一种复合混凝土柱及其制备方法与流程

本发明涉及建筑材料的技术领域，特别涉及一种复合混凝土柱及其制备方法。

背景技术：

随着社会的进步和经济的持续发展，现代建筑业对建筑材料和建筑结构的要求也越来越高，材料和结构必须能够适应现代工程结构向大跨、高耸、重载发展并满足承受恶劣使用环境及耐久性的需求，符合现代施工技术工业化要求，并且具有高承重能力、良好变形能力、耐火性能好以及良好的性能/费用比。在过去30年中，新型复合材料和组合结构的出现和发展，极大地推动了建筑业的发展。其中，高性能混凝土和约束混凝土无疑最具代表性。

在可以预计的将来，水泥混凝土将仍然是最主要的建筑材料，无可替代。从这个角度出发，建筑业的可持续发展与混凝土的性能和耐久性密切相关。也就是混凝土必须以最小的材料消耗和环境影响来满足社会经济发展的要求。在这方面，超高性能混凝土的发展无疑是最有希望的解决方案。

超高性能混凝土(ultrahighperformanceconcrete，简称uhpc)因其具有超高的抗压强度以及、高韧性、优良的体积稳定性、耐久性、抗爆抗冲击性等性能而在桥梁、建筑、军事、石油、核电、道路、海洋等工程中具有广阔的应用前景。但是，uhpc也存在一定的缺陷。首先，由于其较低的水胶比和超高的抗压强度会导致流动性较低、脆性明显和构件的延性差，在受压破坏时表现为脆性破坏，在破坏前无明显变形和任何预兆。在我国处于大规模基础设施建设的大背景下，由于超高性能混凝土的缺陷，导致其难以应用在基础设施建设。

综上所述，如何解决超高性能混凝土的抗压强度低的问题，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种复合混凝土柱，解决混凝土的抗压强度低的技术问题。

为达到上述目的，本发明提供以下技术方案：

一种复合混凝土柱，包括：

玻璃纤维复合增强材料柱，所述玻璃纤维复合增强材料柱为中空结构；

纳米二氧化硅超高性能混凝土，所述纳米二氧化硅超高性能混凝土内置在所述玻璃纤维复合增强材料柱中。

优选地，所述纳米二氧化硅超高性能混凝土的浆料包括水泥、微硅粉、纳米二氧化硅、石英粉、细骨料、钢纤维、减水剂及水。

优选地，按重量份数计，所述纳米二氧化硅超高性能混凝土的浆料包括：水泥600-750份、微硅粉150-200份、纳米二氧化硅5-20份、石英粉150-250份、细骨料900-1000份、钢纤维150-250份、减水剂8-15份及水，胶凝材料包括所述水泥和所述微硅粉；所述水的重量与所述胶凝材料的重量比为0.20-0.23。

优选地，所述细骨料选自硅砂、海沙和河沙中的一种或多种。

本发明结构内部无钢筋，纳米二氧化硅超高性能混凝土的浆料可采用河沙或/和海沙作为原材料，可在海滨海岛地区发挥极高的经济效益。

优选地，所述硅砂包括粗粒径硅砂、中粒径硅砂和细粒径硅砂；所述粗粒径硅砂的粒径为800～400μm，所述中粒径硅砂的粒径为400～200μm，所述细粒径硅砂的粒径为200～120μm。

优选地，所述粗粒径硅砂、所述中粒径硅砂和所述细粒径硅砂的质量比为1：(0.25-0.3)：(0.10-0.15)。

更为优选，所述粗粒径硅砂、所述中粒径硅砂和所述细粒径硅砂的质量比为1：0.286：0.114。

优选地，所述玻璃纤维复合增强材料柱的制备方法为玻璃纤维浸渍在环氧树脂中，沿轴向交叉缠绕形成玻璃纤维复合增强材料柱。

需要说明的是，玻璃纤维复合增强材料柱的具体制备方法为：将玻璃纤维浸渍在超低粘度耐高温的环氧树脂中，在微机控制下沿轴向50-60度角交叉缠绕而形成玻璃纤维复合增强材料柱。

优选地，所述玻璃纤维选自e-玻璃纤维、c-玻璃纤维以及s-玻璃纤维中的一种或多种。

优选地，所述玻璃纤维复合增强材料柱的柱壁的层数为1、2、3、4、5或6层。

更优选地，所述玻璃纤维复合增强材料柱的柱壁的层数为2、3、4、5或6层。

需要说明的是，玻璃纤维复合增强材料柱的柱壁在一定层数范围下，层数越多，效果越好。

本发明还公开了复合混凝土柱的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、将纳米二氧化硅超高性能混凝土的浆料倒入中空的玻璃纤维复合增强材料柱内，得到复合混凝土柱组合构件；

步骤2、将所述复合混凝土柱组合构件常温养护，得到复合混凝土柱。

优选地，所述纳米二氧化硅超高性能混凝土的浆料倒入中空的玻璃纤维复合增强材料柱内具体为所述纳米二氧化硅超高性能混凝土的浆料分成多次倒入中空的玻璃纤维复合增强材料柱内，所述纳米二氧化硅超高性能混凝土的浆料每次倒入中空的玻璃纤维复合增强材料柱后，振动所述纳米二氧化硅超高性能混凝土的浆料。

具体的，纳米二氧化硅超高性能混凝土的浆料制备如下：

(1)将水泥、微硅粉、石英粉和细骨料混合，得到混合物1；

(2)将混合物1、纳米二氧化硅、水，和配成溶液的减水剂溶液混合，得到混合物2；

(3)将混合物2和钢纤维混合，得到纳米二氧化硅超高性能混凝土的浆料。

具体的，本发明的复合混凝土柱的制备方法如下：

1、在浇筑纳米二氧化硅超高性能混凝土前先准备中空的玻璃纤维复合增强材料柱以及底部模板，中空的玻璃纤维复合增强材料柱是向生产厂家按一定的尺寸订购制作，底部采用工程用木甲板做模板，同时在管壁底部与木甲板之间的缝隙用玻璃防水胶密封；

2、配制纳米二氧化硅超高性能混凝土的浆料，在强制式搅拌机中加入水泥、微硅粉、石英粉、细骨料，搅拌5分钟；然后一边搅拌一边加入纳米二氧化硅、水与配成溶液的减水剂，搅拌4分钟；最后加入钢纤维，搅拌8分钟，得到纳米二氧化硅超高性能混凝土的浆料；

3、将配制完成后的纳米二氧化硅超高性能混凝土的浆料分三次倒入步骤1的玻璃纤维复合增强材料柱中，每次倒入体积的三分之一，每装入一次浆料后使用振动台振动60秒，表面抹平。

4、将制备好的组合构件采用薄膜覆盖后在常温养护条件下养护28天，得到复合混凝土柱。

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种玻璃纤维复合增强材料柱约束纳米二氧化硅超高性能混凝土(nano-silicaultrahighperformanceconcrete，简称nsuhpc)的新型组合结构，玻璃纤维复合增强材料柱由玻璃纤维复合增强材料(glassfiberreinforcedploymer，简称gfrp)制备而成新型组合结构。一方面，本发明使用纳米二氧化硅超高性能混凝土能解决玻璃纤维复合增强材料柱的不稳定问题，防止了玻璃纤维复合增强材料柱发生屈曲破坏，同时又由于玻璃纤维复合增强材料柱的约束，纳米二氧化硅超高性能混凝土处于三向受力状态，具有更高的强度、延性、抗剪承载力以及耗能能力，增强了抗震性能。另一方面，在玻璃纤维复合增强材料柱约束纳米二氧化硅超高性能混凝土的新型组合结构中，玻璃纤维复合增强材料柱可以充当模板，提高施工速度，由于玻璃纤维复合增强材料柱的耐腐蚀性，玻璃纤维复合增强材料柱约束纳米二氧化硅超高性能混凝土的新型组合结构可以使用在盐度大，湿度高等腐蚀环境下，从而解决了现有的普通rc构件和钢管混凝土存在的腐蚀问题。

本发明的制备方法主要是在玻璃纤维复合增强材料柱内部灌注纳米二氧化硅超高性能混凝土，最后通过常温养护制作而成。本发明的新型组合结构内部无钢筋，在玻璃纤维复合增强材料柱提供的环向约束作用下，显著提高了核心纳米二氧化硅超高性能混凝土的抗压强度、新型组合结构的延性和抗震能力；大幅降低了氯离子腐蚀程度、碳化深度、地震作用下的残余位移。并且玻璃纤维复合增强材料柱作为模板可简化施工步骤，加快施工速度，节约施工成本。由于本发明的纳米二氧化硅超高性能混凝土相对与普通的uhpc具有硬化速度快、早期强度高的特点，可作为抢修工程的重要材料；还具有密实度高和干缩率低的特点，能有效减弱玻璃纤维复合增强材料柱的应力滞后的不良影响，提高新型组合结构的抗震能力和使用寿命。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

1、由于核心纳米二氧化硅超高性能混凝土的存在解决了玻璃纤维复合增强材料柱这种薄壁构件的稳定问题，防止了薄壁发生屈曲破坏，同时又由于玻璃纤维复合增强材料柱的约束，核心纳米二氧化硅超高性能混凝土处于三向受力状态，具有更高的强度、延性、抗剪承载力以及耗能能力，增强了抗震性能；

2、纳米二氧化硅超高性能混凝土(nsuhpc)具有硬化速度快、早期强度高的特点，可作为抢修工程的重要构件；还具有密实度高和干缩率低的特点，能有效减弱gfrp管应力滞后的不良影响，提高新型组合结构的抗震能力和使用寿命。

3、以玻璃纤维复合增强材料柱作为模板可简化施工步骤，加快施工速度，节约施工成本；

4、玻璃纤维复合增强材料柱具有很高的抗拉强度，具有耐锈蚀、耐疲本发明劳、自重轻等优点；

5、纳米二氧化硅超高性能混凝土在28天常温养护下即可达到抗压强度150mpa，流动度195mm；

6、本发明使用的纳米二氧化硅能充分发挥其极强的火山灰活性，降低混凝土的坍落度，增大混凝土的自收缩应变，提高纳米二氧化硅超高性能混凝土的抗氯离子渗透性和抗冻耐久性，提高早期强度；

7、本发明使用硅砂和石英粉的粒径范围和质量比例是经过计算和多次试配实验得到的实验结论，能够有效地减少内部气泡，提高流动性和密实度，在不改材料种类，对粒径范围和质量比例的控制能使混凝土力学性能提高约20％。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的复合混凝土柱的俯视图；

图2为图1的剖面图；

图3为本发明实施例提供的uhpc柱、nsuhpc柱、2层玻璃纤维层的复合混凝土柱、4层玻璃纤维层的复合混凝土柱以及6层玻璃纤维层的复合混凝土柱的应力应变曲线图。

其中，实施例中的各种材料具体如下：

(1)玻璃纤维复合增强材料柱：采用广州翰泽工贸有限公司生产的中空的玻璃纤维复合增强材料柱。抗拉强度2503mpa，弹性模量40gpa，极限抗拉应变0.0312，每层0.167mm厚，玻璃纤维复合增强材料柱的玻璃纤维层数分别准备了2层、4层、6层。玻璃纤维复合材料是通过热固型环氧树脂将玻璃纤维胶结成型，得到发挥约束作用的玻璃纤维复合增强材料柱，将多层玻璃纤维固定成管状的是环氧树脂胶水；

(2)水泥：采用广州市珠江水泥厂生产的金羊牌p·ⅱ52.5r硅酸盐水泥。3天抗压强度28.9mpa，28天抗压强度54.3mpa，3天抗折强度6.2mpa，28天抗折强度7.5mpa，比表面积320m²/kg；

(3)微硅粉：采用山东博肯硅材料有限公司生产的微硅粉，sio2含量为94.35％，比表面积为23×10³m²/kg，粒径约为0.5～2μm，火山灰活性指数大于116％；

(4)纳米二氧化硅：采用上海迈坤化工有限公司生产的亲水性纳米二氧化硅，cas编号为9631-86-9，ph值5～7，比表面积220±30m²/g；

(5)石英粉：采用深圳市海扬粉体科技有限公司生产的型号为hy-g5石英粉，325目筛余率为0.5％，ph值8～10，白度≥94，sio2含量≥95％；

(6)硅砂：采用江门市新会区双水合成陶瓷玻璃原料加工厂生产的硅砂，分别购买(800～400)μm、(400～200)μm、(200～120)μm三种粒径范围的硅砂，使用前，根据质量比1：0.286：:0114混合使用；

(7)钢纤维：采用武汉新途公司生产的cw01-02/13镀铜微细平直形钢丝纤维，长度13mm，直径175μm，抗拉强度2000mpa，弹性模量750gpa；

(6)减水剂：采用上海齐硕实业有限公司生产的型号为qs-8020的聚羧酸高效减水剂，减水率35％，粉末聚羧酸高效减水剂与水以质量比1：3混合使用；

(7)拌合水：采用自来水作为拌合水。

具体实施方式

本发明的核心是提供了一种复合混凝土柱及其制备方法，有效解决了超高性能混凝土的抗压强度低的问题。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参考图1-图2，本发明实施例提供了一种复合混凝土柱，包括玻璃纤维复合增强材料柱1，玻璃纤维复合增强材料柱1为中空结构；纳米二氧化硅超高性能混凝土2，纳米二氧化硅超高性能混凝土2内置在玻璃纤维复合增强材料柱1的中空结构中。

本发明实施例使用的玻璃纤维复合增强材料柱采用玻璃纤维增强复合材料(glassfiberreinforcedpolymer，简称gfrp)制备而成，玻璃纤维增强复合材料具有抗拉强度高(抗拉强度超过钢筋)、耐锈蚀、耐疲劳、耐久性优良以及自重轻等优点。

进一步地，在本实施例中，纳米二氧化硅超高性能混凝土2在常温养护下养护28天的抗压强度为150mpa，流动度195mm，含气率2％，初凝时间为286min。

本发明使用纳米二氧化硅超高性能混凝土(nsuhpc)相比于常见的uhpc，具有硬化速度快、早期强度高的特点，仅需常温养护制备，可作为抢修工程的重要构件，极大的提高了其在实际工程中的可行性以及便利性；nsuhpc还具有密实度高和干缩率低的特点，能有效减弱玻璃纤维复合增强材料柱的应力滞后的不良影响，提高本发明实施例的复合混凝土柱的抗震能力和使用寿命。

进一步地，在本实施例中，从图1可知玻璃纤维复合增强材料柱的截面取圆形。

本实施例提供了又一种具体的复合混凝土柱，其中，玻璃纤维复合增强材料柱1的柱壁厚度为0.1-1.1mm。

进一步地，在本实施例中，纳米二氧化硅超高性能混凝土的浆料包括水泥、微硅粉、纳米二氧化硅、石英粉、硅砂、钢纤维、减水剂及水，按重量份数计，纳米二氧化硅超高性能混凝土的浆料包括：水泥600-750份、微硅粉150-200份、纳米二氧化硅5-20份、石英粉150-250份、硅砂900-1000份、钢纤维150-250份、减水剂8-15份及水，胶凝材料包括水泥和微硅粉；水的重量与胶凝材料的重量比为0.20-0.23。

进一步地，在本实施例中，硅砂包括粗粒径硅砂、中粒径硅砂和细粒径硅砂；粗粒径硅砂的粒径为800～400μm，中粒径硅砂的粒径为400～200μm，细粒径硅砂的粒径为200～120μm。

进一步地，在本实施例中，粗粒径硅砂、中粒径硅砂和细粒径硅砂的质量比为1：(0.25-0.3)：(0.10-0.15)。

进一步地，在本实施例中，玻璃纤维复合增强材料柱的制备方法为玻璃纤维浸渍在环氧树脂中，沿轴向交叉缠绕形成玻璃纤维复合增强材料柱；玻璃纤维选自e-玻璃纤维、c-玻璃纤维以及s-玻璃纤维中的一种或多种。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对比例1

本发明实施例提供了一种具体uhpc，制备方法如下：

(1)在强制式搅拌机中加入水泥674.2kg、微硅粉168.6kg、石英粉202.3kg、硅砂985.5kg(包括粗粒径硅砂703.93kg、中粒径硅砂201.12kg和细粒径硅砂80.45kg)，搅拌5分钟；

(2)然后一边搅拌一边加入水188.10.kg和减水剂溶液41.8kg(减水剂10.45kg和水31.35kg混合配制而成)，搅拌4分钟；

(3)最后加入钢纤维196.25kg，搅拌8分钟，得到uhpc；

(4)将将适配完成后的uhpc分三次倒入圆柱形模具中，每次倒入体积的三分之一，每装入一次浆料后使用振动台振动60秒，表面抹平，将制备好的组合构件采用薄膜覆盖后在常温养护条件下养护7天，得到uhpc柱(图3标记为uhpc)。

对比例2

本发明实施例提供了一种具体nsuhpc柱，制备方法如下：

(1)在强制式搅拌机中加入水泥674.2kg、微硅粉168.6kg、石英粉202.3kg、硅砂985.5kg(包括粗粒径硅砂703.93kg、中粒径硅砂201.12kg和细粒径硅砂80.45kg)，搅拌5分钟；

(2)然后一边搅拌一边加入纳米二氧化硅13.50kg、水188.10.kg和减水剂溶液41.8kg(减水剂10.45kg和水31.35kg混合配制而成)，搅拌4分钟；

(3)最后加入钢纤维196.25kg，搅拌8分钟，得到纳米二氧化硅超高性能混凝土浆料；

(4)将将适配完成后的纳米二氧化硅超高性能混凝土浆料分三次倒入圆柱形模具中，每次倒入体积的三分之一，每装入一次浆料后使用振动台振动60秒，表面抹平，将制备好的组合构件采用薄膜覆盖后在常温养护条件下养护7天，得到nsuhpc柱(图3标记为nsuhpc)。

添加胶凝材料1％的纳米二氧化硅可以提高纳米二氧化硅超高性能混凝土浆料的抗氯离子渗透性、抗冻耐久性、加速胶凝材料的水化进程、降低混凝土含气率、提高混凝土早期强度、其轴心抗压强度相比普通超高性能混凝土可提高约25％。

实施例1

本实施例中的纳米二氧化硅超高性能混凝土为圆柱形，中空的玻璃纤维复合增强材料柱包裹在纳米二氧化硅超高性能混凝土的外表面，玻璃纤维复合增强材料柱缠绕玻璃纤维层数为2层，玻璃纤维复合增强材料柱的厚度为0.334mm，具体实施步骤如下：

1、在浇筑混凝土前先准备好中空结构的玻璃纤维复合增强材料柱以及底部模板，玻璃纤维复合增强材料柱是向生产厂家按一定的尺寸订购制作，底部采用工程用木甲板做模板，同时在管壁底部与木甲板之间的缝隙用玻璃防水胶密封；

2、在强制式搅拌机中加入水泥674.2kg、微硅粉168.6kg、石英粉202.3kg、硅砂985.5kg(包括粗粒径硅砂703.93kg、中粒径硅砂201.12kg和细粒径硅砂80.45kg)，搅拌5分钟；然后一边搅拌一边加入纳米二氧化硅13.50kg、水188.10.kg和减水剂溶液41.8kg(减水剂10.45kg和水31.35kg混合配制而成)，搅拌4分钟；最后加入钢纤维196.25kg，搅拌8分钟，得到纳米二氧化硅超高性能混凝土浆料；

3、将适配完成后的纳米二氧化硅超高性能混凝土分三次倒入步骤1制成的具有底部的中空的玻璃纤维复合增强材料柱中，每次倒入体积的三分之一，每装入一次浆料后使用振动台振动60秒，表面抹平，将制备好的组合构件采用薄膜覆盖后在常温养护条件下养护7天，得到2层玻璃纤维层的复合混凝土柱(图3标记为2层gfrp约束nsuhpc)。

实施例2

本实施例与实施例1的区别是本实施例采用的是缠绕4层玻璃纤维的中空的玻璃纤维复合增强材料柱，中空的玻璃纤维复合增强材料柱厚度为0.668mm，其余步骤与实施例1相似，得到4层玻璃纤维层的复合混凝土柱(图3标记为4层gfrp约束nsuhpc)。

本实施例的效果：与实施例1的约束了2层玻璃纤维的复合混凝土柱相比，本发明实施例的复合混凝土柱的极限抗压强度提高了约30％。

实施例3

本实施例与实施例1的区别是本实施例采用的是缠绕6层玻璃纤维的中空的玻璃纤维复合增强材料柱，中空的玻璃纤维复合增强材料柱厚度为1.002mm，其余步骤与实施例1相似，得到6层玻璃纤维层的复合混凝土柱(图3标记为6层gfrp约束nsuhpc)。

本实施例的效果：与实施例1的约束了2层玻璃纤维的复合混凝土柱相比，本发明实施例的复合混凝土柱的极限抗压强度提高了约66％。

实施例4

测定对比例1-2和实施例1-3本实施例的极限抗压强度，极限轴向应变和极限环向应变，结果如表1和图1所示。在轴向压力作用下，未约束的uhpc柱与未约束的nsuhpc柱的应力应变图如图1所示，极限抗压强度如表1所示。在轴压过程中，先是uhpc柱处于弹性变形阶段，应力应变上升阶段与无约束nsuhpc柱相同。然后内部混凝土出现损伤，进入纤维约束强化阶段，由应力应变曲线的第二上升段可见。在玻璃纤维复合增强材料柱的约束下，复合混凝土柱的极限抗压强度提高了约30％，延性得到了显著的提高，防止了脆性破坏。同时由于玻璃纤维复合增强材料柱具有很强的抗腐蚀能力，防止内部混凝土受化学腐蚀。

表1

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。