CN104591644A - 一种高强高韧建筑方桩及其制备方法 - Google Patents

一种高强高韧建筑方桩及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供的一种高强高韧建筑方桩，桩身部位使用现有普通混凝土，桩头部位和桩尖部位使用超高性能混凝土，桩头与桩身、桩尖与桩身连接部位分别设有带端头的钢筋；所述桩头和桩尖混凝土由以下质量百分数的组分制成：胶凝材料40％～45％、细集料25％～30％、粗集料20％～25％，减水剂1％～2％、钢纤维2％～5％、水6％～8％；其中，胶凝材料由以下质量百分数的组分制成：水泥50％～60％，硅灰10％～15％，粉煤灰5％～10％，矿粉25％～35％。该方桩结构简单、制备工艺简单，大掺量利用了工业废渣，提高了建筑方桩桩头、桩尖等关键部位的强度和韧性，更能抵抗施工过程中桩头受锤击、桩尖受挤压的行为，大大延长了建筑方桩的使用寿命，降低了由此带来的安全隐患。

Description

一种高强高韧建筑方桩及其制备方法
技术领域
本发明属于方桩生产、桩基工程等基础设施建设工程领域，特别涉及一种高强高韧建筑方桩及其制备方法。
背景技术
随着我国工业化、城镇化进程的加快，基础设施建设正大量兴起。基础工程作为建筑物最关键的部位之一，直接关系到人民群众的生命财产安全、国家安全。桩基工程以其承载力高、适应性强、抗震性好等优点，在地基处理中得到了广泛的应用。据统计，2011年我国预应力混凝土桩的产量达2.9亿米，同比增长15.21％，是全球最大的预制桩生产国。其中，方桩由于其抗拔、抗水平荷载能力强，近年来，得到广泛的应用。然而，目前方桩施工过程中存在一个显著地问题—关键部位易破坏。
普通方桩施工时，桩头在锤击沉桩过程承受着巨大冲击荷载，桩尖在沉桩时承受着巨大的土压力，但普通混凝土韧性差、抗冲击能力低，易出现桩头击碎现象和桩尖断裂等现象；此外，桩焊接端板一般由钢材制成，在服役过程中与环境直接接触，容易锈蚀破坏，成为桩体最薄弱部位，造成安全隐患。因此制备新型关键部位抗断裂的方桩显得尤为重要和必要。
发明内容
发明目的：为了克服目前普通方桩桩头桩尖关键部位易破坏的问题，本发明的目的在于提供了一种高强高韧建筑方桩及其制备方法，采用超高性能混凝土作为桩头、桩尖等关键部位的制备材料，并以带端头的钢筋连接关键部位与其他部位，增强连接力，具有良好的韧性和抗冲击性能，且易于生产施工，有效解决了桩头、桩尖易破坏的问题，降低了工程中安全隐患。
技术方案：本发明提供的一种高强高韧建筑方桩，桩身部位使用现有方桩混凝土，桩头部位和桩尖部位使用桩头和桩尖混凝土，桩头与桩身、桩尖与桩身连接部位分别设有带端头的钢筋；所述桩头和桩尖混凝土由以下质量百分数的组分制成：胶凝材料40％～45％、细集料25％～30％、粗集料20％～25％，减水剂1％～2％、钢纤维1％～5％、水6％～8％；其中，胶凝材料由以下质量百分数的组分制成：水泥50％～60％，硅灰10％～15％，粉煤灰5％～10％，矿粉25％～35％，优选地，水泥50％、硅灰10％、粉煤灰10％、矿粉30％。
优选地，所述桩头和桩尖混凝土的水胶比0.15～0.18，胶砂比1:1～2，优选水胶比0.17，胶砂比1:1.2。
作为优选，所述细集料为天然河砂；所述粗集料为玄武岩石子、铁矿石、钢块，且粒径在20mm以下。
作为另一种优选，所述水泥为P.Ⅱ52.5标号的普通硅酸盐水泥。
作为另一种优选，所述减水剂为聚羧酸系高效减水剂。
作为另一种优选，所述钢纤维为直径0.15mm～0.18mm、长3mm～12mm的短纤维。
本发明还提供了上述高强高韧建筑方桩的制备方法，包括以下步骤：
(1)桩头和桩尖用混凝土的制备：按桩头和桩尖混凝土配方称取各原材料；将水泥、细集料、粗集料、矿物掺合料放入搅拌机中搅拌均匀，再按水胶比和减水剂掺量称取水和减水剂并加入搅拌机中搅拌，再掺入钢纤维搅拌均匀；
(2)建筑方桩的制备：将桩头和桩尖混凝土灌入方桩模具中的桩头、桩尖部位，桩身部位使用现有方桩混凝土，并在桩头与桩身、桩尖与桩身连接部位分别放置带端头的钢筋，成型后标准养护即得。
步骤(1)中，所述桩头和桩尖混凝土由以下质量百分数的组分制成：胶凝材料40％～45％、细集料25％～30％、粗集料20％～25％，减水剂1％～2％、钢纤维1％～5％、水6％～8％；其中，胶凝材料由以下质量百分数的组分制成：水泥50％～60％，硅灰10％～15％，粉煤灰5％～10％，矿粉25％～35％，优选地，水泥50％、硅灰10％、粉煤灰10％、矿粉30％；所述桩头和桩尖混凝土的水胶比0.15～0.18，胶砂比1:1～2，优选水胶比0.17，胶砂比1:1.2。
本发明还提供了一种桩头和桩尖用混凝土，由以下重量份的组份制成：胶凝材料40％～45％、细集料25％～30％、粗集料20％～25％，减水剂1％～2％、钢纤维2％～5％、水6％～8％；其中，胶凝材料由以下质量百分数的组分制成：水泥50％～60％，硅灰10％～15％，粉煤灰5％～10％，矿粉25％～35％，优选地，水泥50％、硅灰10％、粉煤灰10％、矿粉30％；所述桩头和桩尖混凝土的水胶比0.15～0.18，胶砂比1:1～2，优选水胶比0.17，胶砂比1:1.2。
有益效果：本发明提供的高强高韧建筑方桩结构简单、制备工艺简单，提高了建筑方桩桩头、桩尖等关键部位的强度和韧性，更能抵抗施工过程中桩头受锤击、桩尖受挤压的行为，大大延长了建筑方桩的使用寿命，降低了由此带来的安全隐患。
本发明以超高性能混凝土作为方桩桩头和桩尖制备材料，而中间桩身部分和普通方桩材料相同，并在桩头、桩尖连接部位用带端头的钢筋连接，以增强桩头、桩尖与桩身之间的连接力。桩头、桩尖用超高性能混凝土以水泥作为胶凝材料，砂石作为粗细骨料，硅灰、粉煤灰、矿粉作为矿物掺合料，并掺加钢纤维、外加剂，将上述原材料按一定比例混合，确定硅灰、粉煤灰、矿粉最佳掺量，加水搅拌成型即可用于桩头、桩尖部位。与现有方桩相比，本发明提供的高强高韧建筑方桩无论在工业工业固废物利用率、耐久性、力学性能、使用寿命等方面均具有明显优势，特别是针对桩头、桩尖等关键部位易开裂破坏的缺点有较好的改善。其桩头、桩尖抗压强度100MPa～200MPa，且韧性和抗冲击性能较好，能有效防止桩头撞击、桩尖受挤压而产生的开裂等破坏行为。
本发明提供的高强高韧建筑方桩其机理如下：
首先，提高了方桩关键部位超高性能混凝土的密实度。因其砂胶比低，降低了骨料与浆体的体积比，采用超细高活性矿物掺合料(即硅灰)改善胶凝材料体系的密实度，同时利用该材料的火山灰作用，提高水泥石的密实度与均匀性；此外，还采用了硅灰和粉煤灰等活性超细粉进行粒度分布的调整，改善微观结构。
其次，掺入钢纤维提高了混凝土的韧性。未掺钢纤维的普通断裂能低，破坏时呈明显的脆性破坏，掺入钢纤维能明显提高弯折强度，提高韧性和延性。
再次，采用粉煤灰、矿粉、硅灰多组分掺加的方式具有良好的协同效应。复掺矿物掺合料，增强了纤维与水泥基体的粘结强度，改善了界面过渡区，使纤维和水泥石之间的界面过渡区不在薄弱，而且粉煤灰和硅灰的玻璃微珠的形态效应，提高了水泥基体的韧性，最终提高了超高性能混凝土的动态力学性能。
附图说明
图1为不同矿物掺量的试样标准养护90d抗压强度；由图可以看出混合掺加硅灰10％、粉煤灰10％、矿粉30％时，试样的抗压强度最大。(注：图中SF表示硅灰，FA表示粉煤灰，SL表示矿粉，下同)
图2为掺入不同体积分数的钢纤维对抗压强度的影响；由图可以看出当掺合料为硅灰10％、粉煤灰10％、矿粉30％，钢纤维体积分数为3％时，90d抗压强度最大(211Mpa)。
图3为不同矿物掺加方式对试样冲击韧性的影响；图中，4组实验中钢纤维均为3％、减水剂均为2.5％、水灰比等条件均相同。由图可以看出不同掺加方式及掺加比例，试样的冲击韧性值不同。当掺加方式为硅灰10％、粉煤灰10％、矿粉30％时，试样抵抗冲击破坏的能力最强，冲击韧性值达91.2KN.m。
图4为本发明高强高韧建筑方桩结构示意图，图中桩头、桩身为主要增强增韧部位，带端头的钢筋增加桩身与关键部位的连接力。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本发明实施例中，使用的原料：
细集料为天然河砂；
粗集料为玄武岩石子、铁矿石、钢块，且粒径在20mm以下；
水泥为P.Ⅱ52.5标号的普通硅酸盐水泥；
减水剂为聚羧酸系高效减水剂；
钢纤维为直径0.15mm～0.18mm、长3mm～12mm的短纤维。
实施例1
高强高韧建筑方桩，桩身部位使用现有方桩混凝土，桩头部位和桩尖部位使用桩头和桩尖混凝土，桩头与桩身、桩尖与桩身连接部位分别设有带端头的钢筋；所述桩头和桩尖混凝土由以下质量百分数的组分制成：胶凝材料40％、细集料30％、粗集料20％，减水剂1％、钢纤维1％、水8％；其中，胶凝材料由以下质量百分数的组分制成：水泥50％、硅灰10％、粉煤灰10％、矿粉30％。
28d抗压强度达140Mpa，90d抗压强度达211Mpa，冲击韧性值为90.1KN.m。
实施例2
高强高韧建筑方桩，桩身部位使用现有方桩混凝土，桩头部位和桩尖部位使用桩头和桩尖混凝土，桩头与桩身、桩尖与桩身连接部位分别设有带端头的钢筋；所述桩头和桩尖混凝土由以下质量百分数的组分制成：胶凝材料40％、细集料25％、粗集料23％，减水剂1％、钢纤维5％、水6％；其中，胶凝材料由以下质量百分数的组分制成：水泥60％，硅灰10％，粉煤灰5％，矿粉25％。
28d抗压强度达135Mpa，90d抗压强度达205Mpa，冲击韧性值为91.5KN.m。
实施例3
高强高韧建筑方桩，桩身部位使用现有方桩混凝土，桩头部位和桩尖部位使用桩头和桩尖混凝土，桩头与桩身、桩尖与桩身连接部位分别设有带端头的钢筋；所述桩头和桩尖混凝土由以下质量百分数的组分制成：胶凝材料45％、细集料25％、粗集料20％，减水剂2％、钢纤维2％、水6％；其中，胶凝材料由以下质量百分数的组分制成：水泥50％，硅灰15％，粉煤灰10％，矿粉25％。
28d抗压强度达138Mpa，90d抗压强度达199Mpa，冲击韧性值为90.4KN.m。
实施例4
高强高韧建筑方桩，桩身部位使用现有方桩混凝土，桩头部位和桩尖部位使用桩头和桩尖混凝土，桩头与桩身、桩尖与桩身连接部位分别设有带端头的钢筋；所述桩头和桩尖混凝土由以下质量百分数的组分制成：胶凝材料40％、细集料25％、粗集料25％，减水剂1％、钢纤维2％、水7％；其中，胶凝材料由以下质量百分数的组分制成：水泥50％，硅灰10％，粉煤灰5％，矿粉35％。
28d抗压强度达135Mpa，90d抗压强度达209Mpa，冲击韧性值为91.6KN.m。
实施例5
按质量分数称取原料，P·Ⅱ52.5水泥50％，硅灰10％，粉煤灰10％，矿粉30％，水胶比0.17，胶砂比1：1.2，纤维体积掺量3％，减水剂为占胶凝材料2.5％。
28d抗压强度达137Mpa，90d抗压强度达205Mpa，冲击韧性值为91.2KN.m。
实施例6
按质量分数称取原料，P·Ⅱ52.5水泥55％，硅灰10％，粉煤灰10％，矿粉25％，水胶比0.15，胶砂比1：1，纤维体积掺量3％，减水剂为占胶凝材料2.5％。
28d抗压强度达136Mpa，90d抗压强度达200Mpa，冲击韧性值为90.6KN.m。
实施例7
按质量分数称取原料，P·Ⅱ52.5水泥50％，硅灰10％，粉煤灰5％，矿粉35％，水胶比0.18，胶砂比1：2，纤维体积掺量2％，减水剂为占胶凝材料2.5％。
28d抗压强度达130Mpa，90d抗压强度达194Mpa，冲击韧性值为88.5KN.m。
实施例8
按质量分数称取原料，P·Ⅱ52.5水泥60％，硅灰5％，粉煤灰5％，矿粉20％，水胶比0.17，胶砂比1：1.2，纤维体积掺量3％，减水剂为占胶凝材料2.5％。
冲击韧性值为88.9KN.m。
实施例9
按质量分数称取原料，P·Ⅱ52.5水泥60％，硅灰5％，粉煤灰10％，矿粉25％，水胶比0.17，胶砂比1：1.2，纤维体积掺量3％，减水剂为占胶凝材料2.5％。
冲击韧性值为82.5KN.m。
实施例10
按质量分数称取原料，P·Ⅱ52.5水泥70％，硅灰10％，粉煤灰20％，水胶比0.17，胶砂比1：1.2，纤维体积掺量3％，减水剂为占胶凝材料2.5％。
冲击韧性值为70.2KN.m。

Claims (8)

1.一种高强高韧建筑方桩，其特征在于：桩身部位使用现有方桩混凝土，桩头部位和桩尖部位使用桩头和桩尖混凝土，桩头与桩身、桩尖与桩身连接部位分别设有带端头的钢筋；所述桩头和桩尖混凝土由以下质量百分数的组分制成：胶凝材料40％～45％、细集料25％～30％、粗集料20％～25％，减水剂1％～2％、钢纤维1％～5％、水6％～8％；其中，胶凝材料由以下质量百分数的组分制成：水泥50％～60％，硅灰10％～15％，粉煤灰5％～10％，矿粉25％～35％，优选地，水泥50％、硅灰10％、粉煤灰10％、矿粉30％。
2.根据权利要求1所述的一种高强高韧建筑方桩，其特征在于：所述细集料为天然河砂；所述粗集料为玄武岩石子、铁矿石、钢块，且粒径在20mm以下。
3.根据权利要求1所述的一种高强高韧建筑方桩，其特征在于：所述水泥为P.Ⅱ52.5标号的普通硅酸盐水泥。
4.根据权利要求1所述的一种高强高韧建筑方桩，其特征在于：所述减水剂为聚羧酸系高效减水剂。
5.根据权利要求1所述的一种高强高韧建筑方桩，其特征在于：所述钢纤维为直径0.15mm～0.18mm、长3mm～12mm的短纤维。
6.权利要求1所述的高强高韧建筑方桩的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)桩头和桩尖用混凝土的制备：按桩头和桩尖混凝土配方称取各原材料；将水泥、细集料、粗集料、矿物掺合料放入搅拌机中搅拌均匀，再按水胶比和减水剂掺量称取水和减水剂并加入搅拌机中搅拌，再掺入钢纤维搅拌均匀；
(2)建筑方桩的制备：将桩头和桩尖混凝土灌入方桩模具中的桩头、桩尖部位，桩身部位使用现有方桩混凝土，并在桩头与桩身、桩尖与桩身连接部位分别放置带端头的钢筋，成型后标准养护或者蒸汽养护即得。
7.根据权利要求1所述的一种高强高韧建筑方桩的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述桩头和桩尖混凝土由以下质量百分数的组分制成：胶凝材料40％～45％、细集料25％～30％、粗集料20％～25％，减水剂1％～2％、钢纤维2％～5％、水6％～8％；其中，胶凝材料由以下质量百分数的组分制成：水泥50％～60％，硅灰10％～15％，粉煤灰5％～10％，矿粉25％～35％，优选地，水泥50％、硅灰10％、粉煤灰10％、矿粉30％。
8.一种桩头和桩尖用混凝土，其特征在于：由以下质量百分数的组份制成：胶凝材料40％～45％、细集料25％～30％、粗集料20％～25％，减水剂1％～2％、钢纤维1％～5％、水6％～8％；其中，胶凝材料由以下质量百分数的组分制成：水泥50％～60％，硅灰10％～15％，粉煤灰5％～10％，矿粉25％～35％，优选地，水泥50％、硅灰10％、粉煤灰10％、矿粉30％；所述桩头和桩尖混凝土的水胶比0.15～0.18，胶砂比1:1～2，优选水胶比0.17，胶砂比1:1.2。
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