CN107879671B - Frp增强预应力钢筒混凝土压力管道制作工艺用的聚合物砼 - Google Patents
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Abstract
FRP增强预应力钢筒混凝土压力管道制作工艺用的聚合物砼，属于聚合物砼的技术领域，在PCCP管半成品的外表面涂界面处理剂，然后采用兜纱布将聚合物砼缠绕在PCCP管半成品的外壁上，形成聚合物砼层，在聚合物砼层外表面设置外保护层，制作成FRP增强预应力钢筒混凝土压力管道，所述聚合物砼包括质量比为84：16的骨料和辅料，所述骨料按重量百分比计，包括10‑30目石英砂53‑58％，30‑70目石英砂18‑23％，70‑100目石英砂12‑15％，200‑300目石英砂5‑10％，所述辅料按重量百分比计，包括不饱和树脂82‑86％，苯乙烯3‑5％，柔性树脂5‑11％，消泡剂0.1‑0.2％，硅烷偶联剂1‑1.5％，促进剂0.5‑0.8％。本发明成本低、环保、耐腐蚀、耐压抗寒、抗渗、耐盐卤腐蚀、抗冲压、抗气蚀、使用寿命长、综合性能优异。
Description
技术领域
本发明属于聚合物砼的技术领域，涉及FRP增强预应力钢筒混凝土压力管道制作工艺用的聚合物砼。本发明聚合物砼材料通过成分间的搭配和设计，制备的聚合物砼材料成本低、环保、耐腐蚀、耐压抗寒、抗渗、耐盐卤腐蚀、抗冲压、抗气蚀、使用寿命长、综合性能优异。用本发明聚合物砼制作的FRP增强预应力钢筒混凝土压力管道各方面性能优异，具有高密封性、高强度、高抗渗、耐腐蚀等优点。
背景技术
20世纪40年代，欧美竞相开始开发，其中美国是生产和使用预应力钢筒混凝土管最多的国家，迄今为止，美国已使用预应力钢筒混凝土管28000km，最大管径达7600mm，北美的大中城市供水项目约90％以上采用预应力钢筒混凝土管。美国两家最大的预应力钢筒混凝土管制造商普赖斯兄弟公司(Price Brothers Co.)和阿麦隆公司(Ameron Co.)除在本土生产预应力钢筒混凝土管外，还在世界各地建立许多工厂。
我国于上世纪90年代初从美国引进了预应力钢筒混凝土管新型管材生产工艺技术。主要是以普赖斯兄弟公司的直缝焊制筒工艺和以阿麦隆公司的螺旋焊制筒工艺为代表的钢筒制作技术。国内在消化吸收这些先进技术基础上，陆续建成十几家生产预应力钢筒混凝土管管厂，产品已广泛应用于水利、市政和自来水供水主管线工程上。
但是目前PCCP管道存在以下缺点：
1、外保护层采用喷浆立式制作，在喷浆过程，水泥砂浆中的大颗粒，容易将预应力钢丝打断或者破损，带来缺陷，而PCCP主要靠预应力钢丝承载压力，给使用过程来来隐患。
2、在喷浆制作外保护层过程，很容易形成不密实处，对钢筋保护不严，形成空腔或者空鼓，运输安装中磕碰，空鼓损坏。
3、水泥混凝土的吸水率高，防渗性差，管道埋到地下，水进入水泥混凝土内部，长时间造成钢筋腐蚀。
4、承插口为钢制，工作面暴露在外面，容易腐蚀，造成泄露。
发明内容
本发明为解决上述问题，提供了一种FRP增强预应力钢筒混凝土压力管道制作工艺用的聚合物砼。通过本聚合物砼材料成分的搭配和设计，使得聚合物砼的各方面性能得到突破性改善。
本发明为实现其目的采用的技术方案是：
FRP增强预应力钢筒混凝土压力管道制作工艺用的聚合物砼，在带有承插口的钢筒内壁浇筑水泥混凝土制备成管芯或将钢筒埋置在混凝土中间制备成管芯，然后在管芯外壁上缠绕环向预应力钢丝，制成PCCP管半成品，在PCCP管半成品的外表面涂界面处理剂，然后采用兜纱布将聚合物砼缠绕在PCCP管半成品的外壁上，形成聚合物砼层，在聚合物砼层外表面设置外保护层，制作成FRP增强预应力钢筒混凝土压力管道，所述聚合物砼包括质量比为84：16的骨料和辅料，所述骨料按重量百分比计，包括10-30目石英砂53-58％，30-70目石英砂18-23％，70-100目石英砂12-15％，200-300目石英砂5-10％，所述辅料按重量百分比计，包括不饱和树脂82-86％，苯乙烯3-5％，柔性树脂5-11％，消泡剂0.1-0.2％，硅烷偶联剂1-1.5％，促进剂0.5-0.8％。
所述骨料按重量百分比计，包括10-30目石英砂55％，30-70目石英砂20％，70-100目石英砂15％，200-300目石英砂10％，所述辅料按重量百分比计，包括不饱和树脂83.3％，苯乙烯5％，柔性树脂10％，消泡剂0.2％，硅烷偶联剂1％，促进剂0.5％。
所述骨料按重量百分比计，包括10-30目石英砂53％，30-70目石英砂23％，70-100目石英砂15％，200-300目石英砂9％，所述辅料按重量百分比计，包括不饱和树脂82％，苯乙烯4.5％，柔性树脂11％，消泡剂0.2％，硅烷偶联剂1.5％，促进剂0.8％。
所述骨料按重量百分比计，包括10-30目石英砂58％，30-70目石英砂21％，70-100目石英砂13％，200-300目石英砂8％，所述辅料按重量百分比计，包括不饱和树脂84.5％，苯乙烯3.5％，柔性树脂10％，消泡剂0.1％，硅烷偶联剂1.4％，促进剂0.5％。
所述骨料按重量百分比计，包括10-30目石英砂54％，30-70目石英砂22％，70-100目石英砂14％，200-300目石英砂10％，所述辅料按重量百分比计，包括不饱和树脂85.8％，苯乙烯4％，柔性树脂8％，消泡剂0.2％，硅烷偶联剂1.3％，促进剂0.7％。所述不饱和树脂选择不饱和聚酯树脂，如邻苯型不饱和聚酯树脂；所胡柔性树脂选择邻苯型柔性树脂；所胡促进剂选择浓度为1％的钴液。
所述的骨料的各成分参数控制为，含水率≤0.2％、含泥量≤0.5％、含硅量≥95％，耐酸度≥98％，质地坚硬、圆润。泥会包裹大颗粒表面，影响树脂浸透和粘接，导致强度下降，因此需要控制含泥量≤0.5％。本发明骨料成分含硅量的控制是为了提高材料的耐腐蚀性。耐酸度的控制是为了提高使用寿命，降低总体成本。选择质地坚硬、圆润的骨料是为了提高浇筑过程的流动性，不圆，流动不好，气泡多，最终导致树脂含量高。控制含水率≤0.2％是为了提高粘接性，防止固化时水散发造成开裂，同时该含水率的控制可以提高聚合物砼材料的耐久性，解决耐久性差的问题。
所述聚合物砼层的厚度为6-10mm。
本发明的有益效果是：
本发明聚合物砼属于封孔结构，抗渗性好，防止水进入结构内部。避免零下5℃，水进入水泥混凝土内部，反复结冻融化，造成结构破坏。聚合物砼封孔结构，解决特殊情况，水泥混凝土的抗冻融性。
本发明骨料的设计能够改善聚合物混凝土材料的绝缘性能和防腐性能，骨料通过树脂的固化将其固定在多相结构中，再通过与硅烷偶联剂的配合，提高聚合物混凝土材料的韧性，从而使得聚合物混凝土具有良好的抗冲耐磨性能和耐久性。本发明骨料成分、比例及粒径的控制还具有提高聚合物混凝土的密实性、强度的作用。
本发明促进剂的加入可以促进固化反应的进行，且对固化物的性能无影响，同时与柔性树脂的结合，在固化物内部形成多相结构，可进一步提高固化物的韧性和抗冲击能力，起到增塑、增韧的作用。
本发明聚合物混凝土材料可用于多方面，例如可应用于海底，采用兜纱布缠绕的方式不离析、不分散，固化速度快，粘结性强，固化后有优良的抗压、抗剪、抗冲击强度、抗海水腐蚀能力，在模拟海水(3％NaCl溶液)中浸泡40天，无开裂，无脱落，满足海洋管道的要求。可应用于电气绝缘管道，绝缘性好，表面电阻率达2.58×1013。还可用于给排水管道、排污管道、高铁枕木、电解槽、酸洗槽等方面。
采用本发明聚合物砼制作FRP增强预应力钢筒混凝土压力管道具有以下优势：
(1)可设计性强。通过聚合物砼原料的互配和比例的设计，可以满足不同压力等级、刚度等级、抗震等级等力学性能要求，通过合理选材可以满足不同介质、不同温度的使用要求。
(2)力学性能优良。通过聚合物砼原料的互配和比例的设计，用于FRP增强预应力钢筒混凝土压力管道制作工艺制作管材最高压力等级可达到3.0MPa。
(3)耐腐蚀性能优良。
(4)延长管道使用年限长。使用寿命可达到70年。
(5)产品价格低。与同规格预应力钢筒混凝土管、钢管相比，采用本发明聚合物砼制备价格相对偏低。
(6)施工费用低：力学性能好，具有良好的抗沉降能力，相对其他管材，对基础要求不高，降低了施工成本。
具体实施方式
本发明主要的技术是使用聚合物砼砂浆，以缠绕工艺取代水泥喷浆工艺。下面结合具体实施例对本发明进行进一步的说明。
FRP增强预应力钢筒混凝土压力管道制作工艺如下：
在带有承插口的钢筒内壁浇筑水泥混凝土制备成管芯或将钢筒埋置在混凝土中间制备成管芯，然后在管芯外壁上缠绕环向预应力钢丝，制成PCCP管半成品，在PCCP管半成品的外表面涂界面处理剂，然后采用兜纱布将聚合物砼缠绕在PCCP管半成品的外壁上，形成聚合物砼层6-10mm，目的是将预应力钢丝与预应力钢丝的间隙压实填平，在聚合物砼层外表面设置外保护层，外保护层优选在聚合物砼层外表面缠绕一层玻璃纤维，制作成玻璃纤维增强层，然后在玻璃纤维增强层外表面制作表面富树脂层。表面富树脂层为在玻璃纤维增强层外表面滚涂一层聚合物树脂层或用表面毡为载体，浸透树脂剂缠绕在玻璃纤维增强层外表面。本发明聚合物砼制备的聚合物砼层还具有保护预应力钢丝的复合强度、提高层间的密度，防止预应力钢丝腐蚀；还可以提高管道的抗压、抗拉等机械性能，防止裂纹的产生，减轻管道中管芯的负担；采用兜纱布缠绕替代现有的浇筑或喷涂方式，具有分散聚合物砼对环向钢筋网的作用力，防止预应力钢丝发生断点、断裂，降低环向钢筋网的断裂率的作用。
实施例1
聚合物砼包括质量比为84：16的骨料和辅料，所述骨料按重量百分比计，包括10-30目石英砂55％，30-70目石英砂20％，70-100目石英砂15％，200-300目石英砂10％，所述辅料按重量百分比计，包括不饱和树脂83.3％，苯乙烯5％，柔性树脂10％，消泡剂0.2％，硅烷偶联剂1％，促进剂0.5％。选择邻苯型柔性树脂，柔性树脂的加入是为了进一步解决干裂的问题，同时可以进一步提高抗断裂能力。不饱和树脂、柔性树脂、苯乙烯三者联用，使聚合物砼各组分之间形成桥健，从而缓解内应力，减少裂纹的形成，避免潜在危害和慢性迫害，也能够改善固化物的结构，抵抗裂纹扩展，防止界面处理层微裂纹起裂。硅烷偶联剂可将混凝土的细微空洞全部密封，阻止水分进入聚合物砼接触金属内表面，从而防止生锈和腐蚀。
实施例2
聚合物砼包括质量比为84：16的骨料和辅料，骨料按重量百分比计，包括10-30目石英砂53％，30-70目石英砂23％，70-100目石英砂15％，200-300目石英砂9％，所述辅料按重量百分比计，包括不饱和树脂82％，苯乙烯4.5％，柔性树脂11％，消泡剂0.2％，硅烷偶联剂1.5％，促进剂0.8％。
实施例3
聚合物砼包括质量比为84：16的骨料和辅料，骨料按重量百分比计，包括10-30目石英砂58％，30-70目石英砂21％，70-100目石英砂13％，200-300目石英砂8％，所述辅料按重量百分比计，包括不饱和树脂84.5％，苯乙烯3.5％，柔性树脂10％，消泡剂0.1％，硅烷偶联剂1.4％，促进剂0.5％。
实施例4
聚合物砼包括质量比为84：16的骨料和辅料，骨料按重量百分比计，包括10-30目石英砂54％，30-70目石英砂22％，70-100目石英砂14％，200-300目石英砂10％，所述辅料按重量百分比计，包括不饱和树脂85.8％，苯乙烯4％，柔性树脂8％，消泡剂0.2％，硅烷偶联剂1.3％，促进剂0.7％。
实施例5
聚合物砼包括质量比为84：16的骨料和辅料，骨料按重量百分比计，包括10-30目石英砂57％，30-70目石英砂21％，70-100目石英砂13％，200-300目石英砂9％，所述辅料按重量百分比计，包括不饱和树脂86％，苯乙烯3％，柔性树脂9.1％，消泡剂0.1％，硅烷偶联剂1.2％，促进剂0.6％。
所述的骨料的各成分参数控制为，含水率≤0.2％、含泥量≤0.5％、含硅量≥95％，耐酸度≥98％，质地坚硬、圆润。
上述聚合物砼管道材料的制备可按传统工艺进行混合制备，比如直接混合，更优的方式为：
A、第一骨料混合：将上述10-30目石英砂、30-70目石英砂加入到第一混合机中进行混合，备用；
B、第二骨料混合：将70-100目的石英砂、200-300目的石英砂加入到第二混合机中进行混合，备用；
C、骨料混合：将上述混合好的第一骨料和第二骨料加入到第三混合机进行混合，得到混合骨料，备用；
D、树脂的处理：先将不饱和树脂与苯乙烯进行混合，然后向经过苯乙烯处理的不饱和树脂中加入邻苯柔性树脂，搅拌混合3-5min，充分搅拌至颜色均匀，柔性树脂的加入是为了进一步解决干裂的问题；然后加入偶联剂充分搅拌至颜色均匀，然后加入消泡剂，充分搅拌均匀；最后加入促进剂，搅拌混合3-5min，充分搅拌至颜色均匀；
E、聚合物砼材料的制备：将混合好的树脂加入到计量罐中，向然后将计量罐中的树脂与步骤C计量好的混合骨料在配料仓中进行凝胶，得到聚合物砼。
本发明的制备方法，通过该种混合方式可以增强各骨料成分间的混合均匀度，可进一步提高密实性，以便进一步提高附着力，防止大小颗粒分层。本发明采用苯乙烯用于对树脂进行处理，先后加入邻苯柔性树脂、偶联剂、消泡剂、促进剂混合后，目的是促进凝胶反应和一些化学反应，形成桥键，从而缓解内应力，减少微裂纹的形成，避免潜在危害和慢性迫害，也能改善固化物的结构，抵抗裂纹扩展、防止微裂纹起裂。促进剂最后加入是为了控制反应进程，加入的早凝胶反应剧烈，温度高不易控制，加入的完，凝胶反应不彻底，影响使用性能。
本发明聚合物砼管道材料性能如下表1：
表1
Claims (6)
1.FRP增强预应力钢筒混凝土压力管道制作工艺用的聚合物砼，在带有承插口的钢筒内壁浇筑水泥混凝土制备成管芯或将钢筒埋置在混凝土中间制备成管芯，然后在管芯外壁上缠绕环向预应力钢丝，制成PCCP管半成品，在PCCP管半成品的外表面涂界面处理剂，然后采用兜纱布将聚合物砼缠绕在PCCP管半成品的外壁上，形成聚合物砼层，在聚合物砼层外表面设置外保护层，制作成FRP增强预应力钢筒混凝土压力管道，其特征在于，所述聚合物砼包括质量比为84：16的骨料和辅料，所述骨料按重量百分比计，包括10-30目石英砂53-58％，30-70目石英砂18-23％，70-100目石英砂12-15％，200-300目石英砂5-10％，所述辅料按重量百分比计，包括不饱和树脂82-86％，苯乙烯3-5％，柔性树脂5-11％，消泡剂0.1-0.2％，硅烷偶联剂1-1.5％，促进剂0.5-0.8％；所述不饱和树脂选择不饱和聚酯树脂；
所述柔性树脂选择邻苯型柔性树脂；所述促进剂选择浓度为1％的钴液；
上述聚合物砼的制备方法包括如下步骤：
A、第一骨料混合：将上述10-30目石英砂、30-70目石英砂加入到第一混合机中进行混合，备用；
B、第二骨料混合：将70-100目的石英砂、200-300目的石英砂加入到第二混合机中进行混合，备用；
C、骨料混合：将上述混合好的第一骨料和第二骨料加入到第三混合机进行混合，得到混合骨料，备用；
D、树脂的处理：先将不饱和树脂与苯乙烯进行混合，然后向经过苯乙烯处理的不饱和树脂中加入邻苯柔性树脂，搅拌混合3-5min，充分搅拌至颜色均匀；然后加入偶联剂充分搅拌至颜色均匀，然后加入消泡剂，充分搅拌均匀；最后加入促进剂，搅拌混合3-5min，充分搅拌至颜色均匀；
E、聚合物砼材料的制备：将混合好的树脂加入到计量罐中，向然后将计量罐中的树脂与步骤C计量好的混合骨料在配料仓中进行凝胶，得到聚合物砼。
2.根据权利要求1所述的FRP增强预应力钢筒混凝土压力管道制作工艺用的聚合物砼，其特征在于，所述骨料按重量百分比计，包括10-30目石英砂55％，30-70目石英砂20％，70-100目石英砂15％，200-300目石英砂10％，所述辅料按重量百分比计，包括不饱和树脂83.3％，苯乙烯5％，柔性树脂10％，消泡剂0.2％，硅烷偶联剂1％，促进剂0.5％。
3.根据权利要求1所述的FRP增强预应力钢筒混凝土压力管道制作工艺用的聚合物砼，其特征在于，所述骨料按重量百分比计，包括10-30目石英砂53％，30-70目石英砂23％，70-100目石英砂15％，200-300目石英砂9％，所述辅料按重量百分比计，包括不饱和树脂82％，苯乙烯4.5％，柔性树脂11％，消泡剂0.2％，硅烷偶联剂1.5％，促进剂0.8％。
4.根据权利要求1所述的FRP增强预应力钢筒混凝土压力管道制作工艺用的聚合物砼，其特征在于，所述骨料按重量百分比计，包括10-30目石英砂58％，30-70目石英砂21％，70-100目石英砂13％，200-300目石英砂8％，所述辅料按重量百分比计，包括不饱和树脂84.5％，苯乙烯3.5％，柔性树脂10％，消泡剂0.1％，硅烷偶联剂1.4％，促进剂0.5％。
5.根据权利要求1所述的FRP增强预应力钢筒混凝土压力管道制作工艺用的聚合物砼，其特征在于，所述骨料按重量百分比计，包括10-30目石英砂54％，30-70目石英砂22％，70-100目石英砂14％，200-300目石英砂10％，所述辅料按重量百分比计，包括不饱和树脂85.8％，苯乙烯4％，柔性树脂8％，消泡剂0.2％，硅烷偶联剂1.3％，促进剂0.7％。
6.根据权利要求1所述的FRP增强预应力钢筒混凝土压力管道制作工艺用的聚合物砼，其特征在于，所述的骨料的各成分参数控制为，含水率≤0.2％、含泥量≤0.5％、含硅量≥95％，耐酸度≥98％，质地坚硬、圆润。
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