CN100999912A - 变形可调节混凝土构件及其制备方法 - Google Patents

变形可调节混凝土构件及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN100999912A
CN100999912A CN 200710036234 CN200710036234A CN100999912A CN 100999912 A CN100999912 A CN 100999912A CN 200710036234 CN200710036234 CN 200710036234 CN 200710036234 A CN200710036234 A CN 200710036234A CN 100999912 A CN100999912 A CN 100999912A
Authority
CN
China
Prior art keywords
carbon fiber
mortar
main body
concrete
deforming
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN 200710036234
Other languages
English (en)
Other versions
CN100567670C (zh
Inventor
姚武
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tongji University
Original Assignee
Tongji University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tongji University filed Critical Tongji University
Priority to CNB2007100362341A priority Critical patent/CN100567670C/zh
Publication of CN100999912A publication Critical patent/CN100999912A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN100567670C publication Critical patent/CN100567670C/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Curing Cements, Concrete, And Artificial Stone (AREA)
  • Road Paving Structures (AREA)
  • Manufacturing Of Tubular Articles Or Embedded Moulded Articles (AREA)

Abstract

本发明公开了一种变形可调节混凝土构件，包括混凝土结构的主体，所述主体内还埋设有碳纤维增强砂浆块，碳纤维增强砂浆块的两端设有两个电极。利用埋设在混凝土构件中的碳纤维增强砂浆块的电热效应，通电后碳纤维增强砂浆块发热膨胀，实现对混凝土构件的变形调节，可以恢复因徐变、疲劳以及环境温度引起的混凝土变形，保持甚至提高混凝土结构的承载能力。本发明特别适合对混凝土构件变形要求较高的结构，如大跨度预应力混凝土粱、磁悬浮轨道粱等。具有相容性好、成本低、寿命长、操作简单、可以提高承载力等优点，可广泛应用于土木、交通、建筑等领域的混凝土结构中。本发明还同时公开了这种变形可调节混凝土构件的制备方法。

Description

变形可调节混凝土构件及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种混凝土构件，特别是涉及一种变形可以调节的混凝土构件。
背景技术
混凝土构件由于长期负荷、或承受疲劳荷载以及温差等因素的影响，将发生不可恢复的变形，轻者影响混凝土构件的正常使用，需维修加固；重者可能导致构件严重开裂或失稳，产生灾难性事故。目前一些重大的基础设施的重要部位如大跨度桥梁的箱梁、磁悬浮列车的轨道梁等对构件的变形均有严格的控制指标。如何保证这些重要构件在服役期间满足设计要求以及如何实现对混凝土构件的变形调节是国内外研究的热点。目前常用的手段有预埋形状记忆合金、使用电流变体和磁流变体等。上述三种方法不仅成本昂贵，技术手段复杂，而且与混凝土的相容性差，其使用寿命短。
发明内容
本发明要解决的一个技术问题是提供一种成本低、寿命长的变形可调节混凝土构件。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种变形可调节混凝土构件，包括混凝土结构的主体，所述主体内还埋设有碳纤维增强砂浆块，所述碳纤维增强砂浆块的两端设有两个电极。
本发明利用埋设在混凝土构件中的碳纤维增强砂浆块的电热效应(焦耳效应)，通电后碳纤维增强砂浆块发热膨胀，实现对混凝土构件的变形调节，可以恢复因徐变、疲劳以及环境温度引起的混凝土变形，保持甚至提高混凝土结构的承载能力。本发明特别适合对混凝土构件变形要求较高的结构，如大跨度预应力混凝土粱、磁悬浮轨道粱等。可广泛应用于土木、交通、建筑等领域的混凝土结构中。本发明还具有以下优点：
1.相容性好。以碳纤维增强砂浆作为混凝土构件的变形或应变调节器，其材料与混凝土材料具有天然的相容性，多种物理力学性能指标相近；克服了其它调节器与混凝土材料相容性差的缺点。
2.成本低。使用碳纤维增强砂浆其成本约高于普通混凝土20％，而其它变形调节器如形状记忆合金、电流变体、磁流变体及其调节驱动装置等其成本高于普通混凝土构件数倍至数十倍。
3.寿命长。碳纤维增强砂浆是高强高韧性材料，具有优良的耐久性，其寿命远高于普通混凝土构件。相比而言，其它变形调节器往往面临易腐蚀、老化等问题，寿命较短。另外碳纤维增强砂浆一般布置于混凝土构件的外部，对混凝土构件主体具有很好的保护作用，也相应延长了混凝土构件的使用寿命。
4.操作简单。以碳纤维增强砂浆作为调节器，只需控制输入功率和时间即可轻松调节和控制混凝土构件的变形，无需其它复杂的驱动装置。同时根据需要，可以多次重复使用。
5.提高承载力。碳纤维增强砂浆的设计强度高于混凝土强度10MPa，对混凝土构件而言，其整体承载能力得到提高。尤其对混凝土梁而言，由于碳纤维增强砂浆的驱动，使得梁产生向上的挠度变形，可以提高混凝土梁的承荷能力，特别适合承受短时超载的需要。
优选地，所述碳纤维增强砂浆块的电阻率小于50Ω·cm，线膨胀系数大于10-5/℃。
优选地，为了防止钢筋混凝土构件中的钢筋影响碳纤维增强砂浆的导电性能，在所述钢筋与碳纤维增强砂浆块接触的表面上设有绝缘层。
优选地，所述电极由埋设在碳纤维增强砂浆块中的不锈钢网和与不锈钢网相连接的导线构成。这样可以保证电极与碳纤维增强砂浆块的良好接触。
优选地，所述碳纤维增强砂浆块中黄砂与水泥的质量比为1∶1，碳纤维的体积含量为：0.3-1.2％，硅灰的含量为砂浆中水泥总重量的10-15％，甲基纤维素的含量为砂浆中用水总重量的0.05-0.2％。采用这种配方可以保证碳纤维增强砂浆块的强度、电阻率和线膨胀系数。
作为上述技术方案的一种优选方案：所述主体为混凝土梁，所述碳纤维增强砂浆块位于主体中和轴以上的跨中部位，其长、宽、高尺寸为主体相应尺寸的40％，其上表面与主体上表面位于同一平面内。将碳纤维增强砂浆块设置在梁的上半部分跨中位置，可以对混凝土梁向下的挠度进行调节。
作为上述技术方案的另一种优选方案：所述主体为混凝土柱，所述碳纤维增强砂浆块位于主体的四角，其高度与主体相等，其截面为正方形，截面边长为主体截面最短边长的20％。将碳纤维增强砂浆块设置在柱的四角，可以对混凝土柱向任意方向的偏心进行调节。
本发明要解决的另一个技术问题是提供一种制备变形可调节混凝土构件的方法，包括以下步骤：(1)首先采用湿拌法制备碳纤维增强砂浆，称取所需质量的碳纤维倒入搅拌装置中，加水和甲基纤维素先搅拌，再徐徐加入硅灰、水泥、黄砂和消泡剂的混合料，最后缓慢加入高效减水剂调整流动度，共搅拌3分钟；(2)在浇注主体混凝土的同时，将步骤(1)制备的碳纤维增强砂浆注入主体相应部位的模板中，用振捣器振动约2分钟排除内部气泡，然后在砂浆两端安置焊有导线的不锈钢网电极，不锈钢网电极全部埋入砂浆中，导线引出砂浆外部。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1是本发明一种混凝土梁的结构示意图(电极未示出)。
图2是本发明一种混凝土柱的结构示意图(电极未示出)。
图3是本发明一种混凝土简支梁通电调节示意图(通电前)。
图4是本发明一种混凝土简支梁通电调节示意图(通电后)。
图5是图4所示简支梁跨中挠度与碳纤维增强砂浆块温升值的关系曲线(负号代表向上弯曲)。
图6是本发明一种混凝土柱通电调节示意图。
图7是图6所示混凝土柱左右侧表面应变随碳纤维增强砂浆块温度变化的曲线。
具体实施方式
实施例1：混凝土梁
混凝土梁的长、宽、高尺寸为：1200mm×300mm×300mm。混凝土的设计强度等级为C35(35MPa)。在浇注梁主体1混凝土的同时，在梁中和轴以上的跨中部位同时浇注碳纤维增强砂浆，其长、宽、高的尺寸为：480mm×120mm×120mm。碳纤维增强砂浆块2的上表面与梁1的上表面位于同一平面内。如图1所示。将碳纤维增强砂浆注入主体相应部位的模板中，用振捣器振动约2分钟排除内部气泡，然后在砂浆两端各安放一个焊有导线的不锈钢网电极，不锈钢网电极全部埋入砂浆中，导线引出砂浆外部。两电极之间的间距为400mm。砂浆块的设计强度等级为M50(50MPa)。为了防止混凝土梁中的钢筋影响碳纤维增强砂浆的导电性能，凡有可能与碳纤维增强砂浆接触部分的钢筋均需涂抹2～4mm厚的绝缘树脂。
其中，碳纤维增强砂浆所用各组分配比(质量比)如下：
52.5普通硅酸盐水泥   水   黄砂    硅灰    碳纤维   甲基纤维素   减水剂
1.0   0.38   1.0    0.15    0.01   0.0004   0.01
对上述各组分材料品质的要求如下：
碳纤维：PAN基碳纤维，长度5-10毫米，直径小于10微米，弹性模量大于200GPa，延伸率大于1.4％，电阻率小于10-2Ω·cm。
水泥：强度等级为42.5或以上级的硅酸盐或普通硅酸盐水泥。
黄砂：中等河砂。
减水剂：高效减水剂，减水率高于15％。
硅灰：颗粒粒径0.01~0.1μm，SiO2的含量大于90％。
甲基纤维素：工业级及以上等级。
碳纤维增强砂浆可采用湿拌法制备，称取所需质量的碳纤维倒入搅拌装置中，加水和甲基纤维素先搅拌，再徐徐加入硅灰、水泥、黄砂和消泡剂的混合料，最后缓慢加入高效减水剂调整流动度，共搅拌3分钟即可。采用上述配比可以保证碳纤维增强砂浆块的电阻率小于50Ω·cm，线膨胀系数大于10-5/℃，同步浇注的碳纤维增强砂浆的设计强度高于混凝土设计强度10MPa。
28天后测得碳纤维砂浆块的电阻率为36Ω·cm，线膨胀系数为11×10-6/℃。砂浆强度为56MPa，混凝土强度为42MPa。
将上述混凝土梁水平放置成简支梁形式，如图3所示。两预埋电极与可调电源(0～36V)连接。由于碳纤维增强砂浆的电阻一定，因此调节输入电压即调节输入电功率，从而控制了砂浆的升温速率。因碳纤维增强砂浆块的热膨胀系数较大，通电升温后将引起混凝土中和轴以上部位膨胀变形，最终导致混凝土梁向上弯曲，如图4所示。
控制通电时间可控制碳纤维增强砂浆块的温度。根据弹性力学理论计算可知，混凝土梁因碳纤维增强砂浆通电发热而产生的向上弯曲挠度与梁下部压应变成线性关系。根据简支梁下部压应变与上部拉应变的关系，以及混凝土所能承受最大拉应变(防止拉应变过大而导致开裂)前提条件，可以最终确定碳纤维增强砂浆的安全温度区间。
图5为在30V交变电压下，通电5分钟内观测得到的混凝土梁跨中挠度与碳纤维增强砂浆温升的关系曲线。结果显示，根据弹性理论得到的计算曲线与实测混凝土挠度曲线基本吻合。由此实现了混凝土梁的变形调节。
实施例2：混凝土柱
混凝土柱的截面尺寸为：400mm×400mm，柱高为1200mm。混凝土的设计强度等级为C35(35MPa)。在柱主体1的四顶角部位对称浇注四个碳纤维增强砂浆棱柱体，其高度与混凝土柱相同，每个棱柱体的截面尺寸为80mm×80mm，如图2所示。在每个碳纤维增强砂浆块2的上下两端各安放一个不锈钢电极，并用导线接出备用。砂浆的设计强度等级为M50(50MPa)。
碳纤维增强砂浆所用各组分配比及28天后的性能同实例1。
将混凝土柱垂直放置，两根碳纤维增强砂浆棱柱体A、C位于左立面，另两根碳纤维增强砂浆棱柱体B、D位于右立面，将右侧的两根碳纤维增强砂浆棱柱体B、D上的电极与可调交流电源接通，使其通电发热，引起混凝土柱偏心变形，如图6所示。
通过应变计测量得到混凝土柱受热膨胀立面(图6中的右立面)与对应立面(图6中的左立面)应变与碳纤维增强砂浆块温升之间的关系曲线，如图7所示。图中显示，受热面出现拉伸应变，而不受热面呈现压缩应变。由此可见在单面受热(不均匀加热)情况下可以实现混凝土柱的偏心控制和调节。
本发明变形可调节混凝土构件的变形调节是通过向碳纤维增强砂浆块输入安全电压实现的。调节输入电功率和通电时间可以控制混凝土构件的变形。混凝土梁主要实现向上挠度调整；混凝土柱可以实现任意方向的偏心调整。当混凝土梁出现向下较大的挠度变形时，可以在安全电压下(小于36V)给碳纤维增强砂浆块通电加热。根据焦耳效应，电能将近乎无损失地转换为热能使碳纤维增强砂浆块发热膨胀。由于梁上部结构产生膨胀变形，引起梁挠度向上变形，抵消混凝土梁的向下的弯曲挠度。调整不同的输入电压可用来调节碳纤维增强砂浆的升温速率。同样，通电时间越长，总的发热量就越大，升温的幅度就越大。因此，可以通过调节输入功率、通电时间来调节混凝土梁中内碳纤维增强砂浆块的升温状态，从而控制其热膨胀量以达到对混凝土梁的变形的调节和控制。同样，对于混凝土柱出现偏心弯曲时，可以根据具体偏心方向和所需调整部位，接通单根或多根碳纤维增强棱柱体，在安全电压下进行通电加热，矫正混凝土柱的偏心。

Claims (8)

1.一种变形可调节混凝土构件，包括混凝土结构的主体(1)，其特征是：所述主体(1)内还埋设有碳纤维增强砂浆块(2)，所述碳纤维增强砂浆块(2)的两端设有两个电极。
2.根据权利要求1所述的变形可调节混凝土构件，其特征是：所述碳纤维增强砂浆块(2)的电阻率小于50Ω·cm，线膨胀系数大于10-5/℃。
3.根据权利要求1所述的变形可调节混凝土构件，其特征是：所述混凝土结构的主体(1)中还设有钢筋，所述钢筋与碳纤维增强砂浆块(2)接触的表面上设有绝缘层。
4.根据权利要求1所述的变形可调节混凝土构件，其特征是：所述电极由埋设在碳纤维增强砂浆块(2)中的不锈钢网和与不锈钢网相连接的导线构成。
5.根据权利要求1所述的变形可调节混凝土构件，其特征是：所述碳纤维增强砂浆块中黄砂与水泥的质量比为1∶1，碳纤维的体积含量为：0.3-1.2％，硅灰的含量为砂浆中水泥总重量的10-15％，甲基纤维素的含量为砂浆中用水总重量的0.05-0.2％。
6.根据权利要求1所述的变形可调节混凝土构件，其特征是：所述主体(1)为混凝土梁，所述碳纤维增强砂浆块(2)位于主体(1)中和轴以上的跨中部位，其长、宽、高尺寸为主体相应尺寸的40％，其上表面与主体(1)上表面位于同一平面内。
7.根据权利要求1所述的变形可调节混凝土构件，其特征是：所述主体(1)为混凝土柱，所述碳纤维增强砂浆块(2)位于主体(1)的四角，其高度与主体(1)相等，其截面为正方形，其截面边长为主体(1)截面最短边长的20％。
8.一种制备变形可调节混凝土构件的方法，其特征是包括以下步骤：
(1)首先采用湿拌法制备碳纤维增强砂浆，称取所需质量的碳纤维倒入搅拌装置中，加水和甲基纤维素先搅拌，再徐徐加入硅灰、水泥、黄砂和消泡剂的混合料，最后缓慢加入高效减水剂调整流动度，共搅拌3分钟；
(2)在浇注主体混凝土的同时，将步骤(1)制备的碳纤维增强砂浆注入主体相应部位的模板中，用振捣器振动约2分钟排除内部气泡，然后在砂浆两端安置焊有导线的不锈钢网电极，不锈钢网电极全部埋入砂浆中，导线引出砂浆外部。
CNB2007100362341A 2007-01-05 2007-01-05 变形可调节混凝土构件及其制备方法 Expired - Fee Related CN100567670C (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CNB2007100362341A CN100567670C (zh) 2007-01-05 2007-01-05 变形可调节混凝土构件及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CNB2007100362341A CN100567670C (zh) 2007-01-05 2007-01-05 变形可调节混凝土构件及其制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN100999912A true CN100999912A (zh) 2007-07-18
CN100567670C CN100567670C (zh) 2009-12-09

Family

ID=38258733

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CNB2007100362341A Expired - Fee Related CN100567670C (zh) 2007-01-05 2007-01-05 变形可调节混凝土构件及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN100567670C (zh)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101890758A (zh) * 2010-07-12 2010-11-24 西安建筑科技大学 一种碳纤维在水泥粉体中的干燥分散方法
CN102061780B (zh) * 2009-09-11 2012-05-30 虞建放 钢板混凝土柱及施工方法
CN102651042A (zh) * 2011-12-28 2012-08-29 上海同吉建筑工程设计有限公司 大跨度空间结构中预应力拉杆基础设计方法
CN103427014A (zh) * 2013-07-31 2013-12-04 同济大学 一种夹层式水泥基热电功能材料及其制备方法

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102061780B (zh) * 2009-09-11 2012-05-30 虞建放 钢板混凝土柱及施工方法
CN101890758A (zh) * 2010-07-12 2010-11-24 西安建筑科技大学 一种碳纤维在水泥粉体中的干燥分散方法
CN101890758B (zh) * 2010-07-12 2012-11-21 西安建筑科技大学 一种碳纤维在水泥粉体中的干燥分散方法
CN102651042A (zh) * 2011-12-28 2012-08-29 上海同吉建筑工程设计有限公司 大跨度空间结构中预应力拉杆基础设计方法
CN103427014A (zh) * 2013-07-31 2013-12-04 同济大学 一种夹层式水泥基热电功能材料及其制备方法
CN103427014B (zh) * 2013-07-31 2015-12-23 同济大学 一种夹层式水泥基热电功能材料及其制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN100567670C (zh) 2009-12-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN100567670C (zh) 变形可调节混凝土构件及其制备方法
CN104264533B (zh) 一种双向先张预应力混凝土轨道板及其生产方法
CN102848462B (zh) 双向先张预应力混凝土轨道板长面台座生产线
CN103790078A (zh) 一种变厚框架式无砟轨道板
Michels et al. Structural strengthening of concrete with fiber reinforced cementitious matrix (FRCM) at ambient and elevated temperature—Recent investigations in Switzerland
Zhu et al. Flexural study on UHPC–steel composite beams with joints under negative bending moment
CN112507426B (zh) 有效控制连续配筋混凝土路面裂缝形态的变配筋设计方法
Ghasemi et al. Novel UHPC-CFRP waffle deck panel system for accelerated bridge construction
CN202114804U (zh) 双向先张预应力混凝土轨道板长面台座生产线
Ye et al. Flexural behavior of stone slabs reinforced with prestressed NSM CFRP bars
KR20100029760A (ko) 향상된 단부 지지 조건을 이용한 아이소파이프 새그 조절
CN111945507A (zh) 一种抗开裂沥青混凝土组合路面结构
CN105239502A (zh) 一种桥梁支座用均匀传力装置及其安装方法
El-Hacha et al. Effect of casting method and shear span-to-depth ratio on the behaviour of Ultra-High Performance Concrete cross arms for high voltage transmission lines
CN105297620A (zh) 一种钢板球冠聚合物砂浆结构支座及其施工方法
CN203755091U (zh) 变厚框架式无砟轨道板
Shang et al. Experimental research on the flexural behavior of GFRP bar-reinforced composite beams with different shapes of prefabricated UHPC formwork
Xiao et al. Full-scale experimental study on continuous UHPC slabs of steel-UHPC composite deck system
SCHAUmANN Hybrid FRP-lightweight concrete sandwich system for engineering structures
Karpiuk et al. Calculating model of the bearing ability of the substructed areas of baltic basalt concrete structures
Plizzari et al. Experimental study on anchored bars in RC elements with transverse reinforcement
Ibrahim et al. Moment redistribution in continuous RC beams top strengthened with steel and CFRP plates
CN112482193A (zh) 结合梁负弯矩区砼板施加压应力的方法、主梁及斜拉桥
Riebel et al. Structural behavior of multifunctional GFRP joints for concrete structures
Lubbers et al. Bond of Pre-stressing Strands in UHPC

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20091209

Termination date: 20130105

CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee