CN107447646A - 一种钢‑连续纤维复合筋ecc‑混凝土复合柱/桥墩及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种钢‑连续纤维复合筋ECC‑混凝土复合柱/桥墩及其制备方法，属于建筑结构技术领域。本发明是在普通钢筋混凝土结构的基础上，用SFCB替代容易锈蚀的钢筋，同时引入具有优良的抵抗裂缝变形的能力，裂缝较小，抗拉/压能力、抗腐蚀能力强的ECC，对混凝土柱进行分段、分层设计，距柱/墩底柱截面高度h范围内为全ECC截面，距柱/墩底柱截面高度h以上高度为ECC‑混凝土复合截面，柱子内部是普通混凝土，界面区无需特殊处理技术，综合利用SFCB的耐腐蚀能力和ECC优良的抗压能力、抗侵蚀能力形成承载能力高和耐久性能好的钢‑连续纤维复合筋ECC‑混凝土复合柱/桥墩。

Description

一种钢-连续纤维复合筋ECC-混凝土复合柱/桥墩及其制备 方法

技术领域

本发明涉及一种建筑构件的结构及材料，尤其涉及钢-连续纤维复合筋ECC-混凝土复合柱/桥墩及其制备方法，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。近海岸工程，钢筋混凝土柱/桥墩在海水作用下容易锈蚀，结构耐久性退化。

钢-连续纤维复合筋（Steel Fiber Composite Bar，简称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。近年来SFCB的制备工艺日渐成熟，SFCB及其应用的研究非常活跃，SFCB运用到工程实际中已成为一种趋势。

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

本发明针对普通钢筋混凝土柱/桥墩在海水作用下容易锈蚀、承载能力退化、结构耐久性不足等问题，提供一种钢-连续纤维复合筋ECC-混凝土复合柱/桥墩及其制备方法，旨在提高柱/桥墩的承载力和结构耐久性。

本发明是在普通钢筋混凝土结构的基础上，用SFCB替代容易锈蚀的钢筋，同时引入具有优良的抵抗裂缝变形的能力，裂缝较小，抗拉/压能力、抗腐蚀能力强的工程用水泥基复合材料ECC，对混凝土柱进行分段、分层设计，距柱/墩底柱截面高度h范围内为全ECC截面，距柱/墩底柱截面高度h以上高度为ECC-混凝土复合截面，柱子内部是普通混凝土，界面区无需特殊处理技术，浇筑的步骤为：绑扎钢筋笼——立模板——涂刷脱模剂——将钢筋笼放入模板中——在柱截面高度h处放置挡板——浇筑ECC部分——养护硬化——中间混凝土柱可现场浇筑也可在工厂预制，综合利用SFCB的耐腐蚀能力和ECC优良的抗压能力、抗侵蚀能力形成承载能力高和耐久性能好的钢-连续纤维复合筋ECC-混凝土复合柱/桥墩。

为了实现本发明的上述目的，本发明的技术方案如下：一种钢-连续纤维复合筋ECC-混凝土复合柱/桥墩，包括柱体、纵向受压筋，其特征是，以柱体的截面高度为界限，将柱体分为底部的ECC柱、上部的ECC-混凝土复合柱，所述ECC柱与ECC-混凝土复合柱的截面尺寸相同；所述ECC-混凝土复合柱包括内部的混凝土层、外部的ECC层，所述纵向受压筋为SFCB，置于ECC层内和ECC柱内。

进一步地，所述ECC层的厚度为纵向受压筋混凝土保护层厚度的2倍。

进一步地，所述混凝土层内配筋。

进一步地，所述柱体为方形或圆形。

进一步地，所述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25%~35%、石英砂20%~30%、硅灰12.0%~15.0%、粉煤灰0%~35.0%、水15%~20%、减水剂0.2%~1.2%，所述纤维体积掺量为1.6%~2.4%。

进一步地，所述石英砂的最大粒径不超过0.3 mm；所述的SFCB为S10-C40、S10-C24、S10-B30、S10-B20；所述混凝土强度等级要求在C25~C80；所用的纤维长度为10~15 mm、直径为0.03~0.05 mm、弹性模量为40~50 GPa、抗拉强度为1500~2500 MPa、极限伸长率为6％~15％；所述减水剂为聚羧酸系高性能减水剂。

进一步地，所述纤维为聚乙烯（Polyethylene, PE）纤维，体积掺量为2.0%，所述水泥为P.O.42.5水泥，所述石英砂为100~200目的石英砂。

进一步地，所述ECC的制备方法：先将水泥、石英砂、硅灰、粉煤灰添加到搅拌机料桶内低速搅拌1~3min，使各基体材料分散均匀；再将水和减水剂加入搅拌均匀的混合料中进行搅拌，先低速搅拌1~2 min，再高速搅拌2~3 min，形成均匀的流动状浆体；最后加入PE纤维，高速搅拌6~8 min，搅拌至纤维均匀分散。

上述钢-连续纤维复合筋ECC-混凝土复合柱/桥墩的制备方法，其特征是，

1）根据结构施工图绑扎SFCB及柱中其它配筋，且应符合绑扎要求；

2）工程用水泥基复合材料ECC的浇筑：经步骤1）后，立模板，刷脱模剂，将绑扎好的钢筋笼置于模板中，在柱截面高度h处设置挡板，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，柱截面高度h以下全部浇筑ECC，柱截面高度h以上ECC浇筑厚度是纵向受压筋混凝土保护层厚度的2倍，也可根据实际情况计算确定；

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；或者中间的混凝土柱也可直接在工厂预制，混凝土强度等级在C25~C80；

4）在浇筑现场养护混凝土复合柱/桥墩：在经过步骤3）后，在复合柱/桥墩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者草帘包覆，防止水分过快蒸发；待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和布置在柱子里的SFCB。普通混凝土，其强度等级要求在C25~C80；SFCB可选用国内外厂家生产的各种高强度SFCB，如S10-C40、S10-C24、S10-B30、S10-B20等。SFCB布置在工程用水泥基复合材料ECC层内。ECC成分包括水泥、石英砂、硅灰、粉煤灰、PVA纤维、水和减水剂。各组成成份的重量比为：水泥25%~35%、石英砂20%~30%、硅灰12.0%~15.0%、粉煤灰0%~35.0%、水15%~20%、减水剂0.2%~1.2%、纤维（体积掺量）1.6%~2.4%。所述石英砂的最大粒径不超过0.3 mm；所述的SFCB为S10-C40、S10-C24、S10-B30、S10-B20；所述混凝土强度等级要求在C25~C80；所用的纤维长度为10~15mm、直径为0.03~0.05 mm、弹性模量为40~50 GPa、抗拉强度为1500~2500 MPa、极限伸长率为6％~15％；所述减水剂为聚羧酸系高性能减水剂。高韧性纤维增强水泥基复合材料的制备方法：先将水泥、石英砂、硅灰、粉煤灰添加到搅拌机料桶内干拌，使各基体材料分散均匀；再将水和减水剂加入搅拌均匀的混合料中进行搅拌，形成均匀的流动状浆体；最后加入PE纤维，搅拌至纤维均匀分散。

上述的一种钢-连续纤维复合筋ECC-混凝土复合柱/桥墩主要由两种水泥基材料分段、分层组合而成，其结构要点：柱截面高度以下混凝土全部用工程用水泥基复合材料ECC代替，柱截面高度以上用工程用水泥基复合材料ECC替代柱外围混凝土，柱子内部仍采用普通混凝土。作为一种优选方案，本发明在柱的截面高度以上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压筋混凝土保护层厚度的2倍，也可根据实际情况计算确定。如柱太高（柱高度超过3.5米），则混凝土需分段浇筑、振捣；如柱荷载较大，内部混凝土可配筋（见示意图），具体配筋量根据计算确定。

上述的一种钢-连续纤维复合筋ECC-混凝土复合柱/桥墩中两种水泥基材料的界面无需特殊处理方法。本发明中的纵向受压SFCB布置在工程用水泥基复合材料ECC层内、ECC柱内（见图1）。

本发明的有益效果：普通钢筋混凝土柱/桥墩在海水的侵蚀作用下，混凝土强度下降，钢筋锈蚀导致钢筋截面面积减小，因而导致普通钢筋混凝土柱/桥墩承载力降低，耐久性下降。本发明以SFCB作为纵向受压筋,用工程用水泥基复合材料ECC替代柱截面高度以上柱外围的混凝土，充分发挥SFCB强度高、耐腐蚀和ECC抗腐蚀能力强、强度下降慢等优点，能保护钢筋混凝土不被侵蚀，可以提高混凝土柱的承载力、耐久性。因此，本发明充分利用了SFCB和工程用水泥基复合材料ECC的优良性能，提高结构的承载力和耐久性。

附图说明

图1为本发明圆形柱体的结构示意图；

图2为图1中B-B剖面图；

图3为图1中A-A剖面图；

图4为本发明方形柱体的结构示意图；

图5为图4中B-B剖面图；

图6为图4中A-A剖面图；

图中：1普通混凝土（即混凝土层）、2工程用水泥基复合材料ECC（即ECC层）、3 SFCB、4ECC-混凝土复合柱、5 ECC柱。

具体实施方式

在本发明中，钢-连续纤维复合筋ECC-混凝土复合柱/桥墩包括普通混凝土（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、ECC柱内。另外应根据结构所承担荷载的实际情况适当地在柱中布置其他配筋。

以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。

工程用水泥基复合材料ECC各组分配方重量比为：水泥：硅灰：粉煤灰：水：石英砂：减水剂=(0.25~0.35): (0.12~0.15): (0~0.35):(0.15~0.20):(0.2~0.3): (0.002~0.012)。纤维为聚乙烯（Polyethylene, PE）纤维，体积掺量为2.0%，水泥为P.O.42.5水泥，石英砂为100~200目的石英砂。

工程用水泥基复合材料ECC的制备方法：先将水泥、石英砂、硅灰、粉煤灰添加到搅拌机料桶内低速搅拌1~3min，使各基体材料分散均匀；再将水和减水剂加入搅拌均匀的混合料中进行搅拌，先低速搅拌1~2 min，再高速搅拌2~3 min，形成均匀的流动状浆体；最后加入PE纤维，高速搅拌6~8 min，搅拌至纤维均匀分散。

对于在现场浇筑/预制的一种钢-连续纤维复合筋ECC-混凝土复合柱/桥墩，具体实施步骤如下：

1）根据结构施工图绑扎SFCB及柱中其它配筋，且应符合绑扎要求；

2）工程用水泥基复合材料ECC的浇筑：经步骤1）后，立模板，刷脱模剂，将绑扎好的钢筋笼置于模板中，在柱截面高度h处设置挡板，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，柱截面高度h以下全部浇筑ECC，柱截面高度h以上ECC浇筑厚度是纵向受压筋混凝土保护层厚度的2倍，也可根据实际情况计算确定；

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；或者中间的混凝土柱也可直接在工厂预制，普通混凝土强度等级在C25~C80；

4）在浇筑现场养护混凝土复合柱/桥墩：在经过步骤3）后，在复合柱/桥墩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者草帘包覆，防止水分过快蒸发；待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。

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钢-连续纤维复合筋ECC-混凝土复合柱/桥墩，它可以充分发挥SFCB强度高、耐腐蚀和ECC抗腐蚀能力强、强度下降慢等优点，提高混凝土柱/桥墩的承载力、耐久性，可用作各类建筑、桥梁等结构的受压构件。

Claims (9)

1.一种钢-连续纤维复合筋ECC-混凝土复合柱/桥墩，包括柱体、纵向受压筋，其特征是，以柱体的截面高度为界限，将柱体分为底部的ECC柱、上部的ECC-混凝土复合柱，所述ECC柱与ECC-混凝土复合柱的截面尺寸相同；所述ECC-混凝土复合柱包括内部的混凝土层、外部的ECC层，所述纵向受压筋为SFCB，置于ECC层内和ECC柱内。

2.根据权利要求1所述的一种钢-连续纤维复合筋ECC-混凝土复合柱/桥墩，其特征是，所述ECC层的厚度为纵向受压筋混凝土保护层厚度的2倍。

3.根据权利要求1所述的一种钢-连续纤维复合筋ECC-混凝土复合柱/桥墩，其特征是，所述混凝土层内配筋。

4.根据权利要求1所述的一种钢-连续纤维复合筋ECC-混凝土复合柱/桥墩，其特征是，所述柱体为方形或圆形。

5.根据权利要求1所述的一种钢-连续纤维复合筋ECC-混凝土复合柱/桥墩，其特征是，所述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25%~35%、石英砂20%~30%、硅灰12.0%~15.0%、粉煤灰0%~35.0%、水15%~20%、减水剂0.2%~1.2%，所述纤维体积掺量为1.6%~2.4%。

6.根据权利要求5所述的一种钢-连续纤维复合筋ECC-混凝土复合柱/桥墩，其特征是，所述石英砂的最大粒径不超过0.3 mm；所述的SFCB为S10-C40、S10-C24、S10-B30、S10-B20；所述混凝土强度等级要求在C25~C80；所用的纤维长度为10~15 mm、直径为0.03~0.05 mm、弹性模量为40~50 GPa、抗拉强度为1500~2500 MPa、极限伸长率为6％~15％；所述减水剂为聚羧酸系高性能减水剂。

7.根据权利要求5所述的一种钢-连续纤维复合筋ECC-混凝土复合柱/桥墩，其特征是，所述纤维为聚乙烯纤维，体积掺量为2.0%，所述水泥为P.O.42.5水泥，所述石英砂为100~200目的石英砂。

8.根据权利要求5、6或7所述的一种钢-连续纤维复合筋ECC-混凝土复合柱/桥墩，其特征是，所述ECC的制备方法：先将水泥、石英砂、硅灰、粉煤灰添加到搅拌机料桶内低速搅拌1~3min，使各基体材料分散均匀；再将水和减水剂加入搅拌均匀的混合料中进行搅拌，先低速搅拌1~2 min，再高速搅拌2~3 min，形成均匀的流动状浆体；最后加入聚乙烯纤维，高速搅拌6~8 min，搅拌至纤维均匀分散。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的钢-连续纤维复合筋ECC-混凝土复合柱/桥墩的制备方法，其特征是，

1）根据结构施工图绑扎SFCB及柱中其它配筋，且应符合绑扎要求；

2）工程用水泥基复合材料ECC的浇筑：经步骤1）后，立模板，刷脱模剂，将绑扎好的钢筋笼置于模板中，在柱截面高度h处设置挡板，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，柱截面高度h以下全部浇筑ECC，柱截面高度h以上ECC浇筑厚度是纵向受压筋混凝土保护层厚度的2倍，也可根据实际情况计算确定；

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；或者中间的混凝土柱也可直接在工厂预制，混凝土强度等级在C25~C80；

4）在浇筑现场养护混凝土复合柱/桥墩：在经过步骤3）后，在复合柱/桥墩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者草帘包覆，防止水分过快蒸发；待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。