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Abstract

本发明公开了一种高强度混凝土复合材料及其制备方法和应用，涉及一种混凝土材料。本复合材料的组分及重量百分比是：水：4.9-5.3％；水泥：17-19％；砂：15-25％；硅灰：2.0-2.4％；石英粉：2.0-3.0％；高效减水剂：0.18-0.20％；煅烧铝矾土骨料：45-55％；短切芳纶纤维：0.1-0.85％；纤维布0.5-4.0％。本制备方法下列步骤：①搅拌；②成型；③养护。本复合材料是一种非金属材料，不会锈蚀；电磁绝缘性好，在结构要求没有磁性干扰的情况下，能充分发挥其优势；弹性模量与普通混凝土相近，制成的锚具等配件与其他构件匹配良好；重量轻，能降低结构自重和造价。

Description

高强度混凝土复合材料及其制备方法和应用 
技术领域
本发明涉及一种混凝土材料，尤其涉及一种高强度混凝土复合材料及其制备方法和应用。 
背景技术
钢材做结构材料的弱点有三个方面：首先，锈蚀改变结构材料的化学成分，导致钢材丧失原有力学性能，严重影响结构的耐久性；其二，随着经济和科学的发展，人们对建筑材料的需求更高，钢梁、钢筋(钢丝)难以满足要求；其三，钢材是消耗性资源，不可再生，着眼人类长远发展，建筑用材选用非金属材料替代钢材是大势所趋。 
非金属材料具有不锈蚀、无磁性、电磁绝缘性好、重量轻和强度高等优良特性，与钢材相比有其独特的性能和广泛的开发前景。对于采用非金属材料制作的预应力筋(索)，其锚具与钢质锚具有较大的不同，需要研制开发与FRP(Fiber Reinforced Polymer，纤维增强高分子材料)相适应的预应力锚固方式和锚具。 
国内外针对FRP预应力筋材，研制了一些相应锚具，包括：2004年，重庆大学卓静等研制采用Q235钢材制作的用以锚固FRP片材或FRP布材的波浪形锚具，并登记了实用新型专利(ZL02244587.0)；还有东南大学专利锚具(ZL02242609.4；ZL02242610.8；ZL02242611.6；ZL02242612.4)以及柳州欧威姆公司专利锚具(ZL02252685.4；ZL03243747.6)。 
上述锚具均不同程度使用了金属部件，而由于金属部件本身会锈蚀，不能充分发挥FRP的独特优势。本申请人已经研制了FRP质的锚具(ZL200910273443.7)，能够适应工程需要，但是成本较高，因此需进一步研究高强度混凝土锚具，该混凝土锚具不含钢铁材料。 
发明内容
本发明的目的就在于克服现有技术存在的缺点和不足，提供一种高强度混凝土复合材料及其制备方法和应用。 
本发明的目的是这样实现的： 
一、高强度混凝土复合材料(简称复合材料) 
本复合材料的组分及重量百分比是： 
水：4.9-5.3％； 
水泥：17-19％； 
砂：15-25％； 
硅灰：2.0-2.4％； 
石英粉：2.0-3.0％； 
高效减水剂：0.18-0.20％； 
煅烧铝矾土骨料：45-55％； 
短切芳纶纤维：0.1-0.85％； 
碳纤维布0.5-4.0％。 
重量百分比验证： 
各组分的下限之和小于100％，各组分的上限之和大于100％； 
每一组分的下限与其它组分的上限之和大于或等于100％； 
每一组分的上限与其它组分的下限之和小于或等于100％。 
由此可见，上述组分的重量百分比符合要求。 
二、高强度混凝土复合材料的制备方法(简称方法) 
本方法包括下列步骤： 
①搅拌 
采用强力搅拌机进行搅拌： 
A、首先将砂、石英粉和煅烧铝矾土骨料混合，干搅三分钟； 
B、加入水泥、硅灰和短切芳纶纤维，再加入一半量的水，搅拌三分钟； 
C、加入剩下的水，添加高效减水剂，搅拌六分钟，得浆液； 
②成型 
将所得浆液注入钢模中并包埋缠绕碳纤维布成型，得试样； 
③养护 
试样于24小时后脱模，再在50℃的热水中养护5天，又在220℃的高温下恒温养护2天。 
三、应用 
用于制作一种圆柱体夹片式锚具。 
本复合材料是一种非金属材料，具有下列优点和积极效果： 
①不会锈蚀； 
②电磁绝缘性好，在结构要求没有磁性干扰的情况下，能充分发挥其优势； 
③弹性模量与普通混凝土相近，制成的锚具等配件与其他构件匹配良好； 
④重量轻，能降低结构自重和造价。 
附图说明
图1是本发明的纵向剖视图； 
图2是高强混凝土制锚垫板的主视图； 
图3.1、图3.2分别是高强混凝土制夹片(半边)的主、侧视图。 
图4.1、图4.2分别是FRP筋材的主、侧视图。 
图中： 
10-高强混凝土制锚环； 
20-高强混凝土制锚垫板 
30-高强混凝土制夹片； 
40-FRP(Fiber Reinforced Polymer，纤维增强高分子材料)筋材。 
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明： 
一、关于复合材料 
其组分及其重量百分比的最佳值是： 
①水泥：普通硅酸盐水泥，28天抗折强度9.9MPa，抗压强度58.1MPa即可。 
②砂：标准砂，粒径范围为0.125～0.65mm，天然河砂，级配位于III区。 
③硅灰：SiO2≥90％，粒径1μm以下，平均粒径0.11μm，密度为 2.214g/cm3。 
④石英粉：密度为2.626g/cm3左右，平均粒径小于48μm即可。 
⑤高效减水剂：主要成分为β-萘磺酸甲醛高缩合物，掺量2％时，减水率为20％。 
⑥煅烧铝矾土骨料，没有特别要求。 
⑦芳纶纤维：直径为12.7μm，长度6mm。 
二、关于方法 
步骤②： 
碳纤维布其最佳选材为： 
抗拉强度：3400Mpa； 
弹性模量：228Gpa； 
极限应变：1.5％； 
受力材料按照4-5层碳纤维布设计；典型碳纤维布重量规格是450克/m2、300克/m2或200克/m2。 
三、本复合材料的测试方法和结果： 
1、测试方法 
①采用跳桌法测定拌和物流动度，根据GB2419-81《水泥胶砂流动度测定方法》操作； 
②根据GB177-85《水泥胶砂强度检验方法》规定，热养护后的试件在烘箱中冷却至室温后再进行抗压强度的测定。 
2、测试结果： 
试件抗压强度σc＝153.3Mpa； 
弹性模量E＝65GPa； 
泊松比μ＝0.16； 
密度ρ＝2700kg/m3。 
由此可见，本复合材料有与钢材相近的特性，可取代钢材；具有与混凝土一致的弹性模量，易于与混凝土结构本体匹配。 
四、一种基于高强度混凝土复合材料的圆柱体夹片式锚具(简称锚具) 
1、总体 
如图1，本锚具包括高强混凝土制锚环10、高强混凝土制锚垫板20、高强混凝土制夹片30和FRP筋材40； 
高强混凝土制锚垫板20右边孔和高强混凝土制锚环10左边孔对应连接，在高强混凝土制锚环10内连接有高强混凝土制夹片30，FRP筋材40从左至右依次穿过高强混凝土制锚垫板20、高强混凝土制锚环10和高强混凝土制夹片30。 
2、功能部件 
1)高强混凝土制锚环10 
如图2，高强混凝土制锚环10是一种外为圆柱内为圆锥的结构。 
圆柱直径和长度根据载荷调整；圆锥倾角设计为6度，依据锥面的摩擦系数。 
其功能是保证锚具工作在应力最小的自锁状态。 
2)高强混凝土制锚垫板20 
如图2，高强混凝土制锚垫板20是一种圆形厚块，其中心设置有板孔21。 
其功能是分散锚具的压力，减小混凝土局部应力。 
3)高强混凝土制夹片30 
如图3.1、图3.2，高强混凝土制夹片30是一种外为圆锥内为圆柱的结构，沿中心轴线一分为二，圆柱内设置有内齿31。 
圆柱直径和长度根据载荷调整；圆锥倾角设计为6°+0.1°。 
由于设计高强混凝土制夹片30的高强混凝土制锚环10的圆锥倾角稍大，从而调整了应力分布，优化了锚固效果；当采用0.1度差时，对消除局部应力集中有足够好的效果。 
其功能是使整个锚具均匀受力，提高锚固效果。 
4)FRP筋材40 
如图3.1、图3.2，FRP筋材40是一种外有螺旋的长线结构。 
其功能是被锚固作为锚具的拉张构件。 

Claims (7)

1.一种高强度混凝土复合材料，其特征在于本复合材料的组分及重量百分比是：
水：4.9-5.3％；
水泥：17-19％；
砂：15-25％；
硅灰：2.0-2.4％；
石英粉：2.0-3.0％；
高效减水剂：0.18-0.20％；
煅烧铝矾土骨料：45-55％；
短切芳纶纤维：0.1-0.85％；
碳纤维布0.5-4.0％。
2.按权利要求1所述一种高强度混凝土复合材料的制备方法，其特征在于包括下列步骤：
①搅拌
采用强力搅拌机进行搅拌；
A、首先将砂、石英粉和煅烧铝矾土骨料混合，干搅三分钟；
B、加入水泥、硅灰和短切芳纶纤维，再加入一半量的水，搅拌三分钟；
C、加入剩下的水，添加高效减水剂，搅拌六分钟，得浆液。
②成型
将所得浆液注入钢模中并包埋缠绕碳纤维布成型，得试样；
③养护
试样于24小时后脱模，再在50℃的热水中养护5天，又在220℃的高温下恒温养护2天。
3.一种基于权利要求1所述复合材料的圆柱体夹片式锚具，其特征在于：
包括高强混凝土制锚环(10)、高强混凝土制锚垫板(20)、高强混凝土制夹片(30)和FRP筋材(40)；
高强混凝土制锚垫板(20)右边孔和高强混凝土制锚环(10)左边孔对应连接，在高强混凝土制锚环(10)内连接有高强混凝土制夹片(30)，FRP筋材(40)从左至右上依次穿过高强混凝土制锚垫板(20)、高强混凝土制锚环(10)和高强混凝土制夹片(30)。
4.按权利要求3所述的圆柱体夹片式锚具，其特征在于：
所述的高强混凝土制锚环(10)是一种外为圆柱内为圆锥的结构。
5.按权利要求3所述的圆柱体夹片式锚具，其特征在于：
所述的高强混凝土制锚垫板(20)是一种圆形厚块，其中心设置有板孔(21)。
6.按权利要求3所述的圆柱体夹片式锚具，其特征在于：
所述的高强混凝土制夹片(30)是一种外为圆锥内为圆柱的结构，沿中心轴线一分为二，圆柱内设置有内齿(31)。
7.按权利要求3所述的圆柱体夹片式锚具，其特征在于：
所述的FRP筋材(40)是一种外有螺旋的长线结构。
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