一种超弹性合金局部增强抗震自修复混凝土梁的制备方法与流程

文档序号:16257752发布日期:2018-12-12 00:48阅读:125来源:国知局
一种超弹性合金局部增强抗震自修复混凝土梁的制备方法与流程

本发明属于建筑材料领域,特别是一种超弹性合金局部增强抗震自修复混凝土梁的制备方法。

背景技术

地震、爆炸、台风和海啸等大震动中建筑物的破坏是造成灾难的主要原因之一。混凝土结构是当前建筑发展中使用最为广泛的结构形式,传统钢筋混凝土梁结构可一定程度上抵抗震动能量。但如果震动幅度超过了钢筋的弹性变形量,即使不发生断裂或坍塌,也会使建筑结构发生大面积的永久残余位移或裂纹,造成伤亡和损失,且很难修复。随着混凝土技术的发展,以及对建筑物安全性,舒适性的要求,混凝土已经向高强度、高智能、多功能方向发展。许多混凝土结构受震动破坏的研究表明:导致钢筋混凝土梁结构破坏的主要原因是其弯曲韧性不足和剪切能力不足。随着混凝土技术的发展,以及对建筑物安全性,舒适性的要求,混凝土已经向高强度、高智能、多功能目标发展。智能材料的加入为智能混凝土结构的开发和应用提供了重要的思路。超弹性合金是一种集感知与驱动于一体的智能型结构材料,具有超过弹性变形后卸载能恢复原有形状的超弹性特征。如果将这种具有超弹性性能的合金置于土木建筑结构中,利用超弹性的迟滞回线现象和形状恢复现象,不仅能在结构受到大的震动出现变形、裂纹和损伤时,吸收耗散掉较大部分的能量,而且还可以实现结构在大震动中的自修复,从而显著增加结构的安全可靠性,在大震动中为生命财产安全提供一定保障和缓冲空间。在工程实践中,最常见的是将超弹性合金安置于混凝土结构中,用于吸收较大的震动能量和愈合较大的震动位移,因而要求超弹性合金具有高的性价比、高的超弹性和高的阻尼性能。超弹性合金中应用最多的ni-ti基合金价格是钢筋的上百倍以上,如果考虑经济性很难用于混凝土梁结构的设计和制作中,而目前价格远低于ni-ti合金的cu基超弹性合金在工程上的应用具有取代ni-ti合金的潜力,一般cu基超弹性合金虽然价格低,耐腐蚀性好,但也存在形状恢复性能和强度差的问题,可通过将cu基超弹性合金的性能进行优化,同时对增强混凝土梁结构的设计进行优化,增加传统混凝土梁结构的抗弯曲性能,获得在大的振动及破坏中具有减震抗震且自修复的性能,并同时兼具经济性,则超弹性合金增强混凝土结构将会具有更高的实际应用价值。



技术实现要素:

本发明的目的在于提供一种超弹性合金局部增强抗震自修复混凝土梁的制备方法。使其兼具优良抗震、自修复和经济性的混凝土梁结构。所述制备方法包括:超弹性合金的制备,合金筋条的制备,钢筋-合金笼的制作,合金增强混凝土梁结构的制作。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案:

本发明提供的超弹性合金局部增强抗震自修复混凝土梁的制备方法,具体是:以纯金属或中间合金为原料制备出cu-al-mn超弹性合金作为增强筋条,用于替代钢筋混凝土梁中受弯矩较大的局部区域的钢筋,制成钢筋-合金结构笼子后并立好模板,以相当于结构笼子质量10~20倍的混凝土浆料浇筑为钢筋-合金混凝土梁,待养护好后即可获得cu-al-mn超弹性合金局部增强抗震自修复混凝土梁。

所述cu-al-mn超弹性合金的合金元素成分质量比例为:al含量为8wt.%~10wt.%,mn含量为8wt.%~13wt.%,其余为cu。

所述纯金属采用纯铜、纯铝和纯锰。

所述中间合金采用cu-al、cu-mn、al-mn和cu-al-mn合金中的一种或几种。

所述超弹性合金局部增强抗震自修复混凝土梁的范围为:梁的种类不局限于一种,为简支梁、外伸梁;梁的截面为矩形、圆形、工字型、l型或者t型中的一种。

本发明提供的上述超弹性合金局部增强抗震自修复混凝土梁的制备方法,包括以下步骤:

步骤(1)制备超弹性合金:采用上述方法所述合金成分质量比例的纯铜、纯铝、纯锰,或cu-al、cu-mn、al-mn中间合金为原料,采用熔炼炉熔炼后,浇注到底部为循环水冷却、四周加热到900~1100℃的石墨或陶瓷结晶器中,制成直径为20~1000mm,高为100mm~1000mm的cu-al-mn超弹性合金锭;采用的热成形工艺:将合金锭采用热旋锻、热拉拔或热轧制加工方法制成直接为20~50mm的棒材,热成形温度700~800℃;然后加热到700~900℃退火保温0.5~2h后水淬,再采用低温时效处理加热到250~400℃保温10~60min后淬火。最终制备出的合金在室温下具有超弹性应变为5%~9%、屈服强度为300mpa~600mpa的cu-al-mn合金棒材;

步骤(2)制备合金筋条:根据需要,将cu-al-mn合金棒材加工成尺寸满足混凝土梁结构规范对钢筋的要求的合金筋条,合金筋条表面进行粗糙化处理,增强合金筋条与混凝土浆料的粘接能力;

步骤(3)制作钢筋-合金笼:将制备的cu-al-mn合金筋条置于钢筋混凝土梁结构受弯矩较大的区域,用来替代混凝土梁中受弯的钢筋,如果是简支梁,则置于梁中间的下部受拉区域,如果是外伸梁则置于和基础连接的上部区域,注意合金棒材或者线材需放在大于梁弯矩最大值的70%的跨度区域;钢筋和合金筋条之间采用焊接、栓接或者螺纹铆接的方法进行连接,相平行的受弯钢筋或合金筋条之间采用细钢制箍筋连接;

步骤(4)制备合金增强抗震自修复混凝土梁:根据工程需要确定梁的截面并立好模板,检查模板接缝平整后浇筑混凝土浆料,混凝土浆料采用符合国家标准的普通混凝土即可,等浆料凝固达到强度的75%后,拆除模板,养护好后即可。

上述步骤(1)中所述的熔炼铸造方法包括熔炼凝固法、塑性成型加工、时效强化方法。

上述步骤(2)中,所述合金筋条表面进行粗糙化处理是:将合金筋条表面通过机加工方式加工出深1mm宽2mm的凹凸小槽,或者进行涂树脂和粗砂的混合物处理,树脂和粗砂的质量比例为1:2~4。

所述树脂采用普通的环氧树脂,粗砂的细度模数为2.5~4.0。

上述步骤(3)中所述将合金筋条放在混凝土梁结构受弯矩较大的区域,是指在普通的混凝土制作中所需的合金-钢筋笼中用合金棒材替代部分局部区域的钢筋,这里所述的部分局部区域是指在整个梁的应用中,由于受到横向均布载荷或者集中载荷时纵向钢筋产生最大拉应力的区域,相当于梁最大弯矩的70%~100%的跨度区域用合金来替代。

本发明的特点在于:cu-al-mn超弹性合金局部增强抗震自修复混凝土梁具有价格低、抗震能力强、阻尼性能好、具有自修复能力、耐腐蚀性能好等。

本发明利用超弹性合金的大变形恢复能力和阻尼吸能能力,制备出可以承载地震、飓风、爆炸、地基坍塌等大变形的混凝土梁结构。与现有技术相比具有以下主要优点:

(1)以较ni-ti更廉价的高超弹性高强度cu-al-mn合金作为增强筋条,成本低廉、造价便宜;

(2)所制备的cu-al-mn超弹性合金,其超弹性可恢复应变能达到ni-ti合金水平,其屈服强度达到300mpa~600mpa,可以匹配常用的钢筋,另外具有回复响应速度快(接近声速)、较好的疲劳性能(可在受力-恢复-受力过程中重复使用上百次)和耐腐蚀性能。

(3)所制备的增强合金筋条用于替换钢筋混凝土梁结构受弯矩较大的局部区域的钢筋,相比用合金替代全部的钢筋,可以在满足抗震减震的要求上进一步降低结构的成本;

(4)所制备的合金增强抗震自修复混凝土梁,当抗震自修复梁在震动中受到垂直的震动载荷时,简支梁的中间区域下部和外伸梁的连接区域的上部受的弯矩较大,传统的钢筋梁容易产生裂纹或永久弯曲变形,但由于本发明的抗震自修复梁在这些弯矩较大区域设置了高强度高超弹性的合金棒材,可以吸收很大的应变能量,保证梁连接的整体框架不容易发生倒塌事故。而且可以在震动载荷去除后,自动愈合0~40mm左右的裂纹宽度或者梁的弯曲变形,裂纹宽度的自修复度达到80%以上,大大降低后期的修复成本。

附图说明

图1为cu-8.8wt.%al-10.6wt.%mn超弹性合金棒材拉伸应力-应变曲线。

图2为合金局部增强抗震自修复混凝土简支梁的结构示意图。

图3为图2的a-a剖视图。

图4为合金局部增强抗震自修复混凝土外伸梁的结构示意图。

图5为图4的a-a剖视图。

图6为合金局部增强抗震自修复混凝土简支梁中心位置的载荷-扰度曲线。

图中:1.cu-al-mn超弹性合金棒材,2.连接部分,3.钢筋,4.箍筋,5.混凝土,6.基础。

具体实施方式

本发明公开的超弹性合金局部增强抗震自修复混凝土梁的制备方法,以cu-al-mn超弹性合金作为增强筋条,置于混凝土梁受弯矩较大的局部区域,利用超弹性合金的大变形恢复能力和阻尼吸能能力,制备出可以承载地震、飓风、爆炸、地基坍塌等大变形的混凝土梁结构。其中超弹性合金价格为常用的ni-ti合金价格的十五分之一,且超弹性和屈服强度性能可达到ni-ti合金水平,具有良好力学性能、响应速度快、较好的疲劳性能和耐腐蚀性能;合金增强的局部区域为梁结构中间或与基础连接处等受弯矩较大的区域,所需合金长度大概为整个梁长度的15~25%左右,可以在满足抗震减震的要求上进一步降低结构的成本;所制备的合金增强抗震自修复混凝土梁,可实现抵挡较大横向震动载荷的能力。震后可自动愈合0~25mm宽的裂纹,自修复度达到80%以上,后期修复成本低。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细描述。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明,并不用于限定本发明。

相反,本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步,为了使公众对本发明有更好的了解,在下文对本发明的细节描述中,详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

【实施例1】

一种cu-8.1wt.%al-11.5wt.%mn超弹性合金局部增强抗震自修复混凝土简支梁的制备方法,所述方法如下。

制备增强合金:采用纯度为99.9%以上的纯铜、纯铝、纯锰为原料,所述原料的质量比例为80.4:8.1:11.5,然后采用本发明所述方法制备直径25mm,长度4m的cu-al-mn超弹性合金棒材,制备的合金棒材在室温下的超弹性应变达到7%、屈服强度达到400mpa(图1)。

制备合金筋条:将制备出的合金棒切成两根直径25mm,长l0=2m的棒材,棒材表面涂一层2~3mm的树脂和粗砂的混合物制成合金筋条。树脂和粗砂的质量比例为1:2,树脂采用环氧树脂,粗砂的粒度为3.1。

制备钢筋-合金笼:将制备的2根合金筋条两端均和一根直径25mm、长3m的钢筋采用螺纹铆接加焊接的方式连接制成2根8m长的钢筋-合金-钢筋筋条,将两根钢筋-合金-钢筋筋条(下侧)和两根等长8m的纯钢筋筋条(上侧)用直径6mm的箍筋制成高0.5m、宽0.5m、长l=8m的钢筋-合金笼,如附图2和图3所示。

制备梁结构:立好模板,尺寸为高0.7m、宽0.7m、l=8m,检查模板接缝平整后浇筑普通的混凝土浆料,混凝土浆料为c30号;然后等混凝土浆料凝固达到强度的75%后,拆除模板,按照自然养护方法养护,得到所述超弹性合金局部增强抗震混凝土简支梁。

自修复检测:待混凝土养护好后,在荷载作用下,在所述抗震简支梁的中间2m范围内产生数条5~20mm裂缝,卸载后裂缝宽度可自修复85%。

【实施例2】

一种cu-8.1wt.%al-10.7wt.%mn超弹性合金局部增强抗震自修复混凝土简支梁的制备方法,其步骤如下:

制备增强合金:采用纯度为99.9%以上的无氧铜、电解铝和电解锰为原料,所述原料的质量比例为81.2:8.1:10.7,制备出直径为20mm,长度为2m的cu-al-mn超弹性合金棒材或者线材产品,该产品在室温下的超弹性应变=8.3%、屈服强度=383mpa。

制备合金筋条:将制备的cu-al-mn合金棒材切成2根直径为20mm、长l0=1m的棒材,棒材表面涂一层2~3mm的树脂和粗砂的混合物。树脂和粗砂的质量比例为1:2,树脂采用普通的环氧树脂,粗砂的细度模数为3.5。

制备钢筋-合金笼:将制备的2根合金筋条两端均和一根直径20mm,长2m的钢筋采用螺纹铆接加焊接的方式连接制成2根5m长的钢筋-合金-钢筋筋条,将两根钢筋-合金-钢筋筋条(下侧)和两根等长的纯钢筋筋条(5m,上侧)用直径6mm的箍筋制成高0.4m、宽0.4m、长l=5m的钢筋-合金笼,如图2和图3所示。

制备梁结构:立好模板,尺寸为高0.6m、宽0.6m、l=5m,选用c25号混凝土,其中水泥,砂,石子,水的比值为1:2.4:3.6:0.65,检查模板接缝平整后浇筑混凝土浆料,等浆料凝固达到强度的75%后,拆除模板,养护好后即可。

自修复检测:待混凝土自然养护好后,在荷载作用下,在所述抗震简支梁的中间1m范围内产生数条5~10mm裂缝,卸载后裂缝宽度可自修复90%。

【实施例3】

一种cu-9.5wt.%al-9.8wt.%mn超弹性合金局部增强抗震自修复混凝土外伸梁的制备方法,所述方法如下。

制备增强合金:采用纯度为99%以上的纯铜、纯铝、纯锰为原料,所述原料的质量比例为80.7:9.5:9.8,采用本发明所述方法制备直径22mm的cu-al-mn超弹性合金棒材,制备的合金棒材在温室下的超弹性应变达到8%、屈服强度达到350mpa。

制备合金筋条:将制备出的形状记忆合金棒切成两根直径22mm,长l0=0.5m的棒材,棒材表面用机加工出一些1mm深的凹凸的槽子制成合金筋条。

制备钢筋-合金笼:将制备的2根合金筋条一端和一根直径22mm、长2m的钢筋采用螺纹铆接加焊接的方式连接制成2根2.5m长的合金-钢筋筋条,将两根合金-钢筋筋条(上侧)和两根等长的纯钢筋筋条(2.5m,下侧)用直径6mm的箍筋制成高0.5m、宽0.5m、长l=2.5m的钢筋-合金笼,如附图4和图5所示。

制备梁结构:立好模板,尺寸为高0.7m、宽0.7m、l=2.5m,选用c25号混凝土,其中水泥,砂,石子,水的比值为1:2.4:3.6:0.65,检查模板接缝平整后浇筑普通的混凝土浆料,等浆料凝固达到强度的75%后,拆除模板,养护好后即可。

自修复检测:待混凝土养护好后,在荷载作用下,在所述外伸梁和基础连接部分产生10mm裂缝,卸载后裂缝宽度可自修复85%。

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