具有高韧性水泥基材料-非金属纤维筋的混凝土复合结构的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种具有高韧性水泥基材料-非金属纤维筋的混凝土复合结构，混凝土复合结构的受拉区设有基于高韧性水泥基材料-非金属纤维筋复合结构的承拉层；高韧性水泥基材料-非金属纤维筋复合结构以高韧性水泥基材料为基材，以非金属纤维筋为定向加强筋；针对新建工程结构，所述的承拉层代替普通混凝土结构的受拉钢筋与部分受拉区混凝土；针对既有混凝土结构，所述的具有高韧性水泥基材料-非金属纤维筋复合结构的薄板，通过粘贴或者现浇的方式对既有钢筋混凝土结构进行加固；以控制结构的各类裂缝，提高结构的承载能力和耐久性，降低老化速度，并且具有很好的电磁屏蔽效果，为军事及医疗设施提供有益帮助。
【专利说明】具有高韧性水泥基材料-非金属纤维筋的混凝土复合结构
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及建筑加固与高性能工程结构，尤其涉及一种具有高韧性水泥基材料-非金属纤维筋的混凝土复合结构。
【背景技术】
[0002]混凝土具有良好的抗压性能，与钢筋结合，能够形成很好的承重结构，因此目前绝大部分建筑与桥梁都是钢筋混凝土结构。但是，由于混凝土的抗拉性能及延性较差，所以在实际工程中，钢筋混凝土结构很容易在受荷的情况下出现裂缝，随着有害物质如氯离子、二氧化碳、水分的侵入，造成钢筋不断锈蚀膨胀，混凝土开裂，混凝土保护层剥落，导致结构耐久性降低，承载力下降，对建筑、桥梁结构的安全性产生很大的影响。在正常使用状态下，钢筋混凝土结构耐久性不足的主要原因是普通混凝土本身没有很好的阻滞细微裂缝开裂、发展的能力，从而会引发渗漏及其它与耐久性相关问题；其次，开裂结构中的钢筋容易锈蚀，增大结构的失效风险。根据美国联邦公路局(FHWA)全国桥梁数据库公布的统计数据，截止到2006年，美国桥梁建造总数为596808座，病害桥梁总数为153879座，约占25.8%。据调查，我国1980年建成的宁波北仓港10万吨级码头，使用不到10年其上部结构就发现严重的锈蚀损坏；天津港客运码头1979年建成，使用不到10年前承台板有50%左右出现锈蚀损坏，导致构件开裂破坏情况十分严重。裂缝也是水工混凝土建筑物最常见的问题之一，特别是水坝、水库，总会有较小的裂缝或渗漏，这是不可避免的，但是如果裂缝过宽或渗漏量过大，则会影响水坝的安全性和耐久性。在地震预测观测站、飞机场跑道和医疗设施等这类低导电、非磁性特殊领域或设备中，钢筋混凝土结构必然会对其产生一定的影响。地磁观测在国家安全、气象、通讯、遥感等方面具有非常重要的作用，特别是在攻克地震预报难关时更是基础参量。随着地磁观测数字化先进仪器的普遍应用，即对地磁观测室环境的无磁要求提高了 I个数量级。所以钢筋混凝土结构在实际使用中存在一定的缺陷。
[0003]由于钢筋混凝土自身存在一定的缺陷，其耐久性问题又影响着整个结构的安全性和适用性，随着老化建筑结构自身承载力不断出现问题，必然要采取措施对现有结构进行加固，现有的加固方法有:加大截面加固法、粘贴钢板加固法、粘贴碳纤维增强塑料加固法、体外预应力加固法、增加支承加固法等。然而各种加固法都有其优点和不足之处。加大截面加固法，增大了混凝土构件的体积、自重、且施工周期长、施工空间大；粘贴钢板加固法，能较好增大了桥梁结构的刚度和强度，但钢板受环境影响较大，在潮湿和氯盐环境下容易被侵蚀而强度降低，耐久性较差；粘贴碳纤维，能很好的提高结构强度，但结构刚度却没有明显的改变；体外预应力加固法，对原结构外观有一定影响，且不易用于混凝土收缩徐变较大的结构；增加支承加固法，易损害建筑物的原貌和使用功能，并可能减小使用空间。因此发展新的加固方式和材料也是建筑结构发展的趋势。
[0004]纤维筋是由多股玄武岩纤维与树脂基体材料结合，经挤压、拉拔成型，挤压成型工艺从原材料开始，经过浸润、压模、固化、切割等，最后形成的一种新型复合材料。纤维筋与钢筋相比，不生锈和耐腐蚀，尤其具有极高的耐酸性和耐盐性；且是一种电绝缘体，并具有非磁性。在靠近高压线的建筑，要求非磁性的混凝土建筑物应用纤维筋，具有很大的优越性，对于医院CT放射室以及对电磁环境有特殊要求的建筑结构，使用纤维筋材料可起到良好的电磁屏蔽效果，并且具有强度高、质量轻(玄武岩纤维复合筋质量仅为钢筋的五分之一，不仅能提高建筑物的防腐性能，还可以降低建筑物的自重)、抗疲劳、无污染、人体接触无害、生产工艺简单、成本低等优点，可以替代或部分替代钢筋用于混凝土结构中，从根本上解决钢筋锈蚀问题，逐步受到土木工程界的关注。所以纤维筋可以代替钢筋，应用于公路、桥梁、机场、车站、水利工程、地下工程以及军事工程、保密工程、特殊工程等需绝缘脱磁环境等特殊领域，具有良好的社会效益和经济效益。常见的纤维筋按其所采用原丝材料的不同，可分为碳纤维增强塑料筋、芳纶纤维增强塑料筋、玻璃纤维增强塑料筋以及玄武岩纤维增强塑料筋。
[0005]短纤维增强水泥基复合材料板自身具有很好的变形性能，由于短纤维的连桥作用，使板在受到拉力时，能够多裂缝开裂，并且使裂缝保持在一个很小的开裂宽度范围内，对提高结构的耐久性起到了很大的促进作用，但是其极限抗拉强度还是很小，在工程中的应用存在一定的局限性。纤维筋与纤维增强水泥基复合材料相结合，组成高韧性水泥基材料-非金属纤维筋复合薄板，既具有很高的抗拉强度，又具有较理想的变形能力、裂缝控制能力及耐久性；既可以采用现场浇筑的形式对结构进行加固，也可以采用工厂预制的形式，所以是一种新型的便捷的结构加固方式。
实用新型内容
[0006]为了解决现有钢筋混凝土结构自身混凝土开裂、钢筋锈蚀、耐久性降低、承载力下降的问题，本实用新型提供了一种具有高韧性水泥基材料-非金属纤维筋的混凝土复合结构，以提高结构的抗裂性、承载能力和耐久性。
[0007]—种具有高韧性水泥基材料-非金属纤维筋的混凝土复合梁，所述混凝土复合梁的受拉区设有基于高韧性水泥基材料-非金属纤维筋复合而成的承拉层；
[0008]所述的高韧性水泥基材料-非金属纤维筋复合承拉层中，以高韧性水泥基材料为基材，以非金属纤维筋为定向加强筋。
[0009]所述的非金属纤维筋为碳纤维增强塑料筋、芳纶纤维增强塑料筋、玻璃纤维增强塑料筋或玄武岩纤维增强塑料筋。
[0010]在所述的承拉层内，高韧性水泥基材料-纤维筋组合而成的复合结构，既能充分利用水泥基材料的自身性能来解决混凝土结构的裂缝和耐久性问题，又能利用纤维筋的高强度来提高结构的承载力和刚度。组合后的结构既具有较好的裂缝控制能力，又具有较高的承载力。与普通的纤维筋-混凝土结构相比，纤维筋与高韧性水泥基材料之间粘结性能更好，而且能够很好的协调变形，是一种理想的受力构件。
[0011]所述的承拉层与混凝土结构为浇注成型的一体结构。
[0012]针对新建工程结构，优选采用现浇方式与混凝土结构相叠合，利用高韧性水泥基复合材料替代受拉区混凝土，以非金属纤维筋替代受拉区钢筋；为起到最佳的协调变形效果，所述承拉层的厚度应大于50_，进一步可控制承拉层的厚度为整个混凝土复合梁厚度的 1/3。
[0013]所述的承拉层位于混凝土复合结构的受拉区，混凝土复合结构内的箍筋绕置在架立筋和非金属纤维筋外。
[0014]并列优选的，所述的承拉层之一为具有高韧性水泥基材料-非金属纤维筋复合结构的加固薄板，所述的加固薄板采用粘贴并锚固的方式加固既有混凝土结构。
[0015]针对既有混凝土结构，可通过粘贴并锚固的方式加固，将非金属纤维筋-高韧性水泥基复合材料制成薄板，采用粘贴或者现浇的方式加固到既有结构的受拉部位，来提高结构的承载力和耐久性。
[0016]优选的，所述加固薄板与既有混凝土结构的交界面上通过界面剂加强二者之间的粘结，所述界面剂的喷涂厚度应不超过2mm。
[0017]本实用新型利用高韧性水泥基材料-非金属纤维筋复合结构来加固钢筋混凝土结构，以提高结构的承载能力和耐久性，降低结构的老化速度，并且具有很好的电磁屏蔽效果，为军事及医疗提供的帮助；为建筑桥梁等工程结构提供了新的加固材料和方式，使选择更具多样性。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1为高韧性水泥基材料-非金属纤维筋复合薄板截面示意图；
[0019]图2为纤维筋、高韧性水泥基材料分别替代混凝土梁受拉区钢筋和混凝土的截面示意图；
[0020]图3为高韧性水泥基材料-非金属纤维筋复合薄板加固混凝土梁的截面示意图；
[0021]图4为复合薄板的应力应变曲线图。
[0022]图中:I架立筋；2混凝土 ； 3箍筋；4纵向受力纤维筋；5高韧性水泥基材料；6界面齐U (采用现浇法时)或结构胶(采用粘结法时);7纵向受力钢筋；H混凝土梁高度；B混凝土梁宽度；h纤维筋-高韧性水泥基材料复合薄板厚度；a梁中受拉区高韧性水泥基材料浇筑高度；b:高韧性水泥基材料-非金属纤维筋复合薄板宽度；c梁中混凝土浇筑高度。
【具体实施方式】
[0023]实施例1: 15mm厚玄武岩纤维筋-PVA纤维增强水泥基材料复合薄板结构实例
[0024]一种高韧性水泥基材料-非金属纤维筋复合结构，以高韧性水泥基材料为基材，以非金属纤维筋为定向加强筋，按重量百分比计，高韧性水泥基材料包括以下组分:水泥35%，粉煤灰45%-55%，硅灰5%-10%，偏高岭土 5%_10% ;高韧性水泥基材料中还含有体积掺量为2%-3%的高强短纤维，其中，高强短纤维为聚乙烯醇纤维、聚乙烯纤维、碳纤维、芳纶纤维中的一种或几种。
[0025]在本实施例中，高强短纤维为PVA纤维，其在基体中的体积掺率为2% ;基体浆体配比:水泥:精细砂:粉煤灰:偏高岭土:硅灰:水:减水剂=1:1.43:1.43:0.29:0.14:0.86:0.036 ;水泥类型为42.5级，精细砂为80-120目，粉煤灰为一级粉煤灰，偏高岭土采用DX-80M型，硅灰采用微硅粉，减水剂采用聚羧酸盐类减水剂，纤维筋采用玄武岩纤维筋。
[0026]试件加工过程:先将水泥、精细砂、粉煤灰、偏高岭土、硅灰投入搅拌机搅拌均匀，大约搅拌时间2-3分钟；然后称量相应重量的水，将需要加入的减水剂与水搅拌均匀，并将称好的PVA纤维放入减水剂与水的混合液体中充分湿润与分散；将减水剂与水的混合液体倒入搅拌机，搅拌3-4分钟，使材料与混合液充分结合，具有很好的流动性；最后将湿润分散的PVA纤维放入搅拌机，充分搅拌4-6分钟，保证纤维分散均匀且与浆体充分混合，浆体制作完成。将纤维筋固定在已制作好的木模里，在木模里放入纤维浆体，浇筑厚度大约7_，放在振动台上振捣I分钟；然后再向木模里放入纤维浆体，浇筑厚度大约为8_，放到振动台上振捣I分钟；最后对振捣好的试件进行抹平。24小时后，将浇筑好的试件拆模，放入标准养护室养护28天，养护到期后取出，进行力学测试。
[0027]复合薄板的结构如图1所示，b为薄板宽度，4为玄武岩纤维筋，5为-PVA纤维增强水泥基。对分别放入两根，三根，四根BFRP筋的厚度15mm，宽度100mm，长度400mm的高韧性水泥基材料-非金属纤维筋复合薄板进行轴向拉伸试验，测得其极限抗拉强度分别为:12.147MPa, 15.211MPa，20.704MPa ;极限拉应变分别为:2.16%, 1.99%, 2.41%。板的应力应变曲线如图4所示。三种配筋板达到极限强度时，平均裂缝宽度均为ΙΟΟμπι左右，且最大裂缝宽度均不超过200 μ m，可见高韧性水泥基材料-非金属纤维筋复合薄板具有很理想的抗拉能力和裂缝控制能力。
[0028]实施例1所公开的组份配比，仅用于测试高韧性水泥基材料-非金属纤维筋复合薄板的各项性能，并不用于限定本实用新型中高韧性水泥基材料-非金属纤维筋复合结构的物质组分，本实用新型的高韧性水泥基材料-非金属纤维筋复合结构也可采用现有材料来实现。
[0029]实施例2:高韧性水泥基材料-非金属纤维筋复合薄板代替梁受拉区钢筋和混凝土的应用实例
[0030]针对新建工程结构，优选采用现浇方式与混凝土结构相叠合，利用高韧性水泥基材料-非金属纤维筋复合结构替代受拉区混凝土与钢筋，使承拉层与混凝土梁复合为一体结构。
[0031]具体现浇步骤如下:
[0032]筋笼绑扎:箍筋，架立筋采用Φ8ΗΡΒ235钢筋，受力纵筋采用Φ 12玄武岩纤维复合筋(BFRP筋)。顶面及底面筋材保护层厚度为20mm(混凝土表面到箍筋表面的混凝土厚度)。
[0033]烧筑复合梁:烧筑时，先向模板内烧筑厚度为50mm的PVA纤维增强水泥基复合材料，振捣密实，在水泥基复合材料初凝前，继续在其表面浇筑厚度为150_的C30混凝土，并再次振捣密实。
[0034]湿润养护:24小时候拆模，放入标准养护室进行养护28天。
[0035]浇筑得到的新型复合梁结构如图2所示，架立筋1、箍筋3和纵向受力纤维筋4组成筋笼，基体材料分为混凝土 2和高韧性水泥基材料5，且纵向受力纤维筋4埋设在高韧性水泥基材料5内，图中B为梁宽，H为梁高，a梁中受拉区高韧性水泥基材料浇筑高度，c梁中混凝土浇筑高度。
[0036]新型复合梁的极限承载力为84.8KN,参考梁(参考梁为FRP筋混凝土梁，受力纵筋为FRP筋，受拉区混凝土未采用ECC代替。)的极限承载力为80KN，与参考梁相比承载力有所提高。用高韧性PVA增强水泥基复合材料代替受拉区混凝土的新型复合梁的初始开裂裂缝宽度大约为0.05mm左右，明显低于参考梁初始裂缝宽度0.26mm。新型复合梁比参考梁的初始裂缝发展高度降低了 24.1%。可见:采用高韧性PVA增强水泥基复合材料代替参考梁受拉区混凝土，FRP筋与周围的水泥基材料有着更好的粘结力和协调变形能力，并且对裂缝有着良好的控制能力。[0037]实施例3:PVA纤维增强水泥基材料-碳纤维筋复合薄板加固钢筋混凝土梁实例
[0038]针对已有的混凝土结构，可通过粘贴并锚固的方式加固混凝土梁，将高韧性水泥基材料-非金属纤维筋制成薄板，采用粘贴或者现浇的方式加固到现有结构的受拉部位，来提高结构的承载力和耐久性。
[0039]具体加固步骤如下:
[0040]混凝土基面处理:用角磨机打磨处理混凝土基面，并用花锤和电锤凿毛基面，使之形成随机的凹凸不平状以增加黏结面的粗糙程度。
[0041]植入铆钉:在梁底面隔一定间距预埋铆钉，用电锤垂直对准梁底面混凝土打孔，然后清除孔内灰尘并向孔内注胶，随后逐个打入特制的异形铆钉。
[0042]基面浮尘冲洗:对加固部位用高压水将混凝土表面的粉灰、油污冲洗干净，保持潮湿状态。
[0043]喷涂加固用钢筋混凝土界面剂:涂刷界面剂前，需提前24h在施工面上充分洒水湿润，使内部水分饱和，在表面无明水的情况下进行喷涂施工，喷涂过程中应确保界面剂均匀分布，喷涂厚度不得超过2mm。
[0044]支模及绑扎纤维筋:在需要加固区域支木模和绑扎纤维筋。
[0045]纤维增强水泥基复合材料的压抹:配好的浆料应保证在0.5h内用完，采用分层人工压抹方式进行施工，每压抹一层后须用木抹子在浆体表面沿纵横方向反复搓毛，当压抹厚度达到设计要求后，应及时做好压抹收光。
[0046]湿润养护:纤维增强水泥基复合材料压抹收光后进行标准养护。
[0047]通过上述的步骤，形成如图3所示的加固钢筋混凝土梁，架立筋1、箍筋3和纵向受力纤钢筋7组成筋笼，纵向受力纤维筋4和高韧性水泥基材料5组成的加固用复合薄板，复合薄板与混凝土 2之间为界面剂或结构胶6，h为高韧性水泥基材料-非金属纤维筋复合薄板厚度。
[0048]采用现浇PVA纤维增强水泥基材料-碳纤维筋复合薄板加固钢筋混凝土梁，其开裂荷载、极限承载力都有了不同程度的提高。加固后的钢筋混凝土梁与未加固梁的开裂荷载分别为24.1KNU7.4KN,开裂荷载提高了 38.5%。极限承载能力分别为144.4ΚΝ、97.3ΚΝ,极限承载力提高了 48.4%。未加固梁加载到钢筋屈服后，裂缝的宽度迅速增加，很快达到2mm左右，然而加固梁的裂缝一直处于缓慢发展的状态，达到极限荷载时，裂缝仍然小于
0.5_。可见PVA纤维增强水泥基材料-碳纤维筋复合薄板对混凝土梁的开裂及裂缝发展有明显的抑制作用。
[0049]以上所述仅为本实用新型的较佳实施举例，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种具有高韧性水泥基材料-非金属纤维筋的混凝土复合结构，其特征在于，所述混凝土复合结构的受拉区设有基于高韧性水泥基材料-非金属纤维筋复合而成的承拉层； 所述的高韧性水泥基材料-非金属纤维筋复合而成的承拉层中，以高韧性水泥基材料为基材，以非金属纤维筋为定向加强筋。
2.如权利要求1所述的混凝土复合结构，其特征在于，所述的承拉层与混凝土结构为浇注成型的一体结构。
3.如权利要求2所述的混凝土复合结构，其特征在于，所述的承拉层位于混凝土复合结构的受拉区，混凝土复合结构内的箍筋绕置在架立筋和非金属纤维筋外。
4.如权利要求3所述的混凝土复合结构，其特征在于，所述承拉层的厚度应大于50_。
5.如权利要求1所述的混凝土复合结构，其特征在于，所述混凝土复合结构的受拉区固定有用所述的高韧性水泥基材料-非金属纤维筋复合而成的加固薄板。
6.如权利要求5所述的混凝土复合结构，其特征在于，所述的加固薄板采用粘贴并锚固的方式加固所述的混凝土复合结构。
7.如权利要求6所述的混凝土复合结构，其特征在于，所述的加固薄板与既有混凝土结构的交界面设有界面剂层，所述界面剂层的厚度不超过2mm。
【文档编号】C04B14/38GK203795724SQ201420165821
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2014年4月4日 优先权日:2014年4月4日
【发明者】王海龙, 孙晓燕, 彭光宇, 罗月静 申请人:浙江大学, 广西交通科学研究院