本发明专利技术提供了一种高强、耐腐蚀的海底管道包覆层以及制备具备该包覆层的海底管道的方法。所述包覆层由骨架和包覆在骨架外的混凝土组成。所述骨架为CFRP(碳纤维)筋笼，所述混凝土为超高性能地聚合物混凝土，所述CFRP筋笼与超高性能地聚合物混凝土浇筑为一体。所述超高性能地聚合物混凝土采用胶凝材料替代水泥，并通过优化胶凝材料的组成、碱激发剂和胶凝材料的配比以及水的含量，不但实现了强度上的显著提升，还具备优异的耐高温性能和耐腐蚀性能，降低了后期使用过程中的维护成本；同时具备一定的重量，有利于海底沉管作业，确保钢管工作时的稳定性。时的稳定性。时的稳定性。
【技术实现步骤摘要】
一种高强、耐腐蚀的海底管道混凝土包覆层及其制备方法
[0001]本专利技术属于有机复合材料领域，涉及一种用于海底油气管道工程的混凝土，具体涉及一种超高性能地聚合物混凝土及其在制备海底油气管道包覆层中的应用。
技术介绍
[0002]在现代海洋油气运输工程中，海底管道工程凭借其输油效率高、长期维护费用低等优点而被广泛使用。然而，由于传统管道包覆层材料的强度和耐久性不足，无法对抗海洋环境的强腐蚀性，久而久之，容易造成管道破裂、原油泄漏，甚至发生爆炸事故。实现海底管道包覆材料的高强度和耐久性，是亟待解决的现实问题。
[0003]地聚合物是硅铝质无机原料通过矿物缩聚生成的一种以离子键和共价键为主，范德华键为辅，由共用氧交替键合的硅，铝氧四面体组成的铝
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氧
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硅酸盐无定形网状结构的胶凝材料。地聚合物的水化反应是在碱性激发剂的作用下，硅氧键和铝氧键发生断裂
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重组反应，再聚合生成有胶凝性和固化性的地聚合物的过程。地聚合物胶凝材料制品具备耐腐蚀、导热率低且可塑性好等优势，有望用于海底油气管道包覆层的制备。
[0004]超高性能地聚合物混凝土(UHPGC)使用地聚合物胶凝材料完全代替普通硅酸盐水泥制备而成，是一种超高强、环保、高性价比的新型混凝土。与传统混凝土相比，它具备更为优异的耐腐蚀性能，特别是抗氯离子渗透性能和抗硫酸盐侵蚀性能；因此在海洋环境中的耐久性远超普通混凝土和普通超高性能混凝土，适合于在防爆结构构件、长期暴露在严重恶劣环境中的结构如油气管道包覆层中使用。但目前报道的超高性能地聚合物混凝土，强度大多不高于100Mpa，这不能满足海底管道包覆材料的需求。此外，传统钢筋混凝土结构因其优异的性能在各类建筑中被广泛使用，但在严酷的海底环境中钢筋极易发生锈蚀，进一步加剧了海底管道包覆层耐久性不足的问题。
[0005]因此，如何制备高强、耐腐蚀的海底管道包覆层是亟待解决的技术问题，目前尚未见相关报道。
技术实现思路
[0006]针对现有技术中海底油气管道强度和耐久性不足的问题，本专利技术提供了一种高强、耐腐蚀的海底管道包覆层以及制备具备该包覆层的海底管道的方法。所述包覆层在确保海底管道耐腐蚀性的同时，其高强度也确保了油气钢管的抗爆性与耐热性，降低了后期使用过程中的维护成本；此外，所述包覆层采用的超高性能地聚合物混凝土对水泥实现“零”使用，环境友好，应用前景广阔。
[0007]本专利技术的技术方案：
[0008]一种制备超高性能地聚合物混凝土的组合物，由以下组分组成：胶凝材料35
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60重量份，填充材料2
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4重量份，骨料30
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60重量份，碱激发剂10
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25重量份，水10
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15重量份和适量钢纤维；所述胶凝材料为矿渣、粉煤灰或者矿渣
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粉煤灰的混合物，所述填充材料为硅灰；所述钢纤维在组合物中的体积分数为1
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3％。当所述胶凝材料含有矿渣(胶凝材料为矿渣或
者矿渣
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粉煤灰的混合物)时，所述组合物中还包括减水剂0.1
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0.3重量份和缓凝剂3
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6重量份。
[0009]其中，所述的碱激发剂由水玻璃和氢氧化钠溶液组成；所述碱激发剂用量为胶凝材料用量的28～41wt％；其中，两种激发剂SiO2/Na2O的摩尔比为2:1，水玻璃的模数为1.2～1.5、水玻璃的碱当量为5～9％，氢氧化钠溶液的浓度为10～16mol/L。所述组合物中水的用量为粉状固体原料的23～27wt％，所述的粉状固体原料包括胶凝材料和填充材料。所述的骨料为粒度不大于300μm的石英砂，所述的减水剂为萘系高效减水剂，所述的缓凝剂为粉末状硼砂。
[0010]优选的是，所述的矿渣为S95矿渣，所述的粉煤灰为低钙一级粉煤灰，所述混合物中矿渣和粉煤灰的重量比为(1.5～2.5)：1。专利技术人发现，在矿渣
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粉煤灰的混合物中，二者会相互影响，如果矿渣太多会导致凝结太快，而粉煤灰太多可能导致矿渣就接触不到碱溶液，无法反应；这两种情况都会导致混合后的体系反而强度降低。
[0011]一种超高性能地聚合物混凝土，采用如前所述的组合物制备得到；通过对激发剂和原材料化学组成调控，实现了所述混凝土的超高强度和良好和易性，通过紧密堆积理论调整密实度从而实现超高强度。具体制备步骤如下：
[0012](1)将胶凝材料、填充材料和骨料投入搅拌机中干拌至混合均匀，加入碱激发剂、减水剂和缓凝剂的水溶液改善工作性能，搅拌至混合均匀。其中，当胶凝材料为粉煤灰时，则无需添加减水剂和缓凝剂。
[0013](2)搅拌状态下加入钢纤维改善力学性能，继续搅拌至混合均匀，得到混凝土浆体。
[0014](3)将混凝土浆体倒入模具中，养护后拆模，即得到超高性能地聚合物混凝土。其中，所述胶凝材料为S95矿渣时，养护条件为常温养护28天；所述胶凝材料为低钙一级粉煤灰时，养护条件为60
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80℃养护24
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72h，然后常温养护至第7天；当所述胶凝材料为粉煤灰
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矿渣混合物时，养护条件为常温养护28天。
[0015]优选的是，所述胶凝材料为S95矿渣时，养护条件为10
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40℃养护28天；当所述胶凝材料为粉煤灰
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矿渣混合物时，养护条件为20
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30℃养护28天。
[0016]一种高强、耐腐蚀的海底管道包覆层；由骨架和包覆在骨架外的混凝土组成。所述骨架为CFRP(碳纤维)筋笼，所述混凝土为如前所述制备的超高性能地聚合物混凝土，所述CFRP筋笼与超高性能地聚合物混凝土浇筑为一体。在超高性能地聚合物混凝土内设置CFRP筋，一方面其与混凝土之间存在良好粘结性能；另一方面，与钢筋相比，FRP筋具有耐腐蚀性强、施工方便、减震性强等优点，而CFRP筋在FRP筋中具有最优异的强度和抗侵蚀性能，将其应用在海底管道包覆层结构中，能够有效提高结构耐久性，提高安全系数。
[0017]优选的是，所述CFRP筋笼是由围绕管道的环形纵筋和与纵筋垂直相连的条形箍筋连接而成的笼状结构。所述箍筋的直径为8～12mm，所述纵筋的直径为12～16mm，相邻箍筋或者纵筋之间的距离为100
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200mm；所述地聚合物混凝土的厚度为不小于150mm。
[0018]采用所述海底管道包覆层的高强、耐腐蚀管道的制备方法，包括以下步骤：
[0019](1)制备CFRP筋笼：量取管道的尺寸，制备尺寸匹配的环形纵筋和条形箍筋；将二者组装在管道外侧，具体为：首先按照一定间距绕钢管环形阵列组装纵筋，然后套入箍筋，并将连接处涂环氧树脂胶或者采用绑扎固定，得到CFRP筋笼。所述箍筋的直径为8～12mm，
所述纵筋的直径为12～16mm，相邻箍筋或者纵筋之间的距离为100
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200mm。
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【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种制备超高性能地聚合物混凝土的组合物，其特征在于：由以下组分组成：胶凝材料35
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60重量份，填充材料2
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4重量份，骨料30
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60重量份，碱激发剂10
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25重量份，水10
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15重量份和适量钢纤维；所述胶凝材料为矿渣、粉煤灰或者矿渣
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粉煤灰的混合物，所述填充材料为硅灰；所述钢纤维在组合物中的体积分数为1
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3％；当所述胶凝材料含有矿渣时，所述组合物中还包括减水剂0.1
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0.3重量份和缓凝剂3
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6重量份。2.根据权利要求1所述的组合物，其特征在于：所述的胶凝材料为S95矿渣、低钙一级粉煤灰或者S95矿渣
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低钙一级粉煤灰的混合物；所述混合物中矿渣和粉煤灰的重量比为(1.5～2.5)：1。3.根据权利要求2所述的组合物，其特征在于：所述的碱激发剂由水玻璃和氢氧化钠溶液组成；所述碱激发剂用量为胶凝材料用量的28～41wt％；其中，两种激发剂SiO2/Na2O的摩尔比为2:1，水玻璃的模数为1.2～1.5、水玻璃的碱当量为5～9％，氢氧化钠溶液浓度为10～16mol/L。4.根据权利要求2所述的组合物，其特征在于：所述水的用量为粉状固体原料的23～27wt％，所述的粉状固体原料包括胶凝材料和填充材料；所述的骨料为粒度不大于300μm的石英砂，所述的减水剂为萘系高效减水剂，所述的缓凝剂为粉末状硼砂。5.一种超高性能地聚合物混凝土，其特征在于：采用权利里要求1
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4中任意一项所述的组合物制备得到。6.根据权利要求5所述的超高性能地聚合物混凝土，其特征在于：具体制备步骤包括：(1)将胶凝材料、填充材料和骨料投入搅拌机中干拌至混合均匀，加入碱激发剂、减水剂和缓凝剂的水溶液，搅拌至混合均匀；当胶凝材料为粉煤灰时，则无需添加减水剂和缓凝剂。(2)搅拌状态下加入钢纤维，继续搅拌至混合均匀，得到混凝土浆体；(3)将混凝土浆体倒入模具中，养护后拆模，即得到超高性能地聚合物混凝土。7.根据权利要求6所述的超高性...
【专利技术属性】
技术研发人员：崔祎菲，屈士皓，艾威侠，刘梦华，张鹏，马衍轩，陈一鸣，
申请(专利权)人：青岛理工大学，
类型：发明
国别省市：
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