一种光伏支架用砂浆复合钢管及其制作工艺

本发明属于支架钢管，具体来说，涉及一种光伏支架用砂浆复合钢管及其制作工艺。

背景技术：

1、光伏支架是光伏电站的核心承重结构，主要用于支撑光伏组件，需长期承受光伏组件自重、风荷载、雪荷载等作用，且多服役于户外露天环境，对结构的承载性能、刚度、疲劳性能及耐久性提出了严苛要求。目前，光伏支架的承重构件多采用纯薄壁型钢，其具有自重轻、安装便捷、成本较低的优点，在光伏工程中应用广泛。

2、然而，现有光伏支架用纯薄壁型钢在实际应用中仍存在诸多技术痛点：

3、一是承载性能和刚度不足。薄壁型钢壁厚较薄（通常2.0～5.0mm），截面刚度小。在光伏支架结构中，檩条是用钢量占比最大的部分，常使用冷弯薄壁型钢作为檩条构件，而随着钢材强度的提高，檩条钢材越来越薄，稳定承载力明显降低。薄壁钢管在压力和扭矩作用下，易产生弯曲、扭转、变形，甚至触发局部失稳进而引发构件整体失稳。同时，开口薄壁型钢存在抗扭刚度差的致命缺陷，多项光伏支架的破坏案例也证实了这一点。

4、二是疲劳性能较差。光伏支架的受力以风荷载起控制性作用，风振效应明显。风荷载作用下结构振动剧烈，纯薄壁型钢在长期反复荷载作用下易出现疲劳开裂，缩短使用寿命。有研究指出，光伏支架檩条发生强度破坏的概率明显高于刚度破坏的概率；工程实践中亦不乏因风荷载取值不当导致主檩条面外失稳大变形的破坏案例。

5、三是钢管与填充材料的适配性差。已有技术尝试通过向钢管内填充混凝土或砂浆来提升构件性能，例如采用钢管混凝土复合结构的下立柱，通过减小钢管壁厚来降低钢材用量。然而，现有填充材料普遍存在以下问题：普通混凝土或砂浆流动性不足，难以充分填充薄壁钢管的狭窄内腔；与钢管内壁粘结强度低，易出现界面剥离；普通砂浆容重过大（通常＞2000kg/m³），填充后显著增加构件自重，不适用于光伏支架的轻量化需求；抗裂及疲劳性能不足，无法与钢管实现真正的协同受力。已有研究表明，采用砂加气混凝土等轻质材料填充钢管虽可降低自重，但其强度偏低且与钢管的界面结合性能有待提高。

6、四是性能与造价难以兼顾。若单纯增加钢管壁厚以提升强度和刚度，将导致钢材用量大幅增加，推高支架造价。复合材料支架虽具有轻质高强、耐腐蚀等优势，但其弹性模量仅为镀锌钢的15%～22%，刚度偏低，且节点处理困难、造价偏高。

7、因此，亟需研发一种兼具轻质、高强、高刚度、优良疲劳性能与高粘结强度的填充材料及其复合钢管，在不大幅增加成本的前提下解决上述技术问题。

8、因此为了解决以上问题，本发明提供了一种光伏支架用砂浆复合钢管及其制作工艺。

技术实现思路

1、为了克服上述的技术问题，本发明的目的在于提供一种光伏支架用砂浆复合钢管及其制作工艺。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

3、一种光伏支架用砂浆复合钢管，包括钢管和灌注于钢管内部的硅灰-玄武岩纤维协同改性陶砂砂浆，所述硅灰-玄武岩纤维协同改性陶砂砂浆按重量份数计，由以下组分组成：

4、水泥200-400份；

5、粉煤灰50-150份；

6、硅灰20-60份；

7、级配陶砂500-800份；

8、6mm短切玄武岩纤维2-10份；

9、微膨胀剂5-15份；

10、高效减水剂5-15份；

11、可再分散乳胶粉5-20份；

12、保水增稠剂0.05-0.5份；

13、改性纳米氧化镁0.2-1.0份；

14、消泡剂0.05-0.5份；

15、水150-300份；

16、所述改性陶砂砂浆的水胶比为0.62-0.96，湿容重为1200-1500kg/m³，流动度≥200mm，与钢管内壁的粘结强度≥1.2mpa。

17、作为本发明的一种优选技术方案，所述硅灰-玄武岩纤维协同改性陶砂砂浆按重量份数计，由以下组分组成：

18、水泥250-350份；

19、粉煤灰80-120份；

20、硅灰30-50份；

21、级配陶砂600-750份；

22、6mm短切玄武岩纤维4-8份；

23、微膨胀剂8-12份；

24、高效减水剂8-12份；

25、可再分散乳胶粉10-15份；

26、保水增稠剂0.08-0.3份；

27、改性纳米氧化镁0.3-0.7份；

28、消泡剂0.08-0.3份；

29、水180-250份。

30、作为本发明的一种优选技术方案，所述保水增稠剂为温轮胶、羟丙基甲基纤维素醚或淀粉醚中的至少一种，所述保水增稠剂的黏度≥10000mpa·s；所述改性纳米氧化镁的外径为10-50nm；所述消泡剂为有机硅消泡剂或聚醚消泡剂。

31、作为本发明的一种优选技术方案，所述可再分散乳胶粉为乙烯-醋酸乙烯酯共聚物乳胶粉，其固含量≥98％，最低成膜温度≤5℃，玻璃化转变温度为-5-10℃；所述硅灰-玄武岩纤维协同改性陶砂砂浆的28d抗压强度为10-20mpa，抗折强度≥4.5mpa，与钢管的粘结强度≥1.6mpa。

32、作为本发明的一种优选技术方案，所述级配陶砂为0.0-2.5mm连续级配，堆积密度为700-900kg/m³，筒压强度≥1.5mpa，吸水率≤10％，含水率≤3％；所述硅灰的sio2含量≥90％，比表面积≥15000m²/kg，需水量比≤115％；所述6mm短切玄武岩纤维的抗拉强度≥3000mpa，弹性模量≥80gpa；所述微膨胀剂的限制膨胀率7d≥0.02％、28d≤0.10％；所述高效减水剂为缓凝型聚羧酸减水剂，减水率≥20％。

33、作为本发明的一种优选技术方案，所述钢管采用q235或q355钢材，屈服强度≥235mpa，钢管壁厚为2.0-5.0mm，外径为30-150mm，长度为1.0-5.0m；所述钢管表面设有热浸镀锌层，镀锌层厚度≥85μm。

34、作为本发明的一种优选技术方案，所述钢管为圆管或方管；所述钢管两端设有密封堵头，所述密封堵头采用与钢管材质一致的钢材制成，厚度与钢管壁厚相同，钢管一端设有15-25mm的注浆孔，另一端设有直径5-8mm的排气孔；所述硅灰-玄武岩纤维协同改性陶砂砂浆与钢管内壁紧密贴合、无空隙、无蜂窝、无空洞。

35、作为本发明的一种优选技术方案，所述复合钢管的轴压稳定承载力较纯薄壁钢管提升40％-60％，抗弯刚度较纯薄壁钢管提升20％-30％，抗弯承载能力较纯薄壁钢管提升40％-60％，轴压刚度较纯薄壁钢管提升40％-60％。

36、一种用于上述光伏支架用砂浆复合钢管的制作工艺，包括以下步骤：

37、s1、钢管预处理：选取q235或q355薄壁钢管，去除钢管内壁的铁锈、油污及杂质，采用喷砂处理使内壁粗糙度达到sa2.5级；对钢管表面进行热浸镀锌处理，镀锌层厚度≥85μm；焊接连接多根钢管，总长度控制在50-100米；在钢管两端焊接密封堵头，并在一端设注浆孔、另一端设排气孔；

38、s2、硅灰-玄武岩纤维协同改性陶砂砂浆制备：按配比称取各组分，将级配陶砂烘干至含水率≤3％，将高效减水剂溶于全部水中制成水溶液备用；将水泥、粉煤灰、硅灰、微膨胀剂、可再分散乳胶粉、保水增稠剂、改性纳米氧化镁、消泡剂干拌均匀，再加入级配陶砂和6mm短切玄武岩纤维继续干拌，确保纤维无团聚；加入水溶液湿拌2-3min，静置30s后检测流动度和容重，直至满足设计要求；

39、s3、砂浆灌注：将s2制备的硅灰-玄武岩纤维协同改性陶砂砂浆以低压泵送方式注入预处理后的薄壁钢管内，从注浆孔缓慢注入，利用排气孔排出管内空气，灌注至砂浆从排气孔溢出且无气泡冒出时停止灌注，封堵排气孔；

40、s4、养护成型：将灌注完成的复合钢管养护至达到设计强度的50％后，按设计要求切割，对钢管端部进行打磨修整；继续养护至设计强度，经检测合格后完成制作。

41、作为本发明的一种优选技术方案，s3中，低压泵送压力控制在0.2-0.5mpa，灌注速度为0.5-1.0m³/h，灌注过程中实时观察排气孔的排气情况，若出现砂浆离析或结块，立即停止灌注，重新搅拌砂浆后再继续；s4中，养护过程中避免复合钢管受到碰撞震动，养护完成后检测复合钢管的粘结强度、抗弯刚度和承载性能，检测合格后用于光伏支架组装。

42、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

43、1.显著提升光伏支架承重构件的结构性能：通过硅灰-玄武岩纤维协同改性陶砂砂浆与薄壁钢管的复合，实现二者协同受力，充分发挥钢管的抗拉性能和改性砂浆的抗压、抗裂性能。填充砂浆后，薄壁钢管的局部屈曲得到有效约束，复合钢管的抗压、抗弯、抗扭刚度及承载能力均获得大幅提升，在风振作用下应力幅明显减小。砂浆与钢管复合后，复合材料的阻尼系数较纯钢结构大幅提高，振动衰减速度显著增加，疲劳寿命显著延长。上述性能提升有效解决了现有纯薄壁型钢承载性能不足、刚度偏低、在风荷载反复作用下易疲劳开裂及失稳破坏的核心问题。

44、2.兼顾轻质与高性能：改性陶砂砂浆采用轻质陶砂作为骨料，质地轻质，与薄壁钢管复合后，在同等承载能力条件下可选用更薄壁厚的钢管，有利于控制构件自重、降低钢材用量，不增加支架基础的承载压力，在实现复合钢管高承载性能的同时兼顾了轻量化需求，解决了现有技术中通过增加壁厚提升强度所导致的造价升高问题，以及采用普通砂浆填充所导致的构件自重过大的问题。

45、3.粘结性能优良，界面结合可靠：改性陶砂砂浆通过可再分散乳胶粉在界面形成聚合物膜以提升附着力，微膨胀剂补偿砂浆收缩以确保长期紧密贴合，保水增稠剂改善砂浆的黏聚性和保水性以防止灌注离析，改性纳米氧化镁填充微观孔隙以增强界面致密性，消泡剂消除灌注过程中引入的气泡以避免界面缺陷。上述组分协同作用，使改性砂浆与钢管内壁形成可靠的界面结合，有效避免了长期服役过程中界面剥离和脱空现象，解决了现有填充材料与钢管适配性差、易界面剥离的技术问题，保障了复合钢管的长效协同受力。

46、4.灌注性能优良，填充质量可靠：改性陶砂砂浆具有良好的流动性，配合保水增稠剂的抗离析作用和消泡剂的消泡作用，采用低压泵送方式即可顺利灌注至薄壁钢管的狭窄内腔，无需振捣即可自流平、自密实，确保了砂浆对钢管内部的充分填充。灌注完成后钢管内部无空洞、无蜂窝、无气泡滞留缺陷，填充质量稳定可靠，大幅降低了因填充不密实导致的性能离散性和质量隐患。