CN114477889A - 一种薄壁混凝土管桩 - Google Patents

Abstract

本申请属于混凝土管桩技术领域，具体涉及一种薄壁混凝土管桩，包括如下重量份的各组分：水泥300‑500份、矿物掺合料100‑150份、细骨料600‑800份、粗骨料1000‑1200份、增强纤维100‑150份、减水剂10‑20份、羟丙基甲基纤维素醚5‑10份、水140‑200份；所述增强纤维添加前由硅烷偶联剂进行改性处理。本申请的薄壁混凝土管桩，通过添加矿物掺合料代替部分水泥，通过矿物掺合料提高凝胶材料的活性，增加火山灰反应，生成水化硅酸钙，提高混凝土的整体强度，另外，添加羟丙基甲基纤维素醚，提高各组分之间粘结力的同时提高保水效果，同时增强纤维添加硅烷偶联剂处理的增强纤维，硅烷偶联剂可将增强纤维与羟丙基甲基纤维素醚连接起来，形成三维网状结构，提高混凝土强度，提高抗裂性能。

Description

一种薄壁混凝土管桩

技术领域

本申请属于混凝土管桩技术领域，具体涉及一种薄壁混凝土管桩。

背景技术

管桩的作用是将上部建筑物的载荷传递到深处承载力较强的土层上，或将软土层挤密实以提高地基土的承载能力和密实度，主要应用于铁道、工业与民用建筑、市政、冶金、港口、公路等领域。

中国专利申请文献CN 103496891 A公开了一种便于混凝土管桩脱模的配料及其制备方法，该混凝土管桩配料包括18-23％的水泥、3-6％的掺合料、30-40％的砂、20-30％的石、5-8％的减水剂、2-4％的油性剂和7-10％的水，该配方获得的管桩便于脱模，解决了传统方法中粘砂、掉砂等缺陷，确保了管桩成型质量。但以该配料制备的混凝土管桩会容易存在强度低的问题，从而无法为上层建筑提供有力的保障。

出于以上原因，有必要开发一种新的薄壁混凝土管桩，使其具有较高的强度和抗裂性能，以适应要求日益严格的建筑行业。

发明内容

为了解决上述问题，本申请公开了一种薄壁混凝土管桩，通过添加矿物掺合料代替部分水泥，通过矿物掺合料提高凝胶材料的活性，增加火山灰反应，生成水化硅酸钙，提高混凝土的整体强度，另外，添加羟丙基甲基纤维素醚，提高各组分之间粘结力的同时提高保水效果，同时增强纤维添加硅烷偶联剂处理的增强纤维，硅烷偶联剂可将增强纤维与羟丙基甲基纤维素醚连接起来，形成三维网状结构，提高混凝土强度，提高抗裂性能。

本申请提供一种薄壁混凝土管桩，采用如下的技术方案：

一种薄壁混凝土管桩，包括如下重量份的各组分：

水泥300-500份

矿物掺合料100-150份

细骨料600-800份

粗骨料1000-1200份

增强纤维100-150份

减水剂10-20份

羟丙基甲基纤维素醚5-10份

水140-200份；

所述增强纤维添加前由硅烷偶联剂进行改性处理。

可选的，所述硅烷偶联剂为耐腐蚀性硅烷偶联剂，所述耐腐蚀性硅烷偶联剂的结构式为：

耐腐蚀性硅烷偶联剂中引入锌螯合物，从而通过改性处理的增强纤维向混凝土中引入锌，起到良好的电化学防腐作用，以偶联剂方式引入的锌可以通过增强纤维的分散而良好地分散于整个混凝土体系中，避免直接添加锌粉而出现颗粒聚集的现象，从而起到更好的防腐作用。

所述耐腐蚀性硅烷偶联剂的制备方法为：

(1)将摩尔比为1:1:2的3-羰基-7辛烯酸甲酯、邻二氮菲和氢氧化钠加入无水乙醇中，搅拌加热至50℃，滴加硝酸锌的乙醇溶液，滴加结束后继续保温反应6h，反应结束后调节pH至中性，过滤沉淀，然后分别用无水乙醇和氯仿将沉淀洗涤，干燥得到锌螯合物，反应方程式为：

(2)将步骤(1)制备的锌螯合物溶于N,N-二甲基甲酰胺中，并加入与锌螯合物的摩尔比为1:1的三乙氧基硅烷和30ppm的铂催化剂，搅拌下升温至85℃反应8h，压滤除去催化剂，蒸馏回收N,N-二甲基甲酰胺，产物用乙醇洗涤，干燥，得到耐腐蚀性硅烷偶联剂，反应方程式为：

可选的，所述改性处理的方法为：将耐腐蚀性硅烷偶联剂溶于N,N-二甲基甲酰胺的水溶液中，超声2-5min，然后加入增强纤维，继续超声处理10-30min，过滤、洗涤、干燥，得到改性处理的增强纤维。

可选的，所述增强纤维为钢纤维。

可选的，所述矿物掺合料为硅灰与矿渣粉的混合物。

硅灰中活性二氧化硅的含量高达85-95％，可迅速与混凝凝土中的氢氧化钙相互作用生成水化硅酸钙，并产生强度，同时，硅灰具有一定的吸水性，有助于提升混凝土的粘聚性，使混凝土不易泌水或离析，改善混凝土的工作性能；但矿渣粉可以有效提高混凝土的抗氯离子侵蚀能力，可提高混凝土的密实度，在改善混凝土强度、抗渗性和抗冻性等发明具有较好的作用。此外，矿渣粉具有球形玻璃体结构，可以显著降低混凝土的内摩阻力，提高混凝土的流动性，有助于改善混凝土的工作性能。

可选的，所述硅灰与矿渣粉的质量比为1:2。

选择用较少的硅灰搭配较多的矿渣粉，不仅可增加火山灰活性，有利于提高强度，而且可通过细度更细的硅灰对水泥等物料的缝隙进行有效的填充，提高混凝土的密实性，并通过硅灰的吸水性提高界面间的粘聚性，但硅灰用量过高则会导致粘聚性过大，影响施工性能，而且容易产生硬化收缩，易开裂。

可选的，所述细骨料为高铝熟料，粒径小于5mm。

高铝熟料中具有较高的铝含量，可明显改善混凝土管桩的防腐性能，使所制备的混凝土管桩具有优异的防腐性能。

可选的，所述粗骨料为5-20mm粒径的碎石连续级配。

可选的，所述减水剂为聚羧酸减水剂。

可选的，采用如下步骤制备而成：

(1)制备混凝土：将水泥、矿物掺合料、细骨料、粗骨料和增强纤维进行干拌混合，然后加入减水剂、羟丙基甲基纤维素醚和水，搅拌混合均匀得到混凝土备用；

(2)制作薄壁桩：将步骤(1)制备的混凝土浇筑于管桩模具内，合模固定，进行预应力拉伸，然后离心成型；成型后的混凝土管桩先连同模具一通放入蒸养柜中进行蒸汽养护，达到脱模标准后拆除管桩模具，然后再将混凝土管桩吊入高压蒸汽炉中高压蒸养一段时间即可。

本申请具有如下的有益效果：

(1)本申请的薄壁混凝土管桩，通过添加矿物掺合料代替部分水泥，通过矿物掺合料提高凝胶材料的活性，增加火山灰反应，生成水化硅酸钙，提高混凝土的整体强度，另外，添加羟丙基甲基纤维素醚，提高各组分之间粘结力的同时提高保水效果，同时增强纤维添加硅烷偶联剂处理的增强纤维，硅烷偶联剂可将增强纤维与羟丙基甲基纤维素醚连接起来，形成三维网状结构，提高混凝土强度，提高抗裂性能。

(2)本申请改性处理增强纤维所用的硅烷偶联剂为耐腐蚀性硅烷偶联剂，该耐腐蚀性硅烷偶联剂中引入了锌螯合物，从而通过改性处理的增强纤维向混凝土中引入锌，起到良好的电化学防腐作用，以偶联剂方式引入的锌可以通过增强纤维的分散而良好地分散于整个混凝土体系中，避免直接添加锌粉而出现颗粒聚集的现象，从而起到更好的防腐作用。

(3)本申请以硅灰与矿渣粉的混合物作为矿物掺合料，代替部分水泥，硅灰中活性二氧化硅的含量高达85-95％，可迅速与混凝凝土中的氢氧化钙相互作用生成水化硅酸钙，并产生强度，同时，硅灰具有一定的吸水性，有助于提升混凝土的粘聚性，使混凝土不易泌水或离析，改善混凝土的工作性能；但矿渣粉可以有效提高混凝土的抗氯离子侵蚀能力，可提高混凝土的密实度，在改善混凝土强度、抗渗性和抗冻性等发明具有较好的作用。此外，矿渣粉具有球形玻璃体结构，可以显著降低混凝土的内摩阻力，提高混凝土的流动性，有助于改善混凝土的工作性能。

具体实施方式

现在结合实施例对本申请作进一步详细的说明。

本申请各实施例和对比例所用的水泥为硅酸盐水泥，表面积为3800m²/kg左右，铝酸三钙的质量百分比含量为5％左右；矿物掺料中的硅灰的比表面积为16000m²/kg左右，矿渣粉为II级磨细矿渣粉；细骨料为高铝熟料，粒径小于5mm；粗骨料为5-20mm粒径连续级配的碎石；增强纤维为波形钢纤维，长度为10-50mm，直径为0.1-0.5mm。

耐腐蚀性硅烷偶联剂改性增强纤维的改性处理的方法为：将耐腐蚀性硅烷偶联剂溶于N,N-二甲基甲酰胺的水溶液中，超声5min，然后加入增强纤维，继续超声处理20min，过滤、洗涤、干燥，得到耐腐蚀性硅烷偶联剂改性增强纤维，其中耐腐蚀性硅烷偶联剂占增强纤维总质量的2％。

KH570改性增强纤维的改性处理的方法为：将硅烷偶联剂KH570溶于乙醇水溶液中，超声5min，然后加入增强纤维，继续超声处理20min，过滤、洗涤、干燥，得到KH570改性增强纤维，其中硅烷偶联剂KH570占增强纤维总质量的2％。

实施例1

原料准备：水泥300kg、矿物掺合料100kg(其中硅灰与矿渣粉的质量比为1:2)、细骨料600kg(细骨料为高铝熟料)、粗骨料1000kg、耐腐蚀性硅烷偶联剂改性增强纤维100kg、聚羧酸减水剂10kg、羟丙基甲基纤维素醚5kg、水140kg。

薄壁混凝土管桩采用如下方法制备而成：

(1)制备混凝土：将水泥、矿物掺合料、细骨料、粗骨料和增强纤维进行干拌混合，然后加入减水剂、羟丙基甲基纤维素醚和水，搅拌混合均匀得到混凝土备用；

(2)制作薄壁桩：将步骤(1)制备的混凝土浇筑于管桩模具内，合模固定，进行预应力拉伸，然后离心成型；成型后的混凝土管桩先连同模具一通放入蒸养柜中进行蒸汽养护，达到脱模标准后拆除管桩模具，然后再将混凝土管桩吊入高压蒸汽炉中高压蒸养一段时间即可。

实施例2

原料准备：水泥500kg、矿物掺合料150kg(其中硅灰与矿渣粉的质量比为1:2)、细骨料800kg(细骨料为高铝熟料)、粗骨料1200kg、耐腐蚀性硅烷偶联剂改性增强纤维150kg、聚羧酸减水剂20kg、羟丙基甲基纤维素醚10kg、水200kg。

薄壁混凝土管桩采用如下方法制备而成：

(1)制备混凝土：将水泥、矿物掺合料、细骨料、粗骨料和增强纤维进行干拌混合，然后加入减水剂、羟丙基甲基纤维素醚和水，搅拌混合均匀得到混凝土备用；

(2)制作薄壁桩：将步骤(1)制备的混凝土浇筑于管桩模具内，合模固定，进行预应力拉伸，然后离心成型；成型后的混凝土管桩先连同模具一通放入蒸养柜中进行蒸汽养护，达到脱模标准后拆除管桩模具，然后再将混凝土管桩吊入高压蒸汽炉中高压蒸养一段时间即可。

实施例3

原料准备：水泥400kg、矿物掺合料125kg(其中硅灰与矿渣粉的质量比为1:2)、细骨料700kg(细骨料为高铝熟料)、粗骨料1100kg、耐腐蚀性硅烷偶联剂改性增强纤维125kg、聚羧酸减水剂15kg、羟丙基甲基纤维素醚8kg、水170kg。

薄壁混凝土管桩采用如下方法制备而成：

(1)制备混凝土：将水泥、矿物掺合料、细骨料、粗骨料和增强纤维进行干拌混合，然后加入减水剂、羟丙基甲基纤维素醚和水，搅拌混合均匀得到混凝土备用；

(2)制作薄壁桩：将步骤(1)制备的混凝土浇筑于管桩模具内，合模固定，进行预应力拉伸，然后离心成型；成型后的混凝土管桩先连同模具一通放入蒸养柜中进行蒸汽养护，达到脱模标准后拆除管桩模具，然后再将混凝土管桩吊入高压蒸汽炉中高压蒸养一段时间即可。

实施例4

原料准备：水泥400kg、矿物掺合料125kg(其中硅灰与矿渣粉的质量比为2:1)、细骨料700kg(细骨料为高铝熟料)、粗骨料1100kg、耐腐蚀性硅烷偶联剂改性增强纤维125kg、聚羧酸减水剂15kg、羟丙基甲基纤维素醚8kg、水170kg。

薄壁混凝土管桩采用如下方法制备而成：

(1)制备混凝土：将水泥、矿物掺合料、细骨料、粗骨料和增强纤维进行干拌混合，然后加入减水剂、羟丙基甲基纤维素醚和水，搅拌混合均匀得到混凝土备用；

(2)制作薄壁桩：将步骤(1)制备的混凝土浇筑于管桩模具内，合模固定，进行预应力拉伸，然后离心成型；成型后的混凝土管桩先连同模具一通放入蒸养柜中进行蒸汽养护，达到脱模标准后拆除管桩模具，然后再将混凝土管桩吊入高压蒸汽炉中高压蒸养一段时间即可。

实施例5

原料准备：水泥400kg、矿物掺合料125kg(其中硅灰与矿渣粉的质量比为1:2)、细骨料700kg(细骨料为石英砂)、粗骨料1100kg、耐腐蚀性硅烷偶联剂改性增强纤维125kg、聚羧酸减水剂15kg、羟丙基甲基纤维素醚8kg、水170kg。

薄壁混凝土管桩采用如下方法制备而成：

(1)制备混凝土：将水泥、矿物掺合料、细骨料、粗骨料和增强纤维进行干拌混合，然后加入减水剂、羟丙基甲基纤维素醚和水，搅拌混合均匀得到混凝土备用；

(2)制作薄壁桩：将步骤(1)制备的混凝土浇筑于管桩模具内，合模固定，进行预应力拉伸，然后离心成型；成型后的混凝土管桩先连同模具一通放入蒸养柜中进行蒸汽养护，达到脱模标准后拆除管桩模具，然后再将混凝土管桩吊入高压蒸汽炉中高压蒸养一段时间即可。

实施例6

原料准备：水泥400kg、矿物掺合料125kg(其中硅灰与矿渣粉的质量比为1:2)、细骨料700kg(细骨料为高铝熟料)、粗骨料1100kg、KH570改性增强纤维125kg、聚羧酸减水剂15kg、羟丙基甲基纤维素醚8kg、水170kg。

薄壁混凝土管桩采用如下方法制备而成：

(1)制备混凝土：将水泥、矿物掺合料、细骨料、粗骨料和增强纤维进行干拌混合，然后加入减水剂、羟丙基甲基纤维素醚和水，搅拌混合均匀得到混凝土备用；

(2)制作薄壁桩：将步骤(1)制备的混凝土浇筑于管桩模具内，合模固定，进行预应力拉伸，然后离心成型；成型后的混凝土管桩先连同模具一通放入蒸养柜中进行蒸汽养护，达到脱模标准后拆除管桩模具，然后再将混凝土管桩吊入高压蒸汽炉中高压蒸养一段时间即可。

对比例1与实施例3基本相同，区别仅在于：对比例1中所采用的矿物掺合料中不含硅灰。

对比例2与实施例3基本相同，区别仅在于：对比例21中所采用的矿物掺合料中不含矿渣粉。

对比例3与实施例3基本相同，区别仅在于：对比例3将实施例3中的耐腐蚀性硅烷偶联剂改性增强纤维替换为未改性的增强纤维。

对比例4与对比例3基本相同，区别仅在于：对比例4将对比例3中部分未改性的增强纤维替换为与实施例3中螯合锌等量的锌粉。

对比例5与实施例3基本相同，区别仅在于：对比例5中没有添加羟丙基甲基纤维素醚，水泥的用量为408份。

对实施例1-6和对比例1-5所制备的混凝土进行性能测试，测试结果如表1所示。

表1

其中，耐腐蚀性能的测试方法为：用浓度为30％的盐酸溶液对混凝土管桩进行局部增压渗透，渗透时间为1个月，结束后截取盐酸溶液渗透部位的钢筋1cm，与非渗透部位的钢筋1cm进行对比，各部位钢筋均为截取三段，取平均值，结果记录在表1中的最后两列。

从表1可以看出，各实施例所制备的混凝土具有较高的抗压强度和抗拉强度，耐腐蚀性能测试后，钢筋重量损失较少，耐腐蚀性能较好。

从实施例4可知，当实施例4中采用的矿物掺合料中硅灰与矿渣粉的质量比为2:1时，抗压强度和抗拉强度较实施例3相比均明显下降，钢筋重量损失有所增加，这可能是由于加入了过量的硅灰导致容易产生收缩裂纹，抗拉强度降低，抗渗性性能下降，耐腐蚀性能下降，另外，硅灰的增加导致矿渣粉减少，对混凝凝土的强度和耐腐蚀性能不利。

从实施例5可知，当实施例5中采用的细骨料为石英砂时，抗压强度和抗拉强度有所下降，钢筋重量损失明显增多，这可能是由于高铝熟料可以在一定程度上改善混凝土的粘结性能，且高铝熟料可显著改善混凝土的耐腐蚀性能，替换为石英砂后，导致强度有所下降，耐腐蚀性能显著下降。

从实施例6可知，当实施例6中采用KH570改性增强纤维代替耐腐蚀性硅烷偶联剂改性增强纤维时，钢筋重量损失明显增多，这可能是由于失去了螯合锌的作用，导致其防腐性能不如实施例3。

从对比例1可知，当对比例1中采用的矿物掺合料中不含硅灰时，所制备的混凝土的抗压强度和抗拉强度均显著下降，赶紧重量损失有所上升。这可能是由于未添加硅灰导致混凝土整体的火山灰活性下降，且各组分之间的粘结性有所下降，不利于形成密实的、高强度混凝土，所以导致强度下降，且由于密实性降低，影响抗渗能力，导致耐腐蚀性能下降。

从对比例2可知，当对比例2中采用的矿物掺合料中不含矿渣粉时，所制备混凝土的抗压强度和抗拉强度均显著下降，其钢筋重量损失上升明显。这可能是由于未添加矿渣粉不利于混凝土强度的提升，而且过多的硅灰容易导致裂纹的产生，从而导致强度下降，抗渗性能下降，进而使耐腐蚀性能变差。

从对比例3可知，当对比例3中采用的是未改性增强纤维时，导致抗压强度和抗拉强度均有较为明显的下降，且钢筋重量损失显著上升。这可能是由于未改性增强纤维中未能引入硅烷偶联剂，无法连接无机纤维材料和有机的羟丙基甲基纤维素醚材料，使纤维、与羟丙基甲基纤维素醚以及体系的凝胶材料之间无法很好地形成三维网状结构，各组分之间的连接效果差，导致强度低，易开裂，耐腐蚀性能差。

从对比例4可知，当对比例4中将对比例3中部分未改性的增强纤维替换为与实施例3中螯合锌等量的锌粉时，防腐性能较对比例3进一步下降。这可能是由于虽然对比例4以锌粉的形式补充了可起到电化学防腐作用的锌，但由于锌粉难以均匀分散，而且容易散失，导致其防腐效果不如以硅烷偶联剂的形式引入。

从对比例5可知，当对比例5中以等质量的水泥代替羟丙基甲基纤维素醚材料(即不添加羟丙基甲基纤维素醚材料，将水泥用量调整为408kg)时，抗压强度和抗拉强度下降明显，钢筋重量损失有所增加。这可能是由于未添加羟丙基甲基纤维素醚材料导致无法与硅烷偶联剂、增强纤维、凝胶材料等性能很好的三维网状结构，使得混凝土的抗压强度和抗拉强度均明显降低。

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，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项申请技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项申请的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (10)

1.一种薄壁混凝土管桩，其特征在于：包括如下重量份的各组分：

水泥300-500份

矿物掺合料100-150份

细骨料600-800份

粗骨料1000-1200份

增强纤维100-150份

减水剂10-20份

羟丙基甲基纤维素醚5-10份

水140-200份；

所述增强纤维添加前由硅烷偶联剂进行改性处理。

2.如权利要求1所述的薄壁混凝土管桩，其特征在于：所述硅烷偶联剂为耐腐蚀性硅烷偶联剂，所述耐腐蚀性硅烷偶联剂的结构式为：

3.如权利要求2所述的薄壁混凝土管桩，其特征在于：所述改性处理的方法为：将耐腐蚀性硅烷偶联剂溶于N,N-二甲基甲酰胺的水溶液中，超声2-5min，然后加入增强纤维，继续超声处理10-30min，过滤、洗涤、干燥，得到改性处理的增强纤维。

4.如权利要求1所述的薄壁混凝土管桩，其特征在于：所述增强纤维为钢纤维。

5.如权利要求1所述的薄壁混凝土管桩，其特征在于：所述矿物掺合料为硅灰与矿渣粉的混合物。

6.如权利要求5所述的薄壁混凝土管桩，其特征在于：所述硅灰与矿渣粉的质量比为1:2。

7.如权利要求1所述的薄壁混凝土管桩，其特征在于：所述细骨料为高铝熟料，粒径小于5mm。

8.如权利要求1所述的薄壁混凝土管桩，其特征在于：所述粗骨料为5-20mm粒径的碎石连续级配。

9.如权利要求1所述的薄壁混凝土管桩，其特征在于：所述减水剂为聚羧酸减水剂。

10.如权利要求1所述的薄壁混凝土管桩，其特征在于：采用如下步骤制备而成：

(1)制备混凝土：将水泥、矿物掺合料、细骨料、粗骨料和增强纤维进行干拌混合，然后加入减水剂、羟丙基甲基纤维素醚和水，搅拌混合均匀得到混凝土备用；

(2)制作薄壁桩：将步骤(1)制备的混凝土浇筑于管桩模具内，合模固定，进行预应力拉伸，然后离心成型；成型后的混凝土管桩先连同模具一通放入蒸养柜中进行蒸汽养护，达到脱模标准后拆除管桩模具，然后再将混凝土管桩吊入高压蒸汽炉中高压蒸养一段时间即可。