预应力混凝土管桩的混凝土配比研究.docx

预应力混凝土管桩的混凝土配比研究.docx

《预应力混凝土管桩的混凝土配比研究.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《预应力混凝土管桩的混凝土配比研究.docx（23页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

预应力混凝土管桩的混凝土配比研究

河北工业大学

毕业论文

作者：

杨佳鑫学号：

061991

学院：

材料科学与工程学院

专业：

无机非金属材料

专业方向：

能源与环境材料

题目：

预应力混凝土管桩的混凝土配比研究

指导者：

孟军平助理研究员

评阅者：

梁金生研究员

2010年6月10日

毕业论文中文摘要

预应力混凝土管桩的混凝土配比研究

摘要：

预应力混凝土管桩的混凝土配合比设计应根据原材料品质、混凝土设计强度等级、混凝土耐久性以及生产工艺对工作性能的要求，通过选材、计算、试配、调整等步骤来确定，在此基础上制备不同型号的管桩，对其力学性能进行检测。

通过试配、调整，最终原材料选用42.5级普通硅酸盐水泥、缓凝高效减水剂、天然细砂与机制砂组成的混合砂、4～9.5mm粒级石子和9.5～26.5mm粒级石子双级配、S95磨细砂矿渣微粉。

当选定砂率为39%、磨细砂掺入比例为25%时，松堆密度达到最大值1680kg/m3，空隙率达到最小值21.1%。

按照此混凝土配合比实际生产出Φ300×70、Φ400×80、Φ500×100等管桩，经过力学检测，抗压强度和极限弯矩皆超过设计值，实测强度为93.1MPa，达到C90等级。

关键词：

管桩，混凝土，配合比，设计

毕业论文外文摘要

TitleMixratiodesignofprestressedconcretepile

Abstract

Mixratioofprestressedconcretepilewasdesigned,accordingtothequalityofrawmaterials,thedesignintensityofconcrete,concretedurabilityandtherequirementsofproductionprocessforperformance.Throughstepsofselectingmaterials,calculating,attemptingofmixingandregulation,aseriesofpipewereprepared.Onthebasis,itsmechanicalperformancewastested.

Throughthetest,theordinary42.5levelsofportlandcementwasfinallyselected.Otherrawmaterialswereselectedasfollows:

polycarboxylic,naturalsandcombiningartificialsandintomixedsand,4~9.5mmsizegradingofthestonesand9.5~26.5mmsizegradingformingthetwo-stagedistribution,andS95sandslag.Whentheselectedratewas39%sand,mixingratioofsandslagwas25%,thebulkdensityreachedthemaximum1680kg/m3,thegapratioofconcretereachedtheminimum21.1%.

Accordingtotheconcretemix,thepilesofΦ300×70,Φ400×80andΦ500×100wereprepared.Throughmechanicaltesting,thecompressivestrengthandultimatemomentweremorethanthedesignedvalue,andthemeasuringstrengthwas93.1MPa,reachedC90levels.

Keywords：

pile,concrete,mixratio,design

目录

1绪论1

1.1研究目的与意义1

1.2管桩混凝土配合比设计1

1.3管桩混凝土配合比设计原理2

1.4混凝土配合比研究现状2

2实验与方法3

2.1实验材料与仪器3

2.1.1实验材料3

2.1.2实验仪器3

2.2实验方案3

2.2.1预应力混凝土管桩制备工艺3

2.2.2试配方法4

3原材料选择和性能5

3.1水泥5

3.2粉煤灰5

3.3外加剂5

3.4细骨料6

3.5粗骨料7

3.6磨细砂8

4混凝土配合比设计9

4.1骨料填充效应9

4.2砂石混合孔隙率9

4.3胶结料选择11

4.4各组分用量计算11

4.4.1粉煤灰掺合料12

4.4.2磨细砂掺合料13

5高强度预应力混凝土管桩制备14

5.1制备条件14

5.2制备工艺14

5.3性能检测15

结论16

参考文献16

致谢18

1绪论

1.1研究目的与意义

随着我国经济的高速增长，土木建筑也得到了迅速发展，大量的高层建筑、大跨度桥梁、高速公路、港口等工程均需要优质的桩基，只有良好的桩基设计才不会造成建筑物灾难性的倾覆、坍塌[1]。

管桩是目前工程上应用最多最重要的桩基材料，它的全称为高强度预应力混凝土管桩，简称PHC管桩，是我国近年来开发的一种建筑地基用高强度混凝土制品，其混凝土强度要求达到C80等级[3]，而混凝土抗压强度是评定管桩性能的重要指标，因此混凝土的配合比设计直接影响管桩的强度，进而影响高强预应力管桩的产品质量。

配制高性能混凝土的方法多种多样，在原材料和生产工艺都不变的条件下，采用高效减水剂和活性矿物掺合料配制高性能混凝土的方法，有利于管桩的生产应用。

常用的矿物活性材料主要有：

优质粉煤灰、磨细矿渣、矿渣微粉等[5]。

混凝土的配合比设计任务，是依据现有资源，科学地确定水泥、水、细骨料、粗骨料及外加剂用量的比例关系[2]。

管桩质量的优劣、生产成本的高低，甚至生产周转率的高低都与混凝土配合比的设计密切相关。

目前管桩的工业生产对原材料资源浪费严重，能源消耗巨大，严重的依赖于各种天然原材料，比如砂、石子，且大量使用高能耗工业产品水泥。

加之目前各种天然原材料价格上涨、传统水泥发展不符合国家节能环保的趋势要求等，这些制约因素给管桩行业发展带来阻力。

因此，本课题研究关于水泥、石、砂、外加剂的不同配合比对管桩性能的影响，以及通过在混凝土拌料过程中使用新型添加剂、掺合料，通过对性能参数的研究，达到在既能提高或保持原有管桩性能的基础上，更能降低原材料消耗的目的。

1.2管桩混凝土配合比设计

混凝土的配合比应根据原材料品质、混凝土设计强度等级、混凝土耐久性以及生产工艺对工作性的要求，通过计算、试配、调整等步骤选定[10]。

配制的混凝土应满足生产要求，设计强度和耐久性等质量要求。

高性能混凝土配合比设计应首先考虑混凝土的耐久性要求，然后根据生产工艺对拌合物工作性和强度要求进行设计，并通过试配、调整，确认满足使用要求后方可用于管桩生产。

为提高混凝土的耐久性，改善混凝土的和易性能和抗压性能，混凝土中宜适量掺加优质的粉煤灰、矿渣微粉或磨细砂等矿物外加剂，其掺量应根据混凝土的性能通过试验确定。

1.3管桩混凝土配合比设计原理

按密实体积法理论，由砂浆体积填充碎石间空隙体积，水泥净浆体积填充砂粒间空隙体积，并略有余（即拨开系数）。

在此基础上，可以考虑在混凝土中加入一种或者两种的掺合料，由于掺合料粒径均小于水泥粒径，因而掺合料体积填充水泥净浆的空隙体积。

除此之外，它们可以在混凝土中起到良好的润滑作用，增加混凝土的流变性能，改善水化产物的均匀性，使水泥、砂石结构变得更加密实，起到微晶核效应的作用，也改善了水泥浆与骨料间的界面结构，有利于混凝土力学性能的提高[6]。

1.4混凝土配合比研究现状

在日本所生产的PHC桩里，混凝土的水泥用量为400～500kg/m3，水灰比为0.32～0.35，坍落度在8～15cm之间。

混凝土的密度一般在2550～2650kg/m3，采用压蒸养护时可掺入胶凝材料用量30%～40%的矿渣微粉，同时也可掺入胶凝材料用量10%～20%的磨细高炉矿渣。

如没有采用压蒸养护,则不能掺入磨细石英砂，因为磨细石英砂常温下不生成托勃莫来石，但可以适当提高磨细高炉矿渣的掺量，一般在20%～30%之间[11]。

在国内高强度混凝土管桩的水泥用量为450～500kg/m3，水灰比为0.32～0.35，坍落度在8～15cm之间。

混凝土的密度一般在2550～2650kg/m3，采用矿渣微粉、磨细洁净建筑砂等替代20%～30%的硅酸盐水泥，配制C80高强混凝土，经蒸汽养护和高压蒸养，生产出优质的PHC管桩[8]。

采用这项技术后，可使管桩的生产成本降低8元/m～10元/m，同时混凝土强度可提高10MPa～15MPa，管桩的锤击施工性能得到很大提高[13]。

目前，该项技术已在40%左右的管桩生产企业中应用，取得了很好的技术经济效益。

同时有的公司研究过采用优质粉煤灰（Ⅰ级或Ⅱ级）等量替代15%～30%的硅酸盐水泥配制C80、C60高强混凝土[16]，生产PHC桩、PC桩，采用这项技术后，可使管桩的生产成本降低10元/m～12元/m，同时混凝土强度可提高8MPa～12MPa，管桩的锤击性能也有较大的提高[7]。

目前，该项技术已在少数管桩生产企业应用，其技术经济效益也较显著。

2实验与方法

2.1实验材料与仪器

2.1.1实验材料

（1）强度较高、水化热低、标准稠度用水量低的42.5MPa普通硅酸盐水泥

（2）某电厂废料粉煤灰

（3）缓凝高效减水剂

（4）天热河砂和机制人工砂

（5）花岗岩碎石

（6）S95矿粉

2.1.2实验仪器

仪器名称

型号

生产厂家

电热鼓风干燥箱

SY101-2

天津三水科学仪器公司

水泥标准养护箱

GB/T17671-40A

天津路达建筑仪器公司

震击式标准振筛机

ZBSX-92A

浙江上虞飞达实验设备公司

水泥电动抗折试验机

RD1500

山东荣成石岛仪器公司

水泥标准稠度凝结测定仪

KZJ500-1

江苏无锡华南实验仪器公司

电动勃氏透气比表面积仪

DBT-127

无锡市锡仪建材仪器公司

2000KN压力试验机

NYL-2000D

无锡建仪仪器机械公司

3000KN压力试验机

NYL-300

无锡建仪仪器机械公司

磁力搅拌器

2.2实验方案

2.2.1预应力混凝土管桩制备工艺

图1是预应力混凝土管桩的混凝土样品的制备工艺流程图。

搅拌

图1预应力混凝土管桩的混凝土样品的制备工艺流程图

预应力混凝土管桩的混凝土样品的制备工艺应严格按照管桩的实际生产工艺要求来制定，生产的混凝土制备工艺需要遵循《普通混凝土拌和物性能试验方法标准》的标准试配方法，混凝土样品制备工艺需要按照管桩的实际生产工艺养护条件进行养护，为了达到更好的同等对比效果，预应力混凝土管桩的混凝土样品制备将同管桩生产一并制备，即制备样品所需的蒸汽养护和蒸压养护条件将等按照管桩的实际生产工艺流程进行。

2.2.2试配方法

混凝土试验按《普通混凝土拌和物性能试验方法标准》（GB/T50080—2002）进行测试。

图2是预应力混凝土管桩的混凝土的制备工艺流程图。

加入设定值90%量的水

加入人工机制砂和天然河砂的混合砂

同时加入水泥和掺合剂

依定砼料和易性选择加入剩余水量

加入石子

加减水剂

图2预应力混凝土管桩的混凝土的制备工艺流程图

首先通过掺加一定量的混合砂，再加入水泥和掺合剂后依次加入水、石子、减水剂，在配制过程中，混凝土试块将严格按照管桩的养护标准养护，选择出合适的掺入量，合适的搅拌时间，制定出最优化的混凝土制备工艺，再对混凝土成品做抗压强度的检测。

3原材料选择和性能

3.1水泥

应选用强度较高、水化热低、标准稠度用水量低的水泥。

试配时，采用42.5级普通硅酸盐水泥，其细度、初终凝时间、抗压强度、抗折强度、安定性等指标均满足要求，其性能见表1。

3.2粉煤灰

用高质量的粉煤灰取代部分水泥可改善新拌混凝土的和易性，减少泌水和离析现象，具有良好的保水性，有利于管桩离心时的均匀分布，能有效降低水化热，降低混凝土的绝热升温，可提高混凝土的抗渗性能，改善混凝土抗化学腐蚀的能力，可提高混凝土的耐久性。

各指标中，细度影响用水量，三氧化硫影响耐久性[14]。

本次配合比设计使用一级粉煤灰，对细度、烧失量、需水量比等指标严加限制，其性能见表2。

3.3外加剂

掺加高效减水剂后，能在一定的和易性要求下显著降低用水量，使混凝土更加密实，从而提高强度、耐久性等。

宜采用减水率高、与水泥相容性好、坍落度损失小的品种。

与水泥的适应性试验：

采用缓凝高效减水剂，减水率宜大于20%，且外加剂与水泥要有较好的相容性，保证混凝土拌合物具有良好的粘聚性和保水性，各项性能指标符合规范要求[12]。

本工程选用聚羧酸系高效减水剂。

在配制过程中对减水剂的减水率、含气量、凝结时间等加以严格控制。

初选JB-ZSC（水剂）和SPP-9P（水剂）2种减水剂，厂家推荐掺量分别为0.6%～2.0%和0.5%～1.2%。

在实验室内对2种外加剂与水泥的适应性进行试验，其性能见表3。

进行外加剂与水泥的适应性试验，对2种减水剂选用不同掺量，分别测定在3、30、60min的水泥净浆流动度。

检测结果见表4、表5。

通过数据对比，最终选用与水泥适应性更好（流动度波动最小）的SPP-9P缓凝高效减水剂，并重复流动度试验，确定最佳用量为1.0%。

3.4细骨料

选用天热河砂和机制人工砂混凝而成的混合砂，属中砂范围，其细度模数宜控制在1.8～2.9范围内，含泥量小于5%，实测其性能见表6、表7。

分析表6和表7可以看出，相比天然河砂，机制砂级配较好，0.3～1.18mm颗粒含量较少，且细度模数大，颗粒表面粗糙，机制砂的这些特性会影响混凝土的相关性能，而天然细砂因为含泥量不达标，因此需要使用更多的人工机制砂，来搭配天然细砂组成混合砂来使用。

3.5粗骨料

碎石采用花岗岩碎石，岩体轴心抗压强度为160MPa，级配要求稳定，压碎值、含泥量、针片状含量均优于规范要求。

本次设计采用4.75～9.5mm和9.5～26.5mm2种规格碎石级配，按比例掺配成连续级配的碎石，其性能见表8。

通过将4.75～9.5mm和9.5～26.5mm这2种规格碎石级配掺配，得到最佳的堆积密度和振实密度，见表9。

从表9可以看出：

实测当粗骨料为20%（4.75～9.5mm）碎石与80%（9.5～26.5mm）的碎石搭配时，粗骨料的堆积密度是1455kg/m3，振实密度为1725kg/m3，在此条件下搭配的粗骨料空隙率小，振实密度较大，其级配比较理想。

3.6磨细砂

磨细矿粉：

采用S95矿粉，其性能指标见表10。

4混凝土配合比设计

管桩常用于沿海地区，打入地基中属海水化学腐蚀环境，要使混凝土具有很好的耐久性，能够抵抗氯离子等有害离子的渗透腐蚀，根本的方法就是提高混凝土的密实性，从而使混凝土能够达到低渗透性、高弹性模量的高性能混凝土[15]。

4.1骨料填充效应

混凝土中粗骨料的孔隙是由细骨料填充的，细骨料的孔隙是由胶结料填充的，只有混凝土中各种集料充分填充其他集料的孔隙，混凝土才能密实。

为此，粗骨料选用的是连续粒级的石子，使各级石子之间能很好的填充上一级石子的孔隙，并且还采用4.75～9.5mm连续粒级石子和9.5～26.5mm连续粒级石子双级配，通过做最佳密度，计算出两种石子的最佳配合比例，用4.75～9.5mm连续粒级石子去填充9.5～26.5mm连续粒级石子的孔隙，使粗骨料的孔隙尽可能小。

其次，根据粗骨料的孔隙率，选适宜的砂率，以便细骨料能很好的填充粗骨料的孔隙。

4.2砂石混合孔隙率

天然细砂与人工机制砂的混合砂石使用，才是节约成品，减少原材料浪费的最佳途径，因此为了获得较好颗粒级配以及较小孔隙率的砂，采用机制砂与细砂混合复配，经过前面对机制砂和天然细砂的检测得知，细砂的使用效果并不理想，因此，本次实验采用含天然细砂较少比例的混合砂，其采用不同比例混合砂的性能指标见表11。

由表11中数据可知，机制砂与细砂以7：

3和6：

4的比例混合时，其松堆密度都较大，为得出哪个比例颗粒级配更好，进而对其进行了筛分，结果见表12、表13。

比较表12与表13中数据可知，机制砂：

细砂=7：

3时，混合砂的颗粒级配较好，孔隙率较小。

确定混合砂（机制砂：

细砂=7：

3）与石子混合后，混合料达到最大密度时的砂率β。

按照管桩混凝土的制备要求，将砂率β从38%变化至40%，把不同砂石比的砂石混合，分三次装入15L的不变形的容重筒中，在振动台上振动至试料不再下沉为止，刮平表面后称量，并换算成松椎密度，形成砂率于混合砂石松堆密度曲线图，结果见图3。

从图3可以看到砂率β为39%时，混合料松堆密度最大，孔隙率最小，测得按此砂率混合后，砂石的表观密度为2674kg/m3，计算得其孔隙率α为21.1%。

4.3胶结料选择

根据混凝土设计强度和上述粗、细骨料很好填充后的孔隙率，选择适宜的胶结料用量，充分填充、填实该孔隙。

为了达到最佳的密实效果，胶结料也选用了三种——水泥、磨细砂、粉煤灰，用比水泥颗粒更细的磨细砂（或粉煤灰）去填充水泥颗粒形成的孔隙，充分的利用了集料填充效应，从而达到混凝土最佳的密实效果。

充分利用胶结料的三次水化胶结料选用的三种胶结料：

水泥、磨细砂、粉煤灰，这三种胶结料有各自特有的物理和化学性能，水化的先后顺序是不一样的。

水泥是由熟料和一定的矿物掺合料磨细而成，有较高的活性，因此它首先水化（也叫一次水化），生成铝酸盐、铁铝酸盐和大量的硅酸盐凝胶，填充粗、细骨料的孔隙，并将粗、细骨料很好的胶结到一起[17]。

磨细砂是由炼铁过程中产生的水渣磨细而成，它的主要成分是二氧化硅，本身活性很低，在水中靠自身水化非常缓慢，只有在碱环境中靠碱激发才能很好水化，因此它在混凝土中的水化比水泥慢，必须等水泥水化后生成了一种碱———氢氧化钙后，它才能在氢氧化钙的激发下，与氢氧化钙反应形硅酸盐凝胶，所以混凝土中磨细砂的水化被称为二次水化。

由于它比水泥细，填充在水泥颗粒形成的孔隙中，更重要的是它与氢氧化钙反应后形成的硅酸盐凝胶体积比其自身体积大，能够产生微膨胀效应，起到很好的填充效应，使混凝土更加致密。

粉煤灰是发电厂发电过程中产生的烟尘，是通过静电除尘设备收集的，也被称作原状灰。

它的颗粒形态是玻璃球状体，颗粒表面有一层致密层。

粉煤灰只有在碱环境下，靠碱腐蚀其致密层，破壁后才能充分水化，它的主要成分是二氧化硅和三氧化二铝。

由于有一个破壁的过程，所以它比矿粉在混凝土中的水化还慢，因此被称作三次水化。

由于它比水泥、矿粉细，填充在水泥和矿粉颗粒形成的孔隙中，更重要的是它与氢氧化钙反应后形成的铝酸盐和硅酸盐凝胶体积比其自身体积大，也能够产生微膨胀效应，起到很好的填充效应，使混凝土更加致密。

充分利用胶结料的三次水化，充分利用集料填充效应，就能够生产出密实性非常好的混凝土，从而使混凝土能够达到低渗透性、高弹性模量，应用高性能混凝土达到需要的耐久性。

4.4各组分用量计算

4.4.1粉煤灰掺合剂

内掺0%到20%的粉煤灰，前面原材料检测已经测得水泥密度γc为3.00g/cm3，粉煤灰的密度γf为2.23g/cm3，混合砂石的表观密度γa为2.67g/cm3，砂率β为39%，机制砂与细砂比例为7：

3，粗骨料的粗碎石与细碎石比例为4：

1，以掺入粉煤灰比例为5%为例，得到各组分用量：

1m3浆用胶凝材料2426kg。

1m3混凝土中胶凝材料的总用量C+F=2426×22%≈534kg/m3；

水泥用量C=（C+F）×95%=534×95%≈507kg/m3；

粉煤灰用量F=（C+F）×5%=534×5%≈27kg/m3；

水用量W=（C+F）×λ=534×0.30=160.2kg/m3；

砂用量S=（S+G）×β=1894×39%=738.7kg/m3；

石用量G=（S+G）×（1-β）=1155.3kg/m3；

减水剂用量=（C+F）×1.0%=2.43kg/m3。

故根据计算混凝土的配合比为：

水泥：

粉煤灰：

水：

砂：

石=507：

27：

160.2：

738.7：

1155.3

根据计算所得配比，按比例称量各种材料拌制15L混合料，采用搅拌机机械搅拌。

测得拌和物的坍落度为60mm，满足设计要求值50±20mm，保水性、粘聚性良好，以此配合比作为混凝土强度试验用的基准配合比。

配比及拌合物性能以及混凝土强度见表14。

根据表14结果，以粉煤灰的掺入量为横坐标，标养28天抗压强度为纵坐标绘制其关系，如图4。

图4标养28d抗压强度和粉煤灰掺入量的关系

由以上数据可见，随着掺入粉煤灰的增加，混凝土的抗压强度不断降低，不符合密实体积效应，因此，掺入粉煤灰是不合理的。

4.4.2磨细砂掺合料

用与掺入粉煤灰代替水泥的同样方法，对混凝土进行配合比设计，采用替代量为0%到30%的磨细砂，经过蒸养+压蒸、标准养护28d、蒸养+标准养护28d，三种不同测量手段和时间，测得出的掺磨细砂混凝土配比及性能表，见表15。

检测出的用磨细砂替代等量水泥的混凝土拌合料的坍落度与和易性数据，见表16。

由试验结果可知

（1）用磨细砂等量替代水泥的20%、25%、30%的混凝土拌合物坍落度并未降低。

（2）同上混凝土的蒸养强度均满足GB13476标准规定的管桩蒸养后脱模强度为35MPa以上的要求。

（3）同上混凝土经蒸养、蒸压后的抗压强度均高于不掺磨细砂的混凝土相应强度及标养28天强度，证明混凝土后期得到改善。

（4）用磨细砂适量替代部分水泥料生产预应力高强度混凝土管桩在技术上是完全可行的,不仅大量节约水泥,有显著的经济效果,而且改善了混凝土的性能。

5高强度预应力混凝土管桩制备

5.1制备条件

原材料：

水泥：

唐山市冀东水泥股份有限公司生产的42.5MPa低碱普通硅酸盐水泥；粉煤灰：

华能集团军粮城发电厂废料；外加剂：

天津市延顺建筑材料有限公司生产的SPP-9P缓凝高效减水剂；细骨料：

天津市东丽区启动盛建材经营部；粗骨料：

天津市宝坻区国起飞建材经营部；磨细砂：

天津钢铁集团炼钢废料水渣，经球磨机研磨自制。

5.2制备工艺

以该配合比设计要求，按照现有管桩生产制造工艺生产管桩，在实际配置中，选用了第三种方案，即每立方米中：

水：

水泥：

砂：

石：

磨细砂：

外加剂=160:

400.5:

738.7:

1155.3:

133.5:

2.43，离心参数详见表17。

张拉控制参数：

为极限强度的70%。

蒸