专利名称：一种复合材料控裂的预应力混凝土大管桩及其制造方法
技术领域：
本发明属于土木工程、桥梁工程、港口工程桩基础技术领域，涉及到一种预应力混凝土管桩及其制造方法。
背景技术：
近年来，随着码头、跨海跨江大桥建设的蓬勃发展，管桩凭借其良好的性能以及很好的适应能力得到广泛的应用。预应力混凝土管桩凭借其强度高、耐久性好、抗腐蚀能力强、抗渗能力高的特点在还工结构地基处理中得以广泛应用。然而，混凝土抗击打能力差， 若击打次数较大，容易出现桩身开裂以及桩顶破坏的现象。因此，有必要提高其抗裂及韧性性能，保证沉桩过程中桩体的完整性。为了保证混凝土在海样环境下有足够的耐久性，《港工混凝土设计规范》以及《混凝土耐久性设计规范》规定预应力混凝土管桩的裂缝等级至少为B级，在浪溅区则是要求达到A级，也就是说至少要求受拉边缘拉应力小于混凝土开裂拉应力，且有一定富余。但是， 在一些特殊情况下，受拉边缘的拉应力超过混凝土的拉应力，混凝土则会开裂，甚至有较大的宽度，这将对桩体带来耐久性方面的问题。因此，有必要提高桩体的裂缝控制能力以保证特殊情况下的安全可靠。超高韧性水泥基复合材料(UHTCC)作为一种高性能水泥基复合材料，在拉伸荷载下表现出显著的拉应变硬化特征以及多条细密的裂缝形态，极限拉应变可达1%以上，最大裂缝宽度可以控制在100 Mffl之内。一些试验结果表明此材料具有优良的抗渗、抗碳化、抗氯离子渗透等耐久性能、以及良好的冲击性能和裂缝控制能力。UHTCC能够将混凝土中出现的单一裂缝分散为多条细密裂缝，有效地约束了混凝土裂缝宽度的增长，直到纵向受拉钢筋达到屈服，受拉边缘最大裂缝宽度仅有100 Mm左右，显然，这一裂缝宽度级别足以满足在腐蚀极端严重的F环境作用等级下的要求。也就是说，在不施加预应力的情况下，裂缝宽度就可以达到在腐蚀最为严重的浪溅区的裂缝宽度要求。在无裂缝状态下，UHTCC的抗碳化性能与同强度普通混凝土相当，但在相同荷载预裂后，UHTCC裂缝处的碳化深度仅为对比混凝土的1/3，也就是说，UHTCC在正常工作状态下的抗碳化能力要远高于普通混凝土。其次，UHTCC抗渗性能优于相同强度等级普通混凝土，且随着龄期增长优势更明显，其56天龄期的渗透系数约为对比混凝土的1/3。快速氯离子试验和自由氯离子含量测定得到的氯离子渗透系数均表明，UHTCC具有明显优于普通混凝土的抵抗氯离子渗透性能。基于此，在预应力混凝土管桩周围外包一层一定厚度的UHTCC，不仅可以起到控裂作用，而且还能提高整个桩体的韧性性能以及耐久性能。
发明内容
本发明首先所要解决的技术问题是提供一种复合材料控裂的预应力混凝土大管桩，有效改善普通混凝土大管桩的抗裂、韧性性能以及裂缝控制能力。本发明是通过采用以下技术方案来实现的一种复合材料控裂的预应力混凝土大管桩包括钢管桩尖和若干个管节；其中，各管节采用混凝土为基体，其外围设有超高韧性水泥基复合材料UHTCC控裂防护层来替代所述混凝土，桩顶管节顶部外圆周设有钢板环箍， 桩底管节底端设有法兰盘，各管节的管壁内配有螺旋箍筋并设置纵向预留孔道，通过张拉穿过所述预留孔道的纵向预应力筋将各管节拼接为一体，所述预留孔道在纵向预应力筋张拉完成后通过注压水泥净浆填充密实，钢管桩尖与所述桩底管节法兰盘通过焊接连接，并在钢管桩尖与法兰盘的相交部位设有加劲板。所述控裂防护层材料采用超高韧性水泥基复合材料UHTCC，它由短纤维和砂浆基体组成，掺加的短纤维种类为聚乙烯醇纤维、聚乙烯纤维、芳香族聚酰胺纤维中的一种或几种，体积掺量为UHTCC总体积的广3% ；砂浆基体的组分重量比为水泥水精细骨料粉煤灰硅灰粒化高炉矿渣偏高岭土 = 1: (0.27 2. 2): (0 3) ((Γ6.9): (0^0.3) ((Π). 55) ((Π). 4)，精细骨料的最大粒径不大于0. 5 mm ；精细骨料、粉煤灰、硅灰、粒化高炉矿渣、偏高岭土的重量不同时为零；与此同时，还可以根据实际需要掺加适量的化学外加剂，如0. 2% 3%的减水剂、0. 059Γ0. 3%的消泡剂、0. 003% 0. 02%的引气剂、0. 03% 0. 3%的增稠剂等。所述复合材料控裂的预应力混凝土大管桩的控裂防护层材料UHTCC的拉应变为 1%以上，抗压强度为30 60 MPa，抗拉强度为3 6 MPa0所述钢板环箍设置范围为桩顶300 500 mm，厚度为3 5 mm。所述钢管桩尖，其长度为0.6 1. 2 m，内径与管桩内径相同。所述管桩的桩径一般为1200 1400 mm，壁厚为130 150 mm。所述外层UHTCC控裂防护层厚度为3(T50 mm。本发明另一个所要解决的技术问题是提供一种上述复合材料控裂的预应力混凝土大管桩的制造方法。为此，本发明采用以下技术方案所述的一种复合材料控裂的预应力混凝土大管桩的制造方法为先制作管桩各管节，然后进行管节拼接成整桩，其中，管节制作过程中先进行外层UHTCC控裂防护层作业而后进行内层混凝土离心成形。所述的一种复合材料控裂的预应力混凝土大管桩的制造方法包括以下步骤
(1)拼装外模，吊装到离心机上，进行外侧控裂防护层的离心作业，作业完成后，将其吊装下来；
(2)安装桩体钢筋笼，布置预留孔道成形装置；
将准备好的钢筋笼放进外模内，然后在两端安装与管桩壁厚一致的外模端板，将准备好的外套橡胶管的钢管芯棒穿入两端外模端板的孔中，并用螺帽拧紧固定在端板外侧，形成桩模；
(3)再次将桩模吊装到离心机上，实施内层混凝土的离心施工制作，采用离心、振动、 滚压相结合的方式实现整个管节成形首先边喂料边振动外模，喂料结束后，再采用边振动外模边辊压管桩内壁，而后以不小于73g的离心加速度进行离心处理，保证管壁进一步密实；
(4)蒸汽养护与拆模；
离心施工结束后，先在25 30°温度下静置5飞小时，然后进行蒸汽养护，蒸汽养护完成后，抽出预埋的钢管芯棒以形成预留孔道，然后拆除外模，继续进行洒水养护，保证其充分水化；(5)将钢管桩尖焊接在桩底管节的法兰盘上，然后进行各管节拼装；
拼接前，将管节端面表层水泥浆磨除，用清洁剂清洗和耦联剂涂刷，然后涂刷粘结剂； 然后将纵向预应力筋穿过预留孔道，并将其一端锚固在桩底法兰盘上，在其另一端分两次施加预应力，第一阶段取设计值的309Γ40%，待粘结剂与管节成为一个整体时，再施加第二阶段的预应力至设计值；
(6)对预留孔道注压水泥净浆；对预留孔道注入水泥净浆使得预应力筋与预留孔道间的空隙填充密实，注浆完成后并以0. 4^0. 6 MPa的压力保持2 3分钟，保证孔道浆体密实及其与预应力筋之间的握裹力。由于采用本发明的技术方案，本发明采用一定厚度的针对本发明所要解决的技术问题的超高韧性水泥基复合材料(UHTCC)作为预应力混凝土管桩的控裂防护层，充分利用了此材料的卓越的裂缝控制能力、优良的抗冲击性能以及耐久性能，不仅提高了桩体的抗裂、控裂能力、以及抗侵蚀能力，保证了沉桩过程中桩身的完整性，而且显著降低了日常运行期间的维护费用，延长了管桩的使用寿命，具有显著的经济效益。与大管桩和PHC桩相比，进一步提高了管桩的抗裂弯矩。其次，外侧UHTCC层可有效约束内层混凝土有害裂缝的扩展，将其分散为多条微细裂缝，宽度限制在100 μπι之内。而且，UHTCC材料所具有的优良的冲击韧性，能够抵抗浪溅区海水的往复冲击作用，并且能够避免在沉桩过程中由于锤击作用而出现桩顶破坏以及桩身开裂等缺陷。本发明所提供的制造方法使得在桩体外层UHTCC控裂防护层和内部混凝土紧密结合在一起，能够协同工作，构成体系，完全发挥UHTCC的功效。因此，本发明能够广泛应用于耐久性要求很高的海洋以及江河等环境的地基处理。
图1为本发明管桩的轴向截面示意图。图2为图1的A-A剖视图。图3为本发明管桩桩顶管壁放大示意图。图4为图1的B-B剖视图。图中1 纵向预应力钢筋；2 混凝土 ；3 UHTCC控裂防护层；4 螺旋箍筋；5 钢板环箍；6 预留孔道；7 法兰盘；8 钢管桩尖；9 加劲板；10 管壁。
具体实施例方式参照附图。本发明所提供的一种复合材料控裂的预应力混凝土大管桩包括钢管桩尖8和若干个管节；其中，各管节采用混凝土 2为基体，并且管桩外侧混凝土设有UHTCC控裂防护层3来替代混凝土 2，桩顶管节顶部外围设有钢板环箍5，桩底管节底端设有法兰盘 7,管壁内配有螺旋箍筋4，并设置预留孔道6，通过张拉穿过预留孔道6的纵向预应力筋1 将各管节拼接为一体，所述预留孔道6在纵向预应力筋1张拉完成后通过注压水泥净浆填充密实，钢管桩尖8与桩底管节法兰盘7通过焊接连接，并在钢管桩尖8与法兰盘7的相交部位设有加劲板9。所述控裂防护层材料采用超高韧性水泥基复合材料UHTCC，它由短纤维和砂浆基体组成，掺加的短纤维种类为聚乙烯醇纤维、聚乙烯纤维、芳香族聚酰胺纤维中的一种或几种，体积掺量为UHTCC总体积的广3% ；砂浆基体的组分重量比为水泥水精细骨料粉煤灰硅灰粒化高炉矿渣偏高岭土 = 1: (0.27 2. 2): (0 3) ((Γ6.9): (0^0.3) (0、. 55) :((Γθ. 4)，精细骨料的最大粒径不大于0.5 mm;精细骨料、粉煤灰、硅灰、粒化高炉矿渣、偏高岭土的重量不同时为零，与此同时，还可以根据实际需要掺加适量的化学外加剂，如0. 2% 3%的减水剂、0. 059Γ0. 3%的消泡剂、0. 003% 0. 02%的引气剂、0. 03% 0. 3%的增稠剂等。所述控裂防护层材料UHTCC的拉应变为1%以上，抗压强度为3(T60 MPa,抗拉强度为3 6 MPa。所述管桩的桩径为1200 1400 mm，壁厚为130 150 mm，管桩外层UHTCC控裂防护层厚度为30 50 mm。所述管桩在管桩顶部设置钢板环箍5，保证桩顶在锤击作用下不发生局部破，其设置范围为桩顶30(T500 mm，厚度为3、mm ；在桩底管节设有钢管桩尖8，提高管桩穿越密实土层的能力，其长度为0. 6^1. 2 m,内径与管桩内径相同。所述的一种复合材料控裂的预应力混凝土大管桩的制造方法为先制作管桩各管节，然后进行管节拼接成整桩，其中，管节制作过程中先进行控裂防护层UHTCC3控裂防护层作业而后进行内层混凝土 2离心成形。本发明所提供的复合材料控裂的预应力混凝土大管桩的实施例如下
1、管桩参数包括外径1200 mm，内径910 mm，UHTCC厚35 mm，混凝土厚110 mm，预留16 孔，预留孔直径40 _，每孔配筋2 Φ sI X 7，直径为15.2 mm,/^=1860 MPa，/c=60 MPa (/c为混凝土的标准抗压强度)。设置1 m长的钢管桩尖，其内径与壁厚分别为910 mm、16mm;ri、 r3分别为管桩内径、外径，r2为外层UHTCC与内层混凝土之间的界面位置的半径。2、整桩的制造步骤
(1)所用UHTCC的砂浆基体成分的重量比为水泥水砂粉煤灰硅灰减水剂 增稠剂=1 1.58: 1.5: 2.0: 0. 15: 0. 01: 0. 003，掺加体积掺量为UHTCC总体积洲的聚乙烯醇短纤维，砂的最大粒径为0.2 mm。(2)拼装外模，吊装到离心机上，进行外侧UHTCC控裂防护层3的离心作业，作业完成后，将其吊装下来。(3)布置钢筋笼和预留孔道成形部件。将准备好的钢筋笼放进UHTCC离心成形后的外模内，在两端安置外模端板，将准备好的外套橡胶管的钢管芯棒穿入两端端板的孔中， 并用螺帽拧紧固定在端板外侧；
(4)再次将桩模吊装到离心机上，实施内层混凝土2的离心作业。采用离心、振动、滚压相结合的方式实现整个管节成形首先边喂料边振动外模，喂料结束后，再采用边振动外模边辊压管桩内壁，而后以不小于73g的离心加速度进行离心处理，保证管壁进一步密实；
(5)进行蒸汽养护。整个养护过程分为四个阶段，包括静养5飞小时、升温3小时、恒温养护36小时左右、降温6小时。在静养阶段，温度约为25 30 升温阶段，升温速度不大于10 °C/h;恒温养护阶段，蒸汽温度不超过45 °C，桩体内部温度不超过60 ，最大不超过 65。c ；降温阶段，以不宜高于10 °C/h降温速度降至与室外相当的温度。蒸汽养护完成后，抽出钢管芯棒以形成预留孔道。然后拆除管桩外钢模，并继续浇水养护一周，保证充分水化。
(6)现场拼装整桩。首先把钢管桩尖8与桩底管节法兰盘7通过焊接连接在一起，并在钢管桩尖与法兰盘的相交部位焊接厚度为12 mm的加劲板9。拼接前，将管节端面表层水泥浆磨除，用清洁剂清洗和耦联剂涂刷，并涂刷粘结剂。然后将纵向预应力筋穿过预留孔道，并将其一端锚固在桩底法兰盘上，在其另一端分两次施加预应力，第一阶段取设计值的309Γ40%，待粘结剂与管节成为一个整体时，再施加第二阶段的预应力至设计值。(7)对预留孔道注压水泥净浆。采用由高速搅拌机拌制的水灰比0.32左右的高流动度、低泌水率的水泥净浆注入预留孔道使得孔壁与预应力筋之间的空隙填充密实；作业过程为先压下层孔道后上孔道，由桩的一端向另一端缓慢、均勻地注浆，注浆完成后再保持0. 5 MPa的压力3分钟，确保浆体的密实性及其与预应力筋之间的握裹力。
权利要求
1.一种复合材料控裂的预应力混凝土大管桩，其特征在于所述管桩包括钢管桩尖和若干个管节；其中，各管节采用混凝土为基体，其外围设有超高韧性水泥基复合材料UHTCC控裂防护层来替代所述混凝土，桩顶管节顶部外圆周设有钢板环箍，桩底管节底端设有法兰盘，各管节的管壁内配有螺旋箍筋并设置纵向预留孔道，通过张拉穿过所述预留孔道的纵向预应力筋将各管节拼接为一体，所述预留孔道在纵向预应力筋张拉完成后通过注压水泥净浆填充密实，钢管桩尖与所述桩底管节法兰盘通过焊接连接，并在钢管桩尖与法兰盘的相交部位设有加劲板。
2.如权利要求1所述的一种复合材料控裂的预应力混凝土大管桩，其特征在于所述超高韧性水泥基复合材料UHTCC，它由短纤维和砂浆基体组成，掺加的短纤维种类为聚乙烯醇纤维、聚乙烯纤维、芳香族聚酰胺纤维中的一种或几种，体积掺量为UHTCC总体积的广3% ； 砂浆基体的组分重量比为水泥水精细骨料粉煤灰硅灰粒化高炉矿渣偏高岭土 = 1: (0.27 2. 2): (0 3) (0 6.9): (0 0. 3): (0 0. 55): (0 0. 4)，精细骨料的最大粒径不大于0. 5 mm ；精细骨料、粉煤灰、硅灰、粒化高炉矿渣、偏高岭土的重量不同时为零。
3.如权利要求2所述的一种复合材料控裂的预应力混凝土大管桩，其特征在于所述 UHTCC的拉应变为1%以上，抗压强度为30 60 MPa，抗拉强度为3飞MPa0
4.如权利要求1所述的一种复合材料控裂的预应力混凝土大管桩，其特征在于所述钢板环箍设置范围为桩顶30(T500 mm，厚度为3 5 mm。
5.如权利要求1所述的一种复合材料控裂的预应力混凝土大管桩，其特征在于所述钢管桩尖的长度为0. 6^1. 2 m,内径与管桩内径相同。
6.如权利要求1所述的一种复合材料控裂的预应力混凝土大管桩，其特征在于所述预应力混凝大管桩的桩径为1200 1400 mm，壁厚为130 150 mm。
7.如权利要求1所述的一种复合材料控裂的预应力混凝土大管桩，其特征在于所述 UHTCC控裂防护层厚度为3(T50 mm。
8.—种权利要求1所述的复合材料控裂的预应力混凝土大管桩的制造方法，其特征在于先制作管桩各管节，然后进行管节拼接成整桩，其中，管节制作过程中先进行外层UHTCC 控裂防护层作业而后进行内层混凝土离心成形。
9.如权利要求8所述的复合材料控裂的预应力混凝土大管桩的制造方法，其特征在于，整个管桩的制造包括以下步骤(1)拼装外模，吊装到离心机上，进行外侧控裂防护层的离心作业，作业完成后，将其吊装下来；(2)安装桩体钢筋笼，布置预留孔道成形装置；将准备好的钢筋笼放进外模内，然后在两端安装与管桩壁厚一致的外模端板，将准备好的外套橡胶管的钢管芯棒穿入两端外模端板的孔中，并用螺帽拧紧固定在端板外侧，形成桩模；(3)再次将桩模吊装到离心机上，实施内层混凝土的离心施工制作，采用离心、振动、 滚压相结合的方式实现整个管节成形首先边喂料边振动外模，喂料结束后，再采用边振动外模边辊压管桩内壁，而后以不小于73g的离心加速度进行离心处理，保证管壁进一步密实；(4)蒸汽养护与拆模；离心施工结束后，先在25 30°温度下静置5飞小时，然后进行蒸汽养护，蒸汽养护完成后，抽出预埋的钢管芯棒以形成预留孔道，然后拆除外模，继续进行洒水养护，保证其充分水化；(5)将钢管桩尖焊接在桩底管节的法兰盘上，然后进行各管节拼装；拼接前，将管节端面表层水泥浆磨除，用清洁剂清洗和耦联剂涂刷，然后涂刷粘结剂； 然后将纵向预应力筋穿过预留孔道，并将其一端锚固在桩底法兰盘上，在其另一端分两次施加预应力，第一阶段取设计值的309Γ40%，待粘结剂与管节成为一个整体时，再施加第二阶段的预应力至设计值；(6)对预留孔道注压水泥净浆；对预留孔道注入水泥净浆使得预应力筋与预留孔道间的空隙填充密实，注浆完成后并以0.4、. 6 MI^的压力保持2 3分钟，保证孔道浆体密实及其与预应力筋之间的握裹力。
全文摘要
本发明提供了一种复合材料控裂的预应力混凝土大管桩，包括钢管桩尖和若干个管节；各管节采用混凝土为基体，其外围设有超高韧性水泥基复合材料UHTCC控裂防护层来替代混凝土，桩顶管节顶部外圆周设有钢板环箍，桩底管节底端设有法兰盘，各管节的管壁内配有螺旋箍筋并设置纵向预留孔道，通过张拉穿过所述预留孔道的纵向预应力筋将各管节拼接为一体，预留孔道在纵向预应力筋张拉完成后通过注压水泥净浆填充密实，钢管桩尖与所述桩底管节法兰盘通过焊接连接。本发明不仅提高了桩体的抗裂、控裂能力、以及抗侵蚀能力，保证了沉桩过程中桩身的完整性，而且显著降低了日常运行期间的维护费用，延长了管桩的使用寿命，具有显著的经济效益。
文档编号E02D5/58GK102392441SQ20111021150
公开日2012年3月28日 申请日期2011年7月26日 优先权日2011年7月26日
发明者侯利军, 徐世烺, 李庆华 申请人:杭州固华复合材料科技有限公司