CN104018671B - 采用水泥浆基体纤维布无胶约束混凝土柱及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用水泥浆基体纤维布无胶约束混凝土柱及其制造方法，所述制造方法是将浸润在水泥浆的纤维布，通过水泥浆粘结及纤维布端部重叠区做闭合处理，约束在混凝土柱表面；所述水泥浆基体纤维布无胶约束混凝土柱包括混凝土柱和包裹在混凝土柱外的水泥浆基体纤维布，以及两者之间的水泥浆层；本发明利用水泥浆作为粘结材料和纤维基体，避免使用各类易燃易软化的胶黏剂，经济高效地解决纤维布约束混凝土柱因之间因各类胶黏剂在高温作用下失效破坏而引起的约束效果急速劣化的问题，具有防火耐火、承载力高、延性好、耐腐蚀、抗老化、节约成本、节能环保、施工便捷安全、可再生利用等优势，有较强的实用性和推广价值。

Description

采用水泥浆基体纤维布无胶约束混凝土柱及其制造方法

技术领域

本发明属于结构工程的技术领域，涉及一种采用水泥浆基体纤维布无胶约束混凝土柱及其制造方法。

背景技术

纤维增强塑料（Fiberreinforcedpolymer，简称FRP）是由连续纤维及树脂基体按一定的比例复合而成，不同类型的纤维、树脂，及它们之间的比例，影响着FRP材料的外观形状和力学性能，这使得FRP材料适合于多种不同功能的建筑结构和构件的需要。FRP除了在航空、机械、化工等领域，近十几年来在工程结构中作为建筑材料的应用越来越多，这得益于FRP材料具有很多优良的性能，其中轻质高强、耐腐蚀是其最主要的方面。而随着这种材料的广泛推广，价格持续走低，应用于建筑工程上的经济效益也逐渐凸显。而相对于其他类型的FRP，如玻璃纤维增强塑料（GFRP）、芳纶纤维增强塑料（AFRP）及玄武岩纤维增强塑料（BFRP），碳纤维增强塑料（CFRP）因其更优的力学性能，目前工程加固上应用最多。

FRP材料特性决定了其在工程中有很好的应用。鉴于受载荷的混凝土柱环向约束后处于三向受力状态下力学及其他性能大大增强的经验，采用FRP作为柔性外包材料，可环向约束各种形状和类型的结构柱，限制其横向变形，提高构件抗震等各项力学性能；同时保护内部钢筋和混凝土材料，提高结构的耐久性；且可作为永久模板，干作业施工，节省劳动成本，具有高效的技术经济效益。因此，采用FRP约束的组合结构柱应运而生。同时，由于使用年限、火灾地震等问题的破坏影响，目前国内外存在大量需要修复和加固的既有建筑，在现有结构中，尽管通过增大柱截面积、外贴钢板等方法亦能取得一定的加固效果，但存在占用原有使用空间及不耐腐蚀等缺点，而通过在混凝土表面粘结FRP板、FRP布，能快速达到结构补强的目的，延长结构使用寿命周期，避免大量建筑的拆除重建，符合可持续发展要求。

在FRP材料的理论研究方面也快速发展，不同形态的FRP材料不断开发，应用于多种类型的结构，相应的法规相继出台，为规范FRP的应用起到了推动作用。然而，FRP材料存在着一个严重的不足：FRP的强度和刚度受温度影响敏感度大，在火灾中受热易软化、易燃，伴随有毒烟气释放。这主要是由于FRP中树脂基体性能劣化引起的，环氧树脂属于环氧类有机物，如果温度超过其玻璃化温度时，胶黏剂分解或软化，抗剪强度急剧下降，丧失传递纤维间剪力和防止纤维屈曲的作用。而且，目前，FRP材料和混凝土柱之间通常是通过建筑结构胶进行粘贴，这些胶大多也不具有耐火性，在高温影响下，抗拉强度明显下降，难以保证碳纤维与混凝土的共同工作，影响整体约束效果，甚至部分胶粘剂本身就是可燃物，这就为加剧了火灾对建筑结构的破坏。因而，除非对使用FRP材料约束的混凝土构件同时做复杂而高成本的表面防火处理，否则FRP材料的应用大多只能局限在桥梁或外部结构等对防火要求不高的结构和构件，这就制约了其在更大范围的民用商用房屋、厂房、停车场等建筑中的发展，也不利于其自身优点的发挥。

限制FRP在结构中的使用显然不符合新材料新技术的发展要求，利用各种类型的防火涂料又提高工程建筑成本，不适合施工大面积大范围使用，因此，在将FRP材料大量推广到建筑结构中时，提高其高温作用下的耐火性能困难很大。然而，由于FRP约束混凝土的防火性能差主要问题出现在选用的树脂基体及胶粘材料上，而不是纤维本身，实际上，纤维的耐火性能是非常好的，与混凝土材料相当。因而，避免使用树脂基体和胶粘材料，也许是解决纤维布约束混凝土柱耐火问题的捷径之一。

上述论述内容目的在于介绍可能与下面将被描述和/或主张的本发明的相关技术问题，有助于更好地理解本发明的各个方面。

发明内容

为克服现有FRP组合结构中，粘结FRP与混凝土柱的胶黏剂在火灾等高温作用下失效，造成结构承载力的急剧下降，影响结构耐久性及其他性能的问题，本发明提供一种采用水泥浆基体纤维布无胶约束混凝土柱的制造方法。其利用水泥浆作为纤维布基体，并通过涂抹水泥浆，而避免使用各类易燃易软化的胶黏剂作为连接FRP布与结构柱的粘结材料，使纤维布粘结在混凝土柱表面，既达到有效约束混凝土柱的目的，又解决FRP约束结构柱因之间的胶黏剂在高温作用下失效而引起的各项性能劣化的问题。本发明还提供了一种水泥浆基体纤维布无胶约束混凝土柱。

本发明提供的一种采用水泥浆基体纤维布无胶约束混凝土柱的制造方法，其有如下步骤：

（1）将纤维布两端部裁剪，其中一端裁剪成等间距等长度流苏状，另一端裁剪成对应宽度间距和长度的马牙槎状；

（2）将混凝土柱表面打磨处理，除去表面松散浮层；

（3）调配水泥浆，搅拌均匀；

（4）将裁剪好的纤维布浸润在调好的水泥浆中，使纤维布内外均沾满水泥浆；

（5）在表面处理后的混凝土柱上均匀涂抹步骤（3）调好的水泥浆，并将浸润后的纤维布包裹在混凝土柱外面；

（6）对纤维布端部重叠区做闭合处理，马牙槎端在外，与流苏端条带交错搭接；

（7）纤维布包裹完成后，在其表面覆盖一层步骤（3）调好的水泥浆，放置待干后即制成水泥浆基体纤维布无胶约束混凝土柱。

所述步骤（3）中的水泥浆水灰比不大于混凝土柱采用的水灰比；且对于约束大构件的情况，在水泥浆中添加少量细砂。

所述步骤（5）中的水泥浆作为粘结材料，涂抹在混凝土柱表面与纤维布之间，其厚度不小于5mm。

所述步骤（7）中的水泥浆覆盖的厚度不小于5mm。

本发明提供的一种所述制造方法制造的采用水泥浆基体纤维布无胶约束混凝土柱，包括混凝土柱和包裹在混凝土柱外的水泥浆基体纤维布，以及两者之间的水泥浆层；在混凝土柱外表面的第一层是厚度不小于5mm的水泥浆层，第二层是包裹在混凝土柱外的沾满水泥浆的纤维布，纤维布两端部裁剪，其中一端裁剪成等间距等长度流苏状，另一端裁剪成对应宽度间距和长度的马牙槎状，马牙槎端在外，与流苏端条带交错搭接，通过水泥浆粘结及纤维布端部重叠区闭合，约束在混凝土柱表面；最外面的第三层是覆盖在纤维布表面的厚度不小于5mm的水泥浆层。

所述的纤维布包括但不限于单层或多层的碳纤维布、玻璃纤维布、芳纶纤维布或玄武岩纤维布。

所述的混凝土柱截面形状包括但不限于圆形、椭圆形、正方形或矩形。

所述的条带交错搭接，搭接长度不小于150mm，搭接条带数不少于20条，每条带搭接宽度不大于100mm。

所述使用多层的碳纤维布、玻璃纤维布、芳纶纤维布或玄武岩纤维布，每层各自闭合，相邻两层闭合的重叠区的位置错开不小于100mm。

本发明具有如下的有益效果：

（1）防火性能优越。当火灾发生时，由于本水泥浆基体纤维布无胶约束混凝土柱中没有可燃易燃的胶黏剂，有效规避了工序复杂而高成本的防火技术的处理，而采用耐火等级为A级（属于不燃性材料）的水泥浆粘结，因而在即使在高温破坏下，外围纤维布依然对结构具有良好的约束作用，不会存在胶黏剂的软化流动等失效问题，延长结构耐火极限，大大减少火灾对结构的破坏。

（2）力学性能良好。混凝土柱受外纤维布的约束，在轴向荷载作用下处于三向受压状态，承载力较素混凝土有显著增强。同时，涂抹的水泥浆的强度不低于被约束的混凝土强度，保证了薄弱区尽量不出现在粘结面层。而且纤维布端部作闭合处理，通过特定的做法要求，使两端交错搭接，能延缓纤维布受拉脱落，具有一定的编织捆绑效果。而且，最后还在上面附加水泥浆层，加强搭接闭合区的牢靠性，保证约束效果。经过相关实验证明，运用这种方法的碳纤维布约束的混凝土柱，其轴压承载力比普通混凝土提高25%以上，延性亦大大增强，约3~4倍，具有很好的抗震效果，适合在地震多发的地区使用。另外，从破坏形态上看，属于受力较大的中部碳纤维布拉断破坏，而闭合区搭接良好，未出现闭合区纤维成片脱落抽离现象，亦表明了此无胶粘贴的方法在工程上应用的可行性。

（3）久性能好。防火涂料、环氧树脂等有机材料，容易受到日常环境的不良影响，如在日晒环境下容易老化、脆化，对建筑的结构承载功能及外表美观也造成影响。而水泥浆作为传统的建筑材料，经受历史的考验，耐久性强，能较好抵抗各种外界日常环境的不良影响。

（4）节约建筑成本。各类防火涂料及胶黏剂的使用，不仅很大程度上增加了建筑成本，而且，即使在未发生火灾的日常使用上，也造成维护费用的加重，未能高效利用材料，不符合节约能源的环保理念。采用本发明介绍的方法，能省去此类涂料使用和维护成本，而水泥浆在建筑中使用广泛，价格低廉。

（5）、施工便捷安全。由于不采用湿粘法将纤维布粘结在混凝土柱上，无需涂底胶、涂面胶、防火处理等一系列的复杂而精度要求高的工序，使用水泥浆分量更便于调配，对现场仪器设备要求低，而且水泥浆相对于各种有机粘结剂，无毒性无刺激性气味，使用时粘性较低，对施工人员身体伤害很小，施工现场易管理，卫生易清洁。

（6）可再生施工，资源循环利用。由于水泥浆终凝时间较长，粘性较低，在未完全干透的情况下，包裹的纤维布还有调整的余地，现场施工灵活。另外，对于使用此方法约束的混凝土构件，可以向回收钢筋一样，将价格高昂的纤维布回收，经过适当加工处理，重新运用的建筑中去，符合资源循环再生的环保理念。

综上所述，本发明利用水泥浆作为粘结材料和纤维基体，避免使用各类易燃易软化的胶黏剂作为连接纤维布与混凝土柱的粘结材料，经济高效地解决纤维布约束混凝土柱因之间的胶黏剂在高温作用下失效破坏而引起的约束效果急速劣化的问题。本发明具有防火耐火、承载力高、延性好、耐腐蚀、抗老化、节约成本、节能环保显著、施工便捷安全等优异性能，且有一定的可再生利用效应，具有较强的实用性和推广价值。

附图说明

利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

图1为本发明水泥浆基体纤维布无胶约束混凝土柱的示意图。

图2为本发明水泥浆基体纤维布无胶约束混凝土柱截面的示意图。

图3为本发明水泥浆基体纤维布无胶约束混凝土柱方法的纤维布端部重叠区闭合处理前两端部示意图。

图4为本发明水泥浆基体纤维布无胶约束混凝土柱方法的纤维布端部重叠区闭合处理后两端部示意图。

图中标号说明：1－混凝土圆柱；2－水泥浆；3－纤维布。

具体实施方式：

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述，需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本发明的核心在于提供一种采用水泥浆基体纤维布无胶约束混凝土柱方法及水泥浆基体纤维布无胶约束混凝土柱，考虑到既然胶黏剂的作用是为了使纤维布附着在混凝土柱表面达到约束效果，本发明从替换非胶黏材料的根源处着手，抛弃使用各类防火性能差、价格昂贵的胶黏剂，而选用混凝土自身胶凝材料——水泥浆，使混凝土和纤维布粘结一体，提高纤维布约束混凝土柱高温下的承载力和耐久性。

本发明应用于碳纤维布约束混凝土柱中，整体效果如图1所示；其组合柱截面如图2所示。本实施例中，浇注的混凝土圆柱1截面直径为150mm，高为300mm。混凝土圆柱1的立方体设计强度为C35，混凝土水灰比为0.539。水泥浆2的水灰比为0.539。纤维布3是从一卷厚度为0.17mm，宽度为500mm的碳纤维布中，沿纤维方向裁成长度为775mm，宽度为300mm的布块。选用上述材料，具体做法如下：

（1）将碳纤维布两端部裁剪成如图3所示，为使用此无胶粘贴方法进行约束混凝土柱的端部重叠区闭合处理做准备。其中一端裁剪成等间距等长度流苏状，每条流苏长度为150mm，宽度为15mm，总条数为20条；另一端裁剪成对应宽度间距和长度的马牙槎状，每条突出（凹入）长度为150mm，宽度为15mm，总条数为20条。

（2）对混凝土圆柱进行表面打磨处理，除去表面松散浮层。

（3）调配好符合要求的水泥浆，搅拌均匀。

（4）将裁剪好的碳纤维布浸润在调好的水泥浆中，使纤维布内外均沾满水泥浆。

（5）在表面处理后的混凝土柱上均匀涂抹水泥浆层5mm，并将浸润后的碳纤维布包裹在混凝土柱外面。

（6）对碳纤维布端部重叠区按图4所示做闭合处理，马牙槎端在外，与流苏端条带交错搭接。

（7）在全柱外围附加覆盖一层水泥浆5mm，放置待干后，即完成水泥浆基体纤维布无胶约束混凝土柱。

本发明的工作原理是：水泥浆具有较好的胶凝作用，能粘结混凝土与纤维布为一体，使纤维布在混凝土外形成可靠约束，限制混凝土横向变形，提高组合柱的承载力和延性。同时，水泥浆属耐火材料，在火灾高温影响下，性能不会明显降低，对核心混凝土同样保持良好的约束效果。

采用此无胶约束混凝土柱的方法的优点在于，具有防火耐火、承载力高、延性好、耐腐蚀、抗老化、节约成本、节能环保显著、施工便捷安全等优异性能，且有一定的可再生利用效应。

上面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，不能理解为对本发明保护范围的限制。

总之，本发明虽然例举了上述优选实施方式，但是应该说明，虽然本领域的技术人员可以进行各种变化和改型，除非这样的变化和改型偏离了本发明的范围，否则都应该包括在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种采用水泥浆基体纤维布无胶约束混凝土柱的制造方法，其特征在于如下步骤：

（1）将纤维布两端部裁剪，其中一端裁剪成等间距等长度流苏状，另一端裁剪成对应宽度间距和长度的马牙槎状；

（2）将混凝土柱表面打磨处理，除去表面松散浮层；

（3）调配水泥浆，搅拌均匀；

（4）将裁剪好的纤维布浸润在调好的水泥浆中，使纤维布内外均沾满水泥浆；

（5）在表面处理后的混凝土柱上均匀涂抹步骤（3）调好的水泥浆，并将浸润后的纤维布包裹在混凝土柱外面；

（6）对纤维布端部重叠区做闭合处理，马牙槎端在外，与流苏端条带交错搭接；

（7）纤维布包裹完成后，在其表面覆盖一层步骤（3）调好的水泥浆，放置待干后即制成水泥浆基体纤维布无胶约束混凝土柱。

2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：所述步骤（3）中的水泥浆水灰比不大于混凝土柱采用的水灰比。

3.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：所述步骤（5）中的水泥浆作为粘结材料，涂抹在混凝土柱表面与纤维布之间，其厚度不小于5mm。

4.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：所述步骤（7）中的水泥浆覆盖的厚度不小于5mm。

5.一种采用如权利要求1所述的制造方法制造的采用水泥浆基体纤维布无胶约束混凝土柱，其特征在于：包括混凝土柱和包裹在混凝土柱外的水泥浆基体纤维布、以及两者之间的水泥浆层；在混凝土柱外表面的第一层是厚度不小于5mm的水泥浆层，第二层是包裹在混凝土柱外的沾满水泥浆的纤维布，纤维布两端部裁剪，其中一端裁剪成等间距等长度流苏状，另一端裁剪成对应宽度间距和长度的马牙槎状，马牙槎端在外，与流苏端条带交错搭接，通过水泥浆粘结及纤维布端部重叠区闭合，约束在混凝土柱表面；最外面的第三层是覆盖在纤维布表面的厚度不小于5mm的水泥浆层。

6.根据权利要求5所述的采用水泥浆基体纤维布无胶约束混凝土柱，其特征在于：所述的纤维布包括单层或多层的碳纤维布、玻璃纤维布、芳纶纤维布或玄武岩纤维布。

7.根据权利要求5所述的采用水泥浆基体纤维布无胶约束混凝土柱，其特征在于：所述的混凝土柱截面形状包括圆形、椭圆形、正方形或矩形。

8.根据权利要求5所述的采用水泥浆基体纤维布无胶约束混凝土柱，其特征在于：所述的条带交错搭接，搭接长度不小于150mm，搭接条带数不少于20条，每条带搭接宽度不大于100mm。

9.根据权利要求6所述的采用水泥浆基体纤维布无胶约束混凝土柱，其特征在于：所述使用多层的碳纤维布、玻璃纤维布、芳纶纤维布或玄武岩纤维布，每层各自闭合，相邻两层闭合的重叠区的位置错开不小于100mm。