CN115417637B - 用于预应力高性能管桩的混凝土、管桩及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于预应力高性能管桩的混凝土、管桩及制备方法，涉及混凝土技术领域。本发明的混凝土包括以下重量份的原料：包括以下重量份的原料：水泥490～510份，硅灰45～55份，砂520～560份，石子1250～1275份，外加剂11～14份，碳纳米材料0.5～1份，改性短切玄武岩纤维6～10份，钢纤维40～80份；所述砂为级配砂，所述石子为级配石子。所述改性短切玄武岩纤维为对短切玄武岩纤维进行等离子体表面改性得到；改性短切玄武岩纤维的直径为10～16μm；所述钢纤维的直径为0.18～0.3mm。本发明的混凝土可满足预应力混凝土管桩离心成型和喂料浇筑要求，制备的混凝土拌合物的工作性好，并且可显著改善和提高管桩的受弯和受压承载力等性能。

Description

用于预应力高性能管桩的混凝土、管桩及制备方法
技术领域
本发明涉及混凝土技术领域，特别是涉及一种用于预应力高性能管桩的混凝土、管桩及制备方法。
背景技术
近年来，随着城镇化进程的加速，预应力高强混凝土管桩已成为建筑工程中地基处理与桩基础中主要结构材料之一。预应力高强度混凝土管桩生产中，特别是免压蒸养工艺，不仅简化了生产工艺和设备投入，还提高了桩的耐久性与抗脆性，其中以C80高强混凝土技术应用最为广泛。然而根据某些工程设计需要，在考虑桩身混凝土受剪和受压承载力要求较高的情况下，需要更高强度等级的桩身混凝土。目前，C100及以上预应力高强混凝土管桩产品与应用仍然较少。
此外，随着国民经济高速发展，城市空间日趋紧张，高层和超高层建筑的数量不断增加，从而产生大量的深基坑工程。深基坑工程对于管桩的抗弯、抗剪性能提出了更高的要求，导致市场现有产品性能无法满足设计要求。
发明内容
基于此，有必要针对上述问题，提供一种预应力高性能管桩混凝土，可满足预应力混凝土管桩离心成型和喂料浇筑要求，制备的混凝土拌合物的工作性好，并且可显著改善和提高管桩的受弯和受压承载力等性能。
一种用于预应力高性能管桩的混凝土，包括以下重量份的原料：水泥490～510份，硅灰45～55份，砂520～560份，石子1250～1275份，外加剂11～14份，碳纳米材料0.5～1份，改性短切玄武岩纤维6～10份，钢纤维40～80份；
所述砂为级配砂，包括以下尺寸和重量份的砂：5000～2500μm的砂10～14份，2500～1250μm的砂16～20份，1250～630μm的砂23～27份，630～315μm的砂24～28份，315～160μm的砂12～16份，160μm以下的砂3～7份；
所述石子为级配石子，包括以下尺寸和重量份的石子：5～10mm的石子2～4份，10～16mm的石子3～5，16～20mm的石子2～3份。
所述改性短切玄武岩纤维为对短切玄武岩纤维进行等离子体表面改性得到；改性短切玄武岩纤维的直径为10～16μm；所述钢纤维的直径为0.18～0.3mm。
对于预应力管桩生产，按其工艺要求必须采用离心成型方法，离心混凝土需要有合适的容重及坍落度等特性，若不满足要求可能会影响可操作性和离心效果，出现分层、塌落、挂浆、纵向裂缝、蜂窝、麻面等质量问题。
发明人想到通过对混凝土的成分进行改进，不仅可适应管桩离心生产成型工艺，还能保证制备的产品性能，提高其受弯和受压承载力等性能。具体地，本发明在混凝土中引入碳纳米材料、改性短切玄武岩纤维和钢纤维；碳纳米材料和改性短切玄武岩纤维的直径与水泥颗粒的尺寸的数量级相当或接近，为微纤维；钢纤维的直径较大，为宏纤维。对于管桩中尺寸较大的缺陷，宏纤维和微纤维的共同所用将缺陷表面桥接起来，增加混凝土的韧性；对于尺寸较小的缺陷，主要依靠微纤维桥接，增加了混凝土的抗拉强度，微纤维改善了宏纤维锚固区的约束，提高了宏纤维的拔出性能。将不同尺寸和不同类别的纤维混掺可在混凝土不同结构层次上延缓裂缝的产生与发展，协同发挥作用，可以显著改善桩身混凝土的强度和弯曲韧性，对性能的改善大大超过了单独种类的纤维。本发明的混凝土已验证可适用于管桩离心生产成型工艺，基本没有分层、塌落、挂浆、纵向裂缝、蜂窝、麻面等不良现象，同时可提高管桩的受弯和受压承载力等性能。
而且，本发明采用了等离子体改性的短切玄武岩纤维，避免现有技术中采用偶联剂改性过程中需消耗大量的水造成的资源浪费和环境污染。
在其中一个实施例中，还包括水120～130份。
在其中一个实施例中，所述用于预应力高性能管桩的混凝土，按每m3混凝土计，包括以下原料：水泥490～510kg，硅灰45～55kg，砂520～560kg，石子1250～1275kg，外加剂11～14kg，碳纳米材料0.5～1kg，改性短切玄武岩纤维6～10kg，钢纤维40～80kg，水120～130kg。
在其中一个实施例中，所述水泥为P·Ⅱ42.5R硅酸盐水泥或P·Ⅱ52.5R硅酸盐水泥。
在其中一个实施例中，所述硅灰中SiO2的含量≥95％，所述硅灰的粒径≤2μm。
在其中一个实施例中，所述外加剂包括塑化剂、保坍剂、增强剂和和易性调节剂。
在其中一个实施例中，所述外加剂通过以下方法配制而成：将重量比为(6～8)：(0.8～1.2)：(0.8～1.2)：(0.8～1.2)的SPT-A80W全效型超塑化剂、SPT-B2060缓释型保坍剂、SPT-D126调节型增强剂和SPT-MSA42和易性调节剂混合得到混合料液，再添加混合料液0.8～1.2倍重量的水，混合均匀即得。
在其中一个实施例中，所述砂为河沙和/或海砂。
在其中一个实施例中，所述砂的细度模数为2.6～2.8，含泥量≤1％，氯离子含量≤0.02％。所述级配砂的颗粒级配符合国家标准《建设用砂》(GB/T 14684)中的Ⅱ区级配。
在其中一个实施例中，所述石子选自：花岗岩碎石、玄武岩碎石、辉绿岩碎石的一种或以上；所述石子中针状颗粒和片状颗粒的含量≤5％，含泥量≤0.5％，泥块含量≤0.2％，压碎值指标≤8％。
在其中一个实施例中，所述碳纳米材料为碳纳米管和/或碳纳米纤维。
在其中一个实施例中，所述碳纳米管的直径为10～20nm，长度为20～50μm，纯度≥95％。
在其中一个实施例中，所述碳纳米纤维的直径为50～100nm，长度为5～10μm，纯度≥99％。
在其中一个实施例中，所述改性短切玄武岩纤维的长度为1～6mm，拉伸强度≥4000MPa。
在其中一个实施例中，所述改性短切玄武岩纤维的长度选自：1mm、3mm、6mm中的一种或以上。
在其中一个实施例中，所述改性短切玄武岩纤维采用以下方法改性：在保护气体氛围下，对短切玄武岩纤维进行等离子体表面改性，压强为20～40Pa，功率为60～80W，改性时长为10～15min。
优选地，所述保护气体为氮气。
在其中一个实施例中，所述钢纤维为端勾型镀铜微丝钢纤维的长度为10～20mm，拉伸强度≥2900MPa。
在其中一个实施例中，所述钢纤维的长度选自：10mm、13mm、16mm、20mm中的一种或以上。
本发明还提供一种预应力高性能管桩，采用本发明所述的混凝土制备而成。本发明的管桩具有较好的受弯和受压承载力等性能。
本发明还提供一种上述预应力高性能管桩的制备方法，包括以下步骤：
S1、将碳纳米材料和外加剂掺入水中，进行分散处理，得到纳米分散液；
S2、将砂、钢纤维、水泥、硅灰、石子与纳米分散液混合均匀，再与改性短切玄武岩纤维混合均匀，得到混凝土拌合物；
S3、将混凝土拌合物沿管模长度方向均匀布料，管桩合模，张拉，离心，蒸养养护，脱模，即得管桩。
上述制备方法中采用本发明的混凝土管桩，经过离心成型工艺制得的管桩，无分层、塌落、挂浆、纵向裂缝、蜂窝、麻面等不良现象，同时可提高管桩的受弯和受压承载力等性能。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的混凝土，可满足预应力混凝土管桩离心成型和喂料浇筑要求，减少和避免分层、塌落、挂浆、纵向裂缝、蜂窝、麻面等质量问题，提高管桩的受弯和受压承载力等性能。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将结合较佳的实施例对本发明进行更全面的描述。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
以下实施例和对比例中，除非特殊说明，试剂、材料、设备为市售购得，实验方法为本领域的常规实验方法。
以下实施例和对比例中涉及的部分原料说明如下：硅灰，SiO2的含量≥95％，粒径≤2μm。外加剂通过以下方法配制得到：将重量比为7:1:1:1的SPT-A80W全效型超塑化剂(广州市超塑建材有限公司)、SPT-B2060缓释型保坍剂(广州市超塑建材有限公司)、SPT-D126调节型增强剂(广州市超塑建材有限公司)和SPT-MSA42和易性调节剂(广州市超塑建材有限公司)混合均匀，再添加等重量的水混合均匀，即得。天然砂为河砂，细度模数为2.6～2.8，含泥量≤1％，氯离子含量≤0.02％，级配砂的颗粒级配符合国家标准《建设用砂》(GB/T14684)中的Ⅱ区级配。石子为花岗岩碎石，石子中针状颗粒和片状颗粒的含量≤5％，含泥量≤0.5％，泥块含量≤0.2％，压碎值指标≤8％。碳纳米管的直径为10～20nm，长度为20～50μm，纯度≥95％。碳纳米纤维的直径为50～100nm，长度为5～10μm，纯度≥99％。
改性短切玄武岩纤维通过以下方法得到：将短切玄武岩纤维放入等离子体表面处理仪反应室内，抽真空，通入氮气，仪器参数设置为压强为30Pa，功率70W，处理时间为13min。
实施例1
一、预应力管桩混凝土
每m3预应力管桩混凝土包括以下原料：P·Ⅱ52.5R硅酸盐水泥500kg，硅灰50kg，天然砂540kg，石子1260kg，外加剂12kg，水125kg，碳纳米纤维1kg，改性短切玄武岩纤维10kg，端勾型镀铜微丝钢纤维80kg。
天然砂为级配砂，由以下尺寸和重量份的天然砂组成：5000～2500μm的天然砂12份，2500～1250μm的天然砂18份，1250～630μm的天然砂25份，630～315μm的天然砂26份，315～160μm的天然砂14份，160μm以下的天然砂5份。
石子为级配石子，由以下尺寸和重量份的石子组成：5～10mm的石子3份，10～16mm的石子4份，16～20mm的石子3份。
改性短切玄武岩纤维包括三种长度尺寸：1mm、3mm、6mm，三种尺寸的改性短切玄武岩纤维的重量比为4：3：3。改性短切玄武岩纤维的直径为10～16μm。
端勾型镀铜微丝钢纤维包括四种长度尺寸：10mm、13mm、16mm、20mm，四种尺寸的端勾型镀铜微丝钢纤维的重量比为3：4：2：1。端勾型镀铜微丝钢纤维的直径为0.18～0.3mm。
二、预应力管桩
预应力管桩采用本实施例的混凝土制备而成，具体制备方法如下：
(1)将纳米纤维材料和外加剂掺入水中，进行超声处理30min，得到纳米分散液。
(2)将天然砂、端勾型镀铜微丝钢纤维、水泥、硅灰、石子依次投料到搅拌机中预拌，混合均匀后加入纳米分散液，再次搅拌混合均匀；再加入改性短切玄武岩纤维，搅拌45s，混合均匀，得到混凝土拌合物。
(4)将混凝土拌合物沿管模长度方向均匀布料，管桩合模(试验管桩直径为1000mm)，张拉，离心，蒸养养护，管桩脱模，即得。其中，离心步骤具体为：1g(3min)→4g(2min)→10g(2min)→15g(2min)→25g(3min)。
实施例2
一、预应力管桩混凝土
每m3预应力管桩混凝土包括以下原料：P·Ⅱ42.5R硅酸盐水泥490kg，硅灰45kg，天然砂560kg，石子1275kg，外加剂12kg，水120kg，碳纳米管0.5kg，改性短切玄武岩纤维6kg，端勾型镀铜微丝钢纤维40kg。
天然砂和石子的级配组成与实施例1相同。
改性短切玄武岩纤维包括两种长度尺寸：1mm、3mm，两种尺寸的改性短切玄武岩纤维的质量比为3：2。改性短切玄武岩纤维的直径为10～16μm。
端勾型镀铜微丝钢纤维包括两种长度尺寸：10mm、16mm，两种尺寸的端勾型镀铜微丝钢纤维的质量比为2：1。端勾型镀铜微丝钢纤维的直径为0.18～0.3mm。
二、预应力管桩
预应力管桩的制备方法与实施例1基本相同，区别在于原料替换为本实施例的原料。
实施例3
一、预应力管桩混凝土
每m3预应力管桩混凝土包括以下原料：P·Ⅱ42.5R硅酸盐水泥510kg，硅灰55kg，天然砂560kg，石子1250kg，外加剂12kg，水130kg，碳纳米纤维1kg，改性短切玄武岩纤维6kg，端勾型镀铜微丝钢纤维64kg。
天然砂为级配砂，由以下尺寸和重量份的天然砂组成：5000～2500μm的天然砂10份，2500～1250μm的天然砂18份，1250～630μm的天然砂24份，630～315μm的天然砂26份，315～160μm的天然砂16份，160μm以下的天然砂6份。
石子为级配石子，由以下尺寸和重量份的石子组成：5～10mm的石子2份，10～16mm的石子5份，16～20mm的石子3份。
改性短切玄武岩纤维包括两种长度尺寸：1mm、6mm，两种尺寸的改性短切玄武岩纤维的质量比为2：1。改性短切玄武岩纤维的直径为10～16μm。
端勾型镀铜微丝钢纤维包括三种长度尺寸：10mm、16mm、20mm，三种尺寸的端勾型镀铜微丝钢纤维的质量比为5：3：2。端勾型镀铜微丝钢纤维的直径为0.18～0.3mm。
二、预应力管桩
预应力管桩的制备方法与实施例1基本相同，区别在于原料替换为本实施例的原料。
对比例1
一、混凝土
每m3混凝土包括以下原料：P·Ⅱ52.5R硅酸盐水泥490kg，硅灰100kg，天然砂744kg，石子534kg，外加剂13kg，水127kg，碳纳米纤维1kg，端勾型镀铜微丝钢纤维80kg。
天然砂和石子的级配组成与实施例1相同。端勾型镀铜微丝钢纤维的组成与实施例1相同。
二、预应力管桩
预应力管桩的制备方法与实施例1基本相同，区别在于原料替换为本对比例的原料，对于本对比例没有的原料则省去该原料的添加步骤。
在制备过程中发现，混凝土容重偏低，离心过程中容易结团，造成混凝土分布不均匀，不适合管桩离心成型。
对比例2
一、预应力管桩混凝土
每m3混凝土包括以下原料：P·Ⅱ52.5R硅酸盐水泥500kg，硅灰50kg，天然砂540kg，石子1260kg，外加剂12kg，水125kg，碳纳米纤维材料1kg，改性短切玄武岩纤维份10kg。
天然砂和石子的级配组成与实施例1相同。改性短切玄武岩纤维的组成与实施例1相同。
二、预应力管桩
预应力管桩的制备方法与实施例1基本相同，区别在于原料替换为本对比例的原料，对于本对比例没有的原料则省去该原料的添加步骤。
对比例3
一、预应力管桩混凝土
每m3混凝土包括以下原料：P·Ⅱ52.5R硅酸盐水泥500kg，硅灰50kg，天然砂540kg，石子1260kg，外加剂12kg，水125kg，端勾型镀铜微丝钢纤维80kg。
天然砂和石子的级配组成与实施例1相同。端勾型镀铜微丝钢纤维的组成与实施例1相同。
二、预应力管桩
预应力管桩的制备方法与实施例1基本相同，区别在于原料替换为本对比例的原料，对于本对比例没有的原料则省去该原料的添加步骤。
对比例4
一、预应力管桩混凝土
预应力管桩混凝土的原料组成与实施例1基本相同，区别在于，本对比例中采用下述级配砂和级配石子。
所述天然砂级为：5000～2500μm的天然砂5份，2500～1250μm的天然砂10份，1250～630μm的天然砂20份，630～315μm的天然砂35份，315～160μm的天然砂20份，160μm以下的天然砂10份。
所述石子连续级配为：5～10mm的石子1份，10～16mm的石子2份、16～20mm石子7份。
二、预应力管桩
预应力管桩的制备方法与实施例1基本相同，区别在于原料替换为本对比例的原料。
实验例1
对上述实施例和对比例的管桩进行性能测试，坍落度试验及坍落度经时损失试验参照国家标准《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》(GB/T 50080-2016)，抗压强度测试参照国家标准《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081-2019)，管桩抗弯试验测试参照国家标准《先张法预应力混凝土管桩》(GB 13476-2009)。
检测结果如下表所示：
表1实施例和对比例管桩混凝土/管桩的性能测试结果
从以上结果可以看出，本发明实施例的管桩混凝土的工作性能可满足预应力混凝土管桩离心成型和喂料浇筑要求，制得的管桩的受弯和受压承载力有显著改善和提高。对比例1由于混凝土容重偏低，离心过程中容易结团，造成混凝土分布不均匀，不适合管桩离心成型。对比例2和3由于仅掺加微纤维或宏观纤维，导致试块强度及管桩抗弯性能较低。对比例4由于未采用合适的级配砂石，导致塌落度大并且损失较快。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种用于预应力高性能管桩的混凝土，其特征在于，包括以下重量份的原料：水泥490~510份，硅灰45~55份，砂520~560份，石子1250~1275份，外加剂11~14份，碳纳米材料0.5~1份，改性短切玄武岩纤维6~10份，钢纤维40~80份；
所述砂为级配砂，包括以下尺寸和重量份的砂：5000~2500μm的砂10~14份，2500~1250μm的砂16~20份，1250~630μm的砂23~27份，630~315μm的砂24~28份，315~160μm的砂12~16份，160μm以下的砂3~7份；
所述石子为级配石子，包括以下尺寸和重量份的石子：5~10 mm的石子2~4份，10~16mm的石子3~5，16~20mm的石子2~3份；
所述改性短切玄武岩纤维为对短切玄武岩纤维进行等离子体表面改性得到；改性短切玄武岩纤维的直径为10~16μm；所述钢纤维的直径为0.18~0.3mm；
所述碳纳米材料为碳纳米管和/或碳纳米纤维；所述碳纳米管的直径为10~20nm，长度为20~50μm，纯度≥95%；所述碳纳米纤维的直径为50~100nm，长度为5~10μm，纯度≥99%；
所述改性短切玄武岩纤维的长度为1~6mm，拉伸强度≥4000Mpa；
所述钢纤维为端勾型镀铜微丝钢纤维的长度为10~20mm，拉伸强度≥2900Mpa；
所述砂为河沙和/或海砂。
2.根据权利要求1所述的混凝土，其特征在于，还包括水120~130份。
3. 根据权利要求1所述的混凝土，其特征在于，所述水泥为P•Ⅱ 42.5R硅酸盐水泥和/或P•Ⅱ 52.5R硅酸盐水泥；所述硅灰中SiO2的含量≥95%，所述硅灰的粒径≤2μm，所述外加剂包括塑化剂、保坍剂、增强剂和和易性调节剂。
4.根据权利要求1所述的混凝土，其特征在于，所述砂的细度模数为2.6~2.8，含泥量≤1%，氯离子含量≤0.02%；
所述石子选自：花岗岩碎石、玄武岩碎石、辉绿岩碎石的一种或以上；所述石子中针状颗粒和片状颗粒的含量≤5%，含泥量≤0.5%，泥块含量≤0.2%，压碎值指标≤8%。
5.根据权利要求1~4任一项所述的混凝土，其特征在于，所述改性短切玄武岩纤维采用以下方法改性：在保护气体氛围下，对短切玄武岩纤维进行等离子体表面改性，压强为20~40Pa，功率为60~80W，改性时长为10~15min。
6.一种预应力高性能管桩，其特征在于，采用权利要求1~4任一项所述的混凝土制备而成。
7.一种权利要求6所述的预应力高性能管桩的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将碳纳米材料和外加剂掺入水中，进行分散处理，得到纳米分散液；
S2、将砂、钢纤维、水泥、硅灰、石子与纳米分散液混合均匀，再与改性短切玄武岩纤维混合均匀，得到混凝土拌合物；
S3、将混凝土拌合物沿管模长度方向均匀布料，管桩合模，张拉，离心，蒸养养护，脱模，即得管桩。
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