CN107352919A - 预应力高强混凝土管桩 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种预应力高强混凝土管桩，属于建筑材料领域，包括混凝土和钢筋，所述混凝土包括下述重量比的组分组成：硅酸盐水泥10%‑15%、骨料45%‑65%、掺合料10%‑15%、外加剂1‑2%，余量为水；其中，所述骨料为河沙和鹅卵石；所述掺合料为粉煤灰、矿渣微粉、石膏粉和硅砂粉的混合物；所述外加剂为微晶白云母粉与聚羧酸盐的混合物；所得成品管桩的抗压强度达到95MPa以上，抗压强度均一性得到显著提升，抗压强度的标准偏差可以降低到2MPa以下，相应的，抗冻性能、抗弯性能和抗裂性能也得到显著提升。

Description

预应力高强混凝土管桩
技术领域
本发明涉及建筑材料领域，尤其涉及一种预应力高强混凝土管桩。
背景技术
预应力高强混凝土管桩，即PHC桩，又称为先张法预应力管桩，是采用先张法预应力工艺和离心成型法制成的一种空心筒体细长混凝土预制构件，GB13476-2009规定PHC的混凝土强度等级不低于C80，即抗压强度应该大于80MPa，而在实际应用中，如果要适应复杂地形就必须在C90以上。
由于是离心工艺成型，混凝土骨料分布不均匀，粗骨料较多地集中分布在管壁的外侧，内侧粗骨料较少，从而造成如下缺点：一是管桩的强度均一性较差，采用目前的混凝土试块实验，在管桩的径向和轴向取样，样品数量20以上时，强度的标准偏差一般大于10Mpa；二是由于成型的管桩材料不均匀，混凝土密实性不均匀，从而造成管桩的耐久性较差，其抗氯离子渗透性较差。
目前，为了解决这些问题，一般采用加入外加剂的方法来解决，加入的外加剂一般是萘系减水剂，或者是聚羧酸盐类减水剂；比如公开号CN 101962280A的中国专利申请，加入了聚羧酸高效减水剂，其强度达到95Mpa以上，抗冻性达到F700以上，但是其强度的标准偏差达10.26MPa；又比如公开号为CN 103641397 A的中国专利申请，加入了木质素磺酸盐和聚羧酸盐，最后管桩的抗冻等级为F400，其强度的标准偏差更是达15.03MPa。
另外，目前的研究表明，高压蒸汽养护也会降低管桩的耐久性，所以目前有关于免蒸压预应力混凝土管桩的研究，比如公开号为CN105130308A，其采用常压蒸汽养护，脱膜时强度可达80MPa，自然养护1-3天后达到85MPa，但是，这种管桩的强度的标准偏差也达到10Mpa以上，其耐久性也较差，其抗冻性仅有F500左右，这对于北方寒冷地区和东南沿海地区，其使用耐久性就较差。
也就是说，目前的预应力高强混凝土管桩，由于现有的强度测试方法的原因，普遍存在抗压强度标准偏差较大，抗弯性能和抗裂性能也存在类似的问题，从而导致强度和韧性从较弱处被“攻陷”，使得耐久性较差。
本领域急需一种强度高，并且强度均一性良好，具有优异耐久性能的预应力混凝土管桩。
发明内容
本发明的目的就在于提供一种预应力高强混凝土管桩，以解决上述问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：
一种预应力高强混凝土管桩，包括混凝土和钢筋，所述混凝土包括下述重量比的组分组成：
硅酸盐水泥 10%-15%
骨料 45%-65%
掺合料 10%-15%
外加剂 1-2%
余量为水；
其中，所述骨料为河沙和鹅卵石；所述掺合料为粉煤灰、矿渣微粉、石膏粉和硅砂粉的混合物；所述外加剂为微晶白云母粉与聚羧酸盐的混合物。
本发明的预应力高强混凝土管桩的制备方法为，包括以下步骤：
（1）根据所述的质量比称量各组分，先将外加剂与掺合料加入水搅拌均匀，至少30min后，再加入硅酸盐水泥和骨料，搅拌均匀，得到物料；
（2）将步骤（1）所得的物料喂入模，然后张拉；
（3）离心成型：离心工序为三个阶段: 管模速度分别为低速60-80 转/ 分，2-3 分钟；中速200-260 转/ 分，2.0-3.5 分钟；高速400-430 转/ 分钟，5-6 分钟，得到半成品；
（4）常压蒸养：将步骤（3）所得半成品由室温快速升至95-100 ℃ 升温时间为0.5-1.5h，保持95-100℃ 5-6h，然后自然冷却 ；
（5）养护：脱模，自然养护3-5 天，即得。
本申请的发明人，通过大量实验，采用了特殊的配方，尤其是特殊的外加剂，该外加剂与其他组分，尤其是掺合料一起，相互作用，并辅以特殊的制备工艺，可以使物料在离心过程中，尽可能保持均匀，使得各种粒径的物料尽可能少受离心力的作用，从而解决了现有的预应力混凝土管桩“粗骨料较多地集中分布在管壁的外侧，内侧粗骨料较少”的问题；混凝土密实度大幅增加，使用过程中发生碱-骨料反应的几率几乎为零，开裂压力提高，开裂温度降低；从而使得成品管桩的强度增加，强度均一性得到显著提升，抗压强度的标准偏差可以降低到2MPa以下，相应的，抗冻性能、抗弯性能和抗裂性能也得到显著提升。
另外，采用本发明的组分和制备方法，可以采用常压蒸汽养护，从而避免高压养护给强度、抗裂等带来的问题，进一步增加其耐久性。
本发明所述的微晶白云母，是一种新型的非金属矿物资源,主要矿物成分是伟2M1型白云母，次要成分是少量的石英，微量的绿泥石和痕量钾长石，由四川鑫炬矿业于1997年在国内首次发现。其显著特征是：成因类型新，矿物结晶粒度细，矿石白云母含量高，质量好，矿床规模大。目前的微晶白云母矿已经进行规模化采矿和粉体加工，微晶白云母粉产品已在绝缘（绝缘灌注胶）、油漆（重防腐涂料）、塑料、橡胶（PVC材料）、陶瓷等领域广泛应用，用以替代传统的绢云母矿物材料。但是，在混凝土中未见应用的报道；
本发明的聚羧酸盐，优选采用改性聚羧酸盐XT-2000，其为丙烯酸-丙烯酸酯-磺酸盐共聚物，是一种高效能阻垢分散剂，常用于水处理中，市场上可以直接购买得到。
作为优选的技术方案：所述骨料中河沙和鹅卵石的质量比为1：（1-2）。
作为进一步优选的技术方案：所述鹅卵石中，粒径为0.2-1.0cm、1.0-1.5cm与1.5-2.5cm的质量比例分别为1:（1-2）:（2-3）。
适合的河沙与鹅卵石的比例，配以适合的不同大小的鹅卵石配比，可以辅助离心时物料尽量均匀，减少离心力对于不同粒径的分布影响。
作为优选的技术方案：所述掺合料中粉煤灰、矿渣微粉、石膏粉和硅砂粉的质量比为（1-2）：（1-2）：（0.5-1.0）：（1.5-2.0）。
作为优选的技术方案：所述外加剂中微晶白云母粉与聚羧酸盐的质量比为（2-3）：（0.5-1.0）。
作为优选的技术方案：所述外加剂中微晶白云母粉的粒径为3000-5000目。合适粒径的微晶白云母粉，更有利于发挥与其他成分的共同作用，提高物料的均一性以及成品的强度、抗冻抗裂性能。
作为优选的技术方案：所述外加剂中还含有牡蛎壳粉。可以进一步提高效果。
作为进一步优选的技术方案：所述牡蛎壳粉的粒径为500目-1000目。
作为进一步优选的技术方案：所述外加剂中，微晶白云母粉、聚羧酸盐与牡蛎壳粉的质量比为（1-1.5）：（0.5-1.0）：（1-1.5）。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明由于加入了特殊的外加剂，并采用了特殊的制备工艺，可以使物料在离心过程中，尽可能保持均匀，使得各种粒径的物料尽可能少受离心力的作用，所得成品管桩的抗压强度达到95MPa以上，抗压强度均一性得到显著提升，抗压强度的标准偏差可以降低到2MPa以下，相应的，抗冻性能、抗弯性能和抗裂性能也得到显著提升，抗冻性达到F795以上；最终使得预应力高强度混凝土管桩在北方寒冷地区以及东南沿海环境预期使用寿命达50年以上。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：
一种预应力高强混凝土管桩，包括混凝土和钢筋，所述混凝土包括下述重量比的组分组成：
硅酸盐水泥 120kg
骨料 550kg
掺合料 100kg
外加剂 12kg
适量水；
其中，所述骨料为河沙和鹅卵石，所述骨料中河沙和鹅卵石的质量比为1：1.5，所述鹅卵石中，粒径为0.2-1.0cm、1.0-1.5cm与1.5-2.5cm的质量比例分别为1:,1.5:2.5；
所述掺合料为粉煤灰、矿渣微粉、石膏粉和硅砂粉的混合物，所述掺合料中粉煤灰、矿渣微粉、石膏粉和硅砂粉的质量比为1：1：0.5：1.5；
所述外加剂为微晶白云母粉与聚羧酸盐的混合物，所述外加剂中微晶白云母粉与聚羧酸盐的质量比为2：0.5，微晶白云母粉的粒径为5000目；
其制备方法为，包括以下步骤：
（1）根据所述的质量比称量各组分，先将外加剂与掺合料加入水搅拌均匀，60min后，再加入硅酸盐水泥和骨料，搅拌均匀，得到物料；
（2）将步骤（1）所得的物料喂入模，然后张拉；
（3）离心成型：离心工序为三个阶段: 管模速度分别为低速65 转/ 分，2 分钟；中速210 转/ 分，3.5 分钟；高速430 转/ 分钟，5-分钟，得到半成品；
（4）常压蒸养：将步骤（3）所得半成品由室温快速升至95-100 ℃ 升温时间为0.5h，保持95-100℃ 6h，然后自然冷却 ；
（5）养护：脱模，自然养护5 天，即得，得到“管桩A”，内径为600mm，长度为10m。
实施例2：
一种预应力高强混凝土管桩，包括混凝土和钢筋，所述混凝土包括下述重量比的组分组成：
硅酸盐水泥 120kg
骨料 550kg
掺合料 100kg
外加剂 12kg
适量水；
其中，所述骨料为河沙和鹅卵石，所述骨料中河沙和鹅卵石的质量比为1：1.5，所述鹅卵石中，粒径为0.2-1.0cm、1.0-1.5cm与1.5-2.5cm的质量比例分别为1:,1.5:2.5；
所述掺合料为粉煤灰、矿渣微粉、石膏粉和硅砂粉的混合物，所述掺合料中粉煤灰、矿渣微粉、石膏粉和硅砂粉的质量比为1：1：0.5：1.5；
所述外加剂为微晶白云母粉、聚羧酸盐与牡蛎壳粉的混合物，所述外加剂中微晶白云母粉、聚羧酸盐、牡蛎壳粉的质量比为2：0.5：1，微晶白云母粉的粒径为5000目，所述牡蛎壳粉的粒径为800目；
其制备方法为，包括以下步骤：
（1）根据所述的质量比称量各组分，先将外加剂与掺合料加入水搅拌均匀，60min后，再加入硅酸盐水泥和骨料，搅拌均匀，得到物料；
（2）将步骤（1）所得的物料喂入模，然后张拉；
（3）离心成型：离心工序为三个阶段: 管模速度分别为低速65 转/ 分，2 分钟；中速210 转/ 分，3.5 分钟；高速430 转/ 分钟，5-分钟，得到半成品；
（4）常压蒸养：将步骤（3）所得半成品由室温快速升至95-100 ℃ 升温时间为0.5h，保持95-100℃ 6h，然后自然冷却 ；
（5）养护：脱模，自然养护5 天，即得，得到“管桩B”，内径为600mm，长度为10m。
对比例1：
本实施例中，不加入实施例1中的微晶白云母粉，其余与实施例1相同，得到“对比管桩A”，内径为600mm，长度为10m。
对比例2
采用公开号为CN 105130308 A的中国专利申请的说明书实施例2记载的方法，制备对比管桩，得到“对比管桩2”，内径为600mm，长度为10m。
性能测试：
1.抗压强度测试：
按照GB/T 50081-2016的方法进行脱膜后和养护5天后的抗压强度测试，采用目前的混凝土试块实验，结果，管桩A、管桩B、对比管桩1和对比管桩2脱膜后的强度分别为85 MPa、89MPa、78 MPa和80 MPa；管桩A、管桩B、对比管桩1和对比管桩2养护5天后的强度分别为95MPa、97 MPa、82 MPa和86 MPa。
2.抗压强度均一性测试
采用目前的混凝土试块实验，在每个管桩的径向和轴向取样，样品数量30个样品，管桩A、管桩B、对比管桩1和对比管桩2抗压强度的标准偏差分别为1.96Mpa、1.52 Mpa、10.21Mpa和11.32MPa，可见强度均一性方面，本发明取得了不到的技术效果。
3.抗冻性试验
根据GB 50164-2011的相关要求，测试管桩的抗冻性能，结果，管桩A、管桩B、对比管桩1和对比管桩2抗冻等级分别为F795、F812、F635和F366；
采用龄期28d的试块在吸水饱和后，承受反复冻融循环，以抗压强度下降不超过25%，而且质量损失不超过 5%时所能承受的最大冻融循环次数来确定的抗冻等级，管桩A、管桩B、对比管桩1和对比管桩2抗冻等级分别为D390、D430、D290和D250。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种预应力高强混凝土管桩，包括混凝土和钢筋，其特征在于，所述混凝土包括下述重量比的组分组成：
硅酸盐水泥 10%-15%
骨料 45%-65%
掺合料 10%-15%
外加剂 1-2%
余量为水；
其中，所述骨料为河沙和鹅卵石；所述掺合料为粉煤灰、矿渣微粉、石膏粉和硅砂粉的混合物；所述外加剂为微晶白云母粉与聚羧酸盐的混合物。
2.根据权利要求1所述的预应力高强混凝土管桩，其特征在于：所述骨料中河沙和鹅卵石的质量比为1：（1-2）。
3.根据权利要求2所述的预应力高强混凝土管桩，其特征在于：所述鹅卵石中，粒径为0.2-1.0cm、1.0-1.5cm与1.5-2.5cm的质量比例分别为1:（1-2）:（2-3）。
4.根据权利要求1所述的预应力高强混凝土管桩，其特征在于：所述掺合料中粉煤灰、矿渣微粉、石膏粉和硅砂粉的质量比为（1-2）：（1-2）：（0.5-1.0）：（1.5-2.0）。
5.根据权利要求1所述的预应力高强混凝土管桩，其特征在于：所述外加剂中微晶白云母粉与聚羧酸盐的质量比为（2-3）：（0.5-1.0）。
6.根据权利要求1所述的预应力高强混凝土管桩，其特征在于：所述外加剂中微晶白云母粉的粒径为3000-5000目。
7.根据权利要求1所述的预应力高强混凝土管桩，其特征在于：所述外加剂中还含有牡蛎壳粉。
8.根据权利要求7所述的预应力高强混凝土管桩，其特征在于：所述牡蛎壳粉的粒径为500目-1000目。
9.根据权利要求7所述的预应力高强混凝土管桩，其特征在于：所述外加剂中，微晶白云母粉、聚羧酸盐与牡蛎壳粉的质量比为（1-1.5）：（0.5-1.0）：（1-1.5）。
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