CN114956727B - 废渣利用型phc管桩混凝土及phc管桩 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及管桩的领域，具体公开了废渣利用型PHC管桩混凝土及PHC管桩。废渣利用型PHC管桩混凝土，按重量份数，包括有以下组分：改性镍渣，水泥，掺和料，细骨料，粗骨料，减水剂，水；改性镍渣的制备方法包括有以下步骤：将镍渣投入改性溶液中浸泡，取出干燥，得改性镍渣；改性溶液包括乙烯基三甲基硅烷、聚丁二烯胶乳、聚乙烯亚胺；PHC管桩采用上述废渣利用型PHC管桩混凝土制备而成，包括有以下步骤：预拌混凝土；布料、合模；离心成型；蒸汽养护、脱模。本申请的废渣利用型PHC管桩混凝土可用于制备PHC管桩，其具有坍落度低、和易性好的优点；另外，本申请的PHC管桩具有抗压强度较高、环保性高的优点。

Description

废渣利用型PHC管桩混凝土及PHC管桩
技术领域
本申请涉及混凝土领域，更具体地说，它涉及废渣利用型PHC管桩混凝土及PHC管桩。
背景技术
随着我国的国民经济迅速发展，我国每年在冶金过程中产生了大量废渣，如钢渣、镍渣、铜渣、锰渣等。这些废渣大量弃置，仅仅用来填埋或露天堆积，不仅占用大量土地，还成为了污染环境的一大公害。因此，将工业废渣经破碎、清洗、预处理后再按一定的比例混合，用于替代细骨料配置混凝土是回收利用废渣的重要手段。
PHC管桩，即预应力高强度混凝土管桩，是一种空心圆筒型混凝土预制构件，采用先张预应力离心成型工艺，并经过10个大气压、180摄氏度左右的蒸汽养护而成。管桩离心是PHC管桩的生产流程中的重要环节，需要将PHC管桩混凝土布入管桩模中，再使用管桩离心机带动管桩模做高速离心运动，从而完成中央带圆孔的管桩的制作。
在实际生产过程中发现，加入废渣替代部分细骨料的PHC管桩混凝土，在经过高速离心后，管桩的截面呈现出内层主要为胶凝材料与细骨料结合的砂浆层、外层主要为胶凝材料与粗骨料结合的混凝土层的分层现象，从而影响了PHC管桩成型后的抗压强度，使得PHC管桩的成品率大幅度降低。
发明内容
为了改善加入废渣后PHC管桩混凝土在高速离心过程中的分层现象，本申请提供废渣利用型PHC管桩混凝土及PHC管桩。
本申请提供的废渣利用型PHC管桩混凝土及PHC管桩采用如下的技术方案：
第一方面，本申请提供废渣利用型PHC管桩混凝土，采用如下的技术方案：
废渣利用型PHC管桩混凝土，按重量份数，包括有以下组分：改性镍渣300～500份，水泥400～500份，掺和料25～100份，细骨料300～350份，粗骨料900～1200份，减水剂5～9份，水100～120份；
所述改性镍渣的制备方法包括有以下步骤：将镍渣投入改性溶液中浸泡，取出干燥，得改性镍渣；
所述改性溶液包括重量比为1：(2～10)：(3～5)的乙烯基三甲基硅烷、聚丁二烯胶乳、聚乙烯亚胺。
实验结果显示，通过采用上述技术方案，能够制备出具有良好的和易性、抗压强度较高的PHC管桩混凝土，经过改性溶液处理后，能够有效改善镍渣加入混凝土后的和易性，使得制得的PHC管桩混凝土在前期不易出现离析、泌水现象，且作用效果稳定持久，在生产管桩的过程中具有较好的工作性，经过离心成型后仍然保持各组分的分布均匀、密实匀质的性能，不易出现内、外分层现象。
分析本申请达到上述技术效果的原因在于，水泥在混凝土中形成水泥浆，经过改性处理的改性镍渣中，聚丁二烯胶乳一方面能够包覆镍渣的表面小孔，提高改性镍渣的保水性；另一方面能够起到桥接作用，改善镍渣与水泥浆的界面过渡区的性能，减小界面过渡区尺寸，有效改善改性镍渣与水泥浆的界面过渡区的不匀质性，使得镍渣与水泥浆在整体上形成较连续的统一体，从而实现提高PHC管桩混凝土的粘聚性，使PHC管桩混凝土致密化。同时，加入乙烯基三甲基硅烷与聚乙烯亚胺后，乙烯基三甲基硅烷、聚乙烯亚胺与聚丁二烯胶乳的复合效应能够产生吸附大量水分并缓慢释放的作用，从而进一步改善镍渣保水性差的问题，获得了改善预拌混凝土出现泌水的现象、提高混凝土的和易性的效果，使得在生产管桩的离心过程中不易发生内、外离析，从而制备出质地均匀、强度较高的PHC管桩。
此外，实验中发现，本申请经过改性溶液处理后的改性镍渣加入PHC管桩混凝土中，不会影响混凝土粘度及流动性，无引气、缓凝等副作用，粗骨料和细骨料、以及改性镍渣颗粒在浆体中均匀分布，无明显的颗粒堆积和浆体流失现象。
可选的，所述减水剂采用聚羧酸型高性能减水剂、氨基磺酸盐减水剂中的一种。
实验结果显示，聚羧酸型高性能减水剂和氨基磺酸盐减水剂在制备PHC管桩混凝土具有较好的分散性，均能在水泥颗粒表面具有良好的锚固效果，经过搅拌均匀后，能够改善管桩混凝土的流动性，且使用过程中，混凝土的坍落度和拓展性损失较小，具有超塑化、减水、增强的效果。
可选的，所述掺和料选用矿粉、粉煤灰、硅粉中的一种或多种。
掺入适量矿粉，可改善PHC管桩的流动性，降低水泥水化热，改善混凝土的内部结构，提高抗渗和抗腐蚀能力；粉煤灰能够填充粗骨料、细骨料以及改性镍渣颗粒的空隙，并包裹形成润滑层，同时粉煤灰能够均匀分散在混凝土中，具有减水作用，不易发生泌水离析现象，制得的PHC管桩混凝土的可施工性和抹面性好；在混凝土中掺入硅粉可提高混凝土的强度，还能使混凝土更加密实，提高混凝土的耐久性。
可选的，所述掺和料的比表面积为400～450m2/kg。
实验结果显示，掺和料的比表面积为400～450m2/kg时，改性镍渣与其他组分的粘结性更佳，制得的PHC管桩混凝土的和易性，能够进一步提升制得的PHC管桩混凝土的强度，提升了本申请的综合性能。
可选的，所述细骨料采用磨细石英砂、江砂中的一种。
通过采用上述技术方案，掺入适量的磨细石英砂或江砂能够增加PHC管桩混凝土的保水性，从而提高制得的混凝土的施工性。
可选的，所述水泥采用强度≥42.5Mpa的普通硅酸盐水泥。
当采用强度≥42.5Mpa的普通硅酸盐水泥时，能够拌制出强度高、和匀性好的混凝土，同时具有早期强度较高，抗冻、耐磨、抗渗透性强的优点。
第二方面，本申请提供PHC管桩，采用如下的技术方案：
PHC管桩，采用上述的废渣利用型PHC管桩混凝土制备而成，包括有以下步骤：
预拌混凝土：按重量百分比，将水泥和50％的水进行预先搅拌，混合均匀后获得水泥净浆；将改性镍渣和掺和料进行搅拌均匀，再加入水泥净浆中搅拌均匀，再加入其他组分搅拌均匀即可获得预拌混凝土；
布料、合模：将预拌混凝土均匀地布入PHC管桩模具内，管桩模具合模后进行张拉；
离心成型；
蒸汽养护、脱模。
通过采用上述技术方案，获得了各组分均匀、和易性好、施工性佳的PHC管桩的预拌混凝土，再进行成型工艺即可制得PHC管桩，且经过离心成型过程后不易出现分层现象，能够保持PHC管桩的内层和外层的质地均匀。且本申请的制备方法操作简便，实用性较高。
可选的，所述离心成型分为低速、慢速、中速、高速四个阶段，低速的转速为130～150r/min，离心时间为1～2min；慢速的转速为230～250r/min，离心时间为1～2min；中速的转速为600～650r/min，离心时间为1～3min；高速的转速为850～900r/min，离心时间为2～6min。
实验结果显示，通过采用上述技术方案，将离心成型分为四个阶段，并在每个阶段匹配不同的离心转速和离心时间，能够进一步辅助改善PHC管桩在离心过程中发生分层的现象，能够明显减少混凝土出现泌水、离析的现象，同时具有减少余浆的效果。
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镍渣，利用乙烯基三甲基硅烷、聚丁二烯胶乳、聚乙烯亚胺复合的改性溶液对镍渣进行改性，制得了和易性较好的废渣利用型PHC管桩混凝土，在离心成型过程中不易产生内、外分层现象，获得了质地均匀、力学性能较好的PHC管桩；
2、本申请中优选采用改性镍渣代替部分细骨料，由于充分利用了工业废弃物，减少了细骨料用量，从而减少了对资源的消耗，降低PHC管桩混凝土的生产成本，有利于提高建筑行业的可持续发展，具有绿色环保、节能的特点；
3、本申请的PHC管桩，通过采用分级多段速离心的方式，进一步改善了管桩混凝土的离心成型生产过程中容易发生分层的现象，因此获得了质地均匀、致密化的PHC管桩的效果。
具体实施方式
以下对本申请作进一步详细说明。
实施例
实施例1：
废渣利用型PHC管桩混凝土，制备原料包括改性镍渣300份，水泥500份，掺和料25份，细骨料350份，粗骨料900份，减水剂9份，水100份；
其中，水泥为P.042.5的普通硅酸盐水泥，
减水剂采用聚羧酸型高性能减水剂，减水剂的比重为1.02(20℃)，PH值为5，含固量为30％；掺和料选用一级粉煤灰，比表面积为400m2/kg；
粗骨料采用碎石，粒径为10～25mm，表观密度2740kg/m3；
细骨料采用磨细石英砂，细度模数为2.4，表观密度2660kg/m3。
其中，本实施例采用的镍渣为经过预破碎、水淬冷处理的镍渣砂，粒径为0.35～0.5mm，改性镍渣的制备步骤如下：
将重量比为1：10：3的乙烯基三甲基硅烷、聚丁二烯胶乳、聚乙烯亚胺投入搅拌釜中混合均匀，再投入镍渣，搅拌均匀后浸泡30min，取出，在40℃下干燥，获得改性镍渣。其中，乙烯基三甲基硅烷的纯度为99％，密度为0.69g/ml；聚丁二烯胶乳的总固含量为54.0％，凝胶量为72.6％；聚乙烯亚胺为20％质量浓度的水溶液。
PHC管桩，采用上述废渣利用型PHC管桩混凝土制备而成，制备步骤如下：
配置预拌混凝土：1)按重量百分比，取水泥和50％的水投入搅拌机中进行预先搅拌，混合均匀后获得水泥净浆；2)将改性镍渣和掺和料进行搅拌均匀，再加入水泥净浆中搅拌均匀；3)再加入剩余组分进行搅拌均匀即可获得预拌混凝土；
布料、合模：将预拌混凝土均匀地布入PHC管桩模具中的下半模，将管桩模具的上半模吊至下半模的上方，并用螺栓将上下半模固定；采用千斤顶式的张拉机对管桩模具进行张拉，张拉至钢筋强度的70％后，用大螺母将张拉杆固定在管桩模具上；
离心成型：将管桩模具吊至离心机上方，按低速、慢速、中速、高速的离心速度进行逐级加速；其中，低速的转速为130r/min，离心时间为2min；慢速的转速为230r/min，离心时间为2min；中速的转速为600r/min，离心时间为3min；高速的转速为850r/min，离心时间为6min。离心结束后，将张拉端抬高，倾倒离心过程中后的余浆。
蒸汽养护、脱模：采用二次蒸压养护，1)初始蒸汽养护，将离心成型后的管桩模具吊至常压蒸汽养护池内，静停1h，以25℃/小时升温到80℃，常压下恒温养护6小时，然后1小时内降温到室温；2)二次蒸压养护，将经过初始蒸汽养护的管桩模具吊至高压釜中，温度为180℃，饱和蒸气压为1.0Mpa，养护时间为8h；3)将蒸汽养护后的带模PHC管桩吊至专用脱模台位上，进行脱模，脱模后即得PHC管桩。
实施例2：
废渣利用型PHC管桩混凝土，制备原料包括改性镍渣500份，水泥400份，掺和料100份，细骨料300份，粗骨料1200份，减水剂5份，水120份；
其中，水泥为P.042.5的普通硅酸盐水泥，
减水剂采用氨基磺酸盐减水剂，密度为(1.22±0.02)，棕褐色黏稠性液体，固含量为40％；掺和料选用S95级矿粉，比表面积为450m2/kg；
粗骨料采用碎石，粒径为10～25mm，表观密度2740kg/m3；
细骨料采用江砂，细度模数为2.2，表观密度2660kg/m3。
其中，本实施例采用的改性镍渣为经过预破碎、水淬冷处理的镍渣砂，粒径为0.35～0.5mm，改性镍渣的制备步骤如下：
将重量比为1：2：5的乙烯基三甲基硅烷、聚丁二烯胶乳、聚乙烯亚胺投入搅拌釜中混合均匀，再投入镍渣，搅拌均匀后浸泡30min，取出，在40℃下干燥，获得改性镍渣。其中，乙烯基三甲基硅烷的纯度为99％，密度为0.69g/ml；聚丁二烯胶乳的总固含量为54.0％，凝胶量为72.6％；聚乙烯亚胺为20％质量浓度的水溶液。
PHC管桩，采用上述废渣利用型PHC管桩混凝土制备而成，制备步骤如下：
配置预拌混凝土：1)按重量百分比，取水泥和50％的水投入搅拌机中进行预先搅拌，混合均匀后获得水泥净浆；2)将改性镍渣和掺和料进行搅拌均匀，再加入水泥净浆中搅拌均匀；3)再加入剩余组分进行搅拌均匀即可获得预拌混凝土；
布料、合模：将预拌混凝土均匀地布入PHC管桩模具中的下半模，将管桩模具的上半模吊至下半模的上方，并用螺栓将上下半模固定；采用千斤顶式的张拉机对管桩模具进行张拉，张拉至钢筋强度的70％后，用大螺母将张拉杆固定在管桩模具上；
离心成型：将管桩模具吊至离心机上方，按低速、慢速、中速、高速的离心速度进行逐级加速；其中，低速的转速为150r/min，离心时间为1min；慢速的转速为250r/min，离心时间为1min；中速的转速为650r/min，离心时间为1min；高速的转速为900r/min，离心时间为2min。离心结束后，将张拉端抬高，倾倒离心过程中后的余浆。
蒸汽养护、脱模：采用二次蒸压养护，1)初始蒸汽养护，将离心成型后的管桩模具吊至常压蒸汽养护池内，静停1h，以25℃/小时升温到80℃，常压下恒温养护6小时，然后1小时内降温到室温；2)二次蒸压养护，将经过初始蒸汽养护的管桩模具吊至高压釜中，温度为180℃，饱和蒸气压为1.0Mpa，养护时间为8h；3)将蒸汽养护后的带模PHC管桩吊至专用脱模台位上，进行脱模，脱模后即得PHC管桩。
实施例3：
废渣利用型PHC管桩混凝土，制备原料包括改性镍渣400份，水泥450份，掺和料60份，细骨料320份，粗骨料1050份，减水剂7份，水110份；
其中，水泥为P.042.5的普通硅酸盐水泥，
减水剂采用聚羧酸型高性能减水剂，减水剂的比重为1.02(20℃)，PH值为5，含固量为30％；掺和料选用硅粉，比表面积为420m2/kg，硅粉的含水量≤1.0％，SiO2含量≥90％；
粗骨料采用碎石，粒径为10～25mm，表观密度2740kg/m3；
细骨料采用磨细石英砂，细度模数为2.0，表观密度2660kg/m3。
其中，本实施例采用的镍渣为经过预破碎、水淬冷处理的镍渣砂，粒径为0.35～0.5mm，改性镍渣的制备步骤如下：
将重量比为1：6：4的乙烯基三甲基硅烷、聚丁二烯胶乳、聚乙烯亚胺投入搅拌釜中混合均匀，再投入镍渣，搅拌均匀后浸泡30min，取出，在40℃下干燥，获得改性镍渣。其中，乙烯基三甲基硅烷的纯度为99％，密度为0.69g/ml；聚丁二烯胶乳的总固含量为54.0％，凝胶量为72.6％；聚乙烯亚胺为20％质量浓度的水溶液。
PHC管桩，采用上述废渣利用型PHC管桩混凝土制备而成，制备步骤如下：
配置预拌混凝土：1)按重量百分比，取水泥和50％的水投入搅拌机中进行预先搅拌，混合均匀后获得水泥净浆；2)将改性镍渣和掺和料进行搅拌均匀，再加入水泥净浆中搅拌均匀；3)再加入剩余组分进行搅拌均匀即可获得预拌混凝土；
布料、合模：将预拌混凝土均匀地布入PHC管桩模具中的下半模，将管桩模具的上半模吊至下半模的上方，并用螺栓将上下半模固定；采用千斤顶式的张拉机对管桩模具进行张拉，张拉至钢筋强度的70％后，用大螺母将张拉杆固定在管桩模具上；
离心成型：将管桩模具吊至离心机上方，按低速、慢速、中速、高速的离心速度进行逐级加速；其中，低速的转速为140r/min，离心时间为1.5min；慢速的转速为240r/min，离心时间为1.5min；中速的转速为620r/min，离心时间为2min；高速的转速为875r/min，离心时间为4min。离心结束后，将张拉端抬高，倾倒离心过程中后的余浆。
蒸汽养护、脱模：采用二次蒸压养护，1)初始蒸汽养护，将离心成型后的管桩模具吊至常压蒸汽养护池内，静停1h，以25℃/小时升温到80℃，常压下恒温养护6小时，然后1小时内降温到室温；2)二次蒸压养护，将经过初始蒸汽养护的管桩模具吊至高压釜中，温度为180℃，饱和蒸气压为1.0Mpa，养护时间为8h；3)将蒸汽养护后的带模PHC管桩吊至专用脱模台位上，进行脱模，脱模后即得PHC管桩。
对比例
对比例1：
对比例1与实施例2的区别在于：不采用改性镍渣，直接采用未经改性的镍渣。
对比例2：
对比例2与实施例2的区别在于，改性溶液中不添加乙烯基三甲基硅烷、聚乙烯亚胺。
对比例3：
对比例3与实施例2的区别在于：将改性镍渣替换为等质量的细骨料。
性能检测
对实施例1～3和对比例1～3制备的PHC管桩混凝土及PHC管桩进行和易性测定、离心成型分层测试、力学性能测试。
其中，和易性采用坍落度作为表征，具体来说，坍落度是用一个量化指标来衡量，能够体现混凝土的保水性，流动性和粘聚性，用于判断施工能否正常进行。坍落度的测试方法：用一个上口100mm、下口200mm、高300mm喇叭状的塌落度桶，灌入混凝土分三次填装，每次填装后用捣锤沿桶壁均匀由外向内击25下，捣实后抹平。然后拔起桶，混凝土因自重产生塌落现象，用桶高(300mm)减去塌落后混凝土最高点的高度，称为坍落度，坍落度越小，和易性越好。
离心成型分层测试，采用对蒸汽养护后的PHC管桩的截面进行肉眼观察，观察管桩的截面是否出现内层主要为胶凝材料与细骨料结合的砂浆层、外层主要为胶凝材料与粗骨料结合的混凝土层的内、外分层现象。
力学性能测试采用抗压强度作为表征，根据桩身全截面抗压强度试验，采用压力试验机对养护后的PHC管桩进行测试；
表1实施例1～3和对比例1～3制备的废渣利用型PHC管桩混凝土及PHC管桩的性能测试结果
Figure BDA0003657654330000081
根据表1记载的测试数据，由对比例3和实施例1～3可以看出，本申请制得的废渣利用型PHC管桩混凝土的坍落度和目前常规混凝土相比仅有小幅下降，且明显改善了加入镍渣后PHC管桩离心成型过程中发生内、外分层的现象，离心成型时容易铺摊而又不会明显分层，说明本申请制得的废渣型PHC管桩混凝土的和易性较好，同时能够使制得的PHC管桩具有较高的抗压强度。同时，由于本申请利用了废渣，降低了混凝土的制造成本，充分利用了工业废弃物，有利于提高建筑行业的可持续发展，具有绿色环保、节能的特点。
由实施例1和对比例1可以看出，对镍渣进行改性是必要的，经过改性后的镍渣加入混凝土后，能够明显改善混凝土的和易性，提高PHC管桩的抗压强度，分析原因在于：没有采用改性的镍渣加入混凝土后，混凝土内的粘结性较差，离心成型过程中，越靠外层的部分的混凝土所受离心力越大，因此这部分相对密实，越靠近内层的部位的混凝土所受离心力较小，导致PHC管桩的截面呈现内层主要为胶凝材料与细骨料结合的砂浆层、外层主要为胶凝材料与粗骨料结合的混凝土层的内、外分层现象。改性溶液能够提高改性镍渣的保水性，改善镍渣与水泥浆的界面过渡区的性能，使得镍渣与水泥浆在整体上形成较连续的统一体，一定程度上克服内、外层的离心力不一致导致的混凝土中的组分迁移，不易在离心成型中发生分层。
由实施例1和对比例2可以看出，乙烯基三甲基硅烷与聚乙烯亚胺在改性溶液中是必不可少的，原因在于，乙烯基三甲基硅烷、聚乙烯亚胺与聚丁二烯胶乳的复合效应能够产生吸附大量水分并缓慢释放的作用，从而在根本上改善镍渣保水性差的问题，获得改善混凝土的和易性的效果，单一的聚丁二烯胶乳的作用在实验过程中发现并不能达到预期的改善程度。
上述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申请做出没有创造性贡献的修改，但均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (3)

1.废渣利用型PHC管桩混凝土，其特征在于，按重量份数，包括有以下组分：改性镍渣300～500份，水泥400～500份，掺和料25～100份，细骨料300～350份，粗骨料900～1200份，减水剂5～9份，水100～120份；
所述改性镍渣的制备方法包括有以下步骤：将镍渣投入改性溶液中浸泡，取出干燥，得改性镍渣；
所述改性溶液包括重量比为1：（2～10）：（3～5）的乙烯基三甲基硅烷、聚丁二烯胶乳、聚乙烯亚胺；
所述减水剂采用聚羧酸型高性能减水剂、氨基磺酸盐减水剂中的一种；
所述掺和料选用矿粉、粉煤灰、硅粉中的一种或多种；
所述掺和料的比表面积为400～450m2/kg；
所述细骨料采用磨细石英砂、江砂中的一种；
所述水泥采用强度≥42.5Mpa的普通硅酸盐水泥。
2.PHC管桩，其特征在于：采用权利要求1所述的废渣利用型PHC管桩混凝土制备而成，包括有以下步骤：
预拌混凝土：按重量百分比，将水泥和50%的水进行预先搅拌，混合均匀后获得水泥净浆；将改性镍渣与掺和料进行搅拌均匀，再加入水泥净浆中搅拌均匀，再加入其他组分搅拌均匀即可获得预拌混凝土；
布料、合模：将预拌混凝土均匀地布入PHC管桩模具内，管桩模具合模后进行张拉；
离心成型；
蒸汽养护、脱模。
3.根据权利要求2所述的PHC管桩，其特征在于：所述离心成型分为低速、慢速、中速、高速四个阶段，低速的转速为130～150r/min，离心时间为1～2min；慢速的转速为230～250r/min，离心时间为1～2min；中速的转速为600～650r/min，离心时间为1～3min；高速的转速为850～900r/min，离心时间为2～6min。
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