CN107327078A - 一种新型钢‑连续纤维复合筋ecc‑混凝土复合梁及其制备方法 - Google Patents

一种新型钢‑连续纤维复合筋ecc‑混凝土复合梁及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种新型钢‑连续纤维复合筋ECC‑混凝土复合梁及其制备方法，属于建筑结构技术领域。本发明是在普通钢筋混凝土结构和FRP筋混凝土结构的基础上，引入SFCB和ECC，对混凝土梁截面进行分层设计，将受拉纵筋用SFCB替代，受拉纵筋周围的部分普通混凝土用ECC代替形成钢‑连续纤维复合筋ECC‑混凝土复合梁，受压区混凝土仍采用普通混凝土，界面区无需特殊处理技术，在浇筑ECC后直接浇筑普通混凝土，并以SFCB作为受拉纵筋，综合利用SFCB抗拉强度高、耐腐蚀和ECC优良的抗拉能力，形成承载能力高和耐久性能好的新型钢‑连续纤维复合筋ECC‑混凝土复合梁。

Description

一种新型钢-连续纤维复合筋ECC-混凝土复合梁及其制备 方法
技术领域
本发明涉及一种建筑构件的结构及材料，尤其涉及一种新型钢-连续纤维复合筋ECC-混凝土复合梁及其制备方法，属于建筑结构技术领域。
背景技术
钢筋混凝土结构的耐久性问题一直是土木工程领域的重要研究课题。钢筋混凝土结构中钢筋锈蚀问题十分突出，因钢筋锈蚀导致许多建筑物、桥梁提前破坏，造成巨大的经济损失。FRP筋虽然具有良好的抗腐蚀性能和材料力学性能。但是FRP筋为线弹性材料，不存在类似于钢筋的屈服平台，所以FRP筋混凝土梁的弯曲破坏表现为脆性破坏，延性较差。
一种综合钢筋和FRP筋两种材料优点的新型复合材料：钢-连续纤维复合筋（Steel- Fiber Composite Bar，简称SFCB）。SFCB是一种以钢筋为内芯外包纵向纤维的新型增强复合材料，它同时具有强度高、延性好、弹性模量较高、稳定的二次刚度及优异的耐腐蚀性能等特点。在钢筋外包裹FRP材料，利用FRP材料良好的耐腐蚀性保护钢筋不受侵蚀。由于钢筋有明显的屈服点和较好的延性，使得SFCB也存在屈服点。同时在屈服后，由于FRP材料还发挥着作用使得SFCB有明显的强化阶段。目前，SFCB的制备工艺日渐成熟，SFCB运用到工程实际中已成为一种趋势。
对普通的混凝土受弯梁来说，受拉区混凝土的开裂加快了钢筋的锈蚀，继而造成了混凝土保护层的进一步开裂和剥落。
ECC（Engineered Cementitious Composite，工程用水泥基复合材料）克服了传统水泥基材料在抗拉荷载下的软化性能, 表现出与金属材料类似的伪硬化特征, 可实现传统水泥基材料单一裂纹宏观开裂发展模式向多重微细裂纹稳态开裂模式的转变, 具有显著的非线性变形、优良的韧性和能量吸收能力。
发明内容
本发明提供一种新型钢-连续纤维复合筋ECC-混凝土复合梁及其制备方法，充分利用SFCB强度高、耐腐蚀性、延性好和ECC优良的抗拉性能的特点，旨在解决普通钢筋混凝土梁耐久性能不足和FRP筋混凝土梁延性差、裂缝宽度和挠度大的问题。
本发明是在普通钢筋混凝土结构和FRP筋混凝土结构的基础上，引入强度高、延性好、弹性模量较高、具有稳定的二次刚度的SFCB和具有优良的抗拉能力的工程用水泥基复合材料ECC，对混凝土梁截面进行分层设计，将受拉纵筋（钢筋或者FRP筋）用SFCB替代，受拉纵筋周围的部分普通混凝土用ECC代替形成钢-连续纤维复合筋ECC-混凝土复合梁，受压区混凝土仍采用普通混凝土，界面区无需特殊处理技术，在浇筑ECC后直接浇筑普通混凝土，并以SFCB作为受拉纵筋，综合利用SFCB抗拉强度高、耐腐蚀和ECC优良的抗拉能力，形成承载能力高和耐久性能好的新型钢-连续纤维复合筋 ECC-混凝土复合梁。
为了实现本发明的上述目的，本发明的技术方案如下：一种新型钢-连续纤维复合筋ECC-混凝土复合梁，包括梁体、钢筋骨架，所述梁体分为受压区和受拉区，所述受压区由混凝土制成，所述钢筋骨架包括受拉纵筋、受压纵筋（或者架立钢筋），其特征是，所述受拉区由工程用水泥基复合材料ECC浇筑而成，所述受拉纵筋为钢-连续纤维复合筋，布置在工程用水泥基复合材料ECC中。
进一步地，所述工程用水泥基复合材料层设置在梁体整个纵向长度范围内的受拉区或特定梁段的受拉区；所述特定梁段是指以梁的弯矩控制截面为对称中心且其长度为梁长的1/4-1/2的梁段。
进一步地，所述工程用水泥基复合材料浇筑的厚度是受拉纵筋混凝土保护层厚度的2倍。
进一步地，所述的混凝土强度等级在C15~C80。
进一步地，所述工程用水泥基复合材料ECC成分包括水泥、石英砂、硅灰、粉煤灰、纤维、水和减水剂；各组成成份的重量百分比为：水泥20%~40%、石英砂20%~30%、硅灰10.0%~15.0%、粉煤灰0%~30.0%、水15%~20%、减水剂0%~1.5%，所述纤维体积掺量为1.5%~2.5%。
进一步地，所述石英砂的最大粒径不超过0.3mm；所述减水剂为聚羧酸系高性能减水剂；所述的SFCB可为GFRP、CFRP、AFRP或BFRP；所述石英砂为100~200目的石英砂，水泥采用P.O.42.5水泥。
进一步地，所述纤维为聚乙烯醇（Polyvinyl Alcohol，PVA）纤维，PVA纤维长度为10~15 mm、直径为0.03~0.05 mm、弹性模量为35~55 GPa、抗拉强度为1500~2500 MPa、极限伸长率为8％~12％。
进一步地，所述PVA聚乙烯醇纤维，体积掺量为2.0%。
进一步地，所述工程用水泥基复合材料ECC的制备方法：将水泥、石英砂、硅灰、粉煤灰投入搅拌机低速搅拌1~2 min，使混合料均匀分布；加水，低速搅拌1~2 min；加减水剂，高速搅拌2~3 min至水泥砂浆能够自流平；最后加入纤维高速搅拌6~8 min至纤维分散均匀。
上述新型钢-连续纤维复合筋ECC-混凝土复合梁的制备方法，其特征是，
1）按结构施工图绑扎纵向SFCB受拉主筋、受压钢筋（或架立钢筋）、箍筋等梁中其它钢筋，且应符合绑扎要求；梁端可预埋吊钩，方便后期起吊运输；
2）工程用水泥基复合材料ECC的浇筑：经步骤1）后，在模板上先刷一层脱模剂；将绑扎好的钢筋笼置于模板中，固定好位置，确保钢筋笼在浇筑过程中不发生错位移动；将严格按上述方法制备而成的工程用水泥基复合材料ECC浇筑其中，其浇筑厚度是纵向受拉筋混凝土保护层厚度的2倍，也可根据工程实际情况计算确定；
或者，工程用水泥基复合材料ECC浇筑一特定梁段，其浇筑厚度是纵向受拉筋混凝土保护层厚度的2倍，也可根据实际情况计算确定，长度为梁长的1/4~1/2，梁段宽度与梁相同，且该梁段对称于梁的弯矩控制截面；
3）混凝土的浇筑：在经步骤2）后，浇筑混凝土至充满整个模具，利用振动棒振捣成型；混凝土强度等级在C15~C80；振捣成型后对梁顶面抹平收光，确保复合梁顶面平整；
4）在浇筑现场养护混凝土复合梁：在经过步骤3）后，在复合梁上覆盖土工布或者草帘并洒水，再用塑料布或帆布将土工布或草帘包覆，防止水分过快蒸发；待复合梁上层混凝土终凝后拆除模板，只覆盖土工布或者草帘，定期洒水养护。
本发明包括普通混凝土、工程用水泥基复合材料ECC和布置在普通混凝土、工程用水泥基复合材料ECC中的SFCB，普通混凝土、工程用水泥基复合材料ECC分层组合，混凝土梁的受压区采用普通混凝土，在梁的整个纵向长度范围内或特定梁段的受拉区浇筑工程用水泥基复合材料ECC，在普通混凝土与工程用水泥基复合材料ECC的结合区域界面无需采用特殊处理。
梁的整个纵向长度范围内工程用水泥基复合材料ECC的浇筑厚度是纵向受拉筋混凝土保护层厚度的2倍，也可根据实际情况计算确定；特定梁段是指以梁的弯矩控制截面为对称中心且其长度为梁长的1/4~1/2的梁段，其浇筑厚度是纵向受拉筋混凝土保护层厚度的2倍，也可根据实际情况计算确定。
SFCB可选用国内外厂家生产的各种规格材料SFCB，如外包GFRP、CFRP、AFRP或者BFRP等，布置在工程用水泥基复合材料ECC层内。工程用水泥基复合材料ECC可在梁的整个纵向长度范围内浇筑于梁的受拉区并具有合适的厚度或者浇筑在某一特定梁段的受拉区并具有合适的厚度；所述特定梁段是指对称于梁的弯矩控制截面并具有一定长度的梁段。
本发明的有益效果：本发明以SFCB作为受拉纵筋，用工程用水泥基复合材料ECC取代受拉区部分混凝土以补偿混凝土开裂后不能继续受拉的特点，控制受弯梁在正常使用状态下的变形和裂缝宽度，既可以充分发挥SFCB强度高的优点，减小纵向受拉钢筋用量，节约资源，又可以提高混凝土梁的耐久性。因此，本发明综合、充分利用了SFCB和工程用水泥基复合材料ECC的优良性能，节约建材资源，提高结构耐久性。
附图说明
图1实施例1中普通混凝土和工程用水泥基复合材料ECC的分层形式；
图2为图1中A-A剖面图；
图3为实施例2中普通混凝土和工程用水泥基复合材料ECC的分层形式；
图4为图3中B-B剖面图；
图5为图3中C-C剖面图；
图中：1普通混凝土、2工程用水泥基复合材料ECC、3 SFCB。
具体实施方式
本发明由两种水泥基材料分层组合而成，其结构要点：用工程用水泥基复合材料ECC取代受拉区部分混凝土，受压区混凝土仍采用普通混凝土。作为一种优选方案，本发明在梁的整个纵向长度范围内浇筑工程用水泥基复合材料ECC（见图1），其浇筑厚度是纵向受拉筋混凝土保护层厚度的2倍，也可根据实际情况计算确定。作为另一种优选方案，本发明在某一特定梁段的受拉区浇筑工程用水泥基复合材料ECC（见图3），该某一特定梁段是指以梁的弯矩控制截面为对称中心且其长度为梁长的1/4~1/2的梁段，其浇筑厚度是纵向受拉筋混凝土保护层厚度的2倍，也可根据实际情况计算确定。
另外，本发明中的纵向受力SFCB布置在工程用水泥基复合材料ECC层内（见图1、2、3、4、5）。
如图1、2、3、4、5所示，在本发明中，钢-连续纤维复合筋ECC-混凝土复合梁包括普通混凝土（1）、工程用水泥基复合材料ECC（2）、SFCB（3），其中SFCB布置在工程用水泥基复合材料ECC层内。另外应根据结构所承担荷载的实际情况适当地在梁中布置其他配筋。
以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。
实施例1
工程用水泥基复合材料ECC各组分配方为：水泥：硅灰：粉煤灰：水：石英砂：减水剂=（0.2~0.4）:（0.1~0.15）: （0~0.3）:（0.15~0.2）:（0.2~0.3）:（0~0.0015），其中纤维为PVA聚乙烯醇纤维，体积掺量为2.0%。
工程用水泥基复合材料ECC的制备方法：将水泥、石英砂、硅灰、粉煤灰用搅拌机低速搅拌1 min，使混合料均匀分布；加水低速搅拌1 min；加减水剂，高速搅拌2 min，水泥砂浆能够自流平；最后加入PVA纤维高速搅拌6 min至纤维分散均匀。
对于在现场浇筑/预制的一种新型钢-连续纤维复合筋ECC-混凝土复合梁，具体实施步骤如下：
（1）按结构施工图绑扎纵向SFCB受拉主筋、受压钢筋（或架立钢筋）、箍筋等梁中其它钢筋，且应符合绑扎要求；梁端可预埋吊钩，方便后期起吊运输。
（2）工程用水泥基复合材料ECC的浇筑：经步骤1）后，在模板上先刷一层脱模剂；将绑扎好的钢筋笼置于模板中，固定好位置，确保钢筋笼在浇筑过程中不发生错位移动；将严格按上述方法制备而成的工程用水泥基复合材料ECC浇筑其中，其浇筑厚度是纵向受拉筋混凝土保护层厚度的2倍，也可根据工程实际情况计算确定。
或者，工程用水泥基复合材料ECC浇筑一特定梁段，其浇筑厚度是纵向受拉筋混凝土保护层厚度的2倍，也可根据实际情况计算确定，长度为梁长的1/4~1/2，梁段宽度与梁相同，且该梁段对称于梁的弯矩控制截面。
（3）普通混凝土的浇筑：在经步骤2）后，浇筑普通混凝土至充满整个模具，利用振动棒振捣成型。普通混凝土强度等级在C15~C80；振捣成型后对梁顶面抹平收光，确保复合梁顶面平整。
（4）在浇筑现场养护混凝土复合梁：在经过步骤3）后，在复合梁上覆盖土工布或者草帘并洒水，再用塑料布或帆布等将土工布或者草帘包覆，防止水分过快蒸发；待复合梁上层混凝土终凝后拆除模板，只覆盖土工布或者草帘，定期洒水养护。
实施例2
对于在现场浇筑/预制的一种新型钢-连续纤维复合筋ECC-混凝土复合梁，具体实施步骤如下：
（1）钢筋笼绑扎及放置同实例1。
（2）工程用水泥基复合材料ECC浇筑一特定梁段，其浇筑厚度是纵向受拉筋混凝土保护层厚度的2倍，也可根据实际情况计算确定，长度为梁长的1/4~1/2，梁段宽度与梁相同。且该梁段对称于梁的弯矩控制截面。
（3）浇筑普通混凝土、振捣成型及养护同实施例1。
所有材料用量及相关尺寸均需根据实际工程的需求计算选取。
本发明的目的是提供一种能广泛应用于土木建筑领域的新型钢-连续纤维复合筋ECC-混凝土复合梁，它既可以充分发挥SFCB强度高的优点，减小纵向受拉筋用量，节约资源，又可以提高混凝土梁的耐久性，可用作各类建筑、桥梁等结构的受弯构件。

Claims (10)

1.一种新型钢-连续纤维复合筋ECC-混凝土复合梁，包括梁体、钢筋骨架，所述梁体分为受压区和受拉区，所述受压区由混凝土制成，所述钢筋骨架包括受拉纵筋、受压纵筋，其特征是，所述受拉区由工程用水泥基复合材料ECC浇筑而成，所述受拉纵筋为钢-连续纤维复合筋，布置在工程用水泥基复合材料ECC中。
2.根据权利要求1所述的一种新型钢-连续纤维复合筋ECC-混凝土复合梁，其特征是，所述工程用水泥基复合材料层设置在梁体整个纵向长度范围内的受拉区或特定梁段的受拉区；所述特定梁段是指以梁的弯矩控制截面为对称中心且其长度为梁长的1/4-1/2的梁段。
3.根据权利要求1所述的一种新型钢-连续纤维复合筋ECC-混凝土复合梁，其特征是，所述工程用水泥基复合材料浇筑的厚度是受拉纵筋混凝土保护层厚度的2倍。
4.根据权利要求1所述的一种新型钢-连续纤维复合筋ECC-混凝土复合梁，其特征是，所述的混凝土强度等级在C15~C80。
5.根据权利要求1所述的一种新型钢-连续纤维复合筋ECC-混凝土复合梁，其特征是，所述工程用水泥基复合材料ECC成分包括水泥、石英砂、硅灰、粉煤灰、纤维、水和减水剂；各组成成份的重量百分比为：水泥20%~40%、石英砂20%~30%、硅灰10.0%~15.0%、粉煤灰0%~30.0%、水15%~20%、减水剂0%~1.5%，所述纤维体积掺量为1.5%~2.5%。
6.根据权利要求5所述的一种新型钢-连续纤维复合筋ECC-混凝土复合梁，其特征是，所述石英砂的最大粒径不超过0.3mm；所述减水剂为聚羧酸系高性能减水剂；所述的SFCB可为GFRP、CFRP、AFRP或BFRP；所述石英砂为100~200目的石英砂，水泥采用P.O.42.5水泥。
7.根据权利要求5所述的一种新型钢-连续纤维复合筋ECC-混凝土复合梁，其特征是，所述纤维为聚乙烯醇纤维，该纤维长度为10~15 mm、直径为0.03~0.05 mm、弹性模量为35~55 GPa、抗拉强度为1500~2500 MPa、极限伸长率为8％~12％。
8.根据权利要求5、6或7所述的一种新型钢-连续纤维复合筋ECC-混凝土复合梁，其特征是，所述聚乙烯醇纤维体积掺量为2.0%。
9.根据权利要求8所述的一种新型钢-连续纤维复合筋ECC-混凝土复合梁，其特征是，所述工程用水泥基复合材料ECC的制备方法：将水泥、石英砂、硅灰、粉煤灰投入搅拌机低速搅拌1~2 min，使混合料均匀分布；加水，低速搅拌1~2 min；加减水剂，高速搅拌2~3 min至水泥砂浆能够自流平；最后加入纤维高速搅拌6~8 min至纤维分散均匀。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的新型钢-连续纤维复合筋ECC-混凝土复合梁的制备方法，其特征是，
1）按结构施工图绑扎纵向SFCB受拉主筋、受压钢筋或架立钢筋、箍筋、梁中其它钢筋，且应符合绑扎要求；梁端可预埋吊钩，方便后期起吊运输；
2）工程用水泥基复合材料ECC的浇筑：经步骤1）后，在模板上先刷一层脱模剂；将绑扎好的钢筋笼置于模板中，固定好位置，确保钢筋笼在浇筑过程中不发生错位移动；将严格按上述方法制备而成的工程用水泥基复合材料ECC浇筑其中，其浇筑厚度是纵向受拉筋混凝土保护层厚度的2倍，也可根据工程实际情况计算确定；
或者，工程用水泥基复合材料ECC浇筑一特定梁段，其浇筑厚度是纵向受拉筋混凝土保护层厚度的2倍，也可根据实际情况计算确定，长度为梁长的1/4~1/2，梁段宽度与梁相同，且该梁段对称于梁的弯矩控制截面；
3）混凝土的浇筑：在经步骤2）后，浇筑混凝土至充满整个模具，利用振动棒振捣成型；混凝土强度等级在C15~C80；振捣成型后对梁顶面抹平收光，确保复合梁顶面平整；
4）在浇筑现场养护混凝土复合梁：在经过步骤3）后，在复合梁上覆盖土工布或者草帘并洒水，再用塑料布或帆布将土工布或草帘包覆，防止水分过快蒸发；待复合梁上层混凝土终凝后拆除模板，只覆盖土工布或者草帘，定期洒水养护。
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