一種新型鋼‑連續纖維複合筋ECC‑混凝土複合梁及其製備方法與流程
2023-10-30 09:40:37 1
本發明涉及一種建築構件的結構及材料，尤其涉及一種新型鋼-連續纖維複合筋ecc-混凝土複合梁及其製備方法，屬於建築結構技術領域。
背景技術：
鋼筋混凝土結構的耐久性問題一直是土木工程領域的重要研究課題。鋼筋混凝土結構中鋼筋鏽蝕問題十分突出，因鋼筋鏽蝕導致許多建築物、橋梁提前破壞，造成巨大的經濟損失。frp筋雖然具有良好的抗腐蝕性能和材料力學性能。但是frp筋為線彈性材料，不存在類似於鋼筋的屈服平臺，所以frp筋混凝土梁的彎曲破壞表現為脆性破壞，延性較差。
一種綜合鋼筋和frp筋兩種材料優點的新型複合材料：鋼-連續纖維複合筋（steel-fibercompositebar，簡稱sfcb）。sfcb是一種以鋼筋為內芯外包縱向纖維的新型增強複合材料，它同時具有強度高、延性好、彈性模量較高、穩定的二次剛度及優異的耐腐蝕性能等特點。在鋼筋外包裹frp材料，利用frp材料良好的耐腐蝕性保護鋼筋不受侵蝕。由於鋼筋有明顯的屈服點和較好的延性，使得sfcb也存在屈服點。同時在屈服後，由於frp材料還發揮著作用使得sfcb有明顯的強化階段。目前，sfcb的製備工藝日漸成熟，sfcb運用到工程實際中已成為一種趨勢。
對普通的混凝土受彎梁來說，受拉區混凝土的開裂加快了鋼筋的鏽蝕，繼而造成了混凝土保護層的進一步開裂和剝落。
ecc（engineeredcementitiouscomposite，工程用水泥基複合材料）克服了傳統水泥基材料在抗拉荷載下的軟化性能,表現出與金屬材料類似的偽硬化特徵,可實現傳統水泥基材料單一裂紋宏觀開裂發展模式向多重微細裂紋穩態開裂模式的轉變,具有顯著的非線性變形、優良的韌性和能量吸收能力。
技術實現要素：
本發明提供一種新型鋼-連續纖維複合筋ecc-混凝土複合梁及其製備方法，充分利用sfcb強度高、耐腐蝕性、延性好和ecc優良的抗拉性能的特點，旨在解決普通鋼筋混凝土梁耐久性能不足和frp筋混凝土梁延性差、裂縫寬度和撓度大的問題。
本發明是在普通鋼筋混凝土結構和frp筋混凝土結構的基礎上，引入強度高、延性好、彈性模量較高、具有穩定的二次剛度的sfcb和具有優良的抗拉能力的工程用水泥基複合材料ecc，對混凝土梁截面進行分層設計，將受拉縱筋（鋼筋或者frp筋）用sfcb替代，受拉縱筋周圍的部分普通混凝土用ecc代替形成鋼-連續纖維複合筋ecc-混凝土複合梁，受壓區混凝土仍採用普通混凝土，界面區無需特殊處理技術，在澆築ecc後直接澆築普通混凝土，並以sfcb作為受拉縱筋，綜合利用sfcb抗拉強度高、耐腐蝕和ecc優良的抗拉能力，形成承載能力高和耐久性能好的新型鋼-連續纖維複合筋ecc-混凝土複合梁。
為了實現本發明的上述目的，本發明的技術方案如下：一種新型鋼-連續纖維複合筋ecc-混凝土複合梁，包括梁體、鋼筋骨架，所述梁體分為受壓區和受拉區，所述受壓區由混凝土製成，所述鋼筋骨架包括受拉縱筋、受壓縱筋（或者架立鋼筋），其特徵是，所述受拉區由工程用水泥基複合材料ecc澆築而成，所述受拉縱筋為鋼-連續纖維複合筋，布置在工程用水泥基複合材料ecc中。
進一步地，所述工程用水泥基複合材料層設置在梁體整個縱向長度範圍內的受拉區或特定梁段的受拉區；所述特定梁段是指以梁的彎矩控制截面為對稱中心且其長度為梁長的1/4-1/2的梁段。
進一步地，所述工程用水泥基複合材料澆築的厚度是受拉縱筋混凝土保護層厚度的2倍。
進一步地，所述的混凝土強度等級在c15~c80。
進一步地，所述工程用水泥基複合材料ecc成分包括水泥、石英砂、矽灰、粉煤灰、纖維、水和減水劑；各組成成份的重量百分比為：水泥20%~40%、石英砂20%~30%、矽灰10.0%~15.0%、粉煤灰0%~30.0%、水15%~20%、減水劑0%~1.5%，所述纖維體積摻量為1.5%~2.5%。
進一步地，所述石英砂的最大粒徑不超過0.3mm；所述減水劑為聚羧酸系高性能減水劑；所述的sfcb可為gfrp、cfrp、afrp或bfrp；所述石英砂為100~200目的石英砂，水泥採用p.o.42.5水泥。
進一步地，所述纖維為聚乙烯醇（polyvinylalcohol，pva）纖維，pva纖維長度為10~15mm、直徑為0.03~0.05mm、彈性模量為35~55gpa、抗拉強度為1500~2500mpa、極限伸長率為8％~12％。
進一步地，所述pva聚乙烯醇纖維，體積摻量為2.0%。
進一步地，所述工程用水泥基複合材料ecc的製備方法：將水泥、石英砂、矽灰、粉煤灰投入攪拌機低速攪拌1~2min，使混合料均勻分布；加水，低速攪拌1~2min；加減水劑，高速攪拌2~3min至水泥砂漿能夠自流平；最後加入纖維高速攪拌6~8min至纖維分散均勻。
上述新型鋼-連續纖維複合筋ecc-混凝土複合梁的製備方法，其特徵是，
1）按結構施工圖綁紮縱向sfcb受拉主筋、受壓鋼筋（或架立鋼筋）、箍筋等梁中其它鋼筋，且應符合綁紮要求；梁端可預埋吊鉤，方便後期起吊運輸；
2）工程用水泥基複合材料ecc的澆築：經步驟1）後，在模板上先刷一層脫模劑；將綁紮好的鋼筋籠置於模板中，固定好位置，確保鋼筋籠在澆築過程中不發生錯位移動；將嚴格按上述方法製備而成的工程用水泥基複合材料ecc澆築其中，其澆築厚度是縱向受拉筋混凝土保護層厚度的2倍，也可根據工程實際情況計算確定；
或者，工程用水泥基複合材料ecc澆築一特定梁段，其澆築厚度是縱向受拉筋混凝土保護層厚度的2倍，也可根據實際情況計算確定，長度為梁長的1/4~1/2，梁段寬度與梁相同，且該梁段對稱於梁的彎矩控制截面；
3）混凝土的澆築：在經步驟2）後，澆築混凝土至充滿整個模具，利用振動棒振搗成型；混凝土強度等級在c15~c80；振搗成型後對梁頂面抹平收光，確保複合梁頂面平整；
4）在澆築現場養護混凝土複合梁：在經過步驟3）後，在複合梁上覆蓋土工布或者草簾並灑水，再用塑料布或帆布將土工布或草簾包覆，防止水分過快蒸發；待覆合梁上層混凝土終凝後拆除模板，只覆蓋土工布或者草簾，定期灑水養護。
本發明包括普通混凝土、工程用水泥基複合材料ecc和布置在普通混凝土、工程用水泥基複合材料ecc中的sfcb，普通混凝土、工程用水泥基複合材料ecc分層組合，混凝土梁的受壓區採用普通混凝土，在梁的整個縱向長度範圍內或特定梁段的受拉區澆築工程用水泥基複合材料ecc，在普通混凝土與工程用水泥基複合材料ecc的結合區域界面無需採用特殊處理。
梁的整個縱向長度範圍內工程用水泥基複合材料ecc的澆築厚度是縱向受拉筋混凝土保護層厚度的2倍，也可根據實際情況計算確定；特定梁段是指以梁的彎矩控制截面為對稱中心且其長度為梁長的1/4~1/2的梁段，其澆築厚度是縱向受拉筋混凝土保護層厚度的2倍，也可根據實際情況計算確定。
sfcb可選用國內外廠家生產的各種規格材料sfcb，如外包gfrp、cfrp、afrp或者bfrp等，布置在工程用水泥基複合材料ecc層內。工程用水泥基複合材料ecc可在梁的整個縱向長度範圍內澆築於梁的受拉區並具有合適的厚度或者澆築在某一特定梁段的受拉區並具有合適的厚度；所述特定梁段是指對稱於梁的彎矩控制截面並具有一定長度的梁段。
本發明的有益效果：本發明以sfcb作為受拉縱筋，用工程用水泥基複合材料ecc取代受拉區部分混凝土以補償混凝土開裂後不能繼續受拉的特點，控制受彎梁在正常使用狀態下的變形和裂縫寬度，既可以充分發揮sfcb強度高的優點，減小縱向受拉鋼筋用量，節約資源，又可以提高混凝土梁的耐久性。因此，本發明綜合、充分利用了sfcb和工程用水泥基複合材料ecc的優良性能，節約建材資源，提高結構耐久性。
附圖說明
圖1實施例1中普通混凝土和工程用水泥基複合材料ecc的分層形式；
圖2為圖1中a-a剖面圖；
圖3為實施例2中普通混凝土和工程用水泥基複合材料ecc的分層形式；
圖4為圖3中b-b剖面圖；
圖5為圖3中c-c剖面圖；
圖中：1普通混凝土、2工程用水泥基複合材料ecc、3sfcb。
具體實施方式
本發明由兩種水泥基材料分層組合而成，其結構要點：用工程用水泥基複合材料ecc取代受拉區部分混凝土，受壓區混凝土仍採用普通混凝土。作為一種優選方案，本發明在梁的整個縱向長度範圍內澆築工程用水泥基複合材料ecc（見圖1），其澆築厚度是縱向受拉筋混凝土保護層厚度的2倍，也可根據實際情況計算確定。作為另一種優選方案，本發明在某一特定梁段的受拉區澆築工程用水泥基複合材料ecc（見圖3），該某一特定梁段是指以梁的彎矩控制截面為對稱中心且其長度為梁長的1/4~1/2的梁段，其澆築厚度是縱向受拉筋混凝土保護層厚度的2倍，也可根據實際情況計算確定。
另外，本發明中的縱向受力sfcb布置在工程用水泥基複合材料ecc層內（見圖1、2、3、4、5）。
如圖1、2、3、4、5所示，在本發明中，鋼-連續纖維複合筋ecc-混凝土複合梁包括普通混凝土（1）、工程用水泥基複合材料ecc（2）、sfcb（3），其中sfcb布置在工程用水泥基複合材料ecc層內。另外應根據結構所承擔荷載的實際情況適當地在梁中布置其他配筋。
以下結合具體實施例，對本發明進行詳細說明。
實施例1
工程用水泥基複合材料ecc各組分配方為：水泥：矽灰：粉煤灰：水：石英砂：減水劑=（0.2~0.4）:（0.1~0.15）:（0~0.3）:（0.15~0.2）:（0.2~0.3）:（0~0.0015），其中纖維為pva聚乙烯醇纖維，體積摻量為2.0%。
工程用水泥基複合材料ecc的製備方法：將水泥、石英砂、矽灰、粉煤灰用攪拌機低速攪拌1min，使混合料均勻分布；加水低速攪拌1min；加減水劑，高速攪拌2min，水泥砂漿能夠自流平；最後加入pva纖維高速攪拌6min至纖維分散均勻。
對於在現場澆築/預製的一種新型鋼-連續纖維複合筋ecc-混凝土複合梁，具體實施步驟如下：
（1）按結構施工圖綁紮縱向sfcb受拉主筋、受壓鋼筋（或架立鋼筋）、箍筋等梁中其它鋼筋，且應符合綁紮要求；梁端可預埋吊鉤，方便後期起吊運輸。
（2）工程用水泥基複合材料ecc的澆築：經步驟1）後，在模板上先刷一層脫模劑；將綁紮好的鋼筋籠置於模板中，固定好位置，確保鋼筋籠在澆築過程中不發生錯位移動；將嚴格按上述方法製備而成的工程用水泥基複合材料ecc澆築其中，其澆築厚度是縱向受拉筋混凝土保護層厚度的2倍，也可根據工程實際情況計算確定。
或者，工程用水泥基複合材料ecc澆築一特定梁段，其澆築厚度是縱向受拉筋混凝土保護層厚度的2倍，也可根據實際情況計算確定，長度為梁長的1/4~1/2，梁段寬度與梁相同，且該梁段對稱於梁的彎矩控制截面。
（3）普通混凝土的澆築：在經步驟2）後，澆築普通混凝土至充滿整個模具，利用振動棒振搗成型。普通混凝土強度等級在c15~c80；振搗成型後對梁頂面抹平收光，確保複合梁頂面平整。
（4）在澆築現場養護混凝土複合梁：在經過步驟3）後，在複合梁上覆蓋土工布或者草簾並灑水，再用塑料布或帆布等將土工布或者草簾包覆，防止水分過快蒸發；待覆合梁上層混凝土終凝後拆除模板，只覆蓋土工布或者草簾，定期灑水養護。
實施例2
對於在現場澆築/預製的一種新型鋼-連續纖維複合筋ecc-混凝土複合梁，具體實施步驟如下：
（1）鋼筋籠綁紮及放置同實例1。
（2）工程用水泥基複合材料ecc澆築一特定梁段，其澆築厚度是縱向受拉筋混凝土保護層厚度的2倍，也可根據實際情況計算確定，長度為梁長的1/4~1/2，梁段寬度與梁相同。且該梁段對稱於梁的彎矩控制截面。
（3）澆築普通混凝土、振搗成型及養護同實施例1。
所有材料用量及相關尺寸均需根據實際工程的需求計算選取。
本發明的目的是提供一種能廣泛應用於土木建築領域的新型鋼-連續纖維複合筋ecc-混凝土複合梁，它既可以充分發揮sfcb強度高的優點，減小縱向受拉筋用量，節約資源，又可以提高混凝土梁的耐久性，可用作各類建築、橋梁等結構的受彎構件。