CN108890864A - 一种预应力钢管混凝土构件的高温蒸压养护方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种预应力钢管混凝土构件的高温蒸压养护方法，严格控制混凝土不同硬化阶段的养护温度和养护时间，在高温蒸压养护条件下，加速水泥的水化作用，减少水化热对混凝土构件的不利影响，避免核心混凝土内部因为温度不均匀而产生微小裂缝，从而快速早强，大幅缩短构件养护时间；同时，高温蒸压养护条件下，加剧了核心混凝土的膨胀行为，在外侧钢管的约束作用下产生初始约束预应力，提高了钢管混凝土构件的承载性能。

Description

一种预应力钢管混凝土构件的高温蒸压养护方法

技术领域

本发明属于混凝土养护领域，具体涉及一种预应力钢管混凝土构件的高温蒸压养护方法。

背景技术

水泥的水化作用和强度的增长，都是随着温度的升高而加速变化的。混凝土的高温蒸养技术主要是依靠外界的高温蒸汽提高混凝土早期的温度，加速水泥的水化反应，减小水化热对混凝土构件的不利影响，快速提高早期强度。在初期的供热升温阶段，主要是依靠蒸汽在混凝土上的凝结放热将蒸汽热传给混凝土，对流放热作用是次要的。混凝土的加热升温，除主要靠外界的蒸汽放热外，水泥的水化热也起着一定的作用。当经过一定时间的蒸汽加热之后.混凝土内部温度上升到等于表面温度或蒸汽温度时，即不再向内传热。当水化热继续释放，内部温度有可能超过外界温度时，蒸汽即不再在混凝土表面凝结，表层水分还可能蒸发。在排放蒸汽的降温阶段，由于蒸汽饱和压力急剧下降，混凝土内部气压高于环境气压，也会引起混凝土内部水分向外转移和蒸发。在蒸养过程中，混凝土内部的一部分水分会转化为蒸汽，增加混凝土内部孔隙，加剧膨胀作用，可能使混凝土内部产生微小裂纹；而降温时的内外温差形成的温度拉应力也容易造成裂缝。故在高温养护的过程中，蒸压釜养护温度上升下降的速率、后期养护的湿度、温度值是需要重点考虑的问题。

钢管混凝土是指钢管中填充混凝土而形成的构件，其主要作为受压构件应用于建筑工程中。相比于普通钢筋混凝土受压构件，钢管混凝土构件的优势在于，在受压过程中，核心混凝土能够增强钢管受压时管壁的稳定性；而外包钢管对核心混凝土的套箍作用使混凝土在受压时处于三向受力状态，从而延缓了核心混凝土受压时的纵向开裂，由脆性破坏变为塑形破坏，在提高承载力的同时增大了极限压应变。

尽管钢管混凝土抗压承载力较普通钢筋混凝土构件提高了很多，但其工作上也存在缺陷。普通的钢管混凝土构件都不能产生初始预应力，只能通过混凝土受压产生横向变形从而被动激发钢管的约束作用，工作阶段(主要为弹性阶段和弹塑性阶段)时的承载力几乎不能提高；塑性阶段的承载力虽能大幅提高，但该阶段变形过大，承载力不符合《建筑结构设计统一标准》的要求，故提出了预应力钢管混凝土(能产生主动约束应力的钢管混凝土)概念。目前使用最多的钢管预应力施加方法是在钢管中浇灌膨胀自应力混凝土，并通过控制混凝土的膨胀率来实现预期的目的。膨胀自应力混凝土是在混凝土中添加膨胀剂来实现的。但根据重庆大学周俊龙《膨胀剂对混凝土性能的影响》一文，膨胀剂自身性能的不稳定，使得掺膨胀剂的混凝土常常不能产生预期的膨胀，这导致混凝土结构在中后期甚至早期仍出现变形开裂。

预应力钢管混凝土的另外一种做法是在钢管混凝土构件内部或外部加设高强度钢构件，施加预应力(在钢管混凝土内部拉预应力钢筋或外部施加预应力钢构件)，从而改变构件中的内力分布，使钢管混凝土构件部分承受轴心受压和小偏心受压。《预应力钢管混凝土结构的应用研究》一文详细介绍了上述预应力钢管混凝土构件的几种做法：对于一般受压构件，常在管内布置预应力筋或在管外布置支承，以提高强度及稳定性；桥梁中的拱架结构一般为钢管混凝土，常在拱架的下弦配置高强预应力束,与压拱组成无推力(或小推力)拱架结构体系；在桁架结构中，根据预应力钢结构的概念,可在局部或下弦部位设置高强预应力束并张拉,同时上弦杆内浇筑高性能混凝土,形成预应力钢管混凝土桁架,可提高其竖向承载力,减少变形并降低桁架的矢高。这种在体内外设置预应力的钢管混凝土构件比一般构件的承载力和稳定性的计算相对复杂，预应力钢构件需额外加工，材料和加工成本也相对较高。

现有钢管混凝土柱养护周期较长，且钢管内的混凝土水化反应过程中会产生收缩，外侧钢管不能对核心混凝土产生足够的约束作用，导致难以充分发挥钢管混凝土构件的组合优势。同时，装配式建筑的发展也对预制构件的养护时间提出了新的要求。本发明拟通过对钢管混凝土构件采用新型的高温蒸压养护方法，严格控制混凝土不同硬化阶段的养护温度和养护时间，提高预应力钢管混凝土构件的性能。在高温蒸压养护条件下，加速了水泥的水化作用，减少水化热对混凝土构件的不利影响，避免核心混凝土内部因为温度不均匀而产生微小裂缝，从而快速早强，大幅缩短构件养护时间。同时，高温蒸压养护条件下，加剧了核心混凝土的膨胀行为，在外侧钢管的约束作用下产生初始约束预应力，提高了钢管混凝土构件的承载性能。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明为解决现有技术中存在的问题采用的技术方案如下：

一种预应力钢管混凝土构件的高温蒸压养护方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、将钢管构件按需要长度进行切割，钢管一端开口、一端焊接钢板底座；

步骤2、配置搅拌混凝土：按混凝土成分质量配比进行配料，配料完成后加入搅拌罐搅拌均匀；

步骤3、浇筑构件：将混合好的混凝土浇入到已处理好的钢管中，边浇筑边振捣密实；

步骤4、恒温养护：将浇筑好的钢管混凝土构件放入恒温恒湿养护室静置养护，养护温度恒定于20-80℃之间一确定值，养护湿度60％，养护时间2-4小时；

步骤5、蒸压养护：将静置养护构件转入蒸压釜中进行蒸压养护，蒸压釜内温度在2-3小时内上升到200℃，并保持200℃恒温养护8-10小时，养护压力1-1.5Mpa；

步骤6、出釜：养护结束后等待蒸压釜自然冷却至室温，将试件从蒸压釜中取出，获得高温蒸压养护预应力钢管混凝土构件。

所述步骤1中钢管采用Q235、Q345、Q390或Q420标准型号热轧钢管或钢板焊接钢管。

所述步骤1中钢管构件的横截面为圆形、矩形或圆端型等特殊形状。

所述步骤2中混凝土采用强度不小于C30的混凝土，添加剂按实际需要添加。

所述步骤2配置搅拌混凝土的具体过程为：首先对原材料进行加工处理，如对粉煤灰、矿渣微粉进行球磨处理，球磨时间20min；然后按质量比例进行配料，如具体组分比例为：普通硅酸盐水泥10.3％，粉煤灰3.2％，矿渣微粉3.7％，天然中砂33.3％，石子41.9％，外加剂0.05％，水7.4％；配料完成后材料按比例加入搅拌罐搅拌：具体为先用水泥搅拌机干拌均匀，然后加入水，高速搅拌5分钟，再加入外加剂，中速搅拌2min。

所述步骤4中将浇筑好的钢管混凝土构件放入恒温恒湿养护室静置养护，养护温度恒定于50℃，养护湿度为60％，养护时间3小时。

本发明具有如下优点：

与目前的钢管混凝土预应力技术相比，本发明不需要另置额外的预应力钢构件，也不需考虑膨胀剂的自身性能，仅依靠钢管的弹性变形与混凝土的自身受热膨胀提供径向预压力，并且不改变构件外观与材料本身的性能；

本发明使核心混凝土在高温养护下，快速提高早期强度，缩短养护时间，并抑制由于水泥水化热带来的细微裂缝的发展；

本发明大幅缩短了钢管混凝土的养护时间，提高了在工厂中预制构件的效率，在装配式结构中应用前景广阔。

附图说明

图1为本发明实验构件的横截面示意图；

图2为本发明实施例圆形钢管构件整体结构示意图；

图3、图4为适用本发明方法的横截面为矩形和圆端形的钢管构件示意图；

图5为不同钢管壁厚对钢管侧压力影响曲线图；

图6为不同钢管直径对钢管侧压力影响曲线图；

图7为不同蒸压温度对钢管侧压力影响曲线图；

其中：1-混凝土，2-钢管，3-钢板。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明，如图

实施例1

本实施例中的预应力钢管混凝土构件由外侧钢管壁和内部混凝土组成，钢管2采用直径159mm，厚度5mm，长度500mm的Q235圆形钢管，内部混凝土1原料及质量配比为：水泥240～260，粉煤灰75～85，矿渣微粉85～115，天然中砂770～820，石子970～1020，外加剂0.82～1.21，水170～175，各成分的单位均为kg/m³，外加剂成分及质量百分比为：聚羧酸减水剂7，消泡剂0.2。

本实施例中的一种预应力钢管混凝土构件的高温蒸压养护方法，包括以下步骤：

1、原材料的加工处理：对粉煤灰、矿渣微粉进行球磨处理，球磨时间20min。将直径159mm厚度5mm的Q235圆形钢管切割加工成长度500mm的标准试件，钢管一端焊接在边长200mm厚度5mm的方形钢板3中心位置，另一端为灌注混凝土不进行封闭处理。

2、混凝土的配制：按如下质量比例进行配料：普通硅酸盐水泥10.3％,粉煤灰3.2％，矿渣微粉3.7％，天然中砂33.3％，石子41.9％，外加剂0.05％，水7.4％，搅拌混合：将水泥、粉煤灰、矿渣微粉、天然中砂、石子按比例加入搅拌罐，用水泥搅拌机干拌均匀，加入水，高速搅拌5分钟，然后加入外加剂，中速搅拌2min。

3、浇筑构件：将混合好的混凝土浇入到已处理好的钢管中，边浇筑边振捣密实。

4、恒温养护：将浇筑好的钢管混凝土构件放入恒温恒湿养护室静置养护，养护温度50℃，养护湿度60％，养护时间3小时。

5、蒸压养护：将静置养护构件转入蒸压釜中进行蒸压养护，蒸压釜内温度在2小时内上升到200℃，并保持200℃恒温养护8小时，养护压力1.5Mpa。

6、出釜：养护结束后等待蒸压釜自然冷却至室温，将试件从蒸压釜中取出，获得高温蒸压养护预应力钢管混凝土构件。

实施例2

本实施例中的一种新型高温蒸压养护预应力钢管混凝土构件的生产方法，包括以下步骤：

1、原材料的加工处理：对粉煤灰、矿渣微粉进行球磨处理，球磨时间20min。将直径159mm厚度5mm的Q235圆形钢管切割加工成长度500mm的标准试件，钢管一端焊接在边长200mm厚度5mm的方形钢板中心位置，另一端为灌注混凝土不进行封闭处理。

2、混凝土的配制：按如下质量比例进行配料：普通硅酸盐水泥10.3％,粉煤灰3.2％，矿渣微粉3.7％，天然中砂33.3％，石子41.9％，外加剂0.05％，水7.4％。，搅拌混合：将水泥、粉煤灰、矿渣微粉、天然中砂、石子按比例加入搅拌罐，用水泥搅拌机干拌均匀，加入水，高速搅拌5分钟，然后加入外加剂，中速搅拌2min。

3、浇筑构件：将混合好的混凝土浇入到已处理好的钢管中，边浇筑边振捣密实。

4、恒温养护：将浇筑好的钢管混凝土构件放入恒温恒湿养护室静置养护，养护温度50℃，养护湿度60％，养护时间3小时。

5、蒸压养护：将静置养护构件转入蒸压釜中进行蒸压养护，蒸压釜内温度在2小时内上升到150℃，并保持150℃恒温养护8小时，养护压力1.5Mpa。

6、出釜：养护结束后等待蒸压釜自然冷却至室温，将试件从蒸压釜中取出，获得高温蒸压养护预应力钢管混凝土构件。

实施例3

本实施例中的一种新型高温蒸压养护预应力钢管混凝土构件的生产方法，包括以下步骤：

1、原材料的加工处理：对粉煤灰、矿渣微粉进行球磨处理，球磨时间20min。将直径159mm厚度6mm的Q235圆形钢管切割加工成长度500mm的标准试件，钢管一端焊接在边长200mm厚度5mm的方形钢板中心位置，另一端为灌注混凝土不进行封闭处理。

2、混凝土的配制：按如下质量比例进行配料：普通硅酸盐水泥10.3％,粉煤灰3.2％，矿渣微粉3.7％，天然中砂33.3％，石子41.9％，外加剂0.05％，水7.4％，搅拌混合：将水泥、粉煤灰、矿渣微粉、天然中砂、石子按比例加入搅拌罐，用水泥搅拌机干拌均匀，加入水，高速搅拌5分钟，然后加入外加剂，中速搅拌2min。

3、浇筑构件：将混合好的混凝土浇入到已处理好的钢管中，边浇筑边振捣密实。

4、恒温养护：将浇筑好的钢管混凝土构件放入恒温恒湿养护室静置养护，养护温度50℃，养护湿度60％，养护时间3小时。

5、蒸压养护：将静置养护构件转入蒸压釜中进行蒸压养护，蒸压釜内温度在2小时内上升到200℃，并保持200℃恒温养护8小时，养护压力1.5Mpa。

6、出釜：养护结束后等待蒸压釜自然冷却至室温，将试件从蒸压釜中取出，获得高温蒸压养护预应力钢管混凝土构件。

实施例4

本实施例中的一种新型高温蒸压养护预应力钢管混凝土构件的生产方法，包括以下步骤：

1、原材料的加工处理：对粉煤灰、矿渣微粉进行球磨处理，球磨时间20min。将边长150mm厚度5mm的Q235方形钢管切割加工成长度500mm的标准试件，钢管一端焊接在边长200mm厚度5mm的方形钢板中心位置，另一端为灌注混凝土不进行封闭处理。

2、混凝土的配制：按如下质量比例进行配料：普通硅酸盐水泥10.3％,粉煤灰3.2％，矿渣微粉3.7％，天然中砂33.3％，石子41.9％，外加剂0.05％，水7.4％，搅拌混合：将水泥、粉煤灰、矿渣微粉、天然中砂、石子按比例加入搅拌罐，用水泥搅拌机干拌均匀，加入水，高速搅拌5分钟，然后加入外加剂，中速搅拌2min。

3、浇筑构件：将混合好的混凝土浇入到已处理好的钢管中，边浇筑边振捣密实。

4、恒温养护：将浇筑好的钢管混凝土构件放入恒温恒湿养护室静置养护，养护温度50℃，养护湿度60％，养护时间3小时。

5、蒸压养护：将静置养护构件转入蒸压釜中进行蒸压养护，蒸压釜内温度在2小时内上升到200℃，并保持200℃恒温养护8小时，养护压力1.5Mpa。

6、出釜：养护结束后等待蒸压釜自然冷却至室温，将试件从蒸压釜中取出，获得高温蒸压养护预应力钢管混凝土构件。

针对实施例1-4，在实验构件中部粘贴应变片，在养护结束后电脑读取数据，计算约束应力，得到如下表1-4数据：

表1

表2

表3

表4

D代表钢管外径，t代表钢管厚度，T代表钢管长度，press代表界面压应力，根据表中数据拟合出如图5-7所示趋势图，分析图表数据可知：

如表1和图5所示，钢管壁厚对界面压应力的影响，管壁越厚，相同条件下界面压应力越大。

如表2和图6所示，钢管外径对界面压应力的影响，钢管外径越大，相同条件下界面压应力越小。

如表3和图7所示，温度对界面压应力的影响，养护温度越高，相同条件下界面压应力越大。

如表4所示，当钢管径厚比为定值时，钢管规格尺寸越大，相同条件下界面压应力越小。

综上可知本发明钢管混凝土构件的高温蒸压养护方法，打破常规自然养护方式，大大缩短了养护时间，同时试验结果表明，采用本方法生产的钢管混凝土构件能产生明显有效的约束应力，具有重要的创新意义，而普通的钢管混凝土不仅不能产生预应力，还会因为混凝土的收缩而与钢管产生脱空现象。

本发明的保护范围并不限于上述的实施例，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明的意图也包含这些改动和变形在内。

Claims (6)

1.一种预应力钢管混凝土构件的高温蒸压养护方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、将钢管构件按需要长度进行切割，钢管一端开口、一端焊接钢板底座；

步骤2、配置搅拌混凝土：按混凝土成分质量配比进行配料，配料完成后加入搅拌罐搅拌均匀；

步骤3、浇筑构件：将混合好的混凝土浇入到已处理好的钢管中，边浇筑边振捣密实；

步骤4、恒温养护：将浇筑好的钢管混凝土构件放入恒温恒湿养护室静置养护，养护温度恒定于20-80℃之间一确定值，养护湿度60％，养护时间2-4小时；

步骤5、蒸压养护：将静置养护构件转入蒸压釜中进行蒸压养护，蒸压釜内温度在2-3小时内上升到200℃，并保持200℃恒温养护8-10小时，养护压力1-1.5Mpa；

步骤6、出釜：养护结束后等待蒸压釜自然冷却至室温，将试件从蒸压釜中取出，获得高温蒸压养护预应力钢管混凝土构件。

2.如权利要求1所述的一种预应力钢管混凝土构件的高温蒸压养护方法，其特征在于：所述步骤1中钢管采用Q235、Q345、Q390或Q420标准型号热轧钢管或钢板焊接钢管。

3.如权利要求1所述的一种预应力钢管混凝土构件的高温蒸压养护方法，其特征在于：所述步骤1中钢管构件的横截面为圆形、矩形或圆端型形状。

4.如权利要求1所述的一种预应力钢管混凝土构件的高温蒸压养护方法，其特征在于：所述步骤2中混凝土采用强度不小于C30的混凝土，添加剂按实际需要添加。

5.如权利要求1所述的一种预应力钢管混凝土构件的高温蒸压养护方法，其特征在于：所述步骤2配置搅拌混凝土的具体过程为：首先对原材料进行加工处理，然后按质量比例进行配料，配料完成后将材料按比例加入搅拌罐搅拌均匀。

6.如权利要求1所述的一种预应力钢管混凝土构件的高温蒸压养护方法，其特征在于：所述步骤4中将浇筑好的钢管混凝土构件放入恒温恒湿养护室静置养护，养护温度恒定于50℃，养护湿度为60％，养护时间3小时。