CN110655354A - 一种掺合碳纤维高强度管桩及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种掺合碳纤维高强度管桩及其制作方法,属于管桩制作领域。包括如下步骤:将水、水泥、掺和料、沙子、碎石按照配比搅拌,获得满足坍塌度T1级别的混凝土浆料;然后将碳纤维与分散剂混合,投入混凝土浆料继续搅拌,获得碳纤维混凝土浆料;将碳纤维混凝土浆料均匀填满已经预设好钢筋的管桩模具,预应力张拉;然后通过离心处理,完成管桩成型;对带模进行低压低温蒸汽养护步。本发明,通过本发明涉及一种掺合碳纤维高强度管桩,通过在碳纤维复合混凝土,提高管桩的抗拉强度;进一步对优化碳纤维的类型、均匀程度、纤维长度、投入比等多个方面进行改进,提高混凝土管桩的拉伸强度,减小宏观裂缝出现。
Description
技术领域
本发明属于管桩制作领域,尤其是一种掺合碳纤维高强度管桩及其制作方法。
背景技术
随着社会大建设的发展,各种新型桩结构在我国被大范围的应用。混凝土及其制作的构件是经济发展和社会物质文明建设的重要基础,由于原材料广泛,生产工艺简单,可以根据设计要求做成任何形状,并具有耐腐蚀,寿命长等独特优势,成为社会发展不可缺少的建筑材料。在众多混凝土构件中,预应力高强混凝土管桩以其质量优良、强度高、承载力高、穿透能力强等优点,被广泛应用于高层建筑、铁路、港口码头等大型建设中。
然而由于混凝土是由水泥、骨料等材料复合而成,其各种材料的性质决定了混凝土本质上是脆性材料,由此导致混凝土构件的抗拉强度远远低于抗压强度。具体到在管桩在工程应用时中,管桩中的混凝土在外界因素的作用下而产生变形,由于受到管桩结构构型的约束,导致混凝土内部的拉应力超过了混凝土本身的抗拉强度,不可避免的会出现裂缝。随着微观裂缝的出现、扩展,逐步导致混凝土出现宏观裂缝,从而影响了混凝土构件的承载力。
发明内容
发明目的:提供一种掺合碳纤维高强度管桩及其制作方法,以解决上述背景技术中所涉及的问题。
技术方案:一种掺合碳纤维高强度管桩,以重量份数计,包括如下组分:
水泥 500份;
掺和料 50~75份;
沙子 700~750份;
碎石 650~700份;
碳纤维 40~55份;
水 162~177份;
减水剂 10份;
其中,水灰比为0.29~0.31。
更具体的,以重量份数计,包括如下组分:
水泥 500份;
掺和料 69份;
沙子 728份;
碎石 670份;
碳纤维 50份;
水 147份;
减水剂 10份;
其中,水胶比为0.30。
在进一步的实施例中,所述掺和料为粉煤灰、矿粉、硅粉、沸石粉或生石灰的一种或其组合物。
在进一步的实施例中,所述掺和料为生石灰、硅粉按照1:(1~3)的比例混合。
在进一步的实施例中,所述碳纤维为沥青基碳纤维、聚丙烯睛基碳纤维和粘胶基碳纤维中的一种或多组,且通过与分散剂混合分散于水中,形成碳纤维分散液。
在进一步的实施例中,所述碳纤维为高锰酸钾改性的聚丙烯睛基碳纤维。
在进一步的实施例中,所述碳纤维的长度为20~40mm。
基于上述掺合碳纤维高强度管桩的制造方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1:将60wt%水、水泥、掺和料、沙子、碎石按照配比投入高速搅拌机内搅拌5~10min,搅拌获得满足坍塌度T1级别的混凝土浆料;
步骤2:通过将碳纤维与分散剂混合,并分散于40%水中;然后投入高速搅拌机内机械搅拌10~20min,搅拌获得碳纤维混凝土浆料;
步骤3:将碳纤维混凝土浆料均匀填满已经预设好钢筋的管桩模具,固定模具,然后预应力张拉;
步骤4:封闭模具,静置阶段、慢速离心阶段、稳定离心阶段三个阶段,使碳纤维混凝土与模具四周均匀密实,完成管桩成型;
步骤5:带模进入常压养护池进行低压低温蒸汽养护,养护温度低于90℃,时间为5~7h,脱模强度不小于55Mpa;
步骤6、将温度均匀降低到室温,静置2~3小时,拉出并吊装,自然养护。
在进一步的实施例中,所述慢速离心阶段的转速为100~120r/min,时间为2~3min;所述稳定离心的转速为240~280r/min,时间为9~12min。
在进一步的实施例中,所述低温蒸汽养护分为升温阶段、恒温阶段、降温阶段三个阶段,其中,升温阶段所用时间为1~2小时;恒温阶段的温度为80~88℃,所用时间为3~4小时;降温阶段所用时间为1小时。
有益效果:本发明涉及一种掺合碳纤维高强度管桩,通过在碳纤维复合混凝土,提高管桩的抗拉强度;进一步对优化碳纤维的类型、均匀程度、纤维长度、投入比等多个方面进行改进,提高混凝土管桩的拉伸强度,减小宏观裂缝出现。
具体实施方式
在下文的描述中,给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而,对于本领域技术人员而言显而易见的是,本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中,为了避免与本发明发生混淆,对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
由于混凝土是由水泥、骨料等材料复合而成,其各种材料的性质决定了混凝土本质上是脆性材料,由此导致混凝土构件的抗拉强度远远低于抗压强度。具体到在管桩在工程应用时中,管桩中的混凝土在外界因素的作用下而产生变形,由于受到管桩结构构型的约束,导致混凝土内部的拉应力超过了混凝土本身的抗拉强度,不可避免的会出现裂缝。随着微观裂缝的出现、扩展,逐步导致混凝土出现宏观裂缝,从而影响了混凝土构件的承载力。
将碳纤维与传统混凝土混合时,由于碳纤维杂乱的分布于混凝土中,只有碳纤维被拉断或被拔出,宏观裂缝才会进一步扩展;当混凝土的微观裂缝在纤维之间时,混凝土受到外部的拉力,其拉应力在碳纤维上产生分布于裂缝的端部附近尖端应力,同样的碳纤维与混凝土的粘结力会对裂缝的尖端产生粘结力场,使裂缝的尖端应力降低,延缓混凝土的微观裂缝扩展。从而使碳纤维在混凝土中起到增强、阻裂作用,使混凝土的低抗压强度缺点得以改善。
因此,在碳纤维复合混凝土的过程中,就必须考虑到碳纤维分布均匀问题。其分布均匀既包括碳纤维与混凝土浆料的混合均匀,又包括其自身长短均匀。具体的,碳纤维与浆料混合均匀需要通过调整混合工艺、选取合适助剂以达到促进碳纤维混合均匀的目的,在实际生产过程中,通过多次试验得到:将碳纤维分散液,投入满足坍塌度T1级别的混凝土浆料时,其混合均匀度较好,减少出现碳纤维之间的打结、缠绕。同时,对管桩的制作方法进行改进,具体为:离心处理过程中的转速不超过300r/min,防止碳纤维在离心机的引导下发生的打结、缠绕,以适应碳纤维混凝土的结构特点。另外,就是碳纤维自身长度的均匀性。当碳纤维的长度过短时,碳纤维彼此之间达不到相互作用的效果,也就达不到增强效果;然而当玻璃纤维长度过长时,则会导致在混凝土中分散不良、部分碳纤维之间发生缠绕、打结,无法与水泥充分接触,无法维持粘结力,也达不到增强、阻裂效果。在本发明中优选的所述碳纤维的长度为20~40mm。
在混凝土混合过程中,碳纤维的结构致密且均质是构成高性能碳纤维的一个重要因素。在沥青基碳纤维、聚丙烯睛基碳纤维和粘胶基碳纤维中作为高分子碳纤维均复合结构致密性的基本要求。其中,聚丙烯睛基碳纤维由于原丝致密化程度及皮芯结构存在一定的差异,具体为:结构致密和取向度高高模量的皮层与疏松而排列较紊乱低模量的芯部存在差异,不均匀的鞘芯结构使碳纤维内外性能各异,这也必然会导致其强度的下降。在具体实施过程中,为了进一步提高碳纤维的结构要求,将聚丙烯睛基碳纤维通过高锰酸钾进行氧化、改性,形成结构致密且均质高性能碳纤维。
下面结合实施例,对本发明作进一步说明,所述的实施例的示例旨在解释本发明,而不能理解为对本发明的限制。实施例中未注明具体技术和反应条件者,可按照本领域内的文献所描述的技术或条件或产品说明书进行。凡未注明厂商的试剂、仪器或设备,均可通过市售获得。
实施例1
步骤1:将10.2kg水、50.0kg水泥、2.3kg生石灰、4.6kg硅粉、72.8kg沙子、67.0kg碎石、1.0kg磺化三聚氰胺甲醛树脂(减水剂)投入高速搅拌机内搅拌8min,搅拌获得满足坍塌度T1级别的混凝土浆料。
步骤2:通过将5.0kg的碳纤维与1.0kg羧甲基纤维素钠盐混合,并分散于6.8kg水中;然后投入高速搅拌机内机械搅拌15min,搅拌获得碳纤维混凝土浆料,其中,所述碳纤维为长度为30mm的高锰酸钾溶液氧化、改性的聚丙烯睛基碳纤维。
步骤3:将碳纤维混凝土浆料均匀填满已经预设好钢筋的管桩模具,固定模具,然后预应力张拉。
步骤4:封闭模具,静置阶段、慢速离心阶段、稳定离心阶段三个阶段,其中,所述慢速离心阶段的转速为100r/min,时间为3min;所述稳定离心的转速为280r/min,时间为10min;使碳纤维混凝土与模具四周均匀密实,完成管桩成型。
步骤5:带模进入常压养护池进行低压低温蒸汽养护,蒸汽养护工艺包括:升温阶段、恒温阶段、降温阶段三个阶段,其中,升温阶段所用时间为1.5小时(夏季为1.5小时、冬季为2小时);恒温阶段的温度为85℃,所用时间为4小时;降温阶段所用时间为1小时;得到的管桩的脱模强度不小于55Mpa。
步骤6、将温度均匀降低到室温,静置2小时,拉出并吊装,自然养护。
实施例2
步骤1:将9.7kg水、50kg水泥、1.7kg生石灰、3.3kg硅粉、70.0kg沙子、65.0kg碎石、1kg磺化三聚氰胺甲醛树脂(减水剂)投入高速搅拌机内搅拌8min,搅拌获得满足坍塌度T1级别的混凝土浆料。
步骤2:通过将4.0kg的碳纤维与0.8kg羧甲基纤维素钠盐混合,并分散于6.5kg水中;然后投入高速搅拌机内机械搅拌15min,搅拌获得碳纤维混凝土浆料,其中,所述碳纤维为长度为30mm的高锰酸钾溶液氧化、改性的聚丙烯睛基碳纤维。
步骤3:将碳纤维混凝土浆料均匀填满已经预设好钢筋的管桩模具,固定模具,然后预应力张拉。
步骤4:封闭模具,静置阶段、慢速离心阶段、稳定离心阶段三个阶段,其中,所述慢速离心阶段的转速为100r/min,时间为3min;所述稳定离心的转速为280r/min,时间为10min;使碳纤维混凝土与模具四周均匀密实,完成管桩成型。
步骤5:带模进入常压养护池进行低压低温蒸汽养护,蒸汽养护工艺包括:升温阶段、恒温阶段、降温阶段三个阶段,其中,升温阶段所用时间为1.5小时(夏季为1.5小时、冬季为2小时);恒温阶段的温度为85℃,所用时间为4小时;降温阶段所用时间为1小时;得到的管桩的脱模强度不小于55Mpa。
步骤6、将温度均匀降低到室温,静置2小时,拉出并吊装,自然养护。
实施例3
步骤1:将10.6kg水、50kg水泥、2.5kg生石灰、5.0kg硅粉、75.0kg沙子、70.0kg碎石、1kg磺化三聚氰胺甲醛树脂(减水剂)投入高速搅拌机内搅拌8min,搅拌获得满足坍塌度T1级别的混凝土浆料。
步骤2:通过将5.5kg的碳纤维与1.1kg羧甲基纤维素钠盐混合,并分散于7.1kg水中;然后投入高速搅拌机内机械搅拌15min,搅拌获得碳纤维混凝土浆料,其中,所述碳纤维为长度为30mm的高锰酸钾溶液氧化、改性的聚丙烯睛基碳纤维。
步骤3:将碳纤维混凝土浆料均匀填满已经预设好钢筋的管桩模具,固定模具,然后预应力张拉。
步骤4:封闭模具,静置阶段、慢速离心阶段、稳定离心阶段三个阶段,其中,所述慢速离心阶段的转速为100r/min,时间为3min;所述稳定离心的转速为280r/min,时间为10min;使碳纤维混凝土与模具四周均匀密实,完成管桩成型。
步骤5:带模进入常压养护池进行低压低温蒸汽养护,蒸汽养护工艺包括:升温阶段、恒温阶段、降温阶段三个阶段,其中,升温阶段所用时间为1.5小时(夏季为1.5小时、冬季为2小时);恒温阶段的温度为85℃,所用时间为4小时;降温阶段所用时间为1小时;得到的管桩的脱模强度不小于55Mpa。
步骤6、将温度均匀降低到室温,静置2小时,拉出并吊装,自然养护。
实施例4
在实施例1的基础上,将掺合剂的配比发生改变,将步骤1替换为:将10.2kg水、50.0kg水泥、2.3kg生石灰、4.6kg硅粉、72.8kg沙子、67.0kg碎石、1.0kg磺化三聚氰胺甲醛树脂(减水剂)投入高速搅拌机内搅拌8min,搅拌获得满足坍塌度T1级别的混凝土浆料。
其它步骤与实施例1相同。
实施例5
在实施例1的基础上,将碳纤维的长度发生改变,将步骤2替换为:通过将5.0kg的碳纤维与1.0kg羧甲基纤维素钠盐混合,并分散于6.8kg水中;然后投入高速搅拌机内机械搅拌15min,搅拌获得碳纤维混凝土浆料,其中,所述碳纤维为长度为10mm的高锰酸钾溶液氧化、改性的聚丙烯睛基碳纤维。其它步骤与实施例1相同。
实施例6
在实施例1的基础上,将碳纤维的长度发生改变,将步骤2替换为:通过将5.0kg的碳纤维与1.0kg羧甲基纤维素钠盐混合,并分散于6.8kg水中;然后投入高速搅拌机内机械搅拌15min,搅拌获得碳纤维混凝土浆料,其中,所述碳纤维为长度为150mm的高锰酸钾溶液氧化、改性的聚丙烯睛基碳纤维。其它步骤与实施例1相同。
实施例7
在实施例1的基础上,将碳纤维的类型发生改变,将步骤2替换为:通过将5.0kg的碳纤维与1.0kg羧甲基纤维素钠盐混合,并分散于6.8kg水中;然后投入高速搅拌机内机械搅拌15min,搅拌获得碳纤维混凝土浆料,其中,所述碳纤维为长度为30mm的普通聚丙烯睛基碳纤维。其它步骤与实施例1相同。
实施例8
在实施例1的基础上,将碳纤维的用量发生改变,将步骤2替换为:通过将10.0kg的碳纤维与4.0kg羧甲基纤维素钠盐混合,并分散于6.8kg水中;然后投入高速搅拌机内机械搅拌15min,搅拌获得碳纤维混凝土浆料,其中,所述碳纤维为长度为30mm的普通聚丙烯睛基碳纤维。其它步骤与实施例1相同。
实施例9
在实施例1的基础上,将离心处理的搅拌速率发生改变,将步骤4替换为:封闭模具,静置阶段、慢速离心阶段、中速离心搅拌、稳定离心阶段三个阶段,其中,所述慢速离心阶段的转速为100r/min,时间为2min;中速离心搅拌的转速为270r/min,时间为3min;所述稳定离心的转速为540r/min,时间为5min;完成管桩成型。其它步骤与实施例1相同。
实施例10
在实施例1的基础上,将蒸汽养护温度发生改变,将步骤5替换为带模进入常压养护池进行低压低温蒸汽养护,蒸汽养护工艺包括:升温阶段、恒温阶段、降温阶段三个阶段,其中,升温阶段所用时间为2小时(夏季为2小时、冬季为2.5小时);恒温阶段的温度为165℃,所用时间为3小时;降温阶段所用时间为1小时;得到的管桩的脱模强度不小于55Mpa。其它步骤与实施例1相同。
实施例11
在实施例1的基础上,将步骤1和步骤2合并,形成新的步骤1:将17.0kg水、50.0kg水泥、2.3kg生石灰、4.6kg硅粉、72.8kg沙子、67.0kg碎石、1.0kg磺化三聚氰胺甲醛树脂(减水剂)、5.0kg的碳纤维、1.0kg羧甲基纤维素钠盐投入高速搅拌机内搅拌23min,搅拌获得满足坍塌度T1级别的混凝土浆料。其中,所述碳纤维为长度为30mm的高锰酸钾溶液氧化、改性的聚丙烯睛基碳纤维。其它步骤与实施例1相同。
检测例
将上述实施例中制作得到的管桩样品进行力学性能测试,具体测试方法为国家标准(GB 13476-2009)或行业标准中所采用的方法。
表1
表2:
从上表可知,本发明中实施例1~3制得管桩的力学性能和耐久性能均远优于C60的行业标准,处于C80~C120的行业标准,实施例4~5、实施例7~11也符合C60的行业标准。
另外需要说明的是,在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征,在不矛盾的情况下,可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复,本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
Claims (10)
1.一种掺合碳纤维高强度管桩,其特征在于,以重量份数计,包括如下组分:
水泥 500份;
掺和料 50~75份;
沙子 700~750份;
碎石 650~700份;
碳纤维 40~55份;
水 162~177份;
减水剂 10份;
其中,水灰比为0.29~0.31。
2.根据权利要求1所述的掺合碳纤维高强度管桩,其特征在于,以重量份数计,包括如下组分:
水泥 500份;
掺和料 69份;
沙子 728份;
碎石 670份;
碳纤维 50份;
水 147份;
减水剂 10份;
其中,水胶比为0.30。
3.根据权利要求1或2所述的掺合碳纤维高强度管桩,其特征在于,所述掺和料为粉煤灰、矿粉、硅粉、沸石粉或生石灰的一种或其组合物。
4.根据权利要求3所述的掺合碳纤维高强度管桩,其特征在于,所述掺和料为生石灰、硅粉按照1:(1~3)的比例混合。
5.根据权利要求1所述的掺合碳纤维高强度管桩,其特征在于,所述碳纤维为沥青基碳纤维、聚丙烯睛基碳纤维和粘胶基碳纤维中的一种或多组,且通过与分散剂混合分散于水中,形成碳纤维分散液。
6.根据权利要求5所述的掺合碳纤维高强度管桩,其特征在于,所述碳纤维为高锰酸钾改性的聚丙烯睛基碳纤维。
7.根据权利要求1所述的掺合碳纤维高强度管桩,其特征在于,所述碳纤维的长度为20~40mm。
8.基于权利要求1~7中的任一项所述的掺合碳纤维高强度管桩的制造方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1:将60wt%水、水泥、掺和料、沙子、碎石按照配比投入高速搅拌机内搅拌5~10min,搅拌获得满足坍塌度T1级别的混凝土浆料;
步骤2:通过将碳纤维与分散剂混合,并分散于40%水中;然后投入高速搅拌机内机械搅拌10~20min,搅拌获得碳纤维混凝土浆料;
步骤3:将碳纤维混凝土浆料均匀填满已经预设好钢筋的管桩模具,固定模具,然后预应力张拉;
步骤4:封闭模具,静置阶段、慢速离心阶段、稳定离心阶段三个阶段,使碳纤维混凝土与模具四周均匀密实,完成管桩成型;
步骤5:带模进入常压养护池进行低压低温蒸汽养护,养护温度低于90℃,时间为5~7h,脱模强度不小于55Mpa;
步骤6、将温度均匀降低到室温,静置2~3小时,拉出并吊装,自然养护。
9.根据权利要求8所述的掺合碳纤维高强度管桩的制造方法,其特征在于,所述慢速离心阶段的转速为100~120r/min,时间为2~3min;所述稳定离心的转速为240~280r/min,时间为9~12min。
10.根据权利要求8所述的掺合碳纤维高强度管桩的制造方法,其特征在于,所述低温蒸汽养护分为升温阶段、恒温阶段、降温阶段三个阶段,其中,升温阶段所用时间为1~2小时;恒温阶段的温度为80~88℃,所用时间为3~4小时;降温阶段所用时间为1小时。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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WW01 | Invention patent application withdrawn after publication | ||
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