CN106082901A - 一种加固软弱地基的绿色混凝土预制桩及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于软土地基加固施工技术领域，特别涉及一种加固软弱地基的绿色混凝土预制桩及施工方法。所述混凝土预制桩为基体材料内布置抗拉增强材料，所述基体材料由粉煤灰、生石灰、高炉矿渣微粉、硫铝酸盐水泥等制成。本发明绿色混凝土预制桩充分利用现有设备和材料，改变其材料结构、施工工序，具有成桩质量好、桩基承载力高、造价低的优点；利用粉煤灰、钢渣等工业废渣作为矿物掺合料和利用陶粒或建筑垃圾再生骨料制作混凝土预制桩，有效的利用了工业废渣和建筑垃圾，减少了环境污染，且地基处理成本低廉。

Description

一种加固软弱地基的绿色混凝土预制桩及施工方法

技术领域

本发明属于软土地基加固施工技术领域，特别涉及一种加固软弱地基的绿色混凝土预制桩及施工方法。

背景技术

火力发电等企业每年的粉煤灰排放量巨大，为了使粉煤灰变废为宝，近年来，以粉煤灰作原料生产水泥在许多地方已普遍出现，是粉煤灰综合利用的一个重要途径。但现有的粉煤灰置换水泥的混凝土存在的问题是强度低，抗渗、抗冻融及耐腐蚀性较差。同时，现有的粉煤灰置换水泥一般不超过30％，水泥占有的比重仍然比较大，生产成本降低并不明显。

随着城市化进程的不断加快,建筑垃圾的产生和排出数量也在快速增长。人们在享受文明的同时,也在遭受垃圾所带来的烦恼,其中建筑垃圾就占有相当大的比例。目前,我国建筑垃圾的数量已占到城市垃圾总量的30％～40％，绝大部分建筑垃圾未经任何处理便被施工单位运往郊外或乡村，采用露天堆放或填埋的方式进行处理，占用大量的征用土地费、垃圾清运等建设经费。鉴于建筑垃圾的组成特点和它产生于建设工程现场的实际情况，建筑废料中很多是可以再生利用的。在资源日趋匮乏的今天，简单粗暴地遗弃建筑废料造成资源的极大浪费。因此，开展建筑垃圾综合治理，进行建筑垃圾的资源化变得十分重要，不仅符合生态环境保护的需要,也是可持续发展的需要。开展建筑垃圾综合治理研究工作的意义在于：减少建筑垃圾的排放量，降低垃圾带来的严重环境问题，改善城市的建设环境和人民的生活环境，在环境和经济都可行的条件下尽可能的提高建筑垃圾的再生利用率，减缓建筑垃圾无处处置的趋势。再生骨料混凝土是将废弃混凝土经破碎加工制成再生骨料，部分或全部代替天然骨料配置成的新型混凝土。废弃混凝土主要来自建筑物拆迁、路面返修、混凝土生产、工程施工或其他状况。废弃混凝土来源途径多，品质有别，经破碎加工而成的再生骨料的组织结构及工程性质有显著差别，所制备的再生骨料混凝土的抗压强度存在一定差异，如何在保证工程安全的情况下利用好再生骨料也是工程界关注的热点。

用于软土地基加固的桩型有多种形式，如石灰桩、水泥土桩、水泥粉煤灰碎石桩(CFG)等是目前广泛采用的复合地基桩型，特点各不相同，适合于各种不同地质条件的软土地基加固。如石灰桩是以生石灰与矿渣或粉煤灰干拌击实而成，但桩自身强度较低，提供的承载力有限，且成桩方法采用人工洛阳铲成孔，工艺比较落后。水泥土桩常用的工艺是深层搅拌，它通过钻机钻杆钻入土中，将水泥(浆或粉)喷出并与土搅拌成桩，其缺陷在于一方面施工质量离散性大，容易出现断桩，桩身强度受土质环境的影响较大，如土质中有机质含量高时桩身强度就很低。水泥粉煤灰碎石桩(CFG)施工工艺复杂，现场灌注混凝土，经常出现断桩、缩颈、强度低于设计值的情况。上述桩型的强度都因为施工、混凝土材料等因素导致桩体自身强度达不到设计要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型的加固软弱地基的绿色混凝土预制桩及施工方法，利用工业废料粉煤灰和建筑垃圾再生骨料作为主要成桩材料，不但成本低廉、变废为宝，还能够在一定程度上缓解粉煤灰、建筑垃圾对环境的污染问题，达到资源可持续利用的目的；同时本发明提供的混凝土预制桩还能保证单桩和复合地基承载力设计值；进一步，本发明提供的施工方法简单，且能有效提高施工速度。

本发明采用的技术方案如下：

一种加固软弱地基的绿色混凝土预制桩，所述混凝土预制桩为基体材料内布置抗拉增强材料，所述基体材料由下列重量份原料制成：粉煤灰80-100份、生石灰15-25份、高炉矿渣微粉15-25份、硫铝酸盐水泥2-3份、元明粉2-5份、硅微粉1-5份、减水剂0.3-2份、碱性激发剂0.1-0.5份、建筑垃圾再生骨料或陶粒220-600份，水35-75份。

所述粉煤灰中含30-60wt％的Si0₂、20-35wt％的Al₂O₃、3-19wt％的Fe₂O₃、2-10wt％的CaO；粉煤灰的最大粒径在50μm以下，平均粒径3-10μm。优选火电厂的煤粉燃烧后形成的粉煤灰，主要由硅铝玻璃、微晶矿物颗粒和未燃尽的残炭微粒组成，其化学成分以Si0₂和Al₂O₃为主。

所述生石灰可选择生石灰石粉，细度不低于450目，CaO含量不低于75wt％。

所述的高炉矿渣微粉的最大粒径小于100μm，平均粒径8-20μm，矿渣微粉中：CaO含量为35-60wt％、SiO₂含量为10-20wt％、Fe₂O₃含量为3-10wt％。

所述的硫铝酸盐水泥在本发明实施例中选用郑州市中泰水泥有限公司生产的R.SAC 42.5级。

所述的元明粉其硫酸钠含量不低于99wt％。

所述的硅微粉细度不低于1500目，SiO₂含量不低于96wt％，可以提高混凝土的密实性。

所述陶粒为粉煤灰烧制而得；

所述再生骨料为建筑垃圾制得，粒径为5-25mm。

所述再生骨料中，对于碎石应满足《混凝土用再生粗骨料》(GB/T25177-2010),对于砂子应满足《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》(JGJ52-2006)，且二者均满足《再生骨料应用技术规程》(JGJ/T240-2011)。

所述的减水剂为木质素磺酸钙或造纸废液，造纸废液用生石灰调整PH值大于12；所述的碱性激发剂为氢氧化钠。

所述的抗拉增强材料为仿钢纤维，仿钢纤维表面应粗糙，长度在40mm-70mm，均匀分布于基体材料内，每1000kg基体材料含有仿钢纤维3kg-5kg。当然，也可以采用常规的钢筋。

本发明中优选用仿钢纤维作为抗拉增强材料，有以下优点：

1)制作方便，把仿钢纤维和其它材料混合均匀，浇筑模具内，直接制作而成，避免了绑扎钢筋，同时既可以工厂制作，也可以施工现场制作；

2)提高了耐久性性能，仿钢纤维不会生锈，同时均匀分布的仿钢纤维有效地减少了混凝土微裂缝的发生，从而提高了混凝土桩的耐久性；

3)便于工程截桩，避免桩头的损伤，普通预制桩配有纵筋，截桩非常困难，常常导致桩头断裂，而本发明的桩配有仿钢纤维，有效减少了桩头裂缝的发生。

此外，使用仿钢纤维切实提高了预制桩的抗拉性能，实验表明纤维含量0.5％时预制桩的强度为3.2N/mm²，应变为1.2×10^-4，而不含仿钢纤维的预制桩的强度为1.8N/mm²，应变为5×10^-5。综上，使用仿钢纤维不仅提高了桩体的耐腐蚀性和耐久性，更简化了桩体生产制作的工艺，解决了桩体施工现场制作工艺复杂的难题。

本发明的目的在于提供一种加固软弱地基的绿色混凝土预制桩，采用粉煤灰、生石灰、高炉矿渣微粉、硫铝酸盐水泥、元明粉、硅微粉按一定比例混合作为胶凝材料，并选用合适的减水剂和碱性激发剂，将胶凝材料与陶粒或再生骨料等粗细集料和水混合作为生产绿色混凝土预制桩的基体材料，基体材料内布置仿钢纤维或钢筋作为抗拉增强材料，经过支模、搅拌、浇筑成型、高温蒸压养护等工艺制成混凝土预制桩，用于加固软弱地基。

本发明借助于激发剂，利用高温高压碱性环境条件下工业垃圾粉煤灰具有很好的活性的特点，从而制作混凝土桩时不使用水泥，达到节能环保的目的。此外，本发明着重解决软弱地基的加固处理，软弱地基相对于其他地基对预制桩自身的强度要求较低，因地基处理预制桩的强度等级只要大于C20，就可以满足桩端的抗压承载力，故本发明利用材料性能离散性比较大的建筑再生骨料用于地基处理，刚好也符合软弱地基对混凝土强度要求不高的要求，为建筑垃圾的工程应用提供了工程前景。

本发明制得的混凝土预制桩，横截面可以是矩形、圆形、环形等任意几何形状。

本发明所述的用于加固软弱地基的绿色混凝土预制桩的制作工艺，其主要步骤包括：

(1)原材料混合和搅拌：可以采用现有公知的设备和工艺进行；

(2)混合料成型：可以采用现有公知的成型工艺和成型设备；

(3)蒸汽养护制成成品：养护可以采用常压蒸汽养护(常压、蒸汽温度80-120℃)或高压蒸汽养护(蒸汽温度不低于150℃，压力0.8-1.5MPa)，以加速粉煤灰、生石灰、高炉矿渣微粉的水化反应，用于养护的密闭容器可以采用养护窑、蒸养釜、蒸压釜等公知的养护设备。

本发明还提供了一种利用所述绿色混凝土预制桩进行加固软弱地基的施工方法，步骤如下：

1)称取粉煤灰、生石灰、高炉矿渣微粉、元明粉、高吸水性树脂和水均匀搅拌，制备成流动浆体；

2)启动水泥土搅拌桩机，将流动浆体均匀地与不同深度地基土拌合；在搅拌钻头钻进的过程中，边钻进边由泥浆泵泵送步骤1)中的流动浆体，采用三喷六搅的方式把浆体与土搅拌均匀；

3)吊起绿色混凝土预制桩，把绿色混凝土预制桩插入2)步骤中搅拌好的土体内，完成加固软弱地基的绿色混凝土预制桩的施工。

优选的，步骤1)中制备流动浆体的原料重量份如下：粉煤灰110-140份、生石灰30-40份、高炉矿渣微粉20-35份、元明粉4-7份、高吸水性树脂5-6份、水200-400份。

所述的高吸水性树脂优选汇森牌HS系列高吸水性树脂。

所述施工方法采用粉煤灰、生石灰、高炉矿渣微粉、元明粉、高吸水性树脂混合作为施工时的胶凝材料。所述的粉煤灰、生石灰、高炉矿渣微粉、元明粉与制备绿色混凝土预制桩基体材料时所用材料要求相同。

由于粉煤灰中含有较多的二氧化硅、氧化铝和氧化铁等活性成分，它们可与生石灰产生的钙离子发生化学反应，生成具有水硬性的水化硅酸钙、水化铝酸钙等物质，预制桩生产阶段高温条件下会加速这些物质的生成，使桩体具有一定的强度，在20Mpa-35Mpa。

所述石灰的作用是添加到粉煤灰中，具有强碱性氢氧负离子的作用，可促使粉煤灰玻璃体网络解聚和硅、铝的溶解扩散，生成水化硅酸钙。

元明粉能促使粉煤灰玻璃网状结构的破解，加速水化反应。

所述的氢氧化钠激发剂和元明粉，能够使粉煤灰内的二氧化硅与生石灰产生的钙离子发生化学反应生成水硬性的胶凝化合物，有效提高桩体和搅拌土体的强度。

管桩正常施工过程中，桩在偏心受冲击作用下，桩一边的混凝土就呈受压破坏的现象，有时在距地面约1～1.5m位置出现单边环裂；也有压桩过程存在困难，致使桩尖入土深度达不到设计深度情况。

本发明施工方法，用搅拌的方法把粉煤灰、生石灰、高炉矿渣微粉、元明粉、高吸水性树脂和土均匀搅拌，所述绿色混凝土预制桩插入搅拌的粉煤灰土体，对软弱土体有挤密作用，不仅有效地提高了土体与桩体的摩阻力，即提高了桩周的侧摩阻力；另外也降低了预制桩插入时的阻力，保护了预制桩的完整性和桩的入土深度，提高了桩的承载力，绿色混凝土预制桩可以把竖向荷载传到更深的土体内。本发明施工速度快，基本为0.7m/s-1.1m/s。

此外，选用粉煤灰和生石灰作为土体的胶凝材料，可以有充分的时间把绿色混凝土预制桩插入搅拌的土体内，为本发明的工程施工提供了可操作性。

本发明相对于现有技术，有以下优点：

1)本发明绿色混凝土预制桩充分利用现有设备和材料，改变其材料结构、施工工序，具有成桩质量好、桩基承载力高、造价低的优点；

2)本发明利用粉煤灰、钢渣等工业废渣作为矿物掺合料和利用陶粒或建筑垃圾再生骨料制作混凝土预制桩，有效的利用了工业废渣和建筑垃圾，减少了环境污染，且地基处理成本低廉。

附图说明

图1为加固软弱地基的绿色混凝土预制桩的结构示意图；

图2和图3皆为绿色混凝土预制桩的横截面示意图。

图中，1为绿色混凝土预制桩，2为粉煤灰搅拌桩，3为钢筋，4为仿钢纤维。

具体实施方式

以下以具体实施例来说明本发明的技术方案，但本发明的保护范围不限于此：

实施例1

一种加固软弱地基的绿色混凝土预制桩1，采用基体材料，基体材料内布置仿钢纤维4作为抗拉增强材料，经过支模、搅拌、浇筑成型、高温蒸压养护等工艺制成混凝土预制桩，用于加固软弱地基。

所述的用于加固软弱地基的绿色混凝土预制桩，其基体材料的配比按重量份计算，由下述组分的原料制备而成：粉煤灰100份、生石灰20份、高炉矿渣微粉25份、硫铝酸盐水泥2份、元明粉4份、硅微粉5份、减水剂2份、激发剂0.3份、混凝土垃圾再生骨料500份，水70份，抗拉增强材料为仿钢纤维4(分布密度为0.4％，下同)。所述的混凝土预制桩的横截面是矩形。

用于加固软弱地基的绿色混凝土预制桩的制作工艺，其主要工艺步骤包括：

(1)原材料混合和搅拌；

(2)混合料成型：

(3)蒸汽养护制成成品：常压蒸汽养护(常压、蒸汽温度80℃)，养护8个小时，混凝土试件(即绿色混凝土预制桩)的强度为28MPa。

加固软弱地基的绿色混凝土预制桩的施工方法，采用粉煤灰、生石灰、高炉矿渣微粉、元明粉、高吸水性树脂按比例混合作为施工时的胶凝材料，所述胶凝材料的配比按重量份计算如下：粉煤灰140份、生石灰40份、高炉矿渣微粉35份、元明粉5份、高吸水性树脂5份、水400份,28天粉煤灰石灰土试件的强度为1MPa，可见，水泥搅拌桩部分材料的强度大大提高。

本发明的施工方法如下：

1)称取粉煤灰、生石灰、高炉矿渣微粉、元明粉、高吸水性树脂和水并在搅拌机中均匀搅拌，制备成流动浆体；

2)启动水泥土搅拌桩机，将流动浆体均匀地与不同深度地基土拌合；在搅拌钻头钻进的过程中，边钻进边由泥浆泵泵送步骤2)中的流动浆体，采用三喷六搅的方式把浆体与土搅拌均匀；

3)吊起绿色混凝土预制桩1，把绿色混凝土预制桩1插入3)步骤中搅拌好的土体内2，完成加固软弱地基的绿色混凝土预制桩的施工。

实施例2

一种加固软弱地基的绿色混凝土预制桩1，采用基体材料，基体材料内布置仿钢纤维4作为抗拉增强材料，经过支模、搅拌、浇筑成型、高温蒸压养护等工艺制成混凝土预制桩，用于加固软弱地基。

所述的用于加固软弱地基的绿色混凝土预制桩，其基体材料的配比按重量份计算，由下述组分的原料制备而成：粉煤灰80份、生石灰15份、高炉矿渣微粉20份、硫铝酸盐水泥3份、元明粉2份、硅微粉1份、减水剂0.3份、激发剂0.1份、混凝土垃圾再生骨料230份，水45份。

本发明所述的混凝土预制桩的横截面是环形。

用于加固软弱地基的绿色混凝土预制桩的制作工艺，其主要工艺步骤为：

(1)原材料混合和搅拌；

(2)混合料成型：

(3)蒸汽养护制成成品：高压蒸汽养护(蒸汽温度高于150℃，压力1MPa)，养护8个小时，混凝土试件的强度为31MPa。

加固软弱地基的绿色混凝土预制桩的施工方法，采用粉煤灰、生石灰、高炉矿渣微粉、元明粉、高吸水性树脂按比例混合作为施工时的胶凝材料，所述胶凝材料的配比按重量份计算，由下述组分的原料制备而成：粉煤灰110份、生石灰30份、高炉矿渣微粉20份、元明粉4份、高吸水性树脂6份、水200份,28天粉煤灰石灰土试件的强度为0.9MPa。

本发明绿色混凝土预制桩的施工方法其他同实施例1。

实施例3

一种加固软弱地基的绿色混凝土预制桩1，采用基体材料，基体材料内布置仿钢纤维4作为抗拉增强材料，经过支模、搅拌、浇筑成型、高温蒸压养护等工艺制成混凝土预制桩，用于加固软弱地基。

所述的用于加固软弱地基的绿色混凝土预制桩，其基体材料的配比按重量份计算，由下述组分的原料制备而成：粉煤灰90份、生石灰20份、高炉矿渣微粉25份、硫铝酸盐水泥2份、元明粉3份、硅微粉3份、减水剂1份、激发剂0.3份、建筑垃圾再生骨料220份，水68份。

本发明所述的混凝土预制桩的横截面是圆形。

用于加固软弱地基的绿色混凝土预制桩的制作工艺，其主要工艺步骤包括：

(1)原材料混合和搅拌；

(2)混合料成型：

(3)蒸汽养护制成成品：高压蒸汽养护(蒸汽温度高于160℃，压力1.2MPa)，养护8个小时，混凝土试件的强度23为MPa。

加固软弱地基的绿色混凝土预制桩的施工方法，采用粉煤灰、生石灰、高炉矿渣微粉、元明粉、高吸水性树脂按比例混合作为施工时的胶凝材料，所述胶凝材料的配比按重量份计算，由下述组分的原料制备而成：粉煤灰130份、生石灰35份、高炉矿渣微粉25份、元明粉4份、高吸水性树脂6份、水300份,28天粉煤灰石灰土试件的强度为1.1MPa。

本发明绿色混凝土预制桩的施工方法其他同实施例1。

实施例4

一种加固软弱地基的绿色混凝土预制桩1，采用基体材料，基体材料内布置仿钢纤维4作为抗拉增强材料，经过支模、搅拌、浇筑成型、高温蒸压养护等工艺制成混凝土预制桩，用于加固软弱地基。

所述的用于加固软弱地基的绿色混凝土预制桩，其基体材料的配比按重量份计算，由下述组分的原料制备而成：粉煤灰90份、生石灰25份、高炉矿渣微粉20份、硫铝酸盐水泥3份、元明粉5份、硅微粉4份、减水剂2份、激发剂0.3份、混凝土再生骨料400份，水55份。

本发明所述的混凝土预制桩的横截面是圆形。

用于加固软弱地基的绿色混凝土预制桩的制作工艺，其主要工艺步骤包括：

(1)原材料混合和搅拌；

(2)混合料成型：

(3)蒸汽养护制成成品：常压蒸汽养护(常压、蒸汽温度120℃)，养护8个小时，混凝土试件的强度为33MPa。

加固软弱地基的绿色混凝土预制桩的施工方法，采用粉煤灰、生石灰、高炉矿渣微粉、元明粉、高吸水性树脂按比例混合作为施工时的胶凝材料，所述胶凝材料的配比按重量份计算，由下述组分的原料制备而成：粉煤灰130份、生石灰35份、高炉矿渣微粉25份、元明粉7份、高吸水性树脂6份、水300份，28天粉煤灰石灰土试件的强度为1.1MPa。

本发明绿色混凝土预制桩的施工方法其他同实施例1。

Claims (8)

1.一种加固软弱地基的绿色混凝土预制桩，其特征在于，所述混凝土预制桩为基体材料内布置抗拉增强材料，所述基体材料由下列重量份原料制成：粉煤灰80-100份、生石灰15-25份、高炉矿渣微粉15-25份、硫铝酸盐水泥2-3份、元明粉2-5份、硅微粉1-5份、减水剂0.3-2份、碱性激发剂0.1-0.5份、建筑垃圾再生骨料或陶粒220-600份，水35-75份。

2.如权利要求1所述的加固软弱地基的绿色混凝土预制桩，其特征在于，所述的减水剂为木质素磺酸钙或造纸废液，造纸废液用生石灰调整PH值大于12；所述的碱性激发剂为氢氧化钠。

3.如权利要求1所述的加固软弱地基的绿色混凝土预制桩，其特征在于，

所述粉煤灰中含30-60wt％的Si0₂、20-35wt％的Al₂O₃、3-19wt％的Fe₂O₃、2-10wt％的CaO；粉煤灰的最大粒径在50μm以下，平均粒径3-10μm；

所述生石灰细度不低于450目，CaO含量不低于75wt％；

所述的高炉矿渣微粉的最大粒径小于100μm，平均粒径8-20μm，矿渣微粉中：CaO含量为35-60wt％、SiO₂含量为10-20wt％、Fe₂O₃含量为3-10wt％；

所述的硅微粉细度不低于1500目，SiO₂含量不低于96wt％；

所述陶粒为粉煤灰烧制而得；

所述再生骨料为建筑垃圾制得，粒径为5-25mm。

4.如权利要求1所述的加固软弱地基的绿色混凝土预制桩，其特征在于，所述的抗拉增强材料为仿钢纤维，长度在40mm-70mm，均匀分布于基体材料内，每1000kg基体材料含有仿钢纤维3kg-5kg。

5.利用权利要求1-4任一所述绿色混凝土预制桩进行加固软弱地基的施工方法，其特征在于：

1)称取粉煤灰、生石灰、高炉矿渣微粉、元明粉、高吸水性树脂和水均匀搅拌，制备成流动浆体；

2)将流动浆体均匀地与不同深度地基土拌合；

3)吊起绿色混凝土预制桩，把绿色混凝土预制桩插入步骤2)中搅拌好的土体内，完成加固软弱地基的绿色混凝土预制桩的施工。

6.如权利要求5所述的利用绿色混凝土预制桩进行加固软弱地基的施工方法，其特征在于，步骤1)中制备流动浆体的原料重量份如下：粉煤灰110-140份、生石灰30-40份、高炉矿渣微粉20-35份、元明粉4-7份、高吸水性树脂5-6份、水200-400份。

7.如权利要求6所述的利用绿色混凝土预制桩进行加固软弱地基的施工方法，其特征在于，所述的高吸水性树脂为汇森牌HS系列高吸水性树脂。

8.如权利要求5所述的利用绿色混凝土预制桩进行加固软弱地基的施工方法，其特征在于，步骤2)中，在搅拌钻头钻进的过程中，边钻进边泵送步骤1)中的流动浆体，采用三喷六搅的方式把浆体与地基土搅拌均匀。