CN108409243B - 用于地下硫酸盐侵蚀环境的约束管灌注桩及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于地下硫酸盐侵蚀环境的约束管灌注桩及其制备方法，属于土木工程材料制造领域。该约束管采用纤维增强地聚合物基复合材料、按照离心工艺预制成型，现场施工时人工成孔，放入抗侵蚀约束管，然后按设计要求向管内安置钢筋笼并灌注混凝土，经养护硬化后制得。本发明利用抗硫酸盐侵蚀的约束管将内部灌注的混凝土与外界侵蚀环境隔绝开，保证了内部钢筋混凝土结构的完整性及各项力学性能参数，从而满足在地下硫酸盐侵蚀性环境条件下对桩体结构耐久性能的要求。本发明桩体成型品质高，结构组合合理，材料力学性能能够得到充分发挥，桩体承载能力高。

Description

用于地下硫酸盐侵蚀环境的约束管灌注桩及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种约束管灌注桩，具体说是一种用于地下硫酸盐侵蚀环境的约束管灌注桩及其制备方法，属于桩基技术领域。

背景技术

桩基作为一种重要的基础形式，由于其能够贯穿整个软弱地基土层传力于地质优良的土层，克服了不良土层带来的消极影响，能够为上部结构提供较高的承载能力，因此被广泛应用于现代各种建筑物、构筑物地基中。

中国地域辽阔，自然环境复杂多样，桩基础所处服役环境复杂多样，海洋和近海氯离子侵蚀环境与内陆盐湖和盐碱地硫酸盐腐蚀环境非常普遍。不同侵蚀环境中混凝土结构遭受侵蚀损害的程度与机理不尽相同，在海洋和近海氯盐侵蚀环境中混凝土结构劣化主要以钢筋锈蚀导致的锈胀开裂破坏为主，但在盐湖和盐碱地硫酸盐侵蚀环境中，混凝土结构的耐久性劣化主要以硫酸盐结晶胀裂破坏为主。这些环境条件下侵蚀性离子的腐蚀作用将会对桩体产生不可忽视的损坏，严重影响桩体的品质，危及桩体的承载能力及各项性能，并随着时间的延长，其破坏现象不断加重，带来严重的安全隐患，严重威胁上部结构的安全。

由于现有灌注桩施工工艺限制，其成型质量与到周围环境因素关系密切，尤其当其处于硫酸盐侵蚀环境中时，桩体在浇筑、养护及成桩使用过程中不可避免地会有硫酸根离子侵入，危害桩体安全，存在严重的安全隐患。因此对于一些地质条件较为苛刻的硫酸盐侵蚀性地下区域，必须采用相关措施以抑制桩体的硫酸盐侵蚀破坏现象。

地聚合物材料是近年来新发展起来的一类新型无机非金属材料，是碱激活胶凝材料中最具前途的一类。这类材料多以天然铝硅酸盐矿物或工业固体废物为主要原料，与其他矿物掺合料和碱硅酸盐溶液充分混合后，在常温或蒸养条件下养护成型硬化，是一类由铝硅酸盐胶凝成分粘结的胶凝材料。与传统的硅酸盐水泥相比，地质聚合物材料具有高强（抗压强度可达60-150MPa）、耐酸碱盐腐蚀（在硫酸盐溶液中长期浸泡，性能稳定，不腐蚀）、微观结构致密渗透率极低（其渗透系数不到波特兰水泥的百分之一）等优点；是一种环保型绿色建筑材料。

发明内容

发明人研究发现，如果在灌注桩表面加上地聚合物保护层外壁，则可以大幅提高灌注桩的抗硫酸盐侵蚀能力，从而将灌注桩应用到硫酸盐侵蚀环境中。因此本发明结合市场常用的抗硫酸盐侵蚀特点并引入地聚合物材料对现有灌注桩工艺进行了较大程度的改进，提出了本发明。

本发明所要解决的问题在于，客服现有技术存在的缺陷，提供一种用于地下硫酸盐侵蚀环境的约束管灌注桩，可以应对在地下硫酸盐侵蚀环境条件下对灌注桩耐久性能的要求。同时提供了该约束管灌注桩的制备方法。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：通过抗硫酸盐侵蚀约束管将内部灌注混凝土与外界侵蚀环境隔绝开，避免地下环境中的不良因素尤其是硫酸根离子对内部结构产生影响，保证了内部钢筋混凝土结构的完整性及各项力学性能参数，从而满足在地下硫酸盐侵蚀环境中对桩体结构承载能力及耐久性能的要求。

本发明用于地下硫酸盐侵蚀环境的约束管灌注桩，包括约束管，约束管内套装钢筋笼并灌注钢筋混凝土。其特征是：

所述约束管为纤维增强地聚合物基复合材料约束管，所述纤维增强地聚合物基复合材料由地聚合物和有机纤维组成，有机纤维占粉体材料的质量百分比3-8%。

所述纤维增强地聚合物基复合材料的组成及其质量百分比为：

粒化高炉矿渣微粉50-70％；

火山灰质材料 10-30％；

硅酸盐水泥5-15％；

钠水玻璃激发剂（以Na₂O计量）4-8％。

本发明约束管灌注桩，其外部约束管作为主要围护结构，将内部结构与外界侵蚀性环境隔离开，同时给与内部钢筋混凝土结构侧向约束作用。内部现浇钢筋混凝土结构作为主要受力结构，承受上部结构传递的大部分荷载，同时抑制抗侵蚀性约束管局部屈曲破坏现象的发生。二者相互协调共同作用。

所述用于地下硫酸盐侵蚀环境的约束管灌注桩，其抗侵蚀性能大小与抗侵蚀约束管性能密切相关，具体表征为约束管抗硫酸盐侵蚀性能（材料）越大，壁厚越大，桩体抗硫酸盐侵蚀能力越强。实际工程中可根据具体地下环境硫酸盐侵蚀程度的大小进行抗侵蚀约束管壁厚的调整设计。

所述用于地下硫酸盐侵蚀性环境的约束管灌注桩的制备方法，其步骤如下：

步骤1.按照所述原料配比配置纤维增强地聚合物基复合材料浆体。用水量以浆体的液固比=0.3-0.5（质量比）为宜。

步骤2.将上述复合材料浆体按照现有管桩离心成型工艺进行组模、布料、离心及养护，制作纤维增强地聚合物基复合材料约束管。

（3）在施工现场将纤维增强地聚合物基复合材料约束管固定就位后，按照现有灌注桩施工工艺向其内部安置钢筋笼及灌注满足设计要求的混凝土，经养护硬化后，即得本发明用于地下硫酸盐侵蚀环境的约束管灌注桩。

所述粒化高炉矿渣微粉为符合GB/T 18046-2008标准规定的S95级粒化高炉矿渣微粉，为高炉粒化矿渣经磁选除铁处理并粉磨使其达到比表面积≥400 m²/kg制得，其中粒径小于30μm的超细粒化高炉矿渣微粉占总质量的90%以上。

所述火山灰质材料为火山灰活性较高的硅灰、偏高岭土或优质粉煤灰。

所述的硅酸盐水泥为强度等级不低于52.5的硅酸盐系列水泥。

所述水玻璃激发剂，通过向高模数的水玻璃中加入适量的氢氧化钠调解，使其模数在1.0-2.0之间，波美度在37°-41°之间的钠水玻璃。

所述的有机纤维为聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维、超高分子量聚乙烯纤维、聚乙烯醇纤维、聚酯纤维、聚甲醛纤维等有机纤维。

本发明用于地下硫酸盐侵蚀环境的约束管灌注桩具有一下有益效果：

1、抗硫酸盐侵蚀性能好，能够满足不同侵蚀程度下的地下环境

本发明产品由于抗侵蚀约束管的隔离保护作用，使得内部结构免受外部侵蚀性因素的干扰，成型品质高，承载能力稳定，满足各类硫酸盐侵蚀环境下对桩体耐久性能的要求。可根据地下环境硫酸盐侵蚀程度的不同，通过合理地设计抗侵蚀约束的壁厚来满足不同侵蚀环境下桩体对耐久性的要求。

2、结构组合形式合理

外部抗侵蚀约束管作为主要围护结构，将内部结构与外界侵蚀性环境隔离开，同时给与内部钢筋混凝土结构侧向约束作用；内部现浇钢筋混凝土结构作为主要受力结构，承受上部结构传递的大部分荷载，同时抑制抗侵蚀性约束管局部屈曲破坏现象的发生。二者相互协调共同作用。

3、承载能力高，具有比现有桩体更高的抗压承载能力

作为围护结构的约束管对内部钢筋混凝土起到侧向约束作用，使得内部钢筋混凝土结构承压时处于三向受压状态，其材料力学性能能够充分发挥，承压能力得到成倍提升。经初步测试本发明桩体竖向承载能力明显高于同等现浇或预制钢筋混凝土桩的竖向承载能力。

4、成本低廉，质优价廉

本发明主要从结构组合角度通过不同结构分工协作来改善桩体抗侵蚀性能，组合结构桩体较现有处理方式桩体成本更为低廉，经济效果更好。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1：

用于地下硫酸盐侵蚀环境的约束管灌注桩及生产流程、实施效果性能测试

1.用于地下硫酸盐侵蚀环境的约束管灌注桩的生产流程

1）纤维增强地聚合物基复合材料约束管约束管的制备

按照粒化高炉矿渣微粉70％；火山灰质材料 10％；硅酸盐水泥10％；钠水玻璃激发剂6％（以Na₂O计）。纤维掺量占粉体材料的质量百分比4%，用水量以浆体液固比=0.3（质量比），配置复合材料浆体。火山灰质材料采用硅灰、偏高岭土或优质粉煤灰。硅酸盐水泥为强度等级不低于52.5的硅酸盐系列水泥。水玻璃激发剂为模数在1.0-2.0之间，波美度在37°-41°之间的钠水玻璃。有机纤维采用聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维、超高分子量聚乙烯纤维、聚乙烯醇纤维、聚酯纤维或聚甲醛纤维。各个组分材料的选择没有实质性差异。

按照外径、壁厚及管长为φ500*22*500设计参数依照现有管桩离心成型工艺及养护条件，制作抗侵蚀约束管。

2）灌注混凝土及钢筋笼的制备

按照如下配比配置灌注混凝土：P.O 52.5硅酸盐水泥（掺量488kg/m³）；细骨料砂子（掺量767kg/m³）；粗骨料为5～20mm的级配碎石（掺量1051kg/m³）；水（掺量185kg/m³）；聚羧酸高效减水剂（掺量10kg/m³）。采用强制式混凝土搅拌机搅拌制备混凝土拌和物，搅拌后预留三个150*150*150mm的立方体试块，试块与试件养护条件相同，于试件试验当日试压。试验时混凝土龄期均超过40天。如下表1.1所示

表1.1混凝土材料性能表

钢筋笼的制备按照现有灌注桩钢筋笼设计规范制作满足要求适合抗侵蚀约束管尺寸的钢筋笼。

3）用于地下侵蚀环境的约束管灌注桩的制备

a、在施工现场将纤维增强地聚合物基复合材料约束管固定就位后，按照现有灌注桩施工工艺向其内部安置钢筋笼及灌注满足设计要求的混凝土，经养护硬化后，即得本发明用于地下硫酸盐侵蚀环境的约束管灌注桩。

b、试验桩的制备

纤维增强地聚合物基复合材料约束管的底端用加固胶粘接10mm厚的钢板堵孔。将抗侵蚀约束管竖直，安置好钢筋笼后将混凝土自上口灌入，同时用插入式振捣器振捣密实，注意不要触碰钢筋笼，待灌满后将管口混凝土抹平，自然养护28天。养护结束后用高强水泥砂浆将上端的混凝土表面与抗侵蚀约束管抹平，然后再用加固胶粘接10mm厚的钢板作为盖板用以模拟实际工程中的桩顶构造。

2.用于地下侵蚀环境的约束管灌注桩抗渗透性及承载力性能测试

（1）承载能力测试

将制得的一组桩体进行轴压试验，该实验在中国矿业大学工程结构试验中心万能压力试验机上进行，上、下柱端采用刀口绞加载。试验前，用打磨机将其顶端打磨平整。试验时对其全程进行了观测。受荷初期，结构的变形和应变都较小，且与荷载成线性变化关系，未有肉眼可见变形。随着荷载不断加大，试件上部一侧板面出现突鼓，逐渐拓展到其他侧面，突鼓逐渐加大，最后钢管圆弧与矩形交界处焊缝上部开裂，停止加载。测得加载的最大值Nmax，经测试测得其抗压承载力为81.25MPa 。满足当前桩体承载力设计要求。

（2）抗硫酸盐侵蚀性能测试

将制得的一组桩体上下钢板与约束管体粘接缝隙及钢板表面处用石蜡进行密封处理，然后将其分别浸入含有质量分数5%的硫酸钠及质量分数5%的硫酸镁的溶液中自然条件下浸泡。360天后取出试件烘干进行轴压测试，经测其强度损失低于5%。满足地下混凝土结构施工要求的耐久性能。

由本实例的用于地下硫酸盐侵蚀环境的约束管灌注桩可判定其抗硫酸盐侵蚀性能及承载能力满足当前行业及市场需要。本产品承载能力高且抗硫酸盐侵蚀性能好，经久耐用，经济价值高。

实施例2.与实施例1基本相同，所不同的是：

纤维增强地聚合物基复合材料的组成及其质量百分比为：

粒化高炉矿渣微粉50％；

火山灰质材料 30％；

硅酸盐水泥15％；

钠水玻璃激发剂（以Na₂O计量）5％。

约束管的纤维掺量占粉体材料的质量百分比8%，用水量以浆体液固质量比=0.5（质量比）。

实施例3.与实施例1基本相同，所不同的是：

纤维增强地聚合物基复合材料的组成及其质量百分比为：

粒化高炉矿渣微粉60％；

火山灰质材料 22％；

硅酸盐水泥10％；

钠水玻璃激发剂（以Na₂O计量）8％。

约束管的纤维掺量占粉体材料的质量百分比6%，用水量以浆体液固质量比=0.4（质量比）。

以上所述仅为本发明的具体实施方式，本发明的保护范围并不局限于此，上述说明书和实施例中描述的只是本发明的原理及按照本发明原理设计的一个具体事例，在任何不脱离本发明精神和范围前提下的变化和修改，都应属于本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种用于地下硫酸盐侵蚀环境的约束管灌注桩，包括约束管，约束管内套装钢筋笼并灌注钢筋混凝土；其特征是：

所述约束管为纤维增强地聚合物基复合材料约束管，所述纤维增强地聚合物基复合材料由地聚合物和有机纤维组成，有机纤维占粉体材料的质量百分比3-8%；

所述地聚合物的组成及其质量百分比为：

粒化高炉矿渣微粉50-70％；

火山灰质材料 10-30％；所述火山灰质材料为硅灰、偏高岭土或粉煤灰；

硅酸盐水泥5-15％；

钠水玻璃激发剂，以Na₂O计量：4-8％。

2.根据权利要求1所述的用于地下硫酸盐侵蚀环境的约束管灌注桩，其特征是：所述粒化高炉矿渣微粉为符合GB/T 18046-2008标准规定的S95级粒化高炉矿渣微粉，为高炉粒化矿渣经磁选除铁处理并粉磨使其达到比表面积≥400 m²/kg制得，其中粒径小于30μm的超细粒化高炉矿渣微粉占总质量的90%以上。

3.根据权利要求1所述的用于地下硫酸盐侵蚀环境的约束管灌注桩，其特征是：所述的硅酸盐水泥为强度等级不低于52.5的硅酸盐系列水泥。

4.根据权利要求1所述的用于地下硫酸盐侵蚀环境的约束管灌注桩，其特征是：所述水玻璃激发剂为模数在1.0-2.0之间，波美度在37°-41°之间的钠水玻璃。

5.根据权利要求1所述的用于地下硫酸盐侵蚀环境的约束管灌注桩，其特征是：所述的有机纤维为聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维、超高分子量聚乙烯纤维、聚乙烯醇纤维、聚酯纤维或聚甲醛纤维。

6.一种权利要求1-5之一所述的用于地下硫酸盐侵蚀环境的约束管灌注桩的制备方法，其步骤如下：

步骤1.按照权利要求1-5之一所述的组分配比配置纤维增强地聚合物基复合材料浆体，用水量为浆体的液固质量比=0.3-0.5；

步骤2.将步骤1制备的纤维增强地聚合物基复合材料浆体进行离心成型，制作纤维增强地聚合物基复合材料约束管；

步骤3.在施工现场将纤维增强地聚合物基复合材料约束管固定就位后，向其内部安置钢筋笼，灌注混凝土，经养护硬化后，即得用于地下硫酸盐侵蚀环境的约束管灌注桩。