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理论研究

超高性能混凝土制备薄壁排水管的实验研究

时间:2017/12/12 14:25:02 来源: 点击次数:3099

杨医博1,2,郭振海1,刘福财3,郑福斌1,谭颖垚1

谭志健1,刘金涛1,廖芮1,郭文瑛1,王恒昌1

(1.华南理工大学 土木与交通学院,广东 广州 510640;2.华南理工大学 亚热带建筑科学国家重点实验室,广东 广州 510640;3.广东利盈投资集团有限公司广东 清远 511500)

摘要传统混凝土排水管在使用中存在耐久性差等问题,由于是隐蔽工程,维修和重建费用很高,无法满足可持续混凝土发展的需要。超高性能混凝土是一种新兴的高性能水泥基材料,在国内尚未有研究将其应用于排水管领域。本文利用超高性能混凝土,开展了超高性能混凝土排水管制备方法及力学性能的研究。研究结果表明,利用泵送顶升工艺,能够制备出薄壁超高性能混凝土排水管,且管道内壁非常光滑,有利于提高过流能力;在壁厚减少25%的情况下,利用超高性能混凝土制备的内径400mm排水管的初裂荷载及破坏荷载能够达到《混凝土和钢筋混凝土排水管》(GB/T11836-2009)中普通钢筋混凝土Ⅱ级管要求;环筋间距150mm的超高性能混凝土配筋管,初裂荷载较GB/T11836-2009中普通钢筋混凝土Ⅲ级管高65.4%,破坏荷载则高了39.6%。

关键词超高性能混凝土 排水管 制备方法 外压荷载

0引言

目前市政工程用的排水管主要有混凝土管和塑料管。但在长期的工程实践中发现这两类管道都存在一些问题:混凝土管自重大、抗腐蚀能力差、接口易老化;新兴的塑料管相比混凝土管,质量轻,施工便捷,管壁光滑,无渗漏无污染,使用寿命长,但由于管材质轻,在某些地段易产生漂浮,其处理难度和损失都较大,影响施工进度,且受温度影响大,维修、回收困难[1,2]。传统管材在市政工程建设使用中日渐凸显的局限性,说明传统管材在一定程度上已经不能适应现代化城市市政排水设施的建设要求。

超高性能混凝土是20世纪90年代发展起来的高性能水泥基材料,代表性材料是活性粉末混凝土(ReactivePowderConcrete,简称RPC),其是法国Bouygues实验室研制出的一种具有高抗压强度、高耐久性及高韧性的新型水泥基复合材料。与高性能混凝土相比,掺钢纤维RPC200具有高3倍的抗压强度和更高的耐久性。超高性能混凝土良好的耐磨性能和低渗透性对于管道研制来说十分契合[3]。美国早在20世纪末就进行了将超高性能混凝土应用于排水管的研究,取得了一些成果,并开始逐步应用于工程[4],而我国至今尚未有这方面的研究。为促进超高性能混凝土在排水管行业的应用,促进排水管行业的升级换代和可持续发展,开展了超高性能混凝土排水管的实验研究。

1 原材料和试验方法

1.1 原材料

水泥采用广州市珠江水泥有限公司生产的“粤秀”牌P•Ⅱ42.5R水泥,掺合料和外加剂由广东盖特奇新材料科技有限公司提供,钢纤维采用上海园湖金属制品有限公司生产的镀铜微丝钢纤维(长度12mm),骨料由粗、中、细三种石英砂按一定比例搭配组成[5],水采用自来水,钢筋全部采用Φ4的CRB550钢筋。

利用上述材料配制超高性能混凝土I1、I2、I3,其配合比设计参数和性能见表1。I1、I2、I3仅钢纤维掺量递增,其余设计参数相同。

超高性能混凝土制备薄壁排水管的实验研究

1.2试验方法

(1) 混凝土搅拌制度:采用SJD60型强制式混凝土搅拌机。先加入石英砂和钢纤维搅拌3min,再加入胶凝材料搅拌3min,最后加入水和减水剂搅拌8min,共计14min。

(2) 拌合物流动度测试:参照GB/T2419-2005《水泥胶砂流动度测定方法》,取消振动过程。

(3) 管道成型方法:采用JBY-760水泥灌浆机,泵送顶升工艺成型,管道内径400mm,壁厚30mm,详见下节。

(4) 混凝土试件和管道养护制度:自然养护24h后拆模,然后将试块或管道放入ZKY-400B型蒸汽养护箱养护,以12℃/h的升温速度从室温升至85℃,养护48h。

(5) 混凝土电通量测试:参照GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》。每个配比成型两个直径100mm,高度200mm的圆柱体,养护到龄期后,从中间切割出三个高度50mm的试件,真空保水后进行试验。

(6) 混凝土试件强度测试:按照GB/T31387-2015《活性粉末混凝土》进行。抗压强度试验采用边长100mm的立方体试件,加载速率1.2MPa/s;抗折强度试验采用100mm×100mm×400mm的棱柱体试件,加载速率0.08MPa/s。

(7) 管道外压荷载测试:参照GB/T16752-2006 《混凝土和钢筋混凝土排水管实验方法》,采用三点法进行外压荷载测试。采用60吨万能试验机加载,以钢筋混凝土Ⅲ级管外压荷载值确定加载程序。采用裂缝观测仪观察裂缝,以裂缝宽度达到0.20mm时的荷载作为管道的初裂荷载;以管道失去承载能力时的荷载作为破坏荷载。

2 超高性能混凝土排水管制备工艺研究

本文借鉴钢管混凝土的泵送顶升工艺成型超高性能混凝土排水管[6]。

图1是超高性能混凝土管道成型模具的构造示意图,为防止漏浆,在模具底板和顶板处设置橡胶圈。图1中,1—顶板;2—底板;3—出浆口;4—外模,分两部分通过螺栓连接;5—内模;6—入浆口;7—各部分的螺栓连接示意位置;8—顶板施工孔;9—固定内模的钢条。

超高性能混凝土制备薄壁排水管的实验研究

采用水泥灌浆机进行管道制备,首先对比研究了钢制内模和塑料内模对管道质量的影响。

实验发现,采用钢制内模成型时,由于钢制内模刚度过大,管道在带模养护过程中会产生收缩裂缝,如图2所示。采用塑料内模成型时,拆模后的管道内壁十分光滑,具有类似于抛光砖表面的光泽,如图3所示。后续均采用塑料内模进行成型。

超高性能混凝土制备薄壁排水管的实验研究

3 超高性能混凝土素管外压荷载研究

采用配比I1,I2,I3分别成型一条素管并测试外压荷载,实验结果与GB/T11836-2009《混凝土和钢筋混凝土排水管》中外压荷载标准进行比较。表2为GB/T11836-2009中公称内径400mm的管道外压荷载值。表3为实验测得的素管破坏荷载。

超高性能混凝土制备薄壁排水管的实验研究

从表2和表3可以看出:

(1) 超高性能混凝土素管破坏荷载远远超过混凝土Ⅱ级管要求,而且混凝土Ⅱ级管壁厚47mm,而本实验中素管壁厚仅30mm。相比普通混凝土Ⅱ级管,超高性能混凝土素管可在减少壁厚35%的同时,提高破坏荷载80%~150%,具有轻质、高强的特点。

(2) I2和I3配比的超高性能混凝土素管破坏荷载均已达到钢筋混凝土Ⅱ级管要求,而且管道壁厚仅30mm,比钢筋混凝土Ⅱ级管少25%。

(3) 随着钢纤维掺量的增加,素管外压荷载不断提升,但是钢纤维掺量2.1%的I3外压荷载却比钢纤维掺量1.4%的I2低,这是因为钢纤维较多时,会影响泵送效果,使得混凝土密实度下降而导致的,因此钢纤维掺量不宜过高。

4 超高性能混凝土配筋管外压荷载研究

超高性能混凝土素管外压荷载虽远高于混凝土Ⅱ级管,但未达到钢筋混凝土Ⅲ级管的标准,为进一步提高管道的外压荷载,在超高性能混凝土管道中配制钢筋,制作超高性能混凝土配筋管并研究其外压荷载。

采用I2配比成型不同配筋的管道,纵筋均配6根,环筋间距有60mm、90mm、120mm、150mm、240mm五种形式,并成型相应配比的素管作对照。实验结果与GB/T11836-2009《混凝土和钢筋混凝土排水管》中外压荷载标准进行比较,并优选出一种配筋管环筋间距。表4为实验测得的外压荷载,由表2和表4作图4。

超高性能混凝土制备薄壁排水管的实验研究

从图4中可以看出:

(1) 在减少壁厚25%的同时,超高性能混凝土配筋管达到钢筋混凝土Ⅲ级管的要求。

(2) 随着环筋间距的减小,配筋量增加,管道的破坏荷载不断增大,管道的环筋间距与破坏荷载呈明显的相关关系。

(3) 随着环筋间距的减小,配筋量增大,管道的初裂荷载与破坏荷载相差越大,对于环筋间距60mm的管道,破坏荷载将近是初裂荷载的两倍。

从混凝土结构角度来说,配筋量的增加会提高混凝土结构的承载力,然而配筋量并非越高越好,配筋量越大,结构自重越大、造价越高,而且随着配筋量的增加,混凝土结构有可能发生“超筋破坏”,导致延性降低。配筋量过低、过高均不好,而且超高性能混凝土结构计算理论尚不完善,无法通过精确计算得到最优环筋间距,本研究根据裂缝荷载和破坏荷载最大的原则,确定环筋间距为150mm的配筋方案为较优方案。环筋间距150mm的配筋管,在减少壁厚25%的同时,管道初裂荷载较钢筋混凝土Ⅲ级管高65.4%,破坏荷载则高了39.6%。

《混凝土和钢筋混凝土排水管》中规定,钢筋骨架的环向钢筋间距由设计计算确定,并不得大于150mm,且不得大于管壁厚度的3倍。对于壁厚30mm的管道,即环筋间距不得大于90mm,实验优选出的环筋间距150mm的超高性能混凝土配筋管,可以在减少配筋的同时,大幅提升管道性能。

综上所述,采用超高性能混凝土能够制备出薄壁排水管道,在壁厚和配筋明显降低的情况下,排水管的力学性能仍能大幅超过标准要求。考虑到超高性能混凝土的超高耐久性所带来的高的使用寿命,以超高性能混凝土制备排水管是排水管行业未来发展的重要方向。

5结 论

经过本文的研究,可以得到如下结论:

(1) 采用泵送顶升的方式,以塑料管为内模能够制备出超高性能混凝土薄壁排水管。

(2) 在壁厚和配筋明显降低的情况下,超高性能混凝土薄壁排水管的力学性能仍能大幅超过标准要求。

(3) 根据裂缝荷载和破坏荷载最大的原则,确定环筋间距为150mm的配筋方案为较优的超高性能混凝土薄壁管道配筋方案。其在减少壁厚25%的同时,初裂荷载较钢筋混凝土Ⅲ级管标准提高65.4%,破坏荷载提高39.6%。

参考文献

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[2]Jangyu.Theselectionandresearchprogressofnewtypepipeinwatersupplyanddrainagepipelineconstruction[J].Enterprisetechnologydevelopment:AcademicEdition,2013.32(13):45

姜宇. 给排水管道施工中新型管材的选用及研究进展[J]. 企业技术开发:学术版,2013.32(13):45

[3]Quwenjun,Wushengji,Qinyuhang.Mechanicalbehaviorofreactivepowderconcrete[J].JournalofArchitecturalScienceandEngineering,2008.25(4):13

屈文俊,邬生吉,秦宇航. 活性粉末混凝土力学性能试验[J]. 建筑科学与工程学报,2008.25(4):13

[4] CampbellRL, O'NeilEF, DowdWM, etal.ReactivePowderConcreteforProducingSewer, Culvert, andPressurePipes[J]. 1998.

[5]Liujuanhong,Songshaomin.Reactivepowderconcrete - Preparation,propertiesandmicrostructure[M].Beijing:Chemicalindustrypress,2013:56

刘娟红,宋少民. 活性粉末混凝土-配制、性能与微结构[M]. 北京:化学工业出版社,2013:56

[6]Chenjing,Xutingbo,Xiayuanying,Lidonglai.ThepreparationandengineeringapplicationofC60pumpingandself-compactingconcretefilledsteeltube[J]. Concrete,2014.(6):151

陈景,徐庭波,夏远英,李东来.C60泵送顶升自密实钢管混凝土的制备与工程应用[J].混凝土,2014.(6):151

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