一种高性能水泥基复合材料管制造技术

本发明专利技术是一种高性能水泥基复合材料管，其采用聚乙烯醇纤维增强水泥砂浆(2)、钢筋骨架(3)制成；该管的一端为承口(1)，另一端为插口(4)，承口(1)和插口(4)相互配合形成管线。所发明专利技术的管材质量轻，在制造相同内径、相同承载能力的水泥混凝土管技术要求下，该管壁厚为普通钢筋混凝土管壁厚的30％～88％。该管具有良好的承载能力、抗裂性能，提升了管道的抗渗性和耐久性，为给排水工程提供了新型优质管材。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及给排水混凝土管道领域，尤其涉及一种高性能水泥基复合材料管材。
技术介绍
混凝土管制造所需原材料来源丰富，成本较低，施工方便，强度和耐久性较好，在给排水工程中得到了广泛应用。但是，其缺陷是明显的：(1)采用混凝土材料制造的普通钢筋混凝土管道，由于混凝土抗拉强度和拉伸延性低，最大拉伸应变为0.02％左右，容易发生脆性断裂，甚至发生爆管事故，设计规范中一般不允许混凝土产生拉伸应变。因此，普通混凝土管道壁厚(本说明书中说述管道壁厚是指管身的壁厚，不指承口和插口的壁厚，下同)较大，壁厚约为管内径的1/10，导致运输和安装成本较高；(2)普通混凝土材料为脆性断裂，裂纹扩展快，裂纹宽度大，将加速管内钢筋的腐蚀，破坏其抗渗性；(3)普通钢筋混凝土管道随荷载增加环刚度变化范围较小，埋地时不能依靠降低环刚度获得管周土侧压的作用，导致抵抗地震、地面冲击等的能力较差。而预应力钢套筒混凝土管(PCCP管)，虽然通过在管外缠绕预应力钢丝提高了混凝土管芯的抗拉能力，但预应力钢丝一旦发生锈蚀断裂，管道的安全运行将难以保证，而且预应力钢丝断裂后管道的维修也较困难。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：提供一种高性能水泥基复合材料管，以提高现有混凝土管道的承载能力、抗裂性能和抗过载能力，降低现有混凝土管道的自重。本专利技术解决这些技术问题采用以下的技术方案：本专利技术提供的高性能水泥基复合材料管，其采用聚乙烯醇纤维增强水泥砂浆、钢筋骨架制成；该管的一端为承口，另一端为插口，承口和插口相互配合形成管线。所述的聚乙烯醇纤维增强水泥砂浆，是以水泥、粉煤灰、偏高岭土和粒径小于或等于0.60mm的砂为基体材料，掺入水、聚乙烯醇纤维、聚羧酸减水剂和粘度调节剂拌制而成，所述原料的质量配比为：水泥：粉煤灰：偏高岭土：砂：水：聚乙烯醇纤维；聚羧酸减水剂：粘度调节剂＝1：1.2～2.4：0～0.11：1～1.52：0.68～1.04：0.050～0.076:0.009～0.013:0.00056～0.00085。所述的聚乙烯醇纤维增强水泥砂浆，其弹性模量值为10～25GPa，抗压强度为25～60MPa，拉伸强度为3～8MPa，极限拉伸应变为0.02～0.06。所述的高性能水泥基复合材料管，其采用三点试验法施加准静载时，随外压荷载增加其外压荷载-管顶位移关系曲线包含弹性阶段、硬化阶段和开裂阶段，在弹性阶段卸载时，变形能完全恢复；在硬化阶段和开裂阶段卸载时，变形部分恢复。所述的高性能水泥基复合材料管，其在硬化阶段时，在管腰处外壁、管顶内壁、管底内壁等拉应力区可见多条细密裂纹，裂纹数目不断增多，裂纹宽度为0.04～0.2mm。所述的高性能水泥基复合材料管，其在硬化阶段的环刚度下降，硬化阶段的环刚度为弹性阶段环刚度的40％～80％。所述的高性能水泥基复合材料管，将外压荷载、管顶位移分别用破坏荷载、破坏时管顶铅垂方向位移归一化后，弹性阶段、硬化阶段和开裂阶段三者间包括两个交界点，两交界点对应的归一化荷载分别为0.25～0.35和0.60～0.75，两交界点对应的归一化位移分别为0.05～0.01和0.30～0.40。本专利技术提供的上述的高性能水泥基复合材料管，其在制造相同内径、相同承载能力的水泥混凝土管技术要求下，该管壁厚为普通钢筋混凝土管壁厚的30％～88％。本专利技术提供的上述的高性能水泥基复合材料管，其在埋地后，其正常工作区间包括弹性阶段和硬化阶段。本专利技术高性能水泥基复合材料管与现有技术相比，具有如下主要的突出效果：第一，本管壁薄，自重轻；当管内径和承载能力相同的条件下，本管的壁厚为普通钢筋混凝土管壁厚的30％～88％。第二，硬化阶段裂纹宽度可控：本管在硬化阶段为多裂纹细密裂纹开裂，裂纹宽度可控制小于0.2mm。第三，环刚度可在较大范围内变化；本管在硬化阶段环刚度为弹性阶段环刚度的40％～80％。这样，管道承受过载时，可以发挥埋地时土侧压的作用，提高管道抵抗外部过载的能力。第四，对钢筋骨架有保护作用。本管具有多裂缝开裂特性，且裂纹宽度可控，对管内钢筋骨架起保护作用，延缓钢筋锈蚀。第五，应用范围拓宽。高性能水泥基复合材料管质量轻，能够抵抗较大的变形，管道可在软地基、沼泽地、地震多发地区等环境下使用。第六，制作工艺简单。所配制的聚乙烯醇纤维增强水泥砂浆工作性好，纤维分散均匀，浇注时易于填充成型，施工方便。总之，本专利技术具有良好的承载能力、抗裂性能，提升了管道的抗渗性和耐久性，为给排水工程提供新型优质管材。附图说明图1为高性能水泥基复合材料管结构示意图；图2为三点试验法测试时管受力图；图3为高性能水泥基复合材料管归一化荷载-归一化位移关系曲线；图4为聚乙烯醇纤维增强水泥砂浆单轴拉伸试样图；图5为图4的左视图。图6为聚乙烯醇纤维增强水泥砂浆单轴拉伸的应力-应变关系曲线；图7为聚乙烯醇纤维增强水泥砂浆单轴拉伸时多裂纹扩展过程的相机拍摄照片；图8为实测高性能水泥基复合材料管管顶外压荷载与管顶内壁铅垂向位移的关系曲线；图9为实测高性能水泥基复合材料管归一化荷载-归一化位移关系曲线；图10为实测高性能水泥基复合材料管循环加载时外压荷载与铅垂向位移的关系曲线；图11为实测钢筋素砂浆管管顶外压荷载与管顶内壁铅垂向位移的关系曲线。图中：1.承口；2.聚乙烯醇纤维增强水泥砂浆；3.钢筋骨架；4.插口；5.管顶；6.管腰；7.管底。具体实施方式下面结合具体实施例和附图对本专利技术作进一步说明，但不应理解为对本专利技术的限制。本专利技术提供的高性能水泥基复合材料管制备工艺简单。例如：以普通硅酸盐水泥、I级粉煤灰、偏高岭土和粒径小于或等于0.60mm的砂为基体材料，掺入水、聚乙烯醇纤维、聚羧酸减水剂和粘度调节剂拌制而成。参考配合比(质量比)为水泥：粉煤灰：偏高岭土：砂：水：聚乙烯醇纤维；聚羧酸减水剂：粘度调节剂＝1：1.2～2.4：0～0.11：1～1.52：0.68～1.04：0.050～0.076:0.009～0.013:0.00056～0.00085。先将聚羧酸减水剂加入水中，制成聚羧酸减水剂水溶液。采用混凝土搅拌机将水泥、粉煤灰、石英砂、偏高岭土等干拌1分钟；再将聚羧酸减水剂水溶液加入搅拌2分钟。再边搅拌边撒入聚乙烯醇纤维，历时3分钟。最后加入粘度调节剂，以调整拌合料的粘稠度，搅拌1分钟。按照GB/T2419-2005中规定的程序操作，测试其流动度，控制在190～220mm。将立本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高性能水泥基复合材料管，其特征在于：该管采用聚乙烯醇纤维增强水泥砂浆(2)、钢筋骨架(3)制成；该管的一端为承口(1)，另一端为插口(4)，承口(1)和插口(4)相互配合形成管线。

【技术特征摘要】
1.一种高性能水泥基复合材料管，其特征在于：该管采用聚乙烯醇纤维增强水泥砂
浆(2)、钢筋骨架(3)制成；该管的一端为承口(1)，另一端为插口(4)，承口(1)和
插口(4)相互配合形成管线。
2.根据权利要求1所述的高性能水泥基复合材料管，其特征在于所述的聚乙烯醇纤
维增强水泥砂浆，是以水泥、粉煤灰、偏高岭土和粒径小于或等于0.60mm的砂为基体材
料，掺入水、聚乙烯醇纤维、聚羧酸减水剂和粘度调节剂拌制而成；所述原料的质量配比
为，水泥：粉煤灰：偏高岭土：砂：水：聚乙烯醇纤维；聚羧酸减水剂：粘度调节剂＝1：
1.2～2.4：0～0.11：1～1.52：0.68～1.04：0.050～0.076:0.009～0.013:0.00056～0.00085。
3.根据权利要求2所述的高性能水泥基复合材料管，其特征在于所述的聚乙烯醇纤
维增强水泥砂浆，其弹性模量值为10～25GPa，抗压强度为25～60MPa，拉伸强度为3～8
MPa，极限拉伸应变为0.02～0.06。
4.根据权利要求1所述的高性能水泥基复合材料管，其特征在于：该管采用三点试
验法施加准静载时，随外压荷载增加其外压荷载-管顶位移关系曲线包含弹性阶段、硬化
阶段和开裂阶段，在弹性阶段卸载时，变形能...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙明清，宋鹏飞，李俊，宋建华，崔友国，宋建国，严兆顺，尹建妙，张小玉，李卓球，王应军，
申请(专利权)人：武汉理工大学，恒润集团有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北;42