具有高韌性水泥基材料-非金屬纖維筋的混凝土複合結構的製作方法

2023-05-21 12:48:11

具有高韌性水泥基材料-非金屬纖維筋的混凝土複合結構的製作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種具有高韌性水泥基材料-非金屬纖維筋的混凝土複合結構，混凝土複合結構的受拉區設有基於高韌性水泥基材料-非金屬纖維筋複合結構的承拉層；高韌性水泥基材料-非金屬纖維筋複合結構以高韌性水泥基材料為基材，以非金屬纖維筋為定向加強筋；針對新建工程結構，所述的承拉層代替普通混凝土結構的受拉鋼筋與部分受拉區混凝土；針對既有混凝土結構，所述的具有高韌性水泥基材料-非金屬纖維筋複合結構的薄板，通過粘貼或者現澆的方式對既有鋼筋混凝土結構進行加固；以控制結構的各類裂縫，提高結構的承載能力和耐久性，降低老化速度，並且具有很好的電磁屏蔽效果，為軍事及醫療設施提供有益幫助。
【專利說明】具有高韌性水泥基材料-非金屬纖維筋的混凝土複合結構
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及建築加固與高性能工程結構，尤其涉及一種具有高韌性水泥基材料-非金屬纖維筋的混凝土複合結構。
【背景技術】
[0002]混凝土具有良好的抗壓性能，與鋼筋結合，能夠形成很好的承重結構，因此目前絕大部分建築與橋梁都是鋼筋混凝土結構。但是，由於混凝土的抗拉性能及延性較差，所以在實際工程中，鋼筋混凝土結構很容易在受荷的情況下出現裂縫，隨著有害物質如氯離子、二氧化碳、水分的侵入，造成鋼筋不斷鏽蝕膨脹，混凝土開裂，混凝土保護層剝落，導致結構耐久性降低，承載力下降，對建築、橋梁結構的安全性產生很大的影響。在正常使用狀態下，鋼筋混凝土結構耐久性不足的主要原因是普通混凝土本身沒有很好的阻滯細微裂縫開裂、發展的能力，從而會引發滲漏及其它與耐久性相關問題；其次，開裂結構中的鋼筋容易鏽蝕，增大結構的失效風險。根據美國聯邦公路局(FHWA)全國橋梁資料庫公布的統計數據，截止到2006年，美國橋梁建造總數為596808座，病害橋梁總數為153879座，約佔25.8%。據調查，我國1980年建成的寧波北倉港10萬噸級碼頭，使用不到10年其上部結構就發現嚴重的鏽蝕損壞；天津港客運碼頭1979年建成，使用不到10年前承臺板有50%左右出現鏽蝕損壞，導致構件開裂破壞情況十分嚴重。裂縫也是水工混凝土建築物最常見的問題之一，特別是水壩、水庫，總會有較小的裂縫或滲漏，這是不可避免的，但是如果裂縫過寬或滲漏量過大，則會影響水壩的安全性和耐久性。在地震預測觀測站、飛機場跑道和醫療設施等這類低導電、非磁性特殊領域或設備中，鋼筋混凝土結構必然會對其產生一定的影響。地磁觀測在國家安全、氣象、通訊、遙感等方面具有非常重要的作用，特別是在攻克地震預報難關時更是基礎參量。隨著地磁觀測數位化先進儀器的普遍應用，即對地磁觀測室環境的無磁要求提高了 I個數量級。所以鋼筋混凝土結構在實際使用中存在一定的缺陷。
[0003]由於鋼筋混凝土自身存在一定的缺陷，其耐久性問題又影響著整個結構的安全性和適用性，隨著老化建築結構自身承載力不斷出現問題，必然要採取措施對現有結構進行加固，現有的加固方法有:加大截面加固法、粘貼鋼板加固法、粘貼碳纖維增強塑料加固法、體外預應力加固法、增加支承加固法等。然而各種加固法都有其優點和不足之處。加大截面加固法，增大了混凝土構件的體積、自重、且施工周期長、施工空間大；粘貼鋼板加固法，能較好增大了橋梁結構的剛度和強度，但鋼板受環境影響較大，在潮溼和氯鹽環境下容易被侵蝕而強度降低，耐久性較差；粘貼碳纖維，能很好的提高結構強度，但結構剛度卻沒有明顯的改變；體外預應力加固法，對原結構外觀有一定影響，且不易用於混凝土收縮徐變較大的結構；增加支承加固法，易損害建築物的原貌和使用功能，並可能減小使用空間。因此發展新的加固方式和材料也是建築結構發展的趨勢。
[0004]纖維筋是由多股玄武巖纖維與樹脂基體材料結合，經擠壓、拉拔成型，擠壓成型工藝從原材料開始，經過浸潤、壓模、固化、切割等，最後形成的一種新型複合材料。纖維筋與鋼筋相比，不生鏽和耐腐蝕，尤其具有極高的耐酸性和耐鹽性；且是一種電絕緣體，並具有非磁性。在靠近高壓線的建築，要求非磁性的混凝土建築物應用纖維筋，具有很大的優越性，對於醫院CT放射室以及對電磁環境有特殊要求的建築結構，使用纖維筋材料可起到良好的電磁屏蔽效果，並且具有強度高、質量輕(玄武巖纖維複合筋質量僅為鋼筋的五分之一，不僅能提高建築物的防腐性能，還可以降低建築物的自重)、抗疲勞、無汙染、人體接觸無害、生產工藝簡單、成本低等優點，可以替代或部分替代鋼筋用於混凝土結構中，從根本上解決鋼筋鏽蝕問題，逐步受到土木工程界的關注。所以纖維筋可以代替鋼筋，應用於公路、橋梁、機場、車站、水利工程、地下工程以及軍事工程、保密工程、特殊工程等需絕緣脫磁環境等特殊領域，具有良好的社會效益和經濟效益。常見的纖維筋按其所採用原絲材料的不同，可分為碳纖維增強塑料筋、芳綸纖維增強塑料筋、玻璃纖維增強塑料筋以及玄武巖纖維增強塑料筋。
[0005]短纖維增強水泥基複合材料板自身具有很好的變形性能，由於短纖維的連橋作用，使板在受到拉力時，能夠多裂縫開裂，並且使裂縫保持在一個很小的開裂寬度範圍內，對提高結構的耐久性起到了很大的促進作用，但是其極限抗拉強度還是很小，在工程中的應用存在一定的局限性。纖維筋與纖維增強水泥基複合材料相結合，組成高韌性水泥基材料-非金屬纖維筋複合薄板，既具有很高的抗拉強度，又具有較理想的變形能力、裂縫控制能力及耐久性；既可以採用現場澆築的形式對結構進行加固，也可以採用工廠預製的形式，所以是一種新型的便捷的結構加固方式。
實用新型內容
[0006]為了解決現有鋼筋混凝土結構自身混凝土開裂、鋼筋鏽蝕、耐久性降低、承載力下降的問題，本實用新型提供了一種具有高韌性水泥基材料-非金屬纖維筋的混凝土複合結構，以提高結構的抗裂性、承載能力和耐久性。
[0007]—種具有高韌性水泥基材料-非金屬纖維筋的混凝土複合梁，所述混凝土複合梁的受拉區設有基於高韌性水泥基材料-非金屬纖維筋複合而成的承拉層；
[0008]所述的高韌性水泥基材料-非金屬纖維筋複合承拉層中，以高韌性水泥基材料為基材，以非金屬纖維筋為定向加強筋。
[0009]所述的非金屬纖維筋為碳纖維增強塑料筋、芳綸纖維增強塑料筋、玻璃纖維增強塑料筋或玄武巖纖維增強塑料筋。
[0010]在所述的承拉層內，高韌性水泥基材料-纖維筋組合而成的複合結構，既能充分利用水泥基材料的自身性能來解決混凝土結構的裂縫和耐久性問題，又能利用纖維筋的高強度來提高結構的承載力和剛度。組合後的結構既具有較好的裂縫控制能力，又具有較高的承載力。與普通的纖維筋-混凝土結構相比，纖維筋與高韌性水泥基材料之間粘結性能更好，而且能夠很好的協調變形，是一種理想的受力構件。
[0011]所述的承拉層與混凝土結構為澆注成型的一體結構。
[0012]針對新建工程結構，優選採用現澆方式與混凝土結構相疊合，利用高韌性水泥基複合材料替代受拉區混凝土，以非金屬纖維筋替代受拉區鋼筋；為起到最佳的協調變形效果，所述承拉層的厚度應大於50_，進一步可控制承拉層的厚度為整個混凝土複合梁厚度的 1/3。
[0013]所述的承拉層位於混凝土複合結構的受拉區，混凝土複合結構內的箍筋繞置在架立筋和非金屬纖維筋外。
[0014]並列優選的，所述的承拉層之一為具有高韌性水泥基材料-非金屬纖維筋複合結構的加固薄板，所述的加固薄板採用粘貼並錨固的方式加固既有混凝土結構。
[0015]針對既有混凝土結構，可通過粘貼並錨固的方式加固，將非金屬纖維筋-高韌性水泥基複合材料製成薄板，採用粘貼或者現澆的方式加固到既有結構的受拉部位，來提高結構的承載力和耐久性。
[0016]優選的，所述加固薄板與既有混凝土結構的交界面上通過界面劑加強二者之間的粘結，所述界面劑的噴塗厚度應不超過2mm。
[0017]本實用新型利用高韌性水泥基材料-非金屬纖維筋複合結構來加固鋼筋混凝土結構，以提高結構的承載能力和耐久性，降低結構的老化速度，並且具有很好的電磁屏蔽效果，為軍事及醫療提供的幫助；為建築橋梁等工程結構提供了新的加固材料和方式，使選擇更具多樣性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1為高韌性水泥基材料-非金屬纖維筋複合薄板截面示意圖；
[0019]圖2為纖維筋、高韌性水泥基材料分別替代混凝土梁受拉區鋼筋和混凝土的截面示意圖；
[0020]圖3為高韌性水泥基材料-非金屬纖維筋複合薄板加固混凝土梁的截面示意圖；
[0021]圖4為複合薄板的應力應變曲線圖。
[0022]圖中:I架立筋；2混凝土 ； 3箍筋；4縱向受力纖維筋；5高韌性水泥基材料；6界面齊U (採用現澆法時)或結構膠(採用粘結法時);7縱向受力鋼筋；H混凝土梁高度；B混凝土梁寬度；h纖維筋-高韌性水泥基材料複合薄板厚度；a梁中受拉區高韌性水泥基材料澆築高度；b:高韌性水泥基材料-非金屬纖維筋複合薄板寬度；c梁中混凝土澆築高度。
【具體實施方式】
[0023]實施例1: 15mm厚玄武巖纖維筋-PVA纖維增強水泥基材料複合薄板結構實例
[0024]一種高韌性水泥基材料-非金屬纖維筋複合結構，以高韌性水泥基材料為基材，以非金屬纖維筋為定向加強筋，按重量百分比計，高韌性水泥基材料包括以下組分:水泥35%，粉煤灰45%-55%，矽灰5%-10%，偏高嶺土 5%_10% ;高韌性水泥基材料中還含有體積摻量為2%-3%的高強短纖維，其中，高強短纖維為聚乙烯醇纖維、聚乙烯纖維、碳纖維、芳綸纖維中的一種或幾種。
[0025]在本實施例中，高強短纖維為PVA纖維，其在基體中的體積摻率為2% ;基體漿體配比:水泥:精細砂:粉煤灰:偏高嶺土:矽灰:水:減水劑=1:1.43:1.43:0.29:0.14:0.86:0.036 ;水泥類型為42.5級，精細砂為80-120目，粉煤灰為一級粉煤灰，偏高嶺土採用DX-80M型，矽灰採用微矽粉，減水劑採用聚羧酸鹽類減水劑，纖維筋採用玄武巖纖維筋。
[0026]試件加工過程:先將水泥、精細砂、粉煤灰、偏高嶺土、矽灰投入攪拌機攪拌均勻，大約攪拌時間2-3分鐘；然後稱量相應重量的水，將需要加入的減水劑與水攪拌均勻，並將稱好的PVA纖維放入減水劑與水的混合液體中充分溼潤與分散；將減水劑與水的混合液體倒入攪拌機，攪拌3-4分鐘，使材料與混合液充分結合，具有很好的流動性；最後將溼潤分散的PVA纖維放入攪拌機，充分攪拌4-6分鐘，保證纖維分散均勻且與漿體充分混合，漿體製作完成。將纖維筋固定在已製作好的木模裡，在木模裡放入纖維漿體，澆築厚度大約7_，放在振動臺上振搗I分鐘；然後再向木模裡放入纖維漿體，澆築厚度大約為8_，放到振動臺上振搗I分鐘；最後對振搗好的試件進行抹平。24小時後，將澆築好的試件拆模，放入標準養護室養護28天，養護到期後取出，進行力學測試。
[0027]複合薄板的結構如圖1所示，b為薄板寬度，4為玄武巖纖維筋，5為-PVA纖維增強水泥基。對分別放入兩根，三根，四根BFRP筋的厚度15mm，寬度100mm，長度400mm的高韌性水泥基材料-非金屬纖維筋複合薄板進行軸向拉伸試驗，測得其極限抗拉強度分別為:12.147MPa, 15.211MPa，20.704MPa ;極限拉應變分別為:2.16%, 1.99%, 2.41%。板的應力應變曲線如圖4所示。三種配筋板達到極限強度時，平均裂縫寬度均為ΙΟΟμπι左右，且最大裂縫寬度均不超過200 μ m，可見高韌性水泥基材料-非金屬纖維筋複合薄板具有很理想的抗拉能力和裂縫控制能力。
[0028]實施例1所公開的組份配比，僅用於測試高韌性水泥基材料-非金屬纖維筋複合薄板的各項性能，並不用於限定本實用新型中高韌性水泥基材料-非金屬纖維筋複合結構的物質組分，本實用新型的高韌性水泥基材料-非金屬纖維筋複合結構也可採用現有材料來實現。
[0029]實施例2:高韌性水泥基材料-非金屬纖維筋複合薄板代替梁受拉區鋼筋和混凝土的應用實例
[0030]針對新建工程結構，優選採用現澆方式與混凝土結構相疊合，利用高韌性水泥基材料-非金屬纖維筋複合結構替代受拉區混凝土與鋼筋，使承拉層與混凝土梁複合為一體結構。
[0031]具體現澆步驟如下:
[0032]筋籠綁紮:箍筋，架立筋採用Φ8ΗΡΒ235鋼筋，受力縱筋採用Φ 12玄武巖纖維複合筋(BFRP筋)。頂面及底麵筋材保護層厚度為20mm(混凝土表面到箍筋表面的混凝土厚度)。
[0033]燒築複合梁:燒築時，先向模板內燒築厚度為50mm的PVA纖維增強水泥基複合材料，振搗密實，在水泥基複合材料初凝前，繼續在其表面澆築厚度為150_的C30混凝土，並再次振搗密實。
[0034]溼潤養護:24小時候拆模，放入標準養護室進行養護28天。
[0035]澆築得到的新型複合梁結構如圖2所示，架立筋1、箍筋3和縱向受力纖維筋4組成筋籠，基體材料分為混凝土 2和高韌性水泥基材料5，且縱向受力纖維筋4埋設在高韌性水泥基材料5內，圖中B為梁寬，H為梁高，a梁中受拉區高韌性水泥基材料澆築高度，c梁中混凝土澆築高度。
[0036]新型複合梁的極限承載力為84.8KN,參考梁(參考梁為FRP筋混凝土梁，受力縱筋為FRP筋，受拉區混凝土未採用ECC代替。)的極限承載力為80KN，與參考梁相比承載力有所提高。用高韌性PVA增強水泥基複合材料代替受拉區混凝土的新型複合梁的初始開裂裂縫寬度大約為0.05mm左右，明顯低於參考梁初始裂縫寬度0.26mm。新型複合梁比參考梁的初始裂縫發展高度降低了 24.1%。可見:採用高韌性PVA增強水泥基複合材料代替參考梁受拉區混凝土，FRP筋與周圍的水泥基材料有著更好的粘結力和協調變形能力，並且對裂縫有著良好的控制能力。[0037]實施例3:PVA纖維增強水泥基材料-碳纖維筋複合薄板加固鋼筋混凝土梁實例
[0038]針對已有的混凝土結構，可通過粘貼並錨固的方式加固混凝土梁，將高韌性水泥基材料-非金屬纖維筋製成薄板，採用粘貼或者現澆的方式加固到現有結構的受拉部位，來提高結構的承載力和耐久性。
[0039]具體加固步驟如下:
[0040]混凝土基面處理:用角磨機打磨處理混凝土基面，並用花錘和電錘鑿毛基面，使之形成隨機的凹凸不平狀以增加黏結面的粗糙程度。
[0041]植入鉚釘:在梁底面隔一定間距預埋鉚釘，用電錘垂直對準梁底面混凝土打孔，然後清除孔內灰塵並向孔內注膠，隨後逐個打入特製的異形鉚釘。
[0042]基面浮塵衝洗:對加固部位用高壓水將混凝土表面的粉灰、油汙衝洗乾淨，保持潮溼狀態。
[0043]噴塗加固用鋼筋混凝土界面劑:塗刷界面劑前，需提前24h在施工面上充分灑水溼潤，使內部水分飽和，在表面無明水的情況下進行噴塗施工，噴塗過程中應確保界面劑均勻分布，噴塗厚度不得超過2mm。
[0044]支模及綁紮纖維筋:在需要加固區域支木模和綁紮纖維筋。
[0045]纖維增強水泥基複合材料的壓抹:配好的漿料應保證在0.5h內用完，採用分層人工壓抹方式進行施工，每壓抹一層後須用木抹子在漿體表面沿縱橫方向反覆搓毛，當壓抹厚度達到設計要求後，應及時做好壓抹收光。
[0046]溼潤養護:纖維增強水泥基複合材料壓抹收光後進行標準養護。
[0047]通過上述的步驟，形成如圖3所示的加固鋼筋混凝土梁，架立筋1、箍筋3和縱向受力纖鋼筋7組成筋籠，縱向受力纖維筋4和高韌性水泥基材料5組成的加固用複合薄板，複合薄板與混凝土 2之間為界面劑或結構膠6，h為高韌性水泥基材料-非金屬纖維筋複合薄板厚度。
[0048]採用現澆PVA纖維增強水泥基材料-碳纖維筋複合薄板加固鋼筋混凝土梁，其開裂荷載、極限承載力都有了不同程度的提高。加固後的鋼筋混凝土梁與未加固梁的開裂荷載分別為24.1KNU7.4KN,開裂荷載提高了 38.5%。極限承載能力分別為144.4ΚΝ、97.3ΚΝ,極限承載力提高了 48.4%。未加固梁加載到鋼筋屈服後，裂縫的寬度迅速增加，很快達到2mm左右，然而加固梁的裂縫一直處於緩慢發展的狀態，達到極限荷載時，裂縫仍然小於
0.5_。可見PVA纖維增強水泥基材料-碳纖維筋複合薄板對混凝土梁的開裂及裂縫發展有明顯的抑制作用。
[0049]以上所述僅為本實用新型的較佳實施舉例，並不用於限制本實用新型，凡在本實用新型精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種具有高韌性水泥基材料-非金屬纖維筋的混凝土複合結構，其特徵在於，所述混凝土複合結構的受拉區設有基於高韌性水泥基材料-非金屬纖維筋複合而成的承拉層； 所述的高韌性水泥基材料-非金屬纖維筋複合而成的承拉層中，以高韌性水泥基材料為基材，以非金屬纖維筋為定向加強筋。
2.如權利要求1所述的混凝土複合結構，其特徵在於，所述的承拉層與混凝土結構為澆注成型的一體結構。
3.如權利要求2所述的混凝土複合結構，其特徵在於，所述的承拉層位於混凝土複合結構的受拉區，混凝土複合結構內的箍筋繞置在架立筋和非金屬纖維筋外。
4.如權利要求3所述的混凝土複合結構，其特徵在於，所述承拉層的厚度應大於50_。
5.如權利要求1所述的混凝土複合結構，其特徵在於，所述混凝土複合結構的受拉區固定有用所述的高韌性水泥基材料-非金屬纖維筋複合而成的加固薄板。
6.如權利要求5所述的混凝土複合結構，其特徵在於，所述的加固薄板採用粘貼並錨固的方式加固所述的混凝土複合結構。
7.如權利要求6所述的混凝土複合結構，其特徵在於，所述的加固薄板與既有混凝土結構的交界面設有界面劑層，所述界面劑層的厚度不超過2mm。
【文檔編號】C04B14/38GK203795724SQ201420165821
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年4月4日 優先權日:2014年4月4日
【發明者】王海龍, 孫曉燕, 彭光宇, 羅月靜 申請人:浙江大學, 廣西交通科學研究院