CN104926224A - 适用于海工环境的蒸压预应力混凝土管桩及制备方法 - Google Patents

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姚峰
夏军武
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Abstract

本发明公开了一种适用于海工环境的蒸压预应力混凝土管桩及制备方法，管桩表面涂覆涂层，胶凝材料为P.II 52.5硅酸盐水泥和矿物掺合料组成，胶凝材料的用量为450-550kg/m3，矿物掺合料为胶凝材料用量的30-50wt％，I级粉煤灰掺量为胶凝材料的0-30wt％，II级粉煤灰掺量为胶凝材料的0-25wt％，超细粉煤灰掺量为胶凝材料的0-20wt％，S95级矿粉掺量为胶凝材料的0-25wt％，水胶重量比0.22-0.24；减水剂由脂肪族和聚羧酸按1:2配制，用量为胶凝材料的2.1-2.3wt％；涂层由底漆、中间漆和面漆组成，涂层厚度125-150μm。本发明通过优化原材料配比和制备过程的参数及表面涂覆特制涂层，使管桩抗压强度和抗氯盐侵蚀性能大幅度提高，大大降低了管桩钢筋锈蚀风险，能够大幅度延长海工环境下管桩使用寿命。

Description

适用于海工环境的蒸压预应力混凝土管桩及制备方法
技术领域
本发明涉及一种混凝土管桩，尤其涉及一种适用于海工环境的蒸压预应力混凝土管桩及制备方法，属于建筑材料技术领域。
背景技术
随着我国基本建设的不断扩展，处于濒海或海洋环境中的建筑物或构筑物越来越多，从而使得作为建筑物或构筑物基础组成部分的混凝土管桩在上述环境中的应用也越来越多。但是，传统的普通预应力混凝土管桩强度较低，并且很难抵御海工环境无处不在的氯盐侵蚀，从而导致管桩过早发生耐久性破坏。目前，为了增加强度，预应力混凝土管桩在制备时会考虑掺入矿物掺合料，但具备高强和高抗氯盐侵蚀能力的蒸压预应力混凝土管桩却严重不足，严重阻碍了沿海地区经济的发展。
预应力混凝土管桩按养护工艺分为蒸压管桩和免蒸压管桩，蒸压管桩要经过蒸汽+压蒸两次养护工艺，而免蒸压管桩只经过蒸汽养护一次工艺。国内有管桩企业进行了免蒸压管桩试生产，采用硅灰和超细粉煤灰作为矿物掺合料，虽然产品强度可以达到80MPa，但质量不稳定且成本较蒸压养护高，加之国内免蒸压管桩研究较少，所以免蒸压管桩当前还不利于产业化和推广。
发明内容
为解决上述现有的技术问题，本发明的目的在于提供一种制备成本低、强度和抗侵蚀性能高、质量稳定、可广泛应用于海工环境的蒸压预应力混凝土管桩及制备方法。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种适用于海工环境的蒸压预应力混凝土管桩，原材料包括砂、石、胶凝材料、水和减水剂，管桩表面涂覆涂层，砂用量为685-710kg/m3，石用量为1275-1320kg/m3；胶凝材料由P.II 52.5硅酸盐水泥和矿物掺合料组成，胶凝材料的用量为450-550kg/m3，矿物掺合料用量为胶凝材料用量的30-50wt％，矿物掺合料包括I级粉煤灰、II级粉煤灰、超细粉煤灰和S95级矿粉，I级粉煤灰掺量为胶凝材料用量的0-30wt％，II级粉煤灰掺量为胶凝材料用量的0-25wt％，超细粉煤灰掺量为胶凝材料用量的0-15wt％，S95级矿粉掺量为胶凝材料用量的0-15wt％；水为普通自来水，水胶重量比为0.22-0.24；减水剂为脂肪族和聚羧酸按1:2重量比配制的复合减水剂，用量为胶凝材料的2.1-2.3wt％；涂层由底漆、中间漆和面漆组成，底漆为环氧富锌底漆，用量为220g/m2，干膜厚度25-40μm；中间漆采用环氧云铁中间漆，用量为260g/m2，干膜厚度75μm；面漆采用脂肪族聚氨酯面漆，用量为170g/m2，干膜厚度25-35μm，涂层总厚度125-150μm。
优选的，砂为河砂，细度模数2.2-2.8，含水率6-7wt％；石为5-25mm的碎石，含泥量<0.2wt％；减水剂的固含量28wt％。
优选的，超细粉煤灰由I级粉煤灰或II级粉煤灰研磨得到。
本发明还提供了如上所述的适用于海工环境的蒸压预应力混凝土管桩的制备方法，包括如下步骤：
(1)称取原材料：砂685-710kg/m3，石1275-1320kg/m3，胶凝材料包括P.II 52.5硅酸盐水泥和由I级粉煤灰、II级粉煤灰、超细粉煤灰、S95级矿粉组成的矿物掺合料，胶凝材料总重450-550kg/m3，矿物掺合料总重为胶凝材料用量的30-50wt％，其中I级粉煤灰质量为胶凝材料用量的0-30wt％，II级粉煤灰质量为胶凝材料用量的0-25wt％，超细粉煤灰质量为胶凝材料用量的0-15wt％，S95级矿粉质量为胶凝材料用量的0-15wt％；水为普通自来水，水胶重量比0.22-0.24；减水剂用量为胶凝材料的2.1-2.3wt％；
(2)将上述原材料装入搅拌设备搅拌2-3min得到管桩混凝土拌合物，装模成型，静停1.5小时后，带模蒸汽养护5.5-6小时，带模蒸汽养护温度80-95℃；
(3)脱模后进蒸压釜蒸压养护4.5-5.5小时，蒸压养护温度175-185℃，压力1±0.05MPa。
(4)养护结束后，对管桩混凝土表面进行清洁、打磨，对表面进行喷漆处理，先喷环氧富锌底漆，用量为220g/m2，干膜厚度25-40μm；再喷环氧云铁中间漆，用量为260g/m2，干膜厚度75μm；最后喷脂肪族聚氨酯面漆，用量为170g/m2，干膜厚度25-35μm，涂层总厚度控制在125-150μm，在已涂涂层干后，方可涂下一层。
本发明制备方法中的步骤(2)中，带模蒸汽养护先升温1-1.5小时，在80-95℃温度下恒温3-3.5小时，然后降温1-1.5小时，步骤(3)蒸压养护中，先升温升压1-1.5小时，在温度175-185℃、压力1±0.05MPa恒温恒压2-3小时，最后降温降压1-1.5小时出蒸压釜。
优选的，本发明采用的搅拌设备为60L强制式自动搅拌机。
同现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
(1)本发明通过研究优化原材料的配比和制备过程中的参数及管桩表面涂覆涂层，一方面，使矿物掺合料的火山灰活性被充分激发，通过研磨得到超细粉煤灰属于物理激发，高温高压条件属于化学激发，本发明利用复合激发法制备管桩混凝土，通过不同细度矿物料按合适的比例掺加，使胶凝材料级配更均匀，使粉煤灰在低水胶比条件下，表现出更好的效应，使混凝土更加密实，改善水化产物及微观形貌，强度和耐久性更好，也有利于混凝土强度和耐久性能，使蒸压预应力混凝土管桩的抗压强度、抗氯盐侵蚀性能有很大提高；另一方面，对管桩混凝土表面进行合理涂覆有机成膜涂层，利用多层涂层的物理屏蔽作用，有效延缓腐蚀介质的渗透，从而大幅提高管桩混凝土的耐久性能。发明的管桩3d抗压强度≥90MPa、28d氯离子扩散系数≤1.5×10-12m2/s、混凝土电通量≤400C，从而大大降低了因氯离子侵蚀而引起的钢筋锈蚀风险，能够大幅度延长海工环境条件下混凝土管桩的使用寿命，可以有效解决海工环境基础工程建设的用桩问题。
(2)本发明使用优化配比的矿物掺合料部分替代水泥，不同细度矿物料的掺加，使胶凝材料级配更均匀，减少了水泥的用量，一方面降低了成本达到一个平衡；另一方面，有效减少了水泥生产中二氧化碳排放量，降低了能源的消耗，有利于推进我国资源节约型和环境友好型社会建设和可持续发展。
(3)本发明从生产的原材料进行技术改进，优化了制备过程中的参数，方便企业生产，易于科技成果转化和产业化。
附图说明
图1为对实施例1技术方案制备的试件和普通桩分别通电6小时的电流变化曲线对比图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的说明。
以下实施例中所用到的原材料来源及性能指标如下：
I级粉煤灰和II级粉煤灰为山东日照生产，超细粉煤灰由II级粉煤灰研磨得到，各项性能指标见表1。
表1.I级粉煤灰、II级粉煤灰和超细粉煤灰性能指标表
S95级矿粉为山东日钢粉体材料有限公司生产，各项性能指标见表2。
表2.S95级矿粉各项性能指标表
P.II 52.5硅酸盐水泥为连云港海螺P.II 52.5硅酸盐水泥，其各项物理性能指标见表3。
表3.P.II 52.5硅酸盐水泥各项物理性能指标表
砂为河砂，细度模数2.2-2.8，含水率6-7wt％；石为5-25mm的碎石，含泥量<0.2wt％。
涂层材料中，底漆为环氧富锌底漆，中间漆为环氧云铁中间漆，面漆为脂肪族聚氨酯面漆。
实施例1
本实施例中，混凝土各原材料用量为：砂和石用量分别为700kg/m3和1280kg/m3；胶凝材料总量为513kg/m3，其中矿物掺合料用量为胶凝材料用量的40wt％。矿物掺合料为I级粉煤灰、II级粉煤灰和超细粉煤灰，掺量分别占胶凝材料用量的5wt％、25wt％、10wt％，水胶比为0.22；减水剂为脂肪族和聚羧酸按1:2重量比配制的复合减水剂，固含量为28wt％，减水剂用量占胶凝材料的2.23wt％。
按上述管桩混凝土原材料比例将原料装入60L强制式自动搅拌机搅拌3min得到管桩混凝土拌合物，装模成型，静停1.5小时，然后带模进蒸养池蒸汽养护，先升温1.5小时，保持80℃恒温3小时，然后降温1小时；蒸汽养护完脱模放进蒸压釜进行蒸压养护，先升温升压1小时，再保持175℃恒温、1.0MPa恒压3小时，最后降温降压1.5小时出釜。对养护好的管桩混凝土表面进行清洁、打磨处理，在处理好的表面进行体系喷漆，先喷底漆，用量为220g/m2，干膜厚度25μm，再喷中间漆，用量为260g/m2，干膜厚度约75μm，最后喷面漆，用量为170g/m2，干膜厚度25μm，涂层总厚度控制在125μm。在已涂涂层干后，方可涂下一层。
根据GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中“电通量法”试验规范，对成型28d的普通管桩混凝土试件和本实施例管桩混凝土试件进行电通量试验。图1为对试件通电6小时普通桩与本实施例试件的电流变化曲线对比图，分别对各自时间-电流关系曲线进行面积积分得到普通桩28d电通量为2831C，本发明28d电通量为388C。
本实施例中，所得管桩3d抗压强度为93.8MPa，氯离子扩散系数为1.42×10-12m2/s。
实施例2
本实施例中，混凝土各原材料用量为：砂和石用量分别为685kg/m3和1275kg/m3；胶凝材料总量为450kg/m3，其中矿物掺合料用量为胶凝材料用量的30wt％。矿物掺合料为超细粉煤灰和S95级矿粉，掺量分别占胶凝材料用量的15wt％和15wt％，水胶比为0.22；减水剂为脂肪族和聚羧酸按1:2重量比配制的复合减水剂，固含量为28wt％，减水剂用量占胶凝材料的2.1wt％。
按上述管桩混凝土原材料比例将原料装入60L强制式自动搅拌机搅拌2min得到管桩混凝土拌合物，装模成型，静停1.5小时，然后带模进蒸养池蒸汽养护，先升温1小时，保持95℃恒温3.5小时，然后降温1.5小时；蒸汽养护完脱模放进蒸压釜进行蒸压养护，先升温升压1.5小时，再保持185℃恒温、1.05MPa恒压2小时，然后降温降压1小时出釜。养护结束后喷漆处理，各层漆的用量同实施例1，底漆干膜厚度40μm，中间漆干膜厚度75μm，面漆干膜厚度35μm，涂层总厚度控制在150μm。
本实施例中，所得管桩3d抗压强度为91.3MPa，28d电通量为392C，氯离子扩散系数为1.45×10-12m2/s。
实施例3
本实施例中，混凝土各原材料用量为：砂和石用量分别为710kg/m3和1320kg/m3；胶凝材料总量为550kg/m3，其中矿物掺合料用量为胶凝材料用量的50wt％。矿物掺合料为I级粉煤灰、II级粉煤灰、S95级矿粉，掺量分别占胶凝材料用量的30wt％、10wt％、10wt％，水胶比为0.24；减水剂为脂肪族和聚羧酸按1:2重量比配制的复合减水剂，固含量为28wt％，减水剂用量占胶凝材料用量的2.3wt％。
具体搅拌成型养护工艺同实施例1，养护结束后喷漆处理，各层漆的用量同实施例1，底漆干膜厚度30μm，中间漆干膜厚度75μm，面漆干膜厚度30μm，涂层总厚度控制在135μm。
本实施例中，所得管桩3d抗压强度为95.3MPa，28d电通量为287C，氯离子扩散系数为1.12×10-12m2/s。
实施例4
本实施例中，混凝土各原材料用量为：砂和石用量分别为700kg/m3和1280kg/m3；胶凝材料总量为513kg/m3，其中矿物掺合料用量为胶凝材料用量的40wt％。矿物掺合料为I级粉煤灰、II级粉煤灰、超细粉煤灰，掺量分别占胶凝材料用量的10wt％、15wt％、15wt％，水胶比为0.23；减水剂为脂肪族和聚羧酸按1:2重量比配制的复合减水剂，固含量为28wt％，减水剂用量占胶凝材料的2.2wt％。
具体搅拌成型养护工艺同实施例2，养护结束后喷漆处理，各层漆的用量同实施例1，底漆干膜厚度35μm，中间漆干膜厚度75μm，面漆干膜厚度35μm，涂层总厚度控制在145μm。
本实施例中，所得管桩3d抗压强度为92.1MPa，28d电通量为306C，氯离子扩散系数为1.25×10-12m2/s。
实施例5
本实施例中，混凝土各原材料用量为：砂和石用量分别为700kg/m3和1280kg/m3；胶凝材料总量为485kg/m3，其中矿物掺合料用量为胶凝材料用量的40wt％。矿物掺合料为I级粉煤灰、II级粉煤灰、超细粉煤灰、S95级矿粉，掺量分别占胶凝材料用量的10wt％、10wt％、10wt％、10wt％，水胶比为0.23；减水剂为脂肪族和聚羧酸按1:2重量比配制的复合减水剂，固含量为28wt％，减水剂用量占胶凝材料的2.2wt％。
具体搅拌成型养护工艺同实施例1，喷漆处理同实施例2。
本实施例中，所得管桩3d抗压强度为91.5MPa，28d电通量为358C，氯离子扩散系数为1.36×10-12m2/s。
实施例6
本实施例中，混凝土各原材料用量为：砂和石用量分别为700kg/m3和1280kg/m3；胶凝材料总量为519kg/m3，其中矿物掺合料用量为胶凝材料用量的50wt％。矿物掺合料为I级粉煤灰、II级粉煤灰、超细粉煤灰、S95级矿粉，掺量分别占胶凝材料用量的10wt％、15wt％、15wt％、10wt％，水胶比为0.23；减水剂为脂肪族和聚羧酸按1:2重量比配制的复合减水剂，固含量为28wt％，减水剂用量占胶凝材料的2.2wt％。
具体搅拌成型养护工艺同实施例2，喷漆处理同实施例1。
本实施例中，所得管桩3d抗压强度为94.6MPa，28d电通量为297C，抗氯离子扩散系数为1.24×10-12m2/s。
上述对本发明的一些具体实施例的描述是为了便于该技术领域的普通技术人员能够理解和应用。市面上供应的原材料只要满足实施例所用的相似原材料都可以使用，并非局限某一固定生产厂家生产的某一种原料。

Claims (6)

1.一种适用于海工环境的蒸压预应力混凝土管桩，原材料包括砂、石、胶凝材料、水和减水剂，其特征在于，管桩表面涂覆涂层，砂用量为685-710kg/m3，石用量为1275-1320kg/m3；所述胶凝材料由P.II 52.5硅酸盐水泥和矿物掺合料组成，胶凝材料的用量为450-550kg/m3，矿物掺合料用量为胶凝材料用量的30-50wt％，矿物掺合料包括I级粉煤灰、II级粉煤灰、超细粉煤灰和S95级矿粉，所述I级粉煤灰掺量为胶凝材料用量的0-30wt％，II级粉煤灰掺量为胶凝材料用量的0-25wt％，超细粉煤灰掺量为胶凝材料用量的0-15wt％，S95级矿粉掺量为胶凝材料用量的0-15wt％；水为普通自来水，水胶重量比为0.22-0.24；减水剂为脂肪族和聚羧酸按1:2重量比配制的复合减水剂，用量为胶凝材料的2.1-2.3wt％；涂层由底漆、中间漆和面漆组成，所述底漆为环氧富锌底漆，用量为220g/m2，干膜厚度25-40μm；中间漆采用环氧云铁中间漆，用量为260g/m2，干膜厚度75μm；面漆采用脂肪族聚氨酯面漆，用量为170g/m2，干膜厚度25-35μm，涂层总厚度125-150μm。
2.根据权利要求1所述的适用于海工环境的蒸压预应力混凝土管桩，其特征在于，所述砂为河砂，细度模数2.2-2.8，含水率6-7wt％；所述石为5-25mm的碎石，含泥量<0.2wt％；所述减水剂的固含量28wt％。
3.根据权利要求1所述的适用于海工环境的蒸压预应力混凝土管桩，其特征在于，所述超细粉煤灰由I级粉煤灰或II级粉煤灰研磨得到。
4.一种如权利要求1所述的适用于海工环境的蒸压预应力混凝土管桩的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)称取原材料：砂685-710kg/m3，石1275-1320kg/m3，胶凝材料包括硅酸盐水泥和由I级粉煤灰、II级粉煤灰、超细粉煤灰、S95级矿粉组成的矿物掺合料，胶凝材料总重450-550kg/m3，矿物掺合料总重为胶凝材料用量的30-50wt％，其中I级粉煤灰质量为胶凝材料用量的0-30wt％，II级粉煤灰质量为胶凝材料用量的0-25wt％，超细粉煤灰质量为胶凝材料用量的0-15wt％，S95级矿粉质量为胶凝材料用量的0-15wt％；水为普通自来水，水胶重量比0.22-0.24；减水剂用量为胶凝材料的2.1-2.3wt％；
(2)将上述原材料装入搅拌设备搅拌2-3min得到管桩混凝土拌合物，装模成型，静停1.5小时后，带模蒸汽养护5.5-6小时，带模蒸汽养护温度80-95℃；
(3)脱模后进蒸压釜蒸压养护4.5-5.5小时，蒸压养护温度175-185℃，压力1±0.05MPa。
(4)养护结束后，对管桩混凝土表面进行清洁、打磨，对表面进行喷漆处理，先喷环氧富锌底漆，用量为220g/m2，干膜厚度25-40μm；再喷环氧云铁中间漆，用量为260g/m2，干膜厚度75μm；最后喷脂肪族聚氨酯面漆，用量为170g/m2，干膜厚度25-35μm，涂层总厚度125-150μm，在已涂涂层干后，方可涂下一层。
5.根据权利要求4所述的适用于海工环境的蒸压预应力混凝土管桩的制备方法，其特征在于，步骤(2)带模蒸汽养护中，先升温1-1.5小时，在80-95℃温度下恒温3-3.5小时，然后降温1-1.5小时，步骤(3)蒸压养护中，先升温升压1-1.5小时，在温度175-185℃、压力1±0.05MPa恒温恒压2-3小时，最后降温降压1-1.5小时出蒸压釜。
6.根据权利要求4所述的适用于海工环境的蒸压预应力混凝土管桩的制备方法，其特征在于，所述搅拌设备为60L强制式自动搅拌机。
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