CN108298913A - 适用于地下硫酸盐侵蚀环境的预应力管桩及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于地下硫酸盐侵蚀环境的预应力管桩及其制备方法，属于土木工程材料制造领域。所述预应力管桩的管体为双层管体，管体外层为纤维增强地聚合物基复合材料保护层，内层为钢筋混凝土管层，管体内部填充硬化的泡沫混凝土。保护层将内部承载的预应力钢筋混凝土管层与外界侵蚀环境隔绝开。并在施工现场待其沉桩后，向管径内注满泡沫混凝土，从而避免地下水的渗入对管体内壁造成直接破坏，从而增加桩体在地下硫酸盐侵蚀环境中的使用寿命。本发明施工工艺简便，可工业化高效生产，管体成型品质高，经久耐用，能够满足各类地下硫酸盐侵蚀环境中对桩体耐久性能的要求。

Description

适用于地下硫酸盐侵蚀环境的预应力管桩及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种预应力管桩，具体说是一种适用于地下硫酸盐侵蚀环境的预应力管桩及其制备方法。

背景技术

桩基由于其能够克服不良地质条件的影响并提供较高承载能力，已经在当今各类工程中广泛应用。其中管桩作为一类重要的桩基形式，由于其低水灰比离心成型、内含预应力钢筋笼及工业化控制生产等特点，桩体成型品质好，强度高，且施工方便快捷能够满足各类工程地质承载力的需要。随着我国经济建设的快速发展，城镇化和沿海大开发的不断推进，管桩的需求量巨大，据相关资料的不完全统计，至2007年底，我国管桩的年生产量近2.5亿米，产值达 300多亿元人民币；到 2011 年底，我国已有 500 多家管桩生产企业，年产量超过3.5亿米，成为世界上管桩产量最高的国家。

中国地域辽阔，自然环境复杂多样，桩基础所处服役环境复杂多样，海洋和近海氯离子侵蚀环境与内陆盐湖和盐碱地硫酸盐腐蚀环境非常普遍。不同侵蚀环境中混凝土结构遭受侵蚀损害的程度与机理不尽相同，在海洋和近海氯盐侵蚀环境中混凝土结构劣化主要以钢筋锈蚀导致的锈胀开裂破坏为主，但在盐湖和盐碱地硫酸盐侵蚀环境中，混凝土结构的耐久性劣化主要以硫酸盐结晶胀裂破坏为主。这些环境条件下侵蚀性离子的腐蚀作用将会对桩体产生不可忽视的损坏，严重影响桩体的品质，危及桩体的承载能力及各项性能，并随着时间的延长，其破坏现象不断加重，带来严重的安全隐患，严重威胁上部结构的安全。

由此，《工业建筑防腐蚀设计规范》GB50046-2008规定，由于管桩存在预应力钢筋对腐蚀敏感和管壁较薄的问题，SO₄ ^2-和Cl-均为强腐蚀介质，硫酸盐侵蚀环境下预应力混凝土管桩不应采用，氯盐侵蚀环境下预应力混凝土管桩不易采用。规范的限定无疑给管桩行业的发展带来了危机，也迫切要求设计出更加符合行业要求的桩型来服务于建筑行业的发展。

地聚合物材料是近年来新发展起来的一类新型无机非金属材料，是碱激活胶凝材料中最具前途的一类。这类材料多以天然铝硅酸盐矿物或工业固体废物为主要原料，与其他矿物掺合料和碱硅酸盐溶液充分混合后，在常温或蒸养条件下养护成型硬化，是一类由铝硅酸盐胶凝成分粘结的胶凝材料。与传统的硅酸盐水泥相比，地质聚合物材料具有高强（抗压强度可达60-150MPa）、耐酸碱盐腐蚀（在硫酸盐溶液中长期浸泡，性能稳定，不腐蚀）、微观结构致密渗透率极低（其渗透系数不到波特兰水泥的百分之一）等优点；是一种环保型绿色建筑材料。如果在管桩表面加上地聚合物保护层外壁，则可以大幅提高管桩的抗硫酸盐侵蚀能力，从而将管桩应用到硫酸盐侵蚀环境中。

发明内容

本发明的发明目的是，客服现有技术存在的缺陷，提供一种适用于地下硫酸盐侵蚀环境的预应力管桩及其制备方法，以满足在地下硫酸盐侵蚀条件下对桩体耐久性能的要求。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

适用于地下硫酸盐侵蚀环境的预应力管桩，包括管体。所述管体为双层管体，管体外层为纤维增强地聚合物基复合材料保护层，内层为钢筋混凝土管层；管体内部填充硬化的泡沫混凝土。

所述纤维增强地聚合物基复合材料，由粉体材料和有机纤维组成，纤维占粉体材料的质量百分比为：3-8%。

所述粉体材料的组分及质量百分比为：粒化高炉矿渣微粉50-70％；火山灰质材料10-30％；硅酸盐水泥5-15％；钠水玻璃激发剂（以其含的Na2O计量）4-8％。

所述有机纤维为聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维、超高分子量聚乙烯纤维、聚乙烯醇纤维、聚酯纤维或聚甲醛纤维。

所述粒化高炉矿渣微粉为S95级粒化高炉矿渣微粉，为高炉粒化矿渣经磁选除铁处理并粉磨使其达到比表面积≥400 m2/kg制得，其中粒径小于30μm的超细粒化高炉矿渣微粉占总质量的90%以上；

所述火山灰质材料为硅灰、高岭土或粉煤灰。

所述钠水玻璃激发剂为水玻璃经氢氧化钠调解后、模数为1.0～2.0、波美度为37°～41°的钠水玻璃。

泡沫混凝土是通过发泡机的发泡***将发泡剂用机械方式充分发泡，并将泡沫与水泥浆均匀混合，然后经过发泡机的泵送***进行现浇施工或模具成型，经自然养护所形成的一种含有大量封闭气孔的新型轻质保温材料。

该管桩利用二次离心工艺生产，首次离心成型抗硫酸盐侵蚀的保护层外壁，主要发挥隔离围护作用，二次离心成型钢筋混凝土管体，主要发挥受力承载作用。利用首次成型的抗侵蚀保护层外壁将内部承载管体与外界侵蚀环境隔绝开，避免了在侵蚀环境中内部承载管体结构完整性的破坏及各项性能的衰退。，用水量以浆体液固比=0.3-0.5为宜

本发明适用于地下硫酸盐侵蚀环境的预应力管桩的制备方法，其步骤如下：

步骤1.按照液固质量比=0.3-0.5配比，加水制备纤维增强地聚合物基复合材料浆液。

步骤2. 抗硫酸盐侵蚀管体的制备

在离心机模具内放置钢筋笼；然后加注纤维增强地聚合物基复合材料浆液，离心浇铸管体外表面裹附纤维增强地聚合物基复合材料保护层，带模养护至设定时间，初步成型；再进行管体混凝土拌和物的布料，按照现有预应力管桩的施工工艺张拉预应力筋，再一次离心成型，并进行蒸压养护，即制得所述抗硫酸盐侵蚀管体。

步骤3. 填芯保护

在施工现场沉桩后，向抗硫酸盐侵蚀管体内注满泡沫混凝土，待其硬化后即得本发明管桩。该部分泡沫混凝土不承受荷载，主要发挥填充作用以避免含有侵蚀性介质的地下水通过管桩连接处渗入管内，对管体内部直接产生侵蚀破坏。

管桩抗硫酸盐侵蚀性能的大小与首次离心成型的保护层外壁性能密切相关，具体表征为：随着外壁（材料）抗侵蚀能力的增大、外壁厚度的增大，管桩的抗侵蚀性能越强。实际工程中可根据具体地下硫酸盐环境侵蚀程度的大小进行材料及壁厚的合理调整设计。

合理控制两次离心的时间间隔，在首次离心成型的保护层外壁初凝并达到一定强度后，方可继续喂料进行二次离心成型，具体强度数值应以保证在二次离心成型过程中管桩外壁不被损坏为依据进行合理安排设计。从而满足在不对外壁产生损伤的基础上最大程度地使首次成型的外壁与二次成型的管体紧密连接。

本发明管桩具有以下有益效果：

（1）抗硫酸盐侵蚀能力高，经久耐用。

本发明产品的保护层外壁结构采用高抗硫酸盐侵蚀的纤维增强地聚合物材料制备而成。通过首次离心成型的保护层外壁结构，使得内部承载的钢筋混凝土结构免受外部侵蚀性因素的干扰。同时管内灌注泡沫混凝土，防止地下水的侵入对管桩内壁产生侵蚀。二者共同作用使得桩体承载能力稳定，各项性能不发生衰退，满足在侵蚀环境下对桩体耐久性能的要求。经初步测试能够满足地下混凝土结构施工要求的抗硫酸盐侵蚀性能。

（2）能够满足不同硫酸盐侵蚀程度的地下环境。

根据地下环境硫酸根离子含量的不同，可以通过合理设计首次离心成型的保护层外壁壁厚来满足地下不同程度的侵蚀环境对桩体耐久性的要求。即地下环境中侵蚀介质浓度越大，侵蚀破坏性越强，离心成型的外壁就应越厚。

（3）结构组合形式合理，承载能力高

首次离心成型的保护层外壁及填充泡沫混凝土除发挥隔离保护作用外，同时还对预应力钢筋混凝土管体产生侧向约束作用，使得管体在承压时其力学性能能够更好地发挥，经测试本发明管桩力学承载力明显高于同等预应力管桩。

（4）生产效率高，质优价廉

本发明适用于大规模工业化、机械化生产，生产效率高，成型品质高，且施工便捷，耐久性能好，经久耐用，经济价值高。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1 适用于地下硫酸盐侵蚀环境的预应力管桩，其管体为钢筋混凝土管体。在管体外表面裹附纤维增强地聚合物基复合材料保护层，管体内部填充硬化的泡沫混凝土。

所述纤维增强地聚合物基复合材料保护层的纤维增强地聚合物基复合材料，由粉体材料和有机纤维组成，纤维占粉体材料的质量百分比为：5%。

所述粉体材料的组分及质量百分比为：粒化高炉矿渣微粉60％；火山灰质材料20％；硅酸盐水泥10％；钠水玻璃激发剂（以其含的Na2O计量）8％。

所述有机纤维采用聚丙烯纤维。

所述粒化高炉矿渣微粉为S95级粒化高炉矿渣微粉，为高炉粒化矿渣经磁选除铁处理并粉磨使其达到比表面积≥400 m2/kg制得，其中粒径小于30μm的超细粒化高炉矿渣微粉占总质量的90%以上。

所述火山灰质材料为硅灰。

所述钠水玻璃激发剂为水玻璃经氢氧化钠调解后、模数为1.5、波美度为39°的钠水玻璃。

泡沫混凝土是通过发泡机的发泡***将发泡剂用机械方式充分发泡，并将泡沫与水泥浆均匀混合，然后经过发泡机的泵送***进行现浇施工或模具成型，经自然养护所形成的一种含有大量封闭气孔的新型轻质保温材料。

本实施例管桩的制备过程如下：

步骤1.按照液固质量比=0.3-0.5配比，加水制备纤维增强地聚合物基复合材料浆液。

步骤2. 抗硫酸盐侵蚀管体的制备

在离心机模具内放置钢筋笼；然后加注纤维增强地聚合物基复合材料浆液，离心浇铸管体外表面裹附纤维增强地聚合物基复合材料保护层，带模养护至设定时间，成型；再进行管体混凝土拌和物的布料，按照现有预应力管桩的施工工艺张拉预应力筋，再一次离心成型，即制得所述抗硫酸盐侵蚀管体，并养护成型。

步骤3. 填芯保护

在施工现场沉桩后，向抗硫酸盐侵蚀管体内注满泡沫混凝土，待其硬化后即得本发明管桩。

实施例2，与实施例1基本相同，所不同的是：所述纤维增强地聚合物基复合材料的纤维占粉体材料的质量百分比为：3%。

所述粉体材料的组分及质量百分比为：粒化高炉矿渣微粉50％；火山灰质材料30％；硅酸盐水泥15％；钠水玻璃激发剂（以其含的Na2O计量）5％。

所述有机纤维采用聚丙烯腈纤维、超高分子量聚乙烯纤维、聚乙烯醇纤维、聚酯纤维或聚甲醛纤维。

所述火山灰质材料为高岭土或粉煤灰。

所述钠水玻璃激发剂为水玻璃经氢氧化钠调解后、模数为1.0、波美度为37°的钠水玻璃。

实施例3与实施例1基本相同，所不同的是：所述纤维增强地聚合物基复合材料，由粉体材料和有机纤维组成，纤维占粉体材料的质量百分比为：8%。

所述粉体材料的组分及质量百分比为：粒化高炉矿渣微粉70％；火山灰质材料10％；硅酸盐水泥15％；钠水玻璃激发剂（以其含的Na2O计量）5％。

所述钠水玻璃激发剂为水玻璃经氢氧化钠调解后、模数为2.0、波美度为41°的钠水玻璃。

Claims (7)

1.一种适用于地下硫酸盐侵蚀环境的预应力管桩，包括管体；其特征是：所述管体为双层管体，管体外层为纤维增强地聚合物基复合材料保护层，内层为钢筋混凝土管层；管体内部填充硬化的泡沫混凝土；

所述纤维增强地聚合物基复合材料，由粉体材料和有机纤维组成，有机纤维占粉体材料的质量百分比为：3-8%。

2.根据权利要求1所述适用于地下硫酸盐侵蚀环境的预应力管桩，其特征是：所述有机纤维为聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维、超高分子量聚乙烯纤维、聚乙烯醇纤维、聚酯纤维或聚甲醛纤维。

3.根据权利要求1所述适用于地下硫酸盐侵蚀环境的预应力管桩，其特征是：所述粉体材料的组分及质量百分比为：粒化高炉矿渣微粉50-70％；火山灰质材料 10-30％；硅酸盐水泥5-15％；钠水玻璃激发剂，以其含的Na2O计量，为4-8％。

4.根据权利要求3所述适用于地下硫酸盐侵蚀环境的预应力管桩，其特征是：所述粒化高炉矿渣微粉为S95级粒化高炉矿渣微粉，为高炉粒化矿渣经磁选除铁处理并粉磨使其达到比表面积≥400 m2/kg制得，其中粒径小于30μm的超细粒化高炉矿渣微粉占总质量的90%以上。

5.根据权利要求3所述适用于地下硫酸盐侵蚀环境的预应力管桩，其特征是：所述火山灰质材料为硅灰、高岭土或粉煤灰。

6.根据权利要求3所述适用于地下硫酸盐侵蚀环境的预应力管桩，其特征是：所述钠水玻璃激发剂为水玻璃经氢氧化钠调解后、模数为1.0～2.0、波美度为37°～41°的钠水玻璃。

7.一种权利要求1-6之一所述的适用于地下硫酸盐侵蚀环境的预应力管桩的制备方法，其步骤如下：

步骤1.按照液固质量比=0.3-0.5配比，加水制备纤维增强地聚合物基复合材料浆液；

步骤2.管体的制备

在离心机模具内放置钢筋笼；然后加注纤维增强地聚合物基复合材料浆液，离心浇铸管体外表面裹附纤维增强地聚合物基复合材料保护层，带模养护至设定时间，初步成型；再进行管体混凝土拌和物的布料，按照现有预应力管桩的施工工艺张拉预应力筋，再一次离心成型，并进行蒸压养护，即制得所述管体；

步骤3. 填芯保护

在施工现场沉桩后，向管体内注满泡沫混凝土，待其硬化。