一种FRP-UHPC壳体加固预制件及其制备方法

一种frp-uhpc壳体加固预制件及其制备方法
技术领域
1.本发明涉及结构工程技术领域，特别是涉及一种frp-uhpc壳体加固预制件及其制备方法。


背景技术：

2.近年来，暴露于海洋和近海环境中的钢筋混凝土(rc)桥柱会因各种恶劣自然环境而显著劣化，包括干湿循环、冻融循环、氯化物侵蚀和其他物理/化学原因。这些侵蚀性环境导致桥柱飞溅/潮汐区的混凝土保护层退化，内部钢筋严重腐蚀。因此，对于受损钢筋混凝土桥梁立柱的修复加固变得越来越重要。钢板加固是加固钢筋混凝土柱的传统方法之一。然而，钢板的腐蚀带来了另一个耐久性问题。在过去的二十年里，纤维增强聚合物(frp)筋材因其优异材料性能(例如轻质、高强、耐腐蚀、抗疲劳等)被广泛应用于钢筋混凝土结构的修复加固，是修复受损钢筋混凝土柱的理想材料。另一方面，超高性能混凝土(uhpc)因其超高强度、高耐久性、高抗渗性和高韧性等优点在土木工程领域的研究和应用越来越广泛。frp可以使得uhpc抗拉具有开裂后应变强化性能。uhpc与frp箍筋的结合更是有利于共同发挥两者的优势，比如frp-uhpc壳体加固预制件既可作为修复加固结构工程中使用，也可作为混凝土现浇结构永久模板与其他构件共同工作，并且可应用于实际海洋结构、其他腐蚀性环境等特殊场合。
3.例如公开号为cn205063374u的中国专利文献，公开了一种用于加固混凝土柱的加固结构，利用加固外筒体，加固外筒体与待加固的混凝土柱间形成混凝土填充空间，在混凝土填充空间中填充混凝土形成混凝土层，可以极大地提高待加固的混凝土柱的承载力和抗变形能力，从而改善其抗震性能，能适用于加固需要承载能力有较大提高幅度的构件。但上述方案存在着一些问题，修复工程中需另支模板浇筑加固，即浪费工时又十分浪费原料，制造成本很高，且非常不利于建筑工业化的推广。


技术实现要素：

4.本发明提供一种frp-uhpc壳体加固预制件及其制备方法，可快捷有效地修复加固受损的圆柱形构件，不仅能够保证frp-uhpc壳体加固预制件的连接强度，且安装方便，适用性广泛，同时制备简单，制造成本低，有利于建筑工业化的推广。
5.本发明的技术方案如下：
6.一种frp-uhpc壳体加固预制件，包括：
7.第一uhpc壳体，所述第一uhpc壳体为半圆环型，内部两侧交错层叠有若干个第一灌浆套筒，所述第一灌浆套筒的一端与所述第一uhpc壳体的一侧端面平齐，另一端连接有第一环向frp箍筋，所述第一环向frp箍筋的另一端延伸至所述第一uhpc壳体的另一侧端面并穿出形成第一预留端，所述第一灌浆套筒开设有第一灌浆孔，所述第一灌浆孔的入口置于所述第一uhpc壳体的外壁上；
8.第二uhpc壳体，所述第二uhpc壳体为半圆环型，内部两侧交错层叠有若干个第二
灌浆套筒，所述第二灌浆套筒的一端与所述第二uhpc壳体的一侧端面平齐，另一端连接有第二环向frp箍筋，所述第二环向frp箍筋的另一端延伸至所述第二uhpc壳体的另一侧端面并穿出形成第二预留端，所述第二灌浆套筒开设有第二灌浆孔，所述第二灌浆孔的入口置于所述第二uhpc壳体的外壁上；
9.所述第一uhpc壳体与所述第二uhpc壳体等高对称设置，进行拼装时，同一层次高度的所述第一uhpc壳体的第一预留端插接入所述第二uhpc壳体的所述第二灌浆套筒内、所述第二uhpc壳体的第二预留端插接入所述第一uhpc壳体的所述第一灌浆套筒内，且从灌浆孔处灌入膨胀剂进行固定，以使所述第一uhpc壳体与所述第二uhpc壳体拼装形成中空的圆柱形加固预制件。
10.本发明的frp-uhpc壳体加固预制件可用于各类工程不同的工况，无需另支模板浇筑混凝土，frp-uhpc壳体加固预制件的具体尺寸以及frp箍筋的配置可根据不同的工程用途进行设计，能够实现标准化施工和离岸的施工作业。
11.本发明在结构工程加固中具有非常重要的应用前景，一方面利用frp-uhpc材料的优越性能保护结构构件在腐蚀性环境中工作，另一方面uhpc壳体对受压圆柱形构件施加侧向约束，修复加固受损的圆柱形构件，并能根据结构构件修复加固需求工业化生产预制构件，装配化施工。
12.进一步，所述第一uhpc壳体与所述第二uhpc壳体的拼接处粘接覆盖有加固片材。
13.需要说明的是，uhpc为一种水泥基材料，由高标号水泥、石英砂、硅灰、建筑用砂、建筑用钢纤维或其他非金属材质短纤维(如聚甲烯、聚乙烯等)等经一定方法混合搅拌形成，不含粗骨料，抗压强度为150mpa以上；加固片材一般可通过湿粘法粘贴在第一uhpc壳体和第二uhpc壳体拼接完成后的连接区域的上下表面，能够进一步加强连接强度，提高模板的整体性。
14.进一步，所述加固片材通过粘结剂进行粘接，所述粘结剂为环氧树脂和膨胀水泥浆体中的一种。
15.采用环氧树脂具有较好的粘接强度和耐化学性能，能够有助于提高永久模板的耐候性能；采用水泥浆体其本身凝固后具有一定的强度，同时也具有粘性，且生产成本低，能够大规模应用；采用任意一种粘结剂均不影响本发明目的的实现。
16.进一步，所述加固片材为frp片材，frp片材由碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维或塑料纤维中的一种制成。
17.frp片材的纤维方向可沿壳体环向布置，增强结构强度，且碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维或塑料纤维等材料中的一种或多种混合制成的frp片材具有轻质、高强、耐腐蚀、抗疲劳，低蠕变等优异性能，能够保证永久模板的环境耐候性能，能够适用于海洋工程或其他腐蚀性环境等更多的特殊工程场合。
18.进一步，所述第一uhpc壳体和所述第二uhpc壳体的内部分别设有若干个轴向设置的frp架立筋。frp架立筋可用于加强uhpc壳体的强度，使其对圆柱形构件施加侧向约束时更稳定牢固。
19.进一步，所述frp架立筋由碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维或塑料纤维中的一种制成。由碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维或塑料纤维中的一种或多种混合制成的frp架立筋具有轻质、高强、耐腐蚀、抗疲劳，低蠕变等优异性能。
20.进一步，所述第一灌浆套筒和所述第二灌浆套筒均由不锈钢材料制成，且内侧壁均开设有螺纹。
21.灌浆套筒内侧表面经过螺纹处理，能够增加粘结剂与frp箍筋的接触面积，增大粘结性，提高粘结的结实程度。
22.进一步，所述第一环向frp箍筋的第一预留端的长度为所述第一环向frp箍筋直径的10-20倍；所述第二环向frp箍筋的第二预留端的长度为所述第二环向frp箍筋直径的10-20倍。
23.一方面frp箍筋的直径大小能够保证frp箍筋本身的强度，在进行嵌合固定后，保证整体的拼接强度，另一方面frp箍筋的预留端的长度足够长，能够保证嵌入uhpc壳体的预留端有足够的稳固力来支撑嵌合后整体的抗拉、抗折能力。
24.进一步，所述第一环向frp箍筋和所述第二环向frp箍筋均由碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维或塑料纤维中的一种制成。
25.需要说明的是，由碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维或塑料纤维中的一种或多种混合制成的frp箍筋具有轻质、高强、耐腐蚀、抗疲劳，低蠕变等优异性能，一般来说，frp箍筋在浸渍树脂后，通过拉挤工艺而固化成型，可其分带肋和不带肋，采用任意一种frp箍筋均不影响本发明目的的实现。
26.本发明还提供一种frp-uhpc壳体加固预制件的制备方法，包括以下步骤：
27.s1：壳体拼接：
28.将第一uhpc壳体两侧端面穿出的第一预留端插接入第二uhpc壳体对应的第二灌浆套筒内、第二uhpc壳体两侧端面穿出的第二预留端插接入第一uhpc壳体对应的第一灌浆套筒内，完成第一uhpc壳体和第二uhpc壳体的拼接；
29.s2：壳体固定：
30.将膨胀剂灌入第一灌浆孔和第二灌浆孔，使得膨胀剂充满第一灌浆套筒和第二预留端之间的缝隙、以及第二灌浆套筒和第一预留端之间的缝隙，待膨胀剂干燥后，完成第一uhpc壳体和第二uhpc壳体的固定；
31.s3：壳体加固：
32.将加固片材涂覆粘结剂后，将加固片材粘贴于第一uhpc壳体和第二uhpc壳体嵌合后的连接处的外表面上，待粘结剂干燥后，完成第一uhpc壳体和第二uhpc壳体的加固。
33.本发明的有益效果：
34.1、本发明通过能够相互嵌合的frp箍筋与灌浆套筒，通过灌浆孔灌入粘结剂，实现第一uhpc壳体和第二uhpc壳体结合固定成uhpc和frp箍筋组合的frp-uhpc壳体预制构件；本发明所用材料本身强度大，连接完成后构件整体性较好，力学性能优越，同时具有很好的耐久性和抗腐蚀性，能够适用于海洋工程或其他腐蚀性环境等更多的特殊工程场合，适用性更广，具有很好的应用前景；
35.2、本发明的frp-uhpc壳体加固预制件制备过程无需另支模板浇筑混凝土，无需二次浇筑连接，拼接加固完成后即可直接应用于各种工程的工况，安装方便，很大程度减少了施工人力，节约了制备成本，能够很好满足实现标准化施工和离岸施工作业的需求。
附图说明
36.图1为本发明frp-uhpc壳体加固预制件的整体结构示意图；
37.图2为本发明中第一uhpc壳体的结构示意图；
38.图3为本发明中第二uhpc壳体的结构示意图；
39.图4为本发明中加固片材的结构示意图。
40.图中：第一uhpc壳体1、第一灌浆套筒101、第一环向frp箍筋102、第一预留端103、第一灌浆孔104、第二uhpc壳体2、第二灌浆套筒201、第二环向frp箍筋202、第二预留端203、第二灌浆孔204、加固片材3、frp架立筋4。
具体实施方式
41.附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
42.实施例1：
43.如图1-图4所示，本实施例提供一种frp-uhpc壳体加固预制件，包括：
44.第一uhpc壳体1，第一uhpc壳体1为半圆环型，内部两侧交错层叠有若干个第一灌浆套筒101，第一灌浆套筒101的一端与第一uhpc壳体1的一侧端面平齐，另一端连接有第一环向frp箍筋102，第一环向frp箍筋102的另一端延伸至第一uhpc壳体1的另一侧端面并穿出形成第一预留端103，第一灌浆套筒101开设有第一灌浆孔104，第一灌浆孔104的入口置于第一uhpc壳体1的外壁上；
45.第二uhpc壳体2，第二uhpc壳体2为半圆环型，内部两侧交错层叠有若干个第二灌浆套筒201，第二灌浆套筒201的一端与第二uhpc壳体2的一侧端面平齐，另一端连接有第二环向frp箍筋202，第二环向frp箍筋202的另一端延伸至第二uhpc壳体2的另一侧端面并穿出形成第二预留端203，第二灌浆套筒202开设有第二灌浆孔204，第二灌浆孔204的入口置于第二uhpc壳体2的外壁上；
46.第一uhpc壳体1与第二uhpc壳体2等高对称设置，进行拼装时，同一层次高度的第一uhpc壳体1的第一预留端103插接入第二uhpc壳体2的第二灌浆套筒201内、第二uhpc壳体2的第二预留端203插接入第一uhpc壳体1的第一灌浆套筒101内，且从灌浆孔处灌入膨胀剂进行固定，以使第一uhpc壳体1与第二uhpc壳体2拼装形成中空的圆柱形加固预制件。
47.本发明的frp-uhpc壳体加固预制件可用于各类工程不同的工况，无需另支模板浇筑混凝土，frp-uhpc壳体加固预制件的具体尺寸以及frp箍筋的配置可根据不同的工程用途进行设计，能够实现标准化施工和离岸的施工作业。
48.本发明在结构工程加固中具有非常重要的应用前景，一方面利用frp-uhpc材料的优越性能保护结构构件在腐蚀性环境中工作，另一方面uhpc壳体对受压圆柱形构件施加侧向约束，修复加固受损的圆柱形构件，并能根据结构构件修复加固需求工业化生产预制构件，装配化施工。
49.在本实施例中，第一uhpc壳体1与第二uhpc壳体2的结构相同，不同之处在于互为结构对称件，两个壳体内的预留端相互插接入各自的灌浆套筒内进行嵌合，以使每个层次
高度都形成一个圆形的抱箍，在两个壳体组装形成一个中空的圆柱形预制件时，该预制件的内部形成多层圆形加固结构强度的抱箍，可便捷用于修复加固受损的圆柱形构件。
50.在本实施例中，预制件所形成的抱箍层数可依据实际的施工环境进行设计，设计足够多的层数以保证预制件的结构强度，增强对圆柱形构件的修复加固作用。
51.在本实施例中，第一uhpc壳体1与第二uhpc壳体2的拼接处粘接覆盖有加固片材3，加固片材3通过粘结剂进行粘接，粘结剂采用环氧树脂或膨胀水泥浆体均可。
52.需要说明的是，uhpc为一种水泥基材料，由高标号水泥、石英砂、硅灰、建筑用砂、建筑用钢纤维或其他非金属材质短纤维(如聚甲烯、聚乙烯等)等经一定方法混合搅拌形成，不含粗骨料，抗压强度为150mpa以上；加固片材3一般可通过湿粘法粘贴在第一uhpc壳体1和第二uhpc壳体2拼接完成后的连接区域的上下表面，能够进一步加强连接强度，提高模板的整体性。而粘结剂采用环氧树脂具有较好的粘接强度和耐化学性能，能够有助于提高永久模板的耐候性能；或采用水泥浆体其本身凝固后具有一定的强度，同时也具有粘性，且生产成本低，能够大规模应用；采用任意一种粘结剂均不影响本发明目的的实现。
53.在本实施例中，加固片材3为frp片材，frp片材由碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维或塑料纤维中的一种制成。frp片材的纤维方向可沿壳体环向布置，增强结构强度，且碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维或塑料纤维等材料中的一种或多种混合制成的frp片材具有轻质、高强、耐腐蚀、抗疲劳，低蠕变等优异性能，能够保证永久模板的环境耐候性能，能够适用于海洋工程或其他腐蚀性环境等更多的特殊工程场合。
54.在本实施例中，第一uhpc壳体1和第二uhpc壳体2的内部分别设有若干个轴向设置的frp架立筋4，frp架立筋4可用于加强uhpc壳体的强度，使其对圆柱形构件施加侧向约束时更稳定牢固。frp架立筋4由碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维或塑料纤维中的一种制成。由碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维或塑料纤维中的一种或多种混合制成的frp架立筋4具有轻质、高强、耐腐蚀、抗疲劳，低蠕变等优异性能。
55.在本实施例中，第一灌浆套筒101和第二灌浆套筒201均由不锈钢材料制成，且内侧壁均开设有螺纹。灌浆套筒内侧表面经过螺纹处理，能够增加粘结剂与frp箍筋的接触面积，增大粘结性，提高粘结的结实程度。
56.在本实施例中，第一环向frp箍筋102和第二环向frp箍筋202的结构相同，箍筋的直径为4mm，且两个frp箍筋的预留端的长度为直径的10倍，这样，一方面frp箍筋的直径大小能够保证frp箍筋本身的强度，在进行嵌合固定后，保证整体的拼接强度，另一方面frp箍筋的预留端的长度足够长，能够保证嵌入uhpc壳体的预留端有足够的稳固力来支撑嵌合后整体的抗拉、抗折能力。
57.在本实施例中，frp箍筋由碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维或塑料纤维中的一种或多种混合制成，具有轻质、高强、耐腐蚀、抗疲劳，低蠕变等优异性能，一般来说，frp箍筋在浸渍树脂后，通过拉挤工艺而固化成型，可其分带肋和不带肋，采用任意一种frp箍筋均不影响本发明目的的实现。
58.本发明通过能够相互嵌合的frp箍筋与灌浆套筒，通过灌浆孔灌入粘结剂，实现第一uhpc壳体1和第二uhpc壳体2结合固定成uhpc和frp箍筋组合的frp-uhpc壳体预制构件；本发明所用材料本身强度大，连接完成后构件整体性较好，力学性能优越，同时具有很好的耐久性和抗腐蚀性，能够适用于海洋工程或其他腐蚀性环境等更多的特殊工程场合，适用
性更广，具有很好的应用前景。
59.本发明一方面利用frp材料的优越抗腐蚀性能和uhpc材料的抗渗透性能，保护结构构件在腐蚀性环境中工作；另一方面，当加固受损的圆柱形构件时，需对壳体与原构件的间隙做灌浆或灌以环氧树脂填充，此时uhpc壳体对受压圆柱形构件施加侧向约束，有利于提高受损构件的强度和延性。
60.本发明的frp-uhpc壳体加固预制件制备过程无需另支模板浇筑混凝土，无需二次浇筑连接，拼接加固完成后即可直接应用于各种工程的工况，安装方便，很大程度减少了施工人力，节约了制备成本，能够很好满足实现标准化施工和离岸施工作业的需求。
61.实施例2：
62.本实施例与实施例1类似，所不同之处在于，本实施例中的第一环向frp箍筋102和第二环向frp箍筋202的直径均为3mm，且第一环向frp箍筋102、第二环向frp箍筋202的预留端的长度为直径的15倍，本实施例其他部分的结构及工作原理与实施例1相同，不再叙述。
63.实施例3：
64.本实施例与实施例1类似，所不同之处在于，本实施例中的第一环向frp箍筋102和第二环向frp箍筋202的直径均为5mm，且第一环向frp箍筋102、第二环向frp箍筋202的预留端的长度为直径的20倍，本实施例其他部分的结构及工作原理与实施例1相同，不再叙述。
65.实施例4：
66.本实施例提供一种frp-uhpc壳体加固预制件的制备方法，包括以下步骤：
67.s1：壳体拼接：
68.将第一uhpc壳体1两侧端面穿出的第一预留端103插接入第二uhpc壳体2对应的第二灌浆套筒201内、第二uhpc壳体2两侧端面穿出的第二预留端203插接入第一uhpc壳体1对应的第一灌浆套筒101内，完成第一uhpc壳体1和第二uhpc壳体2的拼接；
69.s2：壳体固定：
70.将膨胀剂灌入第一灌浆孔104和第二灌浆孔204，使得膨胀剂充满第一灌浆套筒101和第二预留端203之间的缝隙、以及第二灌浆套筒201和第一预留端103之间的缝隙，待膨胀剂干燥后，完成第一uhpc壳体1和第二uhpc壳体2的固定；
71.s3：壳体加固：
72.将加固片材3涂覆粘结剂后，将加固片材3粘贴于第一uhpc壳体1和第二uhpc壳体2嵌合后的连接处的外表面上，待粘结剂干燥后，完成第一uhpc壳体1和第二uhpc壳体2的加固。
73.显然，本发明的上述实施例仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。