀性能。本发明提高了离心蒸汽养护预制桩及桩基的耐久性和耐腐蚀性能，使建筑材料和建筑物基础的安全性提高。

以上通过具体实施例对本发明进行了详细的说明，该实施例仅仅是本发明的较佳实施例，其并非对本发明进行限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员对本发明的方桩结构做出的等效置换和改进，均应视为在本发明所保护的技术范畴内。

Claims (5)

1.一种预应力离心耐腐蚀空心方桩，其特征在于，包括桩身、桩端、端头连接结构和接头保护结构，

所述端头连接结构包括端板和带钢裙板，所述端板设于空心方桩的端部并与桩身的主筋连接，所述端板的侧面具有焊接坡口，端板上设有穿筋孔和张拉孔，所述穿筋孔和张拉孔以端板中心呈中心对称，所述带钢裙板与端板连接在一起，该带钢裙板设于端板与空心方桩的桩身连接部，所述带钢裙板上压有若干凸筋，所述凸筋向空心方桩的中心突出；所述端板的边长小于空心方桩的桩身边长，所述带钢裙板呈阶梯状，其靠近桩身的部分边长与空心方桩的桩身边长相同，靠近端板的部分边长小于空心方桩的桩身边长；

所述接头保护结构包括防腐涂层和/或阴极垫块，其中阴极垫块预埋于端板、带钢裙板和方桩端部的交汇处，防腐涂层涂覆于桩身的接头处且将端板及端板的焊接处包围在其内部。

2.根据权利要求1所述的预应力离心耐腐蚀空心方桩，其特征在于，所述方桩还包括桩尖，该桩尖位于混凝土空心方桩桩身的前端且与桩身为整体结构，所述桩尖为棱台形，桩尖内设有桩尖钢筋，每组桩尖钢筋包括一倾斜段和一竖直段，桩尖的前端设有一钢棒，所述钢棒被桩尖钢筋的竖直段包围在内部并与桩尖钢筋固定连接，所述钢棒伸出并位于桩尖的顶面外。

3.根据权利要求2所述的预应力离心耐腐蚀空心方桩，其特征在于，所述桩身及桩尖的混凝土包括水泥、掺合料、砂石、耐腐蚀剂、减水剂和水。

4.根据权利要求2所述的预应力离心耐腐蚀空心方桩，其特征在于，所述桩尖为正四棱台形，所述钢棒位于正四棱台的中心，且钢棒的前端伸出在桩尖顶面外；所述桩尖内设有四组桩尖钢筋，相邻两组桩尖钢筋之间的夹角为90°，每组桩尖钢筋的倾斜段平行于桩尖的一侧面。

5.根据权利要求1所述的预应力离心耐腐蚀空心方桩，其特征在于，所述桩身具有圆筒形的中孔，端板上具有与方桩的中孔直径相同的圆孔；所述穿筋孔和张拉孔分布在端板的圆孔外侧并呈方形分布。