CN103938803A - 高韧性水泥基材料-非金属纤维筋复合结构及应用和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高韧性水泥基复合材料-非金属纤维筋复合结构，以高韧性水泥基材料为基材，以非金属纤维筋为定向加强筋，按重量百分比计，高韧性水泥基材料包括以下组分：水泥35%，粉煤灰45%-55%，硅灰5%-10%，偏高岭土5%-10%；所述的高强短纤维为聚乙烯醇纤维、聚乙烯纤维、碳纤维、芳纶纤维中的一种或几种；所述的非金属纤维筋为碳纤维增强塑料筋、芳纶纤维增强塑料筋、玻璃纤维增强塑料筋或玄武岩纤维增强塑料筋。本发明还公开了上述高韧性水泥基材料-非金属纤维筋复合结构的应用及应用方法。本发明利用高韧性水泥基材料-非金属纤维筋来加固钢筋混凝土结构，以提高结构的承载能力和耐久性，降低结构的老化速度。

Description

高韧性水泥基材料-非金属纤维筋复合结构及应用和方法

技术领域

本发明涉及建筑加固与高性能工程结构，尤其涉及一种高韧性水泥基材料-非金属纤维筋复合结构及应用、方法。

背景技术

混凝土具有良好的抗压性能，与钢筋结合，能够形成很好的承重结构，因此目前绝大部分建筑与桥梁都是钢筋混凝土结构。但是，由于混凝土的抗拉性能及延性较差，所以在实际工程中，钢筋混凝土结构很容易在受荷的情况下出现裂缝，随着有害物质如氯离子、二氧化碳、水分的侵入，造成钢筋不断锈蚀膨胀，混凝土开裂，混凝土保护层剥落，导致结构耐久性降低，承载力下降，对建筑、桥梁结构的安全性产生很大的影响。在正常使用状态下，钢筋混凝土结构耐久性不足的主要原因是普通混凝土本身没有很好的阻滞细微裂缝开裂、发展的能力，从而会引发渗漏及其它与耐久性相关问题；其次，开裂结构中的钢筋容易锈蚀，增大结构的失效风险。根据美国联邦公路局(FHWA)全国桥梁数据库公布的统计数据，截止到2006年，美国桥梁建造总数为596808座，病害桥梁总数为153879座，约占25.8％。据调查，我国1980年建成的宁波北仓港10万吨级矿石码头，使用不到10年其上部结构就发现严重的锈蚀损坏；天津港客运码头1979年建成，使用不到10年前承台板有50％左右出现锈蚀损坏，导致构件开裂破坏情况十分严重。裂缝也是水工混凝土建筑物最常见的问题之一，特别是水坝、水库，总会有较小的裂缝或渗漏，这是不可避免的，但是如果裂缝过宽或渗漏量过大，则会影响水坝的安全性和耐久性。在地震预测观测站、飞机场跑道和医疗设施等这类低导电、非磁性特殊领域或设备中，钢筋混凝土结构必然会对其产生一定的影响。地磁观测在国家安全、气象、通讯、遥感等方面具有非常重要的作用，特别是在攻克地震预报难关时更是基础参量。随着地磁观测数字化先进仪器的普遍应用，即对地磁观测室环境的无磁要求提高了1个数量级。所以钢筋混凝土结构在实际使用中存在一定的缺陷。

由于钢筋混凝土自身存在一定的缺陷，其耐久性问题又影响着整个结构的安全性和适用性，随着老化建筑结构自身承载力不断出现问题，必然要采取措施对现有结构进行加固，现有的加固方法有：加大截面加固法、粘贴钢板加固法、粘贴碳纤维增强塑料加固法、体外预应力加固法、增加支承加固法等。然而各种加固法都有其优点和不足之处。加大截面加固法，增大了混凝土构件的体积、自重、且施工周期长、施工空间大；粘贴钢板加固法，能较好增大了桥梁结构的刚度和强度，但钢板受环境影响较大，在潮湿和氯盐环境下容易被侵蚀而强度降低，耐久性较差；粘贴碳纤维，能很好的提高结构强度，但结构刚度却没有明显的改变；体外预应力加固法，对原结构外观有一定影响，且不易用于混凝土收缩徐变较大的结构；增加支承加固法，易损害建筑物的原貌和使用功能，并可能减小使用空间。因此发展新的加固方式和材料也是建筑结构发展的趋势。

纤维筋是由多股玄武岩纤维与树脂基体材料结合，经挤压、拉拔成型，挤压成型工艺从原材料开始，经过浸润、压模、固化、切割等，最后形成的一种新型复合材料。纤维筋与钢筋相比，不生锈和耐腐蚀，尤其具有极高的耐酸性和耐盐性；且是一种电绝缘体，并具有非磁性。在靠近高压线的建筑，要求非磁性的混凝土建筑物应用纤维筋，具有很大的优越性，对于医院CT放射室以及对电磁环境有特殊要求的建筑结构，使用纤维筋材料可起到良好的电磁屏蔽效果，并且具有强度高、质量轻（玄武岩纤维复合筋质量仅为钢筋的五分之一，不仅能提高建筑物的防腐性能，还可以降低建筑物的自重）、抗疲劳、无污染、人体接触无害、生产工艺简单、成本低等优点，可以替代或部分替代钢筋用于混凝土结构中，从根本上解决钢筋锈蚀问题，逐步受到土木工程界的关注。所以纤维筋可以代替钢筋，应用于公路、桥梁、机场、车站、水利工程、地下工程以及军事工程、保密工程、特殊工程等需绝缘脱磁环境等特殊领域，具有良好的社会效益和经济效益。常见的纤维筋按其所采用原丝材料的不同，可分为碳纤维增强塑料筋、芳纶纤维增强塑料筋、玻璃纤维增强塑料筋以及玄武岩纤维增强塑料筋。

短纤维增强水泥基复合材料板自身具有很好的变形性能，由于短纤维的连桥作用，使板在受到拉力时，能够多裂缝开裂，并且使裂缝保持在一个很小的开裂宽度范围内，对提高结构的耐久性起到了很大的促进作用，但是其极限抗拉强度还是很小，在工程中的应用存在一定的局限性。纤维筋与纤维增强水泥基复合材料相结合，组成高韧性水泥基材料-非金属纤维筋复合结构，既具有很高的抗拉强度，又具有较理想的变形能力、裂缝控制能力及耐久性；既可以采用现场浇筑的形式对结构进行加固，也可以采用工厂预制的形式，所以是一种新型的便捷的结构加固方式。

发明内容

为了解决现有钢筋混凝土结构自身混凝土开裂、钢筋锈蚀、耐久性降低、承载力下降的问题，本发明提供了一种高韧性水泥基材料-非金属纤维筋复合结构及应用方法；不仅能提高结构的承载能力，而且还能很好的控制裂缝的发展，提高结构的耐久性，使结构的老化速度降低；并且具有很好的电磁屏蔽效果，为军事及医疗提供的帮助；为工程结构提供了新的加固材料和方式，使选择更具多样性。

一种高韧性水泥基材料-非金属纤维筋复合结构，以高韧性水泥基材料为基材，以非金属纤维筋为定向加强筋，

按重量百分比计，高韧性水泥基材料包括以下组分：水泥35%，粉煤灰45%-55%，硅灰5%-10%，偏高岭土5%-10%；

所述的高韧性水泥基材料中还含有体积掺量为2%-3%的高强短纤维；

所述的高强短纤维为聚乙烯醇纤维、聚乙烯纤维、碳纤维、芳纶纤维中的一种或几种；

所述的非金属纤维筋为碳纤维增强塑料筋、芳纶纤维增强塑料筋、玻璃纤维增强塑料筋或玄武岩纤维增强塑料筋。

在本发明中，粉煤灰能够很好地“稀释”基体的不均匀性，降低局部缺陷出现的机率，使基体更加均匀，高掺量粉煤灰使各断裂面之间的结构差异相对缩小；粉煤灰能够降低基体强度，当外部荷载达到基体开裂强度时，基体中掺入粉煤灰使得裂缝更容易产生，有利于多裂缝产生；最后，大量紧密堆积粉煤灰球形颗粒进一步增加了纤维与基体的摩擦力，改善了纤维-基体界面黏结性能，但由于基体强度相对降低，基体在各个受力截面易于开裂，有利于纤维承担开裂基体两侧的荷载，因而使更多的纤维在较早阶段受力，使得纤维更容易从基体中拔出而非断裂，因此纤维的增强效应得到改善。偏高岭土和硅灰的这两种火山灰质材料的加入均明显缩短了水泥体系水化诱导期，使水化放热高峰以及钙矾石大量形成提前，并且使得水泥体系水化放热速率趋于缓和。偏高岭土和硅灰的加入均使得水泥浆体更加致密，孔洞减少。制备形成的水泥基复合材料具有很高的韧性，其峰值拉应变可超过1.5%。

高韧性水泥基材料-非金属纤维筋组合而成的复合结构，既能充分利用水泥基材料的自身性能来解决混凝土结构的裂缝和耐久性问题，又能利用纤维筋的高强度来提高结构的承载力和刚度。组合后的结构既具有较好的裂缝控制能力，又具有较高的承载力。与普通的纤维筋-混凝土结构相比，纤维筋与高韧性水泥基材料之间粘结性能更好，而且能够很好的协调变形，是一种理想的受力构件。

本发明的技术方案：以高韧性纤维水泥基复合材料为基材（峰值拉应变大于1.5%），然后再使用具有较好耐久性能的纤维筋做定向加强，形成一种薄板结构。水泥基中的高强短纤维的作用是控制基体材料的开裂以及开裂后裂缝的发展宽度和发展模式，使基材多裂缝均匀发展；纤维筋的作用是增强水泥基材料的强度和刚度，使其具有更高的承载能力。

利用上述的高韧性水泥基材料-非金属纤维筋复合结构，采用浇筑方式与混凝土结构相叠合，本发明还提供了一种具有所述复合结构的混凝土叠合结构，所述混凝土叠合结构的受拉区设有用所述高韧性水泥基材料-非金属纤维筋复合而成的承拉层。

在混凝土叠合结构内，所述的承拉层与混凝土结构为浇注成型的一体结构，所述的承拉层位于混凝土叠合结构的受拉区，混凝土叠合结构内的箍筋绕置在架立筋和非金属纤维筋外。

针对新建工程结构，优选采用现浇的方式，以非金属纤维筋代替受拉区钢筋，以高韧性水泥基材料代替受拉区混凝土，替代混凝土的厚度宜大于50mm。

此结构环境适应性较强，可根据结构的形式及需要采取不同的浇筑方案，叠合结构整体性好，从控裂性、经济性、安全性及耐久性上看都表现出较为明显的优势。

针对现浇的具有高韧性水泥基材料-非金属纤维筋的混凝土叠合结构，其浇筑步骤如下：

第一步，将架立筋固定在筋笼顶部，以非金属纤维筋为受力纵筋置于筋笼底部，再把箍筋缠绕在架立筋和非金属纤维筋外，绑扎成筋笼；

第二步：向模板内浇筑高韧性水泥基材料，浇筑厚度应至少覆盖所述非金属纤维筋20mm，在高韧性水泥基材料初凝前，继续浇筑普通混凝土，振捣密实，直至填满模板。

针对既有混凝土结构，可通过现浇或者粘贴并锚固的方式进行加固，因此，本发明提供了一种利用所述高韧性水泥基材料-非金属纤维筋复合薄板加固既有混凝土结构技术，加固薄板位于加固混凝土结构的受拉部位，来提高结构的承载力和耐久性。

采用现浇加固时，可分为以下几个操作步骤：

1）对既有混凝土结构的加固面进行打磨处理，凿毛后得到凹凸不平且粗糙的混凝土基面；

2）在混凝土基面的打孔，并向孔内注胶，然后在孔内打入铆钉，使铆钉头部裸露于混凝土基面外；

3）将界面剂均匀喷涂在混凝土基面上，并在加固区域支模和绑扎所述的非金属纤维筋；

4）将配好的高韧性水泥基材料浆料在混凝土基面上逐层压抹，每压抹一层后在浆体表面沿纵横方向反复搓毛，直至达到预定的压抹厚度。

优选的，在步骤3）中，界面剂的厚度不超过2mm；

在步骤4）中，对高韧性水泥基材料浆料进行逐层压抹的时间不超过0.5h。

本发明利用高韧性水泥基材料-非金属纤维筋复合结构来加固钢筋混凝土结构，以提高结构的承载能力和耐久性，降低结构的老化速度，并且具有很好的电磁屏蔽效果，为军事及医疗提供的帮助；为建筑桥梁等工程结构提供了新的加固材料和方式，使选择更具多样性。

附图说明

图1为高韧性水泥基材料-非金属纤维筋复合薄板截面示意图；

图2为纤维筋、高韧性水泥基材料分别替代混凝土梁受拉区钢筋和混凝土的截面示意图；

图3为高韧性水泥基材料-非金属纤维筋复合薄板结构加固混凝土梁的截面示意图；

图4为复合薄板的应力应变曲线图。

图中：1架立筋；2混凝土；3箍筋；4纵向受力纤维筋；5高韧性水泥基材料；6界面剂（采用现浇法时）或结构胶（采用粘结法时）；7纵向受力钢筋；H混凝土梁高度；B混凝土梁宽度；h纤维筋-高韧性水泥基材料复合薄板厚度；a梁中受拉区高韧性水泥基材料浇筑高度；b：高韧性水泥基材料-非金属纤维筋复合薄板宽度；c梁中混凝土浇筑高度。

具体实施方式

实施例1：15mm厚玄武岩纤维筋-PVA纤维增强水泥基材料复合薄板结构实例

PVA纤维在基体中的体积掺率为2%，基体浆体配比：水泥：精细砂：粉煤灰：偏高岭土：硅灰：水：减水剂=1:1.43:1.43:0.29:0.14:0.86:0.036；水泥类型为42.5级，精细砂为80-120目，粉煤灰为一级粉煤灰，偏高岭土采用DX-80M型，硅灰采用微硅粉，减水剂采用聚羧酸盐类减水剂，纤维筋采用玄武岩纤维筋。

试件加工过程：先将水泥、精细砂、粉煤灰、偏高岭土、硅灰投入搅拌机搅拌均匀，大约搅拌时间2-3分钟；然后称量相应重量的水，将需要加入的减水剂与水搅拌均匀，并将称好的PVA纤维放入减水剂与水的混合液体中充分湿润与分散；将减水剂与水的混合液体倒入搅拌机，搅拌3-4分钟，使材料与混合液充分结合，具有很好的流动性；最后将湿润分散的PVA纤维放入搅拌机，充分搅拌4-6分钟，保证纤维分散均匀且与浆体充分混合，浆体制作完成。将纤维筋固定在已制作好的木模里，在木模里放入纤维浆体，浇筑厚度大约7mm，放在振动台上振捣1分钟；然后再向木模里放入纤维浆体，浇筑厚度大约为8mm，放到振动台上振捣1分钟；最后对振捣好的试件进行抹平。24小时后，将浇筑好的试件拆模，放入标准养护室养护28天，养护到期后取出，进行力学测试。

复合薄板的结构如图1所示，b为薄板宽度，4为玄武岩纤维筋，5为-PVA纤维增强水泥基。对分别放入两根，三根，四根BFRP筋的厚度15mm，宽度100mm，长度400mm的高韧性水泥基材料-非金属纤维筋复合薄板行轴向拉伸试验，测得其极限抗拉强度分别为：12.147MPa，15.211MPa，20.704MPa；极限拉应变分别为：2.16%，1.99%，2.41%。板的应力应变曲线如图4所示。三种配筋板达到极限强度时，平均裂缝宽度均为100μm左右，且最大裂缝宽度均不超过200μm，可见高韧性水泥基材料-非金属纤维筋复合结构具有很理想的抗拉能力和裂缝控制能力。

实施例2：高韧性水泥基材料-非金属纤维筋复合薄板代替混凝土梁受拉区钢筋和混凝土的应用实例

筋笼绑扎：箍筋，架立筋采用Ф8HPB235钢筋，受力纵筋采用Ф12玄武岩纤维复合筋（BFRP筋）。顶面及底面筋材保护层厚度为20mm（混凝土表面到箍筋表面的混凝土厚度）。

浇筑复合梁：浇筑时，先向模板内浇筑厚度为50mm的PVA纤维增强水泥基复合材料，振捣密实，在水泥基复合材料初凝前，继续在其表面浇筑厚度为150mm的C30混凝土，并再次振捣密实。

湿润养护：24小时候拆模，放入标准养护室进行养护28天。

浇筑得到的新型叠合梁结构如图2所示，架立筋1、箍筋3和纵向受力纤维筋4组成筋笼，基体材料分为混凝土2和高韧性水泥基材料5，且纵向受力纤维筋4埋设在高韧性水泥基材料5内，图中B为梁宽，H为梁高，a梁中受拉区高韧性水泥基材料浇筑高度，c梁中混凝土浇筑高度。

新型叠合梁的极限承载力为84.8KN，参考梁（参考梁为FRP筋混凝土梁，受力纵筋为FRP筋，受拉区混凝土未采用ECC代替）的极限承载力为80KN，与参考梁相比承载力有所提高。用高韧性PVA增强水泥基复合材料代替受拉区混凝土的新型复合梁的初始开裂裂缝宽度大约为0.05mm左右，明显低于参考梁初始裂缝宽度0.26mm。新型复合梁比参考梁的初始裂缝发展高度降低了24.1%。可见：采用高韧性PVA增强水泥基复合材料代替参考梁受拉区混凝土，FRP筋与周围的水泥基材料有着更好的粘结力和协调变形能力，并且对裂缝有着良好的控制能力。

实施例3：现浇PVA纤维增强水泥基材料-碳纤维筋复合薄板加固钢筋混凝土梁实例

混凝土基面处理：用角磨机打磨处理混凝土基面，并用花锤和电锤凿毛基面，使之形成随机的凹凸不平状以增加黏结面的粗糙程度。

植入铆钉：在梁底面隔一定间距预埋铆钉，用电锤垂直对准梁底面混凝土打孔，然后清除孔内灰尘并向孔内注胶，随后逐个打入特制的异形铆钉。

基面浮尘冲洗：对加固部位用高压水将混凝土表面的粉灰、油污冲洗干净，保持潮湿状态。

喷涂加固用钢筋混凝土界面剂：涂刷界面剂前，需提前24h在施工面上充分洒水湿润，使内部水分饱和，在表面无明水的情况下进行喷涂施工，喷涂过程中应确保界面剂均匀分布，喷涂厚度不得超过2mm。

支模及绑扎纤维筋：在需要加固区域支木模和绑扎纤维筋。

纤维增强水泥基复合材料（ECC）的压抹：配好的浆料应保证在0.5h内用完，采用分层人工压抹方式进行施工，每压抹一层后须用木抹子在浆体表面沿纵横方向反复搓毛，当压抹厚度达到设计要求后，应及时做好压抹收光。

湿润养护：纤维增强水泥基复合材料压抹收光后进行标准养护。

通过上述的步骤，形成如图3所示的加固钢筋混凝土梁，架立筋1、箍筋3和纵向受力纤钢筋7组成筋笼，纵向受力纤维筋4和高韧性水泥基材料5组成的加固用复合薄板，复合薄板与混凝土2之间为界面剂或结构胶6，h为高韧性水泥基材料-非金属纤维筋复合薄板厚度。

采用现浇PVA纤维增强水泥基材料-碳纤维筋复合薄板加固的钢筋混凝土梁，其开裂荷载、极限承载力都有了不同程度的提高。加固后的钢筋混凝土梁与未加固梁的开裂荷载分别为24.1KN、17.4KN,开裂荷载提高了38.5%。极限承载能力分别为144.4KN、97.3KN,极限承载力提高了48.4%。未加固梁加载到钢筋屈服后，裂缝的宽度迅速增加，很快达到2mm左右，然而加固梁的裂缝一直处于缓慢发展的状态，达到极限荷载时，裂缝仍然小于0.5mm。可见PVA纤维增强水泥基材料-碳纤维筋复合薄板对混凝土梁的开裂及裂缝发展有明显的抑制作用。

Claims (8)

1.一种高韧性水泥基材料-非金属纤维筋复合结构，以高韧性水泥基材料为基材，以非金属纤维筋为定向加强筋，其特征在于，

按重量百分比计，高韧性水泥基材料包括以下组分：水泥35%，粉煤灰45%-55%，硅灰5%-10%，偏高岭土5%-10%；

所述的高韧性水泥基材料中还含有体积掺量为2%-3%的高强短纤维；

所述的高强短纤维为聚乙烯醇纤维、聚乙烯纤维、碳纤维、芳纶纤维中的一种或几种；

所述的非金属纤维筋为碳纤维增强塑料筋、芳纶纤维增强塑料筋、玻璃纤维增强塑料筋或玄武岩纤维增强塑料筋。

2.一种基于权利要求1所述高韧性水泥基材料-非金属纤维筋的混凝土叠合结构，其特征在于，所述混凝土叠合结构的受拉区设有用所述高韧性水泥基材料-非金属纤维筋复合而成的承拉层。

3.如权利要求2所述的混凝土叠合结构，其特征在于，所述的承拉层与混凝土结构为浇注成型的一体结构。

4.如权利要求3所述的混凝土叠合结构，其特征在于，所述的承拉层位于混凝土叠合结构的受拉区，混凝土叠合结构内的箍筋绕置在架立筋和非金属纤维筋外。

5.一种用于权利要求2～4任一项所述混凝土叠合结构的浇筑方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，将架立筋固定在筋笼顶部，以非金属纤维筋为受力纵筋置于筋笼底部，再把箍筋缠绕在架立筋和非金属纤维筋外，绑扎成筋笼；

第二步：向模板内浇筑高韧性水泥基材料，浇筑厚度应至少覆盖所述非金属纤维筋20mm，在高韧性水泥基材料初凝前，继续浇筑普通混凝土，振捣密实，直至填满模板。

6.一种基于权利要求1所述高韧性水泥基材料-非金属纤维筋复合结构的混凝土梁，其特征在于，混凝土梁的受拉区固定有用所述高韧性水泥基材料-非金属纤维筋复合而成的加固薄板。

7.一种如权利要求6所述加固既有混凝土结构的现浇加固方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）对既有混凝土结构的加固面进行打磨处理，凿毛后得到凹凸不平且粗糙的混凝土基面；

2）在混凝土基面的打孔，并向孔内注胶，然后在孔内打入铆钉，使铆钉头部裸露于混凝土基面外；

3）将界面剂均匀喷涂在混凝土基面上，并在加固区域支模和绑扎所述的非金属纤维筋；

4）将配好的高韧性水泥基材料浆料在混凝土基面上逐层压抹，每压抹一层后在浆体表面沿纵横方向反复搓毛，直至达到预定的压抹厚度。

8.如权利要求7所述的现浇加固方法，其特征在于，在步骤3）中，界面剂的厚度不超过2mm；

在步骤4）中，对高韧性水泥基材料浆料进行逐层压抹的时间不超过0.5h。