CN111533513A - 超高性能混凝土、电杆及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

超高性能混凝土，包括以下物质质量份数：硅酸盐水泥700‑920份、硅灰190‑320份、石英粉0‑185份、细砂900‑1300份、减水剂20‑45份、分散剂0‑16份、水140‑160份、钢纤维0‑240份。本发明提供的超高性能混凝土制备的电杆，质量轻，重量仅为普通混凝土类电杆的1/2‑1/4，节约了资源，降低了运输及安装等费用，加快了施工进程。

Description

超高性能混凝土、电杆及其制备方法
技术领域
本发明涉及建筑材料领域，特别是超高性能混凝土、电杆及其制备方法。
背景技术
普通混凝土电杆存在的问题首先是裂缝问题，其次是变形问题。裂缝的存在将加重运行过程中电杆受有害物质侵蚀程度和钢筋锈蚀程度，降低电杆的耐久性，从而将降低电杆的承载能力；变形性能差对抵抗运行过程中风荷载的反复作用是不利的，也往往会使电杆的破坏呈现脆性性质。
与普通混凝土相比，超高性能混凝土(Ultra High Performance Concrete，以下简称UHPC)具有一系列优越的物理和力学性质：
(1)强度和重量的比值增大，这是超高性能混凝土具有优越经济性的重要标志，也是它具有广阔应用发展前景的重要标志；
(2)具有较高的抗拉、抗弯极限强度；
(3)具有卓越的抗冲击性能，与普通混凝土相比，超高性能混凝土的冲击韧性指标可以提高50～100倍，甚至更高，因此，超高性能混凝土用于承受冲击荷载、疲劳荷载的结构，其优越性十分明显；
(4)变形性能明显改善，超高性能混凝土的抗拉弹性模量提高较多，超高性能混凝土的收缩率也降低10％～30％；
(5)抗裂和抗疲劳性能显著提高，由于钢纤维在混凝土中的阻裂机制，超高性能混凝土比普通混凝土具有更好的软化后性能和抗裂疲劳性能；
(6)具有优良的抗剪性能，超高性能混凝土中的钢纤维在梁的受力过程中可以降低腹板的剪切变形，并有效地控制剪切裂纹的开展，提高腹板的抗剪强度。
在国内工程应用方面，2003年北京市五环路石景山转体斜拉桥隔离带，采用了2000mm×1200mm×60mm的无筋超高性能混凝土空心板，板内设有直径为40mm的圆孔，UHPC的抗压强度140MPa、抗折强度18MPa。2009年起国内高速铁路工程的桥梁、路基电缆槽盖板全部采用UHPC制造。由此揭开了国内UHPC大规模应用的序幕，这也是世界上首次大规模应用UHPC的工程项目。盖板为简支板，厚度为25mm(原设计钢筋混凝土盖板厚度60mm)，UHPC抗压强度130MPa，抗折强度16MPa。已完工项目使用效果良好。2016年9月，国内首座超高性能混凝土人行天桥—长沙市北辰三角洲横四路天桥通过验收，该人行天桥的箱梁构件采用UHPC进行预制，该桥有两个桥墩，桥面厚度仅有20cm。由此可见，超过性能混凝土在铁路、桥梁预制件已推广应用，但在电力、市政等工程应用报道较少。
目前普通混凝土电杆，自重大，运输费用高、安装需要大型设备吊装、抗酸碱盐腐蚀性差，抗冻融性差、温差大易产生收缩裂纹等缺点。采用常压蒸汽养护之后进入蒸压釜进行压蒸养护的高强度电杆混凝土，高压蒸养造成混凝土内部结构破坏，产生细小裂缝，降低混凝土强度，另外蒸压釜耗气量大，蒸汽浪费严重，而且蒸压釜安全性要求较高，维护费用很高，最终导致产品成本上升。国内采用蒸汽养护的活性粉末混凝土其抗拉强度低于25Mpa。
例如，专利CN200710055438.X公开了高耐久性高强活性粉末混凝土电杆，其抗拉强度仅有15Mpa，抗渗性大于P16。
专利CN103214219A公开了一种C80免压蒸混凝土电杆生产技术，其抗压强度为80～90Mpa。
专利CN105016670A公开了一种混凝土环形电杆及其制备方法，其抗压强度128～140Mpa，抗折强度16.5～27Mpa。
可见目前国内类似专利其强度不高，抗压强度一般低于150Mpa，抗折强度一般低于27Mpa。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点，本发明的目的是提供一种强度高和抗冲击韧性好的超高性能混凝土、电杆及其制备方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种超高性能混凝土，包括以下物质质量份数：
硅酸盐水泥700-920份，优选850-920份；
硅灰190-320份，优选190-220份；
石英粉0-185份，优选50-110份；
细砂900-1300份，优选950-1100份；
减水剂20-45份，优选25-36份；
分散剂0-16份；
水140-160份，优选145-155份；
钢纤维0-240份；优选125-220份。
作为本发明的进一步改进：所述细沙为16-100目的干净河沙或石英砂。
作为本发明的进一步改进：所述减水剂为高效减水剂，其减水效率为20％及以上，在超高性能混凝土中，水胶比较低，因此需要加入高效的减水剂。
一种电杆，采用上述超高性能混凝土制作而成。
一种电杆的制备方法，包括以下步骤：
钢筋骨架的制备：首先对钢筋进行除锈，然后制备钢筋骨架，并将其放入干净的电杆钢模内；
混凝土的制备：先将硅灰和分散剂加水搅拌，然后加入干混好的细砂、硅酸盐水泥和石英粉以及钢纤维，最后掺减水剂，搅拌形成超高性能混凝土浆体；
电杆的制备：将超高性能混凝土浆体灌入电杆钢模，采用离心工艺密实成型，同时制作超高性能混凝土检测试件；
电杆的养护：将上述步骤制备的电杆在不低于20℃的室温养护12-24h后拆模，然后在80±5℃蒸汽养护窑，养护48h，养护窑升温速率不超过12℃/h，降温速率不超过15℃/h；
电杆的检测：将试件脱模后，分别检测其抗压和抗折强度。
在上述制备方法中，相对于普通混凝土的制备方法，该制备方法通过去除粗骨料改善拌和物的均匀性，通过选择不同细沙以及其他粉末的粒径来改善颗粒基体的堆积性能，成型加压以去除裹入的空气泡和水化反应所伴随的化学收缩，利用能改变水化物本质的热处理改善凝结后的显微结构，以及利用钢纤维提高抗折强度并改善材料的韧性。通过该物质组分以及该制备方法获得超高性能混凝土，是一种高含量浆体、高含量硅灰、低水胶比的砂浆。
作为本发明的进一步改进：所述钢筋骨架的制备还包括以下步骤：
对8-12mm钢筋表面进行除锈处理，然后制备钢精骨架，并将其放入干净的电杆钢模内；
若钢筋锈蚀多，选用3mol/L的NaOH溶液浸泡5-20min，必要时表面喷涂硅烷防锈剂，起喷涂量为5-15h/cm2。
作为本发明的进一步改进：所述电杆的制备还包括以下步骤：
将混凝土的制备步骤所得的超高性能混凝土浆体灌入到内置钢筋骨架的电杆钢模内，使超高性能混凝土填充电杆钢模并包裹所述钢筋骨架，待灌注完成后，进行合模及预应力张拉，张拉力为预应力钢筋总抗拉强度的70-75％，然后将装有混凝土的电杆钢模在预应力张拉后进行离心成型作业。
作为本发明的进一步改进：所述电杆的养护步骤中，在养护48h后，继续进入200±5℃干热养护16h。
与现有技术相比，本发明提供的超高性能混凝土及电杆的制备方法所获得的电杆，质量轻，重量仅为普通混凝土类电杆的1/2-1/4，节约了资源，降低了运输及安装等费用，加快了施工进程，在所述电杆的制备方法中，只需将各成分进行充分有序混合即可，方法简单，可操作性强，且生产出来的UHPC电杆强度高、抗冲击韧性好、抗氯离子渗透、抗冻融性、腐蚀性好、体积稳定，成本低、使用寿命长，符合国家节能环保的要求，具有良好的经济和社会效益。
具体实施方式
现结合实施案例对本发明进一步说明：
实施案例1：
一种超高性能混凝土，包括以下物质质量份数：
硅酸盐水泥850份、硅灰210份、细砂730份、减水剂30份、水150份、钢纤维150份。
其中，所述细砂为40-100目的河沙，可替换为290份质量份数的26-40目河沙或120份质量份数的16-26目河沙。
电杆制备方法，包括以下步骤
(1)钢筋骨架的制备
首先对8-12mm钢筋表面进行除锈处理，然后制备钢筋骨架，并将其放入干净的电杆钢模内。
若钢筋锈蚀多，可选用3mol/L的NaOH溶液浸泡5-20min，必要时表面可喷涂硅烷防锈剂，起喷涂量为5-15g/cm2。
(2)超高性能混凝土的制备
按上述超高性能混凝土的物质质量份数，先将硅灰按配比投入到混凝土搅拌机中，并加水搅拌，然后加入按配比干混好的细砂、硅酸盐水泥以及钢纤维，最后掺入减水剂，再进行搅拌直至均匀，最终形成UHPC浆体。
(3)UHPC电杆的制备：将步骤(2)所得的UHPC浆体灌入到步骤(1)电杆钢模具中，待灌注结束后，进行合模及预应力张拉，张拉力为预应力钢筋总抗拉强度的70～75％，然后将装有混凝土的电杆钢模在预应力张拉后进行离心成型作业，直至UHPC电杆成型，同时制作UHPC试件。在不低于20℃的室温养护24h后拆模，然后在80±5℃蒸汽窑，养护48h，养护窑升温速率不超过12℃/h，降温速率不超过15℃/h。
(4)UHPC检测：将步骤(3)UHPC试件脱模后，分别检测其抗压和抗折强度。
采用GB/T50081《普通混凝土力学性能》法对上述得到的电杆用混凝土进行抗折和抗压强度检测。
实施案例2：
一种超高性能混凝土，包括以下物质质量份数：
硅酸盐水泥860份、硅灰215份、石英粉70份、细砂680份、减水剂33份、水150份、钢纤维190份；
其中，所述细砂为40-100目的河沙，可替换为260份质量份数的26-40目河沙或100份质量份数的16-26目河沙。
电杆制备方法，包括以下步骤：
(1)钢筋骨架的制备
首先对8-12mm钢筋表面进行除锈处理，然后制备钢筋骨架，并将其放入干净的电杆钢模内，若钢筋锈蚀多，可选用3mol/L的NaOH溶液浸泡5-20min，必要时表面可喷涂硅烷防锈剂，起喷涂量为5-15g/cm2。
(2)混凝土的制备
先将硅灰按配比投入到混凝土搅拌机中，并加水搅拌，然后加入按配比干混好的细砂、硅酸盐水泥和石英粉以及钢纤维，最后掺入减水剂，再进行搅拌直至均匀，最终形成UHPC浆体。
(3)UHPC电杆的制备：将步骤(2)所得UHPC浆体灌入到步骤(1)的内置钢筋骨架的电杆钢模中，待灌注结束后，进行合模及预应力张拉，张拉力为预应力钢筋总抗拉强度的70～75％，然后将装有混凝土的电杆钢模在预应力张拉后进行离心成型作业，直至UHPC电杆成型，同时制作UHPC试件。在不低于20℃的室温养护24h后拆模，然后在80±5℃蒸汽窑，养护48h，养护窑升温速率不超过12℃/h，降温速率不超过15℃/h。
(4)UHPC检测：将步骤(3)UHPC试件脱模后，分别检测其抗压和抗折强度。
采用GB/T50081《普通混凝土力学性能》法对上述得到的电杆用混凝土进行抗折和抗压强度检测。
实施案例3：
一种超高性能混凝土，包括以下物质质量份数：
硅酸盐水泥910份、硅灰220份、石英粉100份、细砂620份、高效减水剂36份、水150份、钢纤维230份；
其中，所述细砂为40-100目的河沙，可替换为240份质量份数的26-40目河沙或100份质量份数的16-26目河沙。
电杆的制备及其制备条件和参数均与实施例2相同。
实施案例4：
一种超高性能混凝土，包括以下物质质量份数：
硅酸盐水泥850份、硅灰210份、细砂730份、减水剂30份、水150份、钢纤维150份；
其中，所述细砂为40-100目的河沙，可替换为290份质量份数的26-40目河沙或120份质量份数的16-26目河沙。
电杆制备方法，包括以下步骤：
(1)钢筋骨架的制备
首先对8-12mm钢筋表面进行除锈处理，然后制备钢筋骨架，并将其放入干净的电杆钢模内，若钢筋锈蚀多，可选用3mol/L的NaOH溶液浸泡5-20min，必要时表面可喷涂硅烷防锈剂，起喷涂量为5-15g/cm2。
(2)混凝土的制备
先将硅灰按配比投入到混凝土搅拌机中，并加水搅拌，然后加入按配比干混好的细砂、硅酸盐水泥和石英粉(没有视为不加入)以及钢纤维，最后掺入减水剂，再进行搅拌直至均匀，最终形成UHPC浆体。
(3)UHPC电杆的制备：将步骤(2)所得的UHPC浆体灌入到步骤(1)的电杆钢模中，待灌注结束后，进行合模及预应力张拉，张拉力为预应力钢筋总抗拉强度的70～75％，然后将装有混凝土的电杆钢模在预应力张拉后进行离心成型作业，直至UHPC电杆成型，同时制作UHPC试件。在不低于20℃的室温养护24h后拆模，然后在80±5℃蒸汽窑，养护48h后，进入200±5℃干热养护16h，升温速率不超过12℃/h，降温速率不超过15℃/h。
(4)UHPC检测：将步骤(3)UHPC试件脱模后，分别检测其抗压和抗折强度。
采用GB/T50081《普通混凝土力学性能》法对上述得到的电杆用混凝土进行抗折和抗压强度检测。
实施案例5：
一种超高性能混凝土，包括以下物质质量份数：
硅酸盐水泥860份、硅灰215份、石英粉70份、细砂680份、减水剂33份、水150份、钢纤维190份；
其中，所述细砂为40-100目的河沙，可替换为260份质量份数的26-40目河沙或100份质量份数的16-26目河沙。
电杆的制备及其制备条件和参数均与实施例4相同。
实施案例6：
一种超高性能混凝土，包括以下物质质量份数：
硅酸盐水泥910份、硅灰220份、石英粉100份、细砂620份、减水剂36份、水150份、钢纤维230份；
其中，所述细砂为40-100目的河沙，可替换为240份质量份数的26-40目河沙或100份质量份数的16-26目河沙。
电杆的制备及其制备条件和参数均与实施例4相同。
实施案例7：
一种超高性能混凝土，包括以下物质质量份数：
硅酸盐水泥830份、硅灰315份、石英粉182份、细砂912份、减水剂41份、水150份、钢纤维230份；
其中，所述细砂为GB177标准砂。
在电杆制备步骤中，关于电杆的养护的步骤替换为除在不低于20℃的室温养护24h后拆模，然后在80±5℃蒸汽养护96h，其他条件和参数均与实施例4相同。
实施案例8：
一种超高性能混凝土，包括以下物质质量份数：
硅酸盐水泥830份、硅灰315份、石英粉182份、细砂912份、减水剂41份、水150份、分散剂16份；
其中，所述细砂为GB177标准砂。
在电杆制备步骤中，关于电杆的养护的步骤替换为除在不低于20℃的室温养护24h后拆模，然后在100±5℃干热养护24h，最后80±5℃蒸汽养护72h，其他条件和参数均与实施案例1相同。
混凝土由于其具有经济、节能、耐久等多种优点而成为土木工程中的重要材料，其应用范围十分广泛。但是，在混凝土出现至今的170多年间，大量的混凝土由于各种各样的原因而提前失效，达不到预定的服务年限。有的是由于结构设计的抗力不足造成的，有的是由于使用荷载的不利变化引起的，但更多的是由于结构的耐久性不足而导致的。因此，UHPC材料的抗氯离子渗透和耐腐蚀性关系材料的使用寿命。
实施案例1-8中所得UHPC试件测试的数据如下：
Figure BDA0002482744000000101
Figure BDA0002482744000000111
该表为实施案例1-8所得的UHPC试件的强度表。
Figure BDA0002482744000000112
备注：负数表示实施案例8试件浸泡在NaOH溶液中强度上升。
该表为实施案例1-2和实施案例7-8混凝土的抗氯离子渗透和耐腐蚀性试验表。
海水环境混凝土结构设计使用年限宜采用以概率理论为基础，以分项系数表达的计算方法。预应力混凝土结构设计使用年限应以氯离子侵入混凝土导致预应力筋开始腐蚀时的状态计算；钢筋混凝土结构应以钢筋腐蚀导致保护层出现0.3mm顺筋裂缝时的状态计算，包括混凝土中钢筋开始腐蚀和混凝土保护层锈胀开裂两个阶段。
钢筋开始腐蚀阶段所经历的时间应按下式计算：
Figure BDA0002482744000000121
其中：
Figure BDA0002482744000000122
——混凝土临界氯离子浓度设计值(％)；
Figure BDA0002482744000000123
——混凝土表面氯离子浓度设计值(％)；
Figure BDA0002482744000000124
——混凝土初始氯离子浓度设计值(％)；
xd——混凝土保护层厚度设计值(mm)；
Figure BDA0002482744000000125
——混凝土氯离子扩散系数设计值(10-12m2/s)；
Figure BDA0002482744000000126
——钢筋开始锈蚀阶段混凝土结构使用年限(s)。
混凝土保护层锈胀开裂阶段所经历的时间应按应按下式计算：
Figure BDA0002482744000000127
其中：pd——产生裂缝所需要的临界锈蚀深度(μm)；
λd——钢筋腐蚀速率(μm/年)；
根据上述公式获得实施案例1-8所得的电杆进行耐久性能推算表：
Figure BDA0002482744000000128
Figure BDA0002482744000000131
因此，通过本发明提供的超高性能混凝土及电杆的制备方法所获得的电杆，质量轻，重量仅为普通混凝土类电杆的1/2-1/4，节约了资源，降低了运输及安装等费用，加快了施工进程，在所述电杆的制备方法中，只需将各成分进行充分有序混合即可，方法简单，可操作性强，且生产出来的UHPC电杆强度高、抗冲击韧性好、抗氯离子渗透、抗冻融性、腐蚀性好、体积稳定，成本低、使用寿命长，符合国家节能环保的要求，具有良好的经济和社会效益。
综上所述，本领域的普通技术人员阅读本发明文件后，根据本发明的技术方案和技术构思无需创造性脑力劳动而做出其他各种相应的变换方案，均属于本发明所保护的范围。

Claims (10)

1.一种超高性能混凝土，其特征是包括以下物质质量份数：
硅酸盐水泥 700-920份
硅灰 190-320份
石英粉 0-185份
细砂 900-1300份
减水剂 20-45份
分散剂 0-16份
水 140-160份
钢纤维 0-240份。
2.根据权利要求1所述的一种超高性能混凝土，其特征是包括以下物质质量份数：
硅酸盐水泥 850-920份
硅灰 190-220份
石英粉 50-110份
细砂 950-1100份
减水剂 25-36份
分散剂 0-16份
水 145-155份
钢纤维 125-220份。
3.根据权利要求2所述的一种超高性能混凝土，其特征是：所述细沙为16-100目的干净河沙或石英砂。
4.根据权利要求2所述的一种超高性能混凝土，其特征是：所述减水剂的为高效减水剂，其减水效率至少为20％。
5.一种电杆，其特征是：采用权利要求1-4任一项所述的超高性能混凝土制作。
6.一种电杆的制备方法，其特征是包括以下步骤：
钢筋骨架的制备：首先对钢筋进行除锈，然后制备钢筋骨架，并将其放入干净的电杆钢模内；
混凝土的制备：先将硅灰和分散剂加水搅拌，然后加入干混好的细砂、硅酸盐水泥和石英粉以及钢纤维，最后掺减水剂，搅拌形成超高性能混凝土浆体；
电杆的制备：将超高性能混凝土浆体灌入电杆钢模，采用离心工艺密实成型，同时制作超高性能混凝土检测试件；
电杆的养护：将上述步骤制备的电杆在不低于20℃的室温养护12-24h后拆模，然后在80±5℃蒸汽养护窑，养护48h，养护窑升温速率不超过12℃/h，降温速率不超过15℃/h；
电杆的检测：将试件脱模后，分别检测其抗压和抗折强度。
7.根据权利要求6所述的一种电杆的制备方法，其特征是：所述钢筋骨架的制备还包括以下步骤：
对8-12mm钢筋表面进行除锈处理，然后制备钢精骨架，并将其放入干净的电杆钢模内；
若钢筋锈蚀多，选用3mol/L的NaOH溶液浸泡5-20min，必要时表面喷涂硅烷防锈剂，起喷涂量为5-15h/cm2。
8.根据权利要求6所述的一种电杆的制备方法，其特征是：所述混凝土的制备步骤中，包括以下物质质量分数：
硅酸盐水泥700-920份、硅灰190-320份、石英粉0-185份、细砂900-1300份、减水剂20-45份、分散剂0-16份、水140-160份、钢纤维0-240份。
9.根据权利要求8所述的一种电杆的制备方法，其特征是：所述电杆的制备还包括以下步骤：
将混凝土的制备步骤所得的超高性能混凝土浆体灌入到内置钢筋骨架的电杆钢模内，使超高性能混凝土填充电杆钢模并包裹所述钢筋骨架，待灌注完成后，进行合模及预应力张拉，张拉力为预应力钢筋总抗拉强度的70-75％，然后将装有混凝土的电杆钢模在预应力张拉后进行离心成型作业。
10.根据权利要求6所述的一种电杆的制备方法，其特征是：所述电杆的养护步骤中，在养护48h后，继续进入200±5℃干热养护16h。
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