CN112408883A - 一种混凝土管桩及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及混凝土管桩技术领域，具体公开了一种混凝土管桩及其制备方法，混凝土管桩包括混凝土和钢筋，混凝土由包含以下重量份数的原料制成：水泥300‑320份；石英粉110‑130份；砂子650‑670份；石子1320‑1350份；高效减水剂8‑10份；水120‑140份；改性油麻藤纤维15‑30份；改性油麻藤纤维是由油麻藤蔓茎纤维经过碱性预处理后与芳香酸酯化反应制得。本申请的混凝土管桩具有提高管桩的抗渗性能的优点。

Description

一种混凝土管桩及其制备方法
技术领域
本申请涉及混凝土管桩技术领域，更具体地说，它涉及一种混凝土管桩及其制备方法。
背景技术
管桩按混凝土强度等级或有效预压应力分为预应力混凝土管桩和预应力高强混凝土管桩。预应力混凝土管桩代号为PC，预应力高强混凝土管桩代号为PHC，薄壁管桩代号为PTC。PC桩的混凝土强度不得低于C60，薄壁管桩强度等级不得低于C60，PHC桩的混凝土强度等级不得低于C80。管桩作为桩基础建设的一种建筑构件，已广泛地应用于工业与民用建筑、公路与铁路桥梁、港口码头等各类工程结构。
由于混凝土内部存在一定的孔隙，当管桩应用于地下时需要考虑抗渗。普通的混凝土又不具备抗渗性能，相关技术中的管桩抗渗防腐方式为：在管桩表面涂覆沥青涂层或耐磨防腐涂层，但是涂层在施工过程中容易受摩擦力引起脱落。
针对上述中的相关技术，发明人认为存在有管桩抗渗性能有待提升的缺陷。
发明内容
为了提高管桩的抗渗性能，本申请提供一种混凝土管桩及其制备方法。
第一方面，本申请提供一种混凝土管桩，采用如下的技术方案：
一种混凝土管桩，包括混凝土和钢筋，所述混凝土由包含以下重量份数的原料制成：
水泥300-320份；
石英粉110-130份；
砂子650-670份；
石子1320-1350份；
高效减水剂8-10份；
水120-140份；
改性油麻藤纤维15-30份；
所述改性油麻藤纤维是由油麻藤蔓茎纤维经过碱性预处理后与芳香酸酯化反应制得。
通过采用上述技术方案，由于采用经过碱性预处理后与芳香酸酯化反应制得的改性油麻藤纤维，在碱性预处理时能够促进木质素、果胶、半纤维素等低分子杂质从油麻藤纤维中分离出去，从而增强油麻藤纤维的力学性能和耐高温性能，经过与芳香酸酯化接枝处理后，油麻藤纤维与芳香酸发生酯化反应，增强了油麻藤纤维的分散性，同时还可以增强油麻藤纤维的耐温性能，从而使其能够在管桩的高温蒸养过程中不被破坏，改性油麻藤纤维能够改善混凝土内部微孔结构的连通性，提高混凝土的抗渗性，而且在混凝土中形成三维网状结构，在混凝土固化时和固化后起到抑制裂缝产生的作用，增强混凝土的抗渗性能。
可选的，所述改性油麻藤纤维的制备方法如下：从油麻藤上取下15-30份蔓茎，用水洗净后干燥，粉碎，得到粗纤维；将0.5-1.5份氢氧化钠和0.1-0.2份表面活性剂加入60-80份水中，混合均匀，得到处理液；将粗纤维投入处理液中，升温至60-80℃反应30-40min，过滤，水洗，烘干，得到预处理纤维；将预处理纤维、2-4份芳香酸、0.1-0.3份酯化催化剂和100-120份乙醇混合均匀，升温至90-100℃，反应10-15min后，过滤，水洗，干燥，得到改性油麻藤纤维。
通过采用上述技术方案，表面活性剂能够促进粗纤维分在在水中，有利于粗纤维与氢氧化钠反应，而且还可以促进杂质的分离，有利于后续与芳香酸进行接枝反应，从而得到改性油麻藤纤维，增强混凝土的抗渗性能。
可选的，所述表面活性剂选自木质素磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠、二丁基萘磺酸钠中的任意一种。
通过采用上述技术方案，上述表面活性剂稳定性较好，不仅可以促进粗纤维分散，还有利于去除杂质。
可选的，所述芳香酸选自对苯二甲酸、间苯二甲酸、邻苯二甲酸中的任意一种。
通过采用上述技术方案，上述芳香酸结构中有耐高温的苯环，预处理纤维更容易与上述二元芳香酸发生酯化反应，从而增强了油麻藤纤维在混凝土中的分散性，同时还可以增强油麻藤纤维的耐温性能，提高混凝土的抗渗性能。
可选的，所述酯化催化剂选自次磷酸钠、磷酸氢二钠、磷酸钠中的任意一种。
通过采用上述技术方案，上述催化剂能够促进预处理纤维与芳香酸充分进行酯化接枝反应。
可选的，所述粗纤维的长度为5～20mm，纤度为0.5-5D。
通过采用上述技术方案，控制粗纤维的长度和纤度，有利于粗纤维在混凝土中分散均匀，形成网状结构，改善混凝土内部微孔结构的连通性，增强混凝土抗渗性能。
可选的，所述预处理纤维在酯化反应前经过热处理步骤：将预处理纤维置于惰性气体保护氛围下，在温度为160-170℃下保温处理5-10min。
通过采用上述技术方案，预处理纤维内部含有结晶水，会影响预处理纤维进行酯化接枝，热处理步骤可以降低预处理纤维的结晶度，有利于酯化接枝反应的进行，增强混凝土的抗渗性能。
第二方面，本申请提供一种混凝土管桩的制备方法，采用如下的技术方案：
一种混凝土管桩的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，将水泥、石英粉、砂子、石子、高效减水剂、改性油麻藤纤维与水混合，搅拌均匀，得到混凝土；
步骤二，将混凝土注入模具中，离心成型，在80-90℃条件下恒温养护5-6小时，再冷却至常温；
步骤三，养护后进行脱模，得到管桩坯体；
步骤四，将管桩坯体进行高压蒸汽养护，蒸汽压力为0.9-1.1Mpa，温度为200-210℃，养护5-7小时，得到混凝土管桩。
通过采用上述技术方案，由于混凝土中加入了改性油麻藤纤维，改性油麻藤纤维的耐温性能得到了提升，使其能够在管桩的高温蒸养过程中不被破坏，改性油麻藤纤维能够改善混凝土内部微孔结构的连通性，而且在混凝土中形成三维网状结构，在混凝土固化时和固化后起到抑制裂缝产生的作用，增强混凝土的抗渗性能。
综上所述，本申请具有以下有益效果：
1、由于本申请采用改性油麻藤纤维，改性油麻藤纤维的耐温性能得到了提升，使其能够在管桩的高温蒸养过程中不被破坏，改性油麻藤纤维能够改善混凝土内部微孔结构的连通性，而且在混凝土中形成三维网状结构，在混凝土固化时和固化后起到抑制裂缝产生的作用，增强混凝土的抗渗性能。
2、本申请中优选在预处理纤维酯化反应前进行热处理，热处理步骤可以降低预处理纤维的结晶度，有利于酯化接枝反应的进行，增强混凝土的抗渗性能。
具体实施方式
以下结合实施例对本申请作进一步详细说明。
改性油麻藤纤维的制备例
制备例1
改性油麻藤纤维，其制备方法如下：从油麻藤上取下15kg蔓茎，用水洗净后干燥，粉碎，得到粗纤维，粗纤维的长度为5mm，纤度为0.5D；将0.5kg氢氧化钠和0.1kg表面活性剂加入60kg水中，表面活性剂是木质素磺酸钠，混合均匀，得到处理液；将粗纤维投入处理液中，升温至60℃反应40min，过滤，水洗，烘干，得到预处理纤维；将预处理纤维、2kg芳香酸、0.1kg酯化催化剂和90kg乙醇混合均匀，芳香酸是对苯二甲酸，酯化催化剂是次磷酸钠，升温至90℃，反应15min后，过滤，水洗，干燥，得到改性油麻藤纤维。
制备例2
改性油麻藤纤维，其制备方法如下：从油麻藤上取下20kg蔓茎，用水洗净后干燥，粉碎，得到粗纤维，粗纤维的长度为10mm，纤度为3D；将1kg氢氧化钠和0.15kg表面活性剂加入70kg水中，表面活性剂是十二烷基苯磺酸钠，混合均匀，得到处理液；将粗纤维投入处理液中，升温至70℃反应35min，过滤，水洗，烘干，得到预处理纤维；将预处理纤维、3kg芳香酸、0.2kg酯化催化剂和95kg乙醇混合均匀，芳香酸是间苯二甲酸，酯化催化剂是磷酸氢二钠，升温至95℃，反应12min后，过滤，水洗，干燥，得到改性油麻藤纤维。
制备例3
改性油麻藤纤维，其制备方法如下：从油麻藤上取下30kg蔓茎，用水洗净后干燥，粉碎，得到粗纤维，粗纤维的长度为20mm，纤度为5D；将1.5kg氢氧化钠和0.2kg表面活性剂加入80kg水中，表面活性剂是二丁基萘磺酸钠，混合均匀，得到处理液；将粗纤维投入处理液中，升温至80℃反应30min，过滤，水洗，烘干，得到预处理纤维；将预处理纤维、4kg芳香酸、0.3kg酯化催化剂和100kg乙醇混合均匀，芳香酸是邻苯二甲酸，酯化催化剂是磷酸钠，升温至100℃，反应10min后，过滤，水洗，干燥，得到改性油麻藤纤维。
制备例4
改性油麻藤纤维，与实施例1的不同之处在于，其制备方法中未加入表面活性剂。
制备例5
改性油麻藤纤维，与实施例1的不同之处在于，其制备方法中表面活性剂的重量为0.05kg。
制备例6
改性油麻藤纤维，与实施例1的不同之处在于，其制备方法中芳香酸是苯乙酸。
制备例7
改性油麻藤纤维，与实施例1的不同之处在于，其制备方法中酯化催化剂是硫酸铁。
制备例8
改性油麻藤纤维，与实施例1的不同之处在于，其制备方法中的粗纤维的长度是2mm。
制备例9
改性油麻藤纤维，与实施例1的不同之处在于，其制备方法中的粗纤维的长度是30mm。
制备例10
改性油麻藤纤维，与实施例1的不同之处在于，预处理纤维在酯化反应前经过热处理步骤：将预处理纤维置于氮气保护氛围下，在温度为160℃下保温处理10min。
制备例11
改性油麻藤纤维，与实施例1的不同之处在于，预处理纤维在酯化反应前经过热处理步骤：将预处理纤维置于惰性气体保护氛围下，在温度为170℃下保温处理5min。
对比制备例1
油麻藤粗纤维，其制备方法如下：从油麻藤上取下15kg蔓茎，用水洗净后干燥，粉碎，得到粗纤维，粗纤维的长度为5mm，纤度为0.5D。
对比制备例2
改性油麻藤纤维，其制备方法如下：从油麻藤上取下15kg蔓茎，用水洗净后干燥，粉碎，得到粗纤维，粗纤维的长度为5mm，纤度为0.5D；将0.5kg氢氧化钠和0.1kg表面活性剂加入60kg水中，表面活性剂是木质素磺酸钠，混合均匀，得到处理液；将粗纤维投入处理液中，升温至60℃反应40min，过滤，水洗，烘干，得到改性油麻藤纤维。
对比制备例3
改性油麻藤纤维，其制备方法如下：从油麻藤上取下15kg蔓茎，用水洗净后干燥，粉碎，得到粗纤维，粗纤维的长度为5mm，纤度为0.5D；将粗纤维、2kg芳香酸、0.1kg酯化催化剂和90kg乙醇混合均匀，芳香酸是对苯二甲酸，酯化催化剂是次磷酸钠，升温至90℃，反应15min后，过滤，水洗，干燥，得到改性油麻藤纤维。
实施例
实施例1
一种混凝土管桩，包括混凝土和钢筋，混凝土由包含表1中的原料制成，其中，改性油麻藤纤维由制备例1制备得到，石英粉和砂子是细骨料，石子是粗骨料，高效减水剂是聚羧酸减水剂，购自济南祥发化工科技有限公司。
混凝土管桩的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，将水泥、石英粉、砂子、石子、高效减水剂、改性油麻藤纤维与水混合，搅拌均匀，得到混凝土；
步骤二，将混凝土注入模具中，离心成型，在80℃条件下恒温养护6小时，再冷却至常温；
步骤三，养护后进行脱模，得到管桩坯体；
步骤四，将管桩坯体进行高压蒸汽养护，蒸汽压力为0.9Mpa，温度为200℃，养护7小时，得到混凝土管桩。
实施例2
一种混凝土管桩，与实施例1的不同之处在于，混凝土由包含表1中的原料制成，其中，改性油麻藤纤维由制备例2制备得到。
实施例3
一种混凝土管桩，与实施例1的不同之处在于，混凝土由包含表1中的原料制成，其中，改性油麻藤纤维由制备例3制备得到。
表1实施例1-3中的混凝土管桩的原料及其重量(kg)
原料 实施例1 实施例2 实施例3
水泥 300 310 320
石英粉 110 120 130
砂子 670 660 650
石子 1320 1330 1350
高效减水剂 8 9 10
水 120 130 140
改性油麻藤纤维 15 20 30
实施例4-9
一种混凝土管桩，与实施例1的不同之处在于，混凝土原料中的改性油麻藤纤维分别由制备例4-9制备得到。
实施例10
一种混凝土管桩，实施例1的不同之处在于，混凝土管桩的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，将水泥、石英粉、砂子、石子、高效减水剂、改性油麻藤纤维与水混合，搅拌均匀，得到混凝土；
步骤二，将混凝土注入模具中，离心成型，在90℃条件下恒温养护5小时，再冷却至常温；
步骤三，养护后进行脱模，得到管桩坯体；
步骤四，将管桩坯体进行高压蒸汽养护，蒸汽压力为1.1Mpa，温度为210℃，养护5小时，得到混凝土管桩。
实施例11-12
一种混凝土管桩，与实施例1的不同之处在于，混凝土原料中的改性油麻藤纤维分别由制备例10-11制备得到。
对比例
对比例1
一种混凝土管桩，与实施例1的不同之处在于，未加入改性油麻藤纤维。
对比例2
一种混凝土管桩，与实施例1的不同之处在于，改性油麻藤纤维替换为等重量的对比制备例1制备的油麻藤粗纤维。
对比例3
一种混凝土管桩，与实施例1的不同之处在于，改性油麻藤纤维由对比制备例2制备得到。
对比例4
一种混凝土管桩，与实施例1的不同之处在于，改性油麻藤纤维由对比制备例3制备得到。
性能检测试验
试验方法
(1)参照GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》规定的混凝土抗水渗透性试验方法，将实施例1-12、对比例1-4中的混凝土制成标准试块，测试在恒定水压力0.8MPa下的渗水高度，重复测试6组，计算平均渗水高度(mm)。
(2)热失重分析：利用热分析仪进行测试，气体流量为10mL/min，升温速率5℃/min、温度范围为30-500℃，根据TGA曲线确定制备例1-9和对比制备例的5％失重温度(T5)。
另外，本申请实施例中的混凝土管桩经检验，外观质量、尺寸偏差、抗弯性能及混凝土抗压强度均符合GB13476-2009《先张法预应力混凝土管桩》标准的要求。
表2抗水渗透性试验结果
实施例/对比例编号 平均渗水高度/mm
实施例1 12.0
实施例2 11.5
实施例3 10.8
实施例4 15.1
实施例5 14.2
实施例6 13.5
实施例7 15.7
实施例8 12.9
实施例9 14.2
实施例10 12.2
实施例11 9.5
实施例12 9.3
对比例1 40.5
对比例2 35.6
对比例3 32.8
对比例4 31.2
表3热失重测试结果
Figure BDA0002798231510000071
Figure BDA0002798231510000081
结合实施例1-12和对比例1-4并结合表2可以看出，对比例1的平均渗水高度高达40.5mm，说明对比例1的混凝土抗渗水性很差，对比例2在对比例1的基础上加入了未经改性处理的油麻藤纤维，平均渗水高度下降到了35.6mm，说明油麻藤纤维虽然可以提高混凝土抗渗水性，但是在没有进行改性就加入混凝土时，抗渗水性仍然有待提升；对比例3在对比例2的基础上对油麻藤纤维进行了碱改性处理，平均渗水高度进一步下降到了32.8mm，说明油麻藤纤维经过碱改性处理可以进一步提高混凝土抗渗水性，原因可能是碱改性处理改善了油麻藤纤维与混凝土之间的界面相容性；对比例4在对比例2的基础上对油麻藤纤维进行了酯化接枝反应，平均渗水高度进一步下降到了31.2mm，说明油麻藤纤维经过酯化接枝反应可以进一步提高混凝土抗渗水性，原因可能是增强了油麻藤纤维的分散性，从而提高了混凝土抗渗水性，由于芳香酸中含有苯环，能够提高油麻藤纤维的耐温性能，在进行高压蒸养时也不会破坏改性油麻藤纤维的结构。
实施例1在对比例2的基础上对油麻藤纤维进行了碱改性和酯化接枝后，平均渗水高度大幅下降至12mm，下降幅度大于对比例3和4的下降幅度之和，说明碱改性和酯化接枝可以协同增效，显著提高混凝土抗渗水性；实施例4在没有加入表面活性剂时，平均渗水高度上升至15.1mm，说明加入表面活性剂可以提高混凝土抗渗水性，原因可能是表面活性剂促进了碱改性过程中杂质的分离；实施例5加入的表面活性剂低于本申请的最低值时，平均渗水高度上升至14.2mm，说明表面活性剂加入太少时，难以提高混凝土抗渗水性；实施例6将芳香酸替换为苯乙酸时，平均渗水高度上升至13.5mm，抗渗水性劣于实施例1，说明采用二甲酸、间苯二甲酸、邻苯二甲酸改性油麻藤纤维优于苯乙酸改性，实施例7将酯化催化剂替换为硫酸铁时，平均渗水高度上升至15.7mm，说明采用次磷酸钠、磷酸氢二钠、磷酸钠作为催化剂时优于硫酸铁，实施例8中油麻藤纤维的长度为2mm时，平均渗水高度上升至12.9mm，实施例9中油麻藤纤维的长度为30mm时，平均渗水高度上升至14.2mm，说明油麻藤纤维的长度会影响混凝土的抗渗水性。
实施例11-12的预处理纤维在酯化反应前经过热处理步骤后，平均渗水高度下降至9.5mm和9.3mm，说明热处理步骤可以提高混凝土的抗渗水性，原因可能是热处理步骤可以降低预处理纤维的结晶度，有利于预处理纤维与芳香酸结合，增强混凝土的抗渗性能。
结合制备例1-11和对比制备例1-3并结合表3可以看出，对比制备例1中的油麻藤粗纤维5％热失重温度为190℃，难以抵抗高温蒸养时的高温，对比制备例2对油麻藤粗纤维进行碱处理后，5％热失重温度上升至195℃，说明碱处理可以提高油麻藤粗纤维的耐热稳定性，但仍然没有达到管桩高温蒸养的最低温度，对比制备例3在对油麻藤纤维进行接枝芳香酸处理后，5％热失重温度大幅上升至220℃，说明在油麻藤纤维上接枝芳香酸可以显著提高其耐热稳定性。制备例1在同时进行碱处理和酯化接枝处理后，5％热失重温度进一步提升至230℃，说明碱处理和酯化接枝可以协同增效，显著提高改性油麻藤纤维的耐热稳定性。
制备例10-11将预处理纤维在酯化反应前经过热处理后，5％热失重温度上升至233℃和235℃，说明热处理步骤可以提高改性油麻藤纤维的耐热稳定性。
本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (8)

1.一种混凝土管桩，包括混凝土和钢筋，其特征在于，所述混凝土由包含以下重量份数的原料制成：
水泥300-320份；
石英粉110-130份；
砂子650-670份；
石子1320-1350份；
高效减水剂8-10份；
水120-140份；
改性油麻藤纤维15-30份；
所述改性油麻藤纤维是由油麻藤蔓茎纤维经过碱性预处理后与芳香酸酯化反应制得。
2.根据权利要求1所述的一种混凝土管桩，其特征在于：所述改性油麻藤纤维的制备方法如下：从油麻藤上取下15-30份蔓茎，用水洗净后干燥，粉碎，得到粗纤维；将0.5-1.5份氢氧化钠和0.1-0.2份表面活性剂加入60-80份水中，混合均匀，得到处理液；将粗纤维投入处理液中，升温至60-80℃反应30-40min，过滤，水洗，烘干，得到预处理纤维；将预处理纤维、2-4份芳香酸、0.1-0.3份酯化催化剂和100-120份乙醇混合均匀，升温至90-100℃，反应10-15min后，过滤，水洗，干燥，得到改性油麻藤纤维。
3.根据权利要求2所述的一种混凝土管桩，其特征在于：所述表面活性剂选自木质素磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠、二丁基萘磺酸钠中的任意一种。
4.根据权利要求2所述的一种混凝土管桩，其特征在于：所述芳香酸选自对苯二甲酸、间苯二甲酸、邻苯二甲酸中的任意一种。
5.根据权利要求2所述的一种混凝土管桩，其特征在于：所述酯化催化剂选自次磷酸钠、磷酸氢二钠、磷酸钠中的任意一种。
6.根据权利要求2所述的一种混凝土管桩，其特征在于：所述粗纤维的长度为5～20mm，纤度为0.5-5D。
7.根据权利要求2所述的一种混凝土管桩，其特征在于：所述预处理纤维在酯化反应前经过热处理步骤：将预处理纤维置于惰性气体保护氛围下，在温度为160-170℃下保温处理5-10min。
8.权利要求1-7任一项所述的混凝土管桩的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一，将水泥、石英粉、砂子、石子、高效减水剂、改性油麻藤纤维与水混合，搅拌均匀，得到混凝土；
步骤二，将混凝土注入模具中，离心成型，在80-90℃条件下恒温养护5-6小时，再冷却至常温；
步骤三，养护后进行脱模，得到管桩坯体；
步骤四，将管桩坯体进行高压蒸汽养护，蒸汽压力为0.9-1.1Mpa，温度为200-210℃，养护5-7小时，得到混凝土管桩。
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