CN114293539A - 一种功能梯度自愈合高强混凝土管桩及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种功能梯度自愈合高强混凝土管桩及其制备方法,包括ECC及自愈合混凝土配料、ECC及自愈合混凝土搅拌、钢筋笼制作、功能梯度分段喂料合模、离心成型、拆模及养护。在ECC及自愈合混凝土中掺加了活性掺合料(粉煤灰、矿粉等)和高性能减水剂,加速水泥水化反应,免除常规工艺拆模后的高压蒸养,节约能源,制备的管桩只在易开裂的两端布置自愈合混凝土,不易开裂的中部用强度相近ECC代替,通过功能梯度的方法使两者之间性能梯度渐变而不会产生界面破坏,可以有效解决现有混凝土管桩易开裂、在腐蚀环境下耐久性差的问题。

Description

一种功能梯度自愈合高强混凝土管桩及其制备方法
技术领域
本发明属于混凝土管桩技术领域,具体涉及一种功能梯度自愈合高强混凝土管桩及其制备方法。
背景技术
混凝土管桩作为一种重要的桩基材料,因其承载力高、施工便利、工期短、造价低等优点,在许多大型工程地基处理中得到了广泛的应用。随着近年来国家经济建设持续快速的发展,市场对混凝土管桩的需求范围急速扩大,尤其在滨海地区的应用愈加广泛,同时也对混凝土管桩在性能、质量以及经济性方面提出了更高的要求。
裂缝是混凝土管桩自身不可避免的缺陷,尽管在混凝土结构设计过程中已经考虑到裂缝的影响,但在实际工程中由于裂缝而降低结构耐久性和安全性的问题,仍造成巨额的检测和修复费用。在运输、吊桩、插桩等施工过程中,桩身容易开裂,特别在锤击沉桩过程中,其微裂缝通常会因应力集中而进一步发展成纵向裂缝,甚至造成桩头或桩顶破损。对于开裂的混凝土管桩,环境中的有害物质(酸、除冰盐、氯离子等)会沿着裂缝入侵,引起混凝土内部钢筋发生锈蚀,导致其刚度降低,承载力衰退,从而造成耐久性下降。福建省交通运输厅发布的闽交建[2018]136号文件中规定,在福建省公路水运工程中,预应力高强混凝土管桩因裂缝造成耐久性的问题被限制使用。因此,要求混凝土管桩必须具有较高的力学性能、较好的抗渗性能和较强的裂缝控制能力,才能保证滨海环境下混凝土管桩的耐久性。
SMA-ECC水泥基复合材料是一种具有裂缝自愈合能力的高延性混凝土材料,其各项力学性能优于高强混凝土,具有良好的抗渗性能,在弯拉荷载作用下表现出显著的多缝开裂特征,损伤至50%极限弯曲位移时裂缝宽度可控制在50µm以内,卸载后裂缝可瞬时自行愈合。然而,其高昂的成本限制了该材料的多方位应用。功能梯度技术是根据具体的使用要求,选择两种或两种以上具有不同性能的材料,通过连续改变这些材料的组成和结构,使其内部界面减小直至消失,从而使材料达到性质和功能均呈连续平稳变化的一种先进材料复合技术。本发明在管桩制备过程中引入功能梯度设计的思路,将混凝土管桩的功能设计与结构设计结合起来,通过桩身组分的变化来改善其性能并大幅度降低制作成本。
混凝土管桩在沉桩过程中,通常桩顶或桩底端受损严重。因此,以自愈合混凝土作为桩身两端材料、ECC作为桩身中部材料,采用功能梯度复合技术工艺制备出一种功能梯度自愈合高强混凝土管桩。相比高强混凝土管桩,本发明的管桩凭借其优越的力学性能、抗渗性能、裂缝控制及自愈合能力在工程建设中,特别是在腐蚀环境下具有远大的应用前景。
发明内容
本发明的目的在于提供一种功能梯度自愈合高强混凝土管桩及其制备方法。针对传统管桩两端部易开裂的缺点而采用SMA-ECC水泥基复合材料代替,充分利用该自愈合混凝土的应变硬化特性和自愈合能力,用强度相同的ECC作为不易开裂的桩身中部材料,采用功能梯度分段复合技术工艺消除界面弱区,制成功能梯度自愈合高强管桩。使管桩具有高抗压强度(60MPa以上)、高抗裂性、良好的抗渗性和损伤后自愈性。同时在保证管桩物理力学性能、耐久性、自愈性和生产时间的前提下,去掉传统生产技术中的高压蒸养环节,从而节约大量能耗和成本。
为实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种功能梯度自愈合高强混凝土管桩的制备方法,包括ECC及自愈合混凝土的配料、ECC及自愈合混凝土的搅拌、钢筋笼制作、功能梯度分段布料合模、离心成型、拆模及养护,其中养护由两个阶段组成,第一阶段位于拆模前,该阶段的养护为常压蒸汽养护,第二阶段位于拆模后,该阶段的养护为标准养护或自然养护。
所述ECC及自愈合混凝土的原料包括水泥、矿物掺合料(粉煤灰、硅灰和矿渣粉等)、细砂、超弹性SMA纤维和PVA纤维、水和减水剂。
进一步地,所述水泥为强度等级不低于42.5的硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥等。
进一步地,所述矿物掺合料包括粉煤灰、硅灰、矿渣粉、玻璃粉等,矿物掺合料占胶凝材料(水泥+矿物掺合料)质量的0.55~0.75。
进一步地,所述细砂为粒径小于200目的石英砂,细砂与胶凝材料的质量比为0.3~0.4。
进一步地,所述减水剂为减水率不低于20%的高性能减水剂,是通过和易性实验确定含量,其作用是通过表面物理化学作用使水泥颗粒分散,从而改善基质的流动性、降低用水量,并与活性矿物掺合料复合可提高管桩材料的工作性和抗压强度;高性能减水剂掺量占胶凝材料质量的0.2%~0.3%。
进一步地,所述超弹性SMA纤维,需要经过热处理(奥氏体完成温度)来获得形状记忆合金的超弹性性能。
进一步地,以乱向短纤维增强水泥基复合材料的纤维桥连法作为设计理论基础,考虑基材、纤维以及两者界面性能,建立实现水泥基复合材料应变-硬化特性的两个设计准则,即裂缝稳态扩展准则和初裂应力准则,确定纤维用量;总纤维用量占水泥基复合材料体积的2.2%~3%。
进一步地,所述钢筋笼制作是将主筋和环形箍筋按一定间距放置在钢筋笼绑扎机内,使箍筋不断在主筋上缠绕形成钢筋笼。
进一步地,圆筒形钢模对半分为两部分,其中一半用以安装钢筋笼和分段布料,另一半是作为模盖为合模后的离心过程留出足够空间。将绑扎好的钢筋笼放进钢模的同时,用半圆形隔板将钢模分段隔开,使钢模分隔成2个自愈合段,2个功能梯度段和1个ECC段。各段长度分别满足:两端自愈合段长度均为整体的20%,ECC段长度宜为整体的30%,ECC段与自愈合段之间的两个功能梯度段长度均为整体长度的15%。
进一步地,所述ECC及自愈合混凝土的搅拌方法是将水泥、矿物掺合料、细砂按一定比例一同加入水泥浆搅拌机中干混1~2分钟,再加入适量的水和减水剂,搅拌均匀后按不同的分段区加入相应量的SMA纤维和PVA纤维继续搅拌,混合搅拌10~20分钟,待纤维均匀分散即可。需要注意的是,功能梯度段分为3节,在保持纤维总体积分数不变的情况下,使SMA纤维体积分数由ECC段的0%逐渐过渡到自愈合段1%。其中功能梯度段的3节SMA纤维体积分数变化宜为0%-0.25%-0.5%-0.75%-1%。
进一步地,将搅拌好的ECC、自愈合混凝土及功能梯度料按照不同的分段区域对应布料,布料结束后合模。
进一步地,所述离心成型是将合模后的管桩放入离心槽中进行离心,离心过程按慢速、低速、中速、高速四个阶段进行,高速离心时间延长2~3min,总离心时间控制在15~18min,具体离心时间根据离心速率确定。
进一步地,所述的养护不含高温蒸压养护。
进一步地,所述常压蒸汽养护包括静停、升温、恒温与降温的过程。
进一步地,所述静停时间不低于2小时,升温1~2小时,恒温6~8小时和降温1~2小时,所述恒温温度为80~90 ℃。
进一步地,所述标准养护为在养护温度为17~23 ℃、相对湿度为95%以上条件下养护5~7天。
本发明的功能梯度自愈合高强混凝土管桩,与现有技术相比,其有益效果在于:
1、相比混凝土,管桩中的ECC及自愈合混凝土中的矿物掺合料取代了部分水泥的用量,不仅提高了工业废渣利用率,还保护了环境。此外,所掺入的活性掺合料和高性能减水剂加速了水泥水和化反应,免去了高温高压蒸养的环节,较传统高强混凝土管桩两段式养护工艺更为节能和环保。
2、本发明的管桩在满足高抗压强度(60MPa以上)的基础上,具有良好的力学性能,其抗拉强度达到2.4~3.2MPa,弯曲强度达到11~13MPa,在不配置纵向受力钢筋的情况下,弯曲挠度可稳定达到长度(跨度)的1%左右。
3、本发明的管桩桩身材料是以胶凝材料、细集料、水和外加剂所组成的密实混凝土材料,不含粗骨料,相较传统混凝土管桩,该管桩在无损情况下内部缺陷较少,具有优越的抗渗性能。
4、本发明的管桩中自愈合混凝土为发挥主要作用的部分,将其设置在桩身两端,充分利用其优越的多微缝开裂特性和自愈合能力,弥补了管桩在两端易开裂的缺点。同时桩身中间段不易开裂的部分用纤维总体积分数相同的ECC代替,保证强度不变的同时也能降低成本。并且通过在ECC段和自愈合混凝土段设置功能梯度段使ECC段到自愈合段的性能梯度变化而不至于因为变化过于尖锐导致产生界面破坏。提高了管桩的抗裂性能和损伤后的自愈性能,解决了现有混凝土管桩在沿海地区因易开裂、腐蚀而导致耐久性劣化的问题。
附图说明
图1是管桩钢筋笼。
图2是管桩分段布料。
图3是功能梯度自愈合高强混凝土管桩。
图中,1-主筋,2-箍筋,3-半圆形钢模模盖,4-半圆形钢模,5-管桩的自愈合区段,6-管桩的ECC区段,7-管桩的功能梯度区段,9-SMA纤维体积分数为0.25%的功能层节,10-SMA纤维体积分数为0.5%的功能层节,11-SMA纤维体积分数为075%的功能层节。
图4是持压下毛细吸水试验装置,(a)实施例混凝土,(b)对比例混凝土。
图5是不同轴压应力水平下累计吸水量曲线。
图6是四点弯曲试验。
图7是超声脉冲检测。
具体实施方式
以下列举具体实施方式以进一步阐述本发明,应理解实施方式不限于此,对于未特别注明的工艺参数,可参照常规技术进行。
实施例1:
原材料:P.O 42.5普通硅酸盐水泥,5000目Ⅰ级粉煤灰,1000目S95矿渣粉,100目石英砂,长度12mm、直径40μm的PVA纤维,长度16mm、直径600μm的超弹性SMA纤维,自来水和减水率高达38%的聚羧酸型高效减水剂。其中按质量百分比计,水泥:粉煤灰:矿粉:砂:水=0.45: 0.4: 0.15: 0.4: 0.25;以水泥、粉煤灰、矿粉、砂和水混合均匀后的总体积为基数,PVA纤维的体积掺量为1.7%,SMA纤维的体积掺量为1%,聚羧酸型高效减水剂掺量为胶凝材料质量的0.002。
所述超弹性SMA纤维需要进行热处理来提高形状记忆合金的超弹性性能:将SMA纤维放入550℃高温炉中保温15分钟左右,然后取出水冷。
一种具有功能梯度自愈合能力的高强管桩的制备方法,具体实施步骤如下:
步骤1:将主筋和箍筋放置在钢筋笼绑扎机内,使箍筋不断在主筋上缠绕形成钢筋笼,如图1所示,接着把钢筋笼安装在钢模内。
步骤2:对安装好钢筋笼的钢模进行分段,用分隔板将钢模分成5段,分别为2个自愈合段、1个ECC段及两者之间的功能梯度段。其中,桩身两端的自愈合段长度均为整体的20%,桩身中部的ECC段长度宜为整体的30%,ECC段与自愈合段之间的两个功能梯度段长度均为整体长度的15%。
步骤3:将水泥、粉煤灰、矿渣粉和石英砂按一定比例一同加入水泥浆搅拌机中干混2分钟,再加入适量的水和减水剂,搅拌均匀后,紧接着按照不同的分段区域加入相对应体积百分比的PVA和SMA纤维继续搅拌,混合搅拌15分钟,待纤维均匀分散即可。其中功能梯度段的3节SMA纤维体积分数变化宜为0%-0.25%-0.5%-0.75%-1%,总纤维体积分数保持不变。
步骤4:将搅拌好的ECC、自愈合混凝土及功能梯度料,按照对应的分段区域分别浇注入钢模中,布料过程中保持连续,浇注完成如图2所示,喂料结束后盖上另一半钢模模盖简称合模。
步骤5:将合模后的管桩放入离心槽中进行离心,离心过程按慢速、低速、中速、高速四个阶段进行,离心的时间分别控制在2min、3min、3min、8min,总计16min左右。
步骤6:将离心成型后的管桩静停2小时,并在蒸养池中进行常压(0.1MPa)蒸汽养护12小时,升温2小时,恒温8小时,降温2小时,恒温温度80~90 ℃。
步骤7:经过常压蒸养后拆去模具,在17~23 ℃、相对湿度为95%以上条件下养护7天。拆模后的功能梯度自愈合高强混凝土管桩如图3所示。
对比例1:
采用传统高强混凝土管桩。管桩混凝土配合比(单位kg/m3)如下:
Figure DEST_PATH_IMAGE001
实验例:
管桩在服役时会遭受拉、压、弯曲甚至冲击荷载的作用,导致构件开裂,为侵蚀性介质的进入提供快捷通道,造成钢筋锈蚀,从而降低管桩的耐久性。因此,本实验例在不同工况下对实施例1所得管桩的主要功能部分——自愈合混凝土段进行力学性能、抗渗性能和自愈合性能测试。
取实施例1发挥抗裂自愈合作用的材料和对比例1中的管桩材料进行对比,分别在管桩混凝土生产线上取两种不同材料的混凝土,采用100mm的立方体试模、厚度为50mm的弧形狗骨试模、尺寸为100mm×100mm×400mm的棱柱体试模和外径150mm、内径65mm的中空圆柱体试模成型混凝土试块进行留样。
实施例1中的自愈合耐腐蚀管桩混凝土采用蒸汽养护+标准养护,蒸汽养护制度:静停2小时,升温2小时,恒温8小时,降温2小时,恒温温度80~90 ℃。对比例1中的PHC管桩混凝土采用常压蒸汽养护+高压蒸养两阶段养护方式,其中高压蒸养方法为:预热1小时,升温3.5小时,恒温5小时(恒温压力1MPa,恒温温度180℃),降温3.5小时。
1. 力学性能测试
基于管桩混凝土在服役时会承受不同工况下的压、拉、弯载荷的作用,对边长为100mm立方体试件、厚度为50mm的弧形狗骨试件和尺寸为100mm×100mm×400mm的棱柱体试件分别进行立方体抗压试验、单轴拉伸试验和四点弯曲试验。抗压强度、极限拉伸强度以及弯曲强度依据JTJ270-1998《水运工程混凝土试验规程》的相关规定进行。弯曲韧性指数计算方法依据CECS13:2009《纤维混凝土试验方法标准》。实施例1和对比例1中管桩混凝土的力学性能见表1。
Figure 732372DEST_PATH_IMAGE002
通过对实施例1与对比例1中管桩留样混凝土的力学性能研究发现,本实施例中管桩混凝土的抗压强度、抗拉强度、抗弯强度及变形能力都优于现有高强混凝土。该实施例所得管桩混凝土的弯曲韧性指数更是高达18.69,远高于对比例中管桩混凝土。
2.无损下抗渗性能测试
混凝土管桩自身的内部缺陷往往会引起氯离子以水分子为媒介入侵混凝土内部到达钢筋表面,引起钢筋锈蚀,导致管桩承载力衰退、耐久性下降。因此,无损混凝土管桩自身的抗渗性能对抗腐蚀能力起着至关重要的作用。采用外径150mm、内径65mm的中空圆柱体试件,通过轴压下的毛细吸水试验(如图4所示)对实施例1所得管桩混凝土进行抗渗性能研究,并与对比例1混凝土进行比较。测试指标:累计吸水量和毛细吸水速率。试验测试结果见表2和图5。
通过对实施例1与对比例1中管桩切割混凝土的抗渗性能试验研究可知,实施例所得管桩混凝土的累计吸水量远低于对比例所得管桩混凝土,且吸水速率也小于对比例混凝土,说明实施例管桩混凝土具有优异的抗渗性。根据累计吸水量曲线(如图7)可知,在轴压荷载下,对比例管桩混凝土的累计吸水量随压应力的增加呈先下降后上升的趋势,当压应力水平高于60%时,由于内部产生较大的损伤和裂缝的形成,裂缝效应大于压实效应,导致吸水量过大,抗渗能力大幅度降低。而实施例所得管桩混凝土的累计吸水量随着压应力水平的增加而持续降低,说明本发明裂缝自愈耐腐蚀管桩在轴压荷载下几乎不会出现太大的损伤,且没有明显裂缝的产生,在服役期间具有更优异的抗渗性能。
Figure DEST_PATH_IMAGE003
3. 抗裂性能及自愈合能力测试
混凝土管桩在施工工程中(运输、吊装、沉桩等)不可避免地会出现裂缝。带裂缝的混凝土管桩在服役过程中会受到外界腐蚀性物质入侵,致使管桩内钢筋锈蚀,承载力下降,耐久性劣化。通过四点弯曲试验和超声脉冲检测对实施例1所得管桩混凝土进行裂缝宽度测定和自愈合性能测试,基于最大裂缝宽度、裂缝数量、裂缝平均宽度来综合评价裂缝自愈合能力,基于弯曲强度、刚度和挠度的恢复情况评价力学性能自恢复能力,基于声能量法评价内部损伤自恢复能力。测试结果具体参数见表3和表4。
预裂弯曲试验:四点弯曲试验如图6所示,以实施例1和对比例1的配合比分别准备4组100mm×100mm×400mm试件,预裂至极限弯曲位移的0%、50%、70%和90%。通过荷载-挠度曲线得到相应的力学性能,并测量裂缝数量及其相应宽度,二次加载后测试自愈合后的力学性能。测试指标为裂缝自愈合程度、力学性能自恢复程度。
超声脉冲检测:利用非金属超声脉冲检测仪对上述弯曲试件在加载前、持荷中、卸载后进行声速和振幅的测量,如图7所示,并用相应软件对数据进行分析处理,测试其内部损伤的自愈合程度。
研究结果显示,当试件预裂至极限弯曲位移的50%,试件表面均匀分布着密集而细小的裂纹,表现出显著的多缝开裂特征,最大裂缝宽度为48μm,低于氯离子入侵混凝土的最小阈值宽度W1(50μm),且裂缝自愈合程度高达90%,力学性能恢复率和内部损伤恢复率也在80%~90%范围内,表明实施例1所得管桩具有优越的抗裂性能和自愈合性能;预裂至极限弯曲位移的70%时,仍有近一半的裂缝愈合,且强度和内部损伤均有一定程度的恢复。而对比例1所用管桩混凝土试件在弯拉荷载下仅出现一条宽度约为0.4mm的主裂缝,为典型的一裂即坏的脆性破坏,不具备自愈合能力。
Figure 587196DEST_PATH_IMAGE004
注:对比例1所得管桩混凝土裂缝数量只有1条,为典型的一裂即坏的脆性破坏。
Figure DEST_PATH_IMAGE005
综上所述,相比现有混凝土管桩,本发明提供的具有功能梯度自愈合能力的高强管桩不仅有着更好的力学性能,还具有优越的裂缝控制能力、抗渗能力和损伤后的自愈能力。
需要说明的是上述实施例仅仅是本发明的较佳实施例,并没有来限定本发明的保护范围,在上述基础上做出的等同替换或者替代均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种功能梯度自愈合高强混凝土管桩,其特征在于:中间为ECC段,两端为自愈合混凝土段,在ECC段与自愈合混凝土段之间为功能梯度段;两端自愈合混凝土段长度均为管桩的20%,中间ECC段长度占管桩的30%。
2.一种制备如权利要求1所述的功能梯度自愈合高强混凝土管桩的方法,其特征在于:包括ECC及自愈合混凝土配料、ECC及自愈合混凝土搅拌、钢筋笼制作、功能梯度分段喂料合模、离心成型、常压蒸汽养护、拆模及标准养护或自然养护。
3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于:自愈合混凝土的成分为胶凝材料、细砂、水、减水剂、SMA纤维和PVA纤维;所述的胶凝材料为硅酸盐水泥和矿物掺合料,所述的矿物掺合料为粉煤灰、矿粉、硅灰中的至少一种;所述的细砂粒径不大于200目;所述的胶凝材料在自愈合混凝土中用量为1210-1400kg/m3,所述的矿物掺合料用量为胶凝材料总质量的55-75%,所述的减水剂用量为胶凝材料总质量的0.2-0.3%,SMA纤维和PVA纤维占自愈合混凝土总体积的2.2-3%,其中SMA纤维占总体积的1%,水胶比为0.2-0.3,砂胶比为0.3-0.4;
ECC成分为胶凝材料、细砂、水、减水剂和PVA纤维,其中,PVA纤维占ECC总体积的2.2%-3%;除纤维外,ECC其他成分均与自愈合混凝土相同;
所述的ECC及自愈合混凝土搅拌是将硅酸盐水泥、矿物掺合料和细砂干混1~2分钟,再加入水和减水剂,搅拌均匀后加入纤维继续混合搅拌8~10分钟。
4.根据权利要求2所述的方法,其特征在于:所述的钢筋笼制作过程是将主筋和环形箍筋按一定间距放置在钢筋笼绑扎机内,使箍筋不断在主筋上缠绕形成钢筋笼。
5.根据权利要求2所述的方法,其特征在于:所述的功能梯度分段喂料合模是将钢模用隔板分成五段浇筑,中间段为ECC,两端为自愈合混凝土段,同时在ECC段与自愈合混凝土段之间布置性能渐变的功能梯度段;将搅拌好的ECC及自愈合混凝土按相应区域分段均匀布料;功能梯度段的喂料是将该段再分为3个功能层节,在保持纤维总体积分数不变的情况下,使SMA纤维体积分数由ECC段的0%逐渐过渡到自愈合段1%;喂料结束后合模。
6.根据权利要求2所述的方法,其特征在于:所述的离心成型是将合模后的管桩依次按慢速、低速、中速、高速四个阶段进行离心,高速离心时间延长2~3min,总离心时间控制在15~18min。
7.根据权利要求2所述的方法,其特征在于:所述的常压蒸汽养护包括静停、升温、恒温与降温的过程,所述静停时间不低于2小时,升温1~2小时,恒温6~8小时和降温1~2小时,所述恒温温度为80~90 ℃。
8.根据权利要求2所述的方法,其特征在于:所述的标准养护是在养护温度为17~23℃、相对湿度为95%以上条件下养护5~7天。
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