一种非粘结性超高韧性水泥基复合材料功能梯度梁的制作方法

本实用新型涉及建筑材料技术领域，特别是涉及一种非粘结性超高韧性水泥基复合材料功能梯度梁及方法。

背景技术：

目前，钢筋混凝土结构在建筑行业广泛应用，直接影响着工程安全、经济和耐久性能。对于钢筋混凝土结构来讲，外界大气中的二氧化碳、水蒸气、氧气和氯离子等一旦进入到混凝土内部，并且到达钢筋所在的位置，会引起钢筋锈蚀，进而导致钢筋混凝土结构的失效。为防止钢筋锈蚀，通常采取的措施是在钢筋外侧设置30mm—40mm的保护层。但由于混凝土自身的缺陷，如抗拉强度低、抗裂能力差、脆性大等，在荷载作用下，保护层的开裂几乎是无法避免的。一旦保护层出现较大的裂缝，外界大气中有害物质进入到混凝土内部，就会造成钢筋锈蚀。已有大量研究表明，钢筋的锈蚀率与有害物质渗入到混凝土构件的速率有关。而且在同样的保护层厚度和环境条件下，裂缝宽度越大，钢筋越易于锈蚀。因此，为防止钢筋锈蚀，提高结构的耐久性，如何控制保护层的裂缝宽度是解决问题的关键。

将功能梯度这一概念用于水泥基材料来提高其性能无疑是一种有效可行的方法。许多科学工作者为此做了大量的研究工作，比如，Maalej等提出了使用超高韧性水泥基复合材料替换受拉区钢筋两侧各一倍保护层厚度范围内的混凝土的这一理念，并开展了相关试验研究。超高韧性水泥基复合材料最早是由美国密歇根大学Li V C教授率领密歇根大学先进土木工程材料研究实验室进行研究开发。试验研究发现，该种复合材料无论是在拉伸还是弯曲荷载作用下都表现出明显的应变硬化特征，可以将传统水泥基材料在抗拉荷载下单一裂纹的宏观开裂模式转化为多条细密裂纹的微观开裂模式，具有非常显著的韧性和优良的耐久性。近年来，超高韧性水泥基复合材料功能梯度梁在混凝土结构领域的应用也越来越引起我国广大研究者们的重视，例如，徐世烺团队率先开展了超高韧性复合材料控裂功能梯度复合梁受弯性能的研究工作，对超高韧性复合材料控裂功能梯度复合梁在整个加载过程中的内力变化及裂缝发展进行了相关探讨。扬州大学李志华等人提出了一种特殊界面形式的高强钢筋功能梯度混凝土梁，用于消除界面不连续性弱区。

但就以上提到的超高韧性水泥基复合材料功能梯度梁而言，其混凝土层与超高韧性水泥基复合材料保护层均是粘结为一个整体，两层之间无法相对运动。在荷载作用下，两层共同受力，仍会出现局部性裂缝集中现象，而在保护层上也会出现较大的宏观裂缝，从而不能充分利用超高韧性水泥基复合材料优异的延展性，不能有效的控制裂缝宽度，抵抗钢筋的锈蚀，进而影响结构的耐久性能。

综上所述，现有技术中对于混凝土梁的裂缝宽度无法有效控制的问题，尚缺乏有效的解决方案。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的不足，本实用新型提供了一种非粘结性超高韧性水泥基复合材料功能梯度梁，通过特定的界面处理，将混凝土层与超高韧性水泥基复合材料保护层进行层间分离，消除层间粘结问题，使两层可相对滑动，避免宏观裂缝的产生，有效抑制裂缝宽度扩展；

进一步的，本实用新型采用下述技术方案：

一种非粘结性超高韧性水泥基复合材料功能梯度梁，包括上下分层邻接设置的混凝土层和超高韧性水泥基复合材料保护层，所述混凝土层和超高韧性水泥基复合材料层的交界面处设置薄膜隔离层，所述超高韧性水泥基复合材料层内部设置碳纤维网。

进一步的，所述超高韧性水泥基复合材料保护层两端部设置锚固端。

进一步的，所述锚固端的高度高于超高韧性水泥基复合材料保护层的高度。

进一步的，所述锚固端和超高韧性水泥基复合材料保护层由同一材料制成。

进一步的，所述超高韧性水泥基复合材料保护层和锚固端组合呈凹字形结构，所述混凝土层呈倒凸字结构，倒凸字结构底部两端与锚固端配合。

进一步的，所述混凝土层内部布置钢筋。

进一步的，所述钢筋设置于倒凸字结构的下凸部分。

进一步的，所述碳纤维网沿超高韧性水泥基复合材料层的长度方向布设。

本实用新型提供一种预制的非粘结性超高韧性水泥基复合材料功能梯度梁的制作方法，包括以下步骤：

将绑扎好的钢筋置于模板中；

浇筑混凝土，形成混凝土层：将制备好的混凝土倒入模板中，待混凝土浇筑高度达到预设高度时，完成浇筑；

界面处理：在混凝土层的横向界面处铺设薄膜隔离层；

制备超高韧性水泥基复合材料；

浇筑超高韧性水泥基复合材料：将制备好的超高韧性水泥基复合材料浇筑在模板中混凝土层上方，待浇筑至设定高度的一半时，铺设碳纤维网，继续浇筑至达到设定高度。

进一步的，制备超高韧性水泥基复合材料的具体步骤为：

将称量好的水泥、粉煤灰、石英砂和增稠剂放入搅拌锅中进行搅拌至均匀；

加入称量好的水和减水剂，搅拌3-5分钟，至浆体均匀；

放入PVA纤维，搅拌至手捏拌合物无纤维结团现象。

进一步的，浇筑超高韧性水泥基复合材料至设定高度后，用振捣棒进行振捣，抹平，覆膜养护至设定龄期后拆模。

进一步的，所述超高韧性水泥基复合材料的总浇筑高度不小于钢筋的公称直径。

本实用新型提供一种现浇的非粘结性超高韧性水泥基复合材料功能梯度梁的制作方法，包括以下步骤：

将需要在混凝土层中设置的钢筋进行绑扎；

制备超高韧性水泥基复合材料；

浇筑超高韧性水泥基复合材料：将制备好的超高韧性水泥基复合材料浇筑模板中，待浇筑至设定高度的一半时，铺设碳纤维网，继续浇筑至达到设定高度；

界面处理：在浇筑的超高韧性水泥基复合材料的横向界面处铺设薄膜隔离层；

浇筑混凝土，形成混凝土层：待浇筑的超高韧性水泥基复合材料终凝后，将绑扎好的钢筋置于模板中，在模板中超高韧性水泥基复合材料上方浇筑混凝土至充满整个模板，振捣成型；

在浇筑现场养护最终成型的梁。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

本实用新型用超高韧性水泥基复合材料替代受拉区钢筋两侧保护层厚度范围内的混凝土，通过采用特殊的界面处理(加设薄膜隔离层)，消除了两层之间的粘结应力，使两层可相对滑动，可以避免宏观裂缝的产生，有效抑制裂缝宽度扩展，抵抗水和有害物质的渗入，保护钢筋免于锈蚀，进而改善结构的耐久性，延长结构使用寿命。

本实用新型在超高韧性水泥基复合材料层内部设置碳纤维网，可以增强超高韧性水泥基复合材料层特性，在获得更为优良的抗裂和控制裂缝能力的同时，也可获得更高的承载力。

本实用新型通过使用锚固件将超高韧性水泥基复合材料在混凝土层两端的锚固，将构件受拉区在荷载作用下所承受的拉力均匀的传递到超高韧性水泥基复合材料保护层中，在超高韧性水泥基复合材料保护层上形成大量细密裂缝，避免了宏观裂缝的产生。

本实用新型的方法可以明显改善梁受拉区的控裂能力，始终将裂缝宽度控制在较低水平，减少全寿命周期内的养护费用；超高韧性水泥基复合材料层可以保护钢筋免受腐蚀，提高结构的耐久性，延长结构服役寿命，降低全周期费用；同时超高韧性材料中大量粉煤灰的使用减少了水泥的用量，有利于绿色建筑和节约资源；此外，该功能梯度梁制备简单，从一定程度上节省了人力和时间。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本实用新型的功能梯度梁的主视结构示意图；

图2为本实用新型的功能梯度梁的侧视结构示意图；

图3为本实用新型进行界面处理得到的功能梯度梁的荷载—跨中挠度曲线图；

图4为本实用新型未进行界面处理得到的功能梯度梁的荷载—跨中挠度曲线图；

图中，1、混凝土层；2、结合界面；3、超高韧性水泥基复合材料层；4、钢筋；5、碳纤维网；6、锚固端。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在对于混凝土梁的裂缝宽度无法有效控制的问题，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种非粘结性超高韧性水泥基复合材料功能梯度梁及方法，旨在解决如何控制普通钢筋混凝土结构保护层在正常使用状态下的裂缝宽度，防止有害介质的侵入，提高结构的耐久性，延长服役寿命。其在普通钢筋混凝土结构基础上，引入功能梯度梁的概念，用超高韧性水泥基复合材料替代受拉区钢筋两侧保护层厚度范围内的混凝土，通过采用特殊的界面处理(如加设薄膜类薄层材料)，消除层间粘结问题，使两层可相对滑动。通过超高韧性水泥基复合材料在混凝土层两端的锚固，将构件受拉区在荷载作用下所承受的拉力均匀的传递到超高韧性水泥基复合材料保护层中，利用其优异的自我控制裂缝能力，在超高韧性水泥基复合材料保护层上形成大量间距相等的细裂缝，进而避免宏观裂缝的产生，有效抑制裂缝宽度扩展，抵抗水和有害物质的渗入，保护钢筋免于锈蚀，进而改善结构的耐久性，延长结构使用寿命。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1-2所示，提供了一种非粘结性超高韧性水泥基复合材料功能梯度梁，包括上下分层邻接设置的混凝土层1和超高韧性水泥基复合材料保护层3，混凝土层1和超高韧性水泥基复合材料层3的交界面处(即结合界面2)设置薄膜隔离层，超高韧性水泥基复合材料层3内部设置碳纤维网5。

超高韧性水泥基复合材料保护层3两端部设置锚固端6，锚固端6的高度高于超高韧性水泥基复合材料保护层3的高度，锚固端6和超高韧性水泥基复合材料保护层3由同一材料制成，锚固端6和超高韧性水泥基复合材料保护层3一体浇注成型，由锚固端6的设置使超高韧性水泥基复合材料保护层3和锚固端6组合呈凹字形结构，与其对应混凝土层1呈倒凸字结构，倒凸字结构底部两端与锚固端6配合，倒凸字结构的下凸部分与超高韧性水泥基复合材料保护层3对应配合设置。

混凝土层1内部布置钢筋4，钢筋4为受拉钢筋。

钢筋4配合设置于混凝土层1倒凸字结构的下凸部分。

碳纤维网5沿超高韧性水泥基复合材料层3的长度方向布设。

本实用新型中超高韧性水泥基复合材料层3的长度方向为图1中的横向方向，也即与钢筋4的轴向方向一致。

针对于预制情况下，本实用新型提供一种非粘结性超高韧性水泥基复合材料功能梯度梁的制作方法，包括以下步骤：

将绑扎好的钢筋置于模板中；

浇筑混凝土，形成混凝土层：将制备好的混凝土倒入模具中，待混凝土浇筑高度达到预设高度时，完成浇筑；

界面处理：在混凝土层的横向界面处铺设薄膜隔离层；

制备超高韧性水泥基复合材料；

浇筑超高韧性水泥基复合材料：将制备好的超高韧性水泥基复合材料浇筑在模具中混凝土层上方，待浇筑至设定高度的一半时，铺设碳纤维网，继续浇筑至达到设定高度。

制备超高韧性水泥基复合材料的具体步骤为：

将称量好的水泥、粉煤灰、石英砂和增稠剂放入搅拌锅中进行搅拌至均匀；

加入称量好的水和减水剂，搅拌3-5分钟，至浆体均匀；

放入PVA纤维，搅拌至手捏拌合物无纤维结团现象。

浇筑超高韧性水泥基复合材料至设定高度后，用振捣棒进行振捣，抹平，覆膜养护至设定龄期后拆模。

超高韧性水泥基复合材料的总浇筑高度不小于受拉钢筋的公称直径，且应不小于以下规定值：Ⅰ、Ⅱ及Ⅲ(Ⅳ)环境类别，分别为30mm、40mm及45mm。

针对现场浇筑的情况下，本实用新型提供一种非粘结性超高韧性水泥基复合材料功能梯度梁的制作方法，包括以下步骤：

将需要在混凝土层中设置的钢筋进行绑扎；

制备超高韧性水泥基复合材料；

浇筑超高韧性水泥基复合材料：将制备好的超高韧性水泥基复合材料浇筑模板中，待浇筑至设定高度的一半时，铺设碳纤维网，继续浇筑至达到设定高度，其浇筑厚度应不小于受拉钢筋的公称直径，且应不小于以下规定值：Ⅰ、Ⅱ及Ⅲ(Ⅳ)环境类别，分别为30mm、40mm及45mm；

界面处理：在浇筑的超高韧性水泥基复合材料的横向界面处铺设薄膜隔离层，分离界面，消除层间粘结问题，使两层可相对滑动；铺设时应平整的放在基面上，尽可能的避免褶皱；

浇筑混凝土，形成混凝土层：待浇筑的超高韧性水泥基复合材料终凝后，将绑扎好的钢筋置于模板中，在模板中超高韧性水泥基复合材料上方浇筑混凝土至充满整个模板，振捣成型；

在浇筑现场养护最终成型的梁。

为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本申请的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本申请的技术方案。

本实施例中，采用实验室内制备一种非粘结性超高韧性水泥基复合材料功能梯度梁的方法，具体步骤是：

1)浇筑普通混凝土：将制备好的混凝土倒入400mm×100mm×100mm模具中，待混凝土浇筑到预设高度时，将预制好的钢筋放入混凝土中，使钢筋完全在混凝土中；覆膜养护6小时；

2)界面处理：在混凝土浇筑6小时后，在预设梁段界面铺设薄膜类薄层材料(即薄膜隔离层)，所述预设梁段是指以梁的跨中截面为对称中心且其长度为360mm的梁段；

3)制备超高韧性水泥基复合材料：

①以每立方米计，水泥、粉煤灰、石英砂、水、外加剂和PVA纤维的质量分别为593kg、712kg、473kg、339kg、6.09kg和26kg，按照上述比例称量原料；

②将称量好的固体组分包括水泥、粉煤灰、石英砂和增稠剂放入搅拌锅中干拌2分钟至均匀；

③加入称量好的水和减水剂，搅拌3-5分钟，至浆体均匀并具有很好的流动性；

④放入PVA纤维，搅拌6分钟直至手捏拌合物无纤维结团现象；

4)浇筑超高韧性水泥基复合材料：将步骤3)制备好的超高韧性水泥基复合材料倒入步骤2)处理好的模具中，待浇筑到超高韧性水泥基复合材料层厚度的1/2时，停止浇筑，然后铺设一层碳纤维网，继续浇筑，浇筑完成后用振捣棒轻微振捣，抹平，覆膜养护至28天龄期后拆模，即得到非粘结性超高韧性水泥基复合材料功能梯度梁。

本实施例制备的功能梯度梁尺寸为b×h×l＝100mm×100mm×400mm，超高韧性水泥基复合材料保护层的高度：①以梁的跨中截面为对称中心且其长度为360mm的梁段，其高度是20mm；②锚固端高度是50mm。

本实施例中普通混凝土所用原材料如下：p.o.425水泥，Ⅰ级粉煤灰，河砂，5mm—20mm的石灰石，高效减水剂，自来水，具体配比见表1。

表1混凝土配合比

本实施例中超高韧性水泥基复合材料所用原材料如下:p.o.425水泥，Ⅰ级粉煤灰，石英砂，外加剂，自来水，PVA短纤维，具体配比见表2。

表2超高韧性水泥基复合材料配合比

本实施例制备得到的功能梯度梁的荷载—跨中挠度曲线如图3所示。本实施例制备得到的功能梯度梁在荷载作用下的裂缝发展情况在经过试验后可以拍摄照片得出。

针对于本申请的实施例，设置另一对比例：该对比例中制备功能梯度梁的方法及所用的原材料与上述实施例相同，不同之处在于超高韧性水泥基复合材料保护层厚度全梁段均为20mm，且不进行界面处理。

该对比例制备得到的功能梯度梁的荷载—跨中挠度曲线如图4所示。其制备得到的功能梯度梁在荷载作用下的裂缝发展情况也可以在经过试验后拍摄照片得出。

通过本实用新型实施例和对比例的相关数据及图片表明，本实用新型方法制得的非粘结性超高韧性水泥基复合材料功能梯度梁，在荷载作用下，其保护层上出现大量细密裂缝，与未加设隔离层(即未进行界面处理)的普通超高韧性水泥基复合材料功能梯度梁的保护层上少而宽的裂缝，形成了鲜明的对比。每条混凝土宽裂缝遇到超高韧性水泥基复合材料，都被分散成为多条细小裂缝，有效避免了保护层上宏观裂缝的出现，充分发挥了超高韧性水泥基复合材料能够始终将裂缝宽度控制在较低水平的能力，能够有效防止外界大气中的不利因素进入构件内部到达钢筋，从而极大地避免了钢筋锈蚀的发生，显著提高结构的耐久性能，延长结构服役寿命，降低全周期费用。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。