CN108484034A - 纤维增强水泥基复合材料混凝土增强约束管及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种纤维增强水泥基复合材料混凝土增强约束管，管体采用纤维增强水泥基复合材料，纤维掺量占水泥的质量百分比3‑8％，纤维的长度1.5～200mm。水泥为强度等级不低于52.5的硅酸盐水泥。有机纤维为聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维、超高分子量聚乙烯纤维、聚乙烯醇纤维、聚酯纤维或聚甲醛纤维。用高效减水剂和水制成浆体，离心成型管体。采用本发明复合材料制备混凝土增强约束管，生产工艺简单，不仅廉价、塑性韧性好，而且耐火、耐腐蚀性好，可代替钢管广泛用于高层建筑中。

Description

纤维增强水泥基复合材料混凝土增强约束管及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种混凝土增强约束管，具体说是一种纤维增强水泥基复合材料混凝土增强约束管及其制备方法，可取代钢质混凝土增强约束管。
背景技术
随着城市化迅速发展，城市人口的高速增长造成建筑用地的高度紧张，以致高层建筑变得越来越多，建筑物的高度也越来越高。在高层建筑中钢管混凝土的应用也越来越广泛。钢管混凝土就是把混凝土灌入钢管中并捣实以加大钢管强度和刚度的结构构件。混凝土的抗压强度高，但抗弯能力很弱。而钢材特别是型钢的抗弯能力强，具有良好的弹塑性，但在受压时容易失稳而丧失轴向抗压能力。钢管混凝土在结构上能够将二者的优点结合在一起，可使混凝土处于侧向受压状态，其抗压强度可成倍提高。同时由于混凝土的存在，提高了钢管的刚度，两者共同发挥作用，从而大大地提高了承载能力。钢管混凝土作为一种新兴的组合结构，主要以轴心受压和作用力偏心较小的受压构件为主，被广泛使用于像厂房和高层建筑的框架结构中。
虽然钢管混凝土承载力高，塑性、韧性好，但是钢管混凝土和其他的组合结构不同，钢管直接暴露于大气中，缺少外围混凝土的直接保护，所以其耐火性和耐腐蚀性较差。钢管锈蚀会降低钢管混凝土的承载力，加快钢管混凝土的变形，严重影响建筑物的使用年限，而且维护成本高。
目前钢管混凝土广泛采用的防火防腐处理的方法有：防火涂料保护、防火板保护、柔性卷材防火保护、在钢材冶炼过程中加铜、铬、镍等合金元素、金属镀层保护、涂层法、阴极保护法等。这些防火防腐的处理方法虽然能够提高钢管混凝土的耐火性和耐久性，但在实际工程应用中还存在着涂料选型不当、涂层起泡不平整、附着力差等问题，不仅提高了工程造价而且严重影响工程质量。
已有大量文献报导在混凝土、砂浆等土木工程材料中掺加纤维可以发挥纤维阻裂、增强、增韧的作用，在保证材料强度的同时获得一定的韧性和延性，是当前极具发展前景的一种材料复合技术。
发明内容
鉴于现有技术存在的上述问题，本发明的目的是客服现有技术存在的缺陷，提供了一种纤维增强水泥基复合材料混凝土增强约束管，可取代钢质混凝土增强约束管，解决钢管混凝土耐火性和耐腐蚀性差的问题，能够满足高层建筑防火和承载力的要求。同时提出了该混凝土增强约束管的制备方法。
本发明的基本思路是：在水泥中掺入细的、短切乱向均匀分布的纤维，可以明显起到防裂、增强和增韧效果，如果基于该技术思路和方法，制备纤维增强水泥基复合材料，用于制备纤维混凝土增强约束管，替代钢质混凝土增强约束管，经过合理的截面设计，可以使其在塑性、韧性、抗拉、抗压强度等方面达到钢管同样的力学性能，而且水泥基纤维混凝土增强约束管是一种无机材料。这种无机材料本身是不燃性建筑材料，在高温下力学性能也不会衰退。只需要增加水泥基纤维增强约束管的壁厚就能够提高地聚合物纤维增强约束管混凝土的力学强度。既解决了钢管混凝土耐火性耐腐蚀性差的问题，又能够达到和钢管混凝土相同的力学强度，而且还能降低工程造价，同时又适用于工业化生产。
本发明为实现发明目的，提出的一种纤维增强水泥基复合材料混凝土增强约束管，其特征是：管体采用纤维增强水泥基复合材料，所述纤维增强水泥基复合材料为水泥中掺入短切乱向均匀分布的有机纤维复合而成，纤维掺量占水泥的质量百分比3-8％，纤维的长度1.5～200mm。
所述的水泥为强度等级不低于52.5的硅酸盐水泥。
所述的有机纤维为聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维、超高分子量聚乙烯纤维、聚乙烯醇纤维、聚酯纤维或聚甲醛纤维。
本发明纤维增强水泥基复合材料混凝土增强约束管的制备方法，其步骤如下：
步骤1.制浆：按下列材料配比进行称量配料，用搅拌机搅拌混合均匀，即得纤维增强水泥基复合材料浆体。
所述纤维增强水泥基复合材料各组分为水泥、有机纤维、高效减水剂和水，其中：
有机纤维与水泥的质量百分比 3-8％；
减水剂掺量与水泥的质量百分比 1-2％
水与水泥的质量比 0.2-0.3。
步骤2.离心成型：采用离心机离心成型的方法，用步骤1制备的纤维增强水泥基复合材料浆体离心成型管体。
具体生产工艺：将管模平置在离心成型机的托轮上组装好外模，同时将搅拌好的纤维增强水泥基复合材料浆体放入喂料机中。外模在离心机上旋转的同时，喂料机伸入模内布料，然后托轮带动管模高速旋转，一部分拌合水被挤出排去，从而使复合材料浆体在离心作用下沿管模内壁挤压密实，形成管体。
步骤3.养护:将步骤2制得的管体带模蒸汽养护设定的时间后脱模或自然养护1天后脱模，继续自然养护至设定的龄期,即得纤维增强水泥基复合材料混凝土增强约束管成品。
在混凝土坍落度基本相同的条件下能大幅度减少拌合水量的外加剂称为高效减水剂，是普遍使用的商购产品。本发明所述的高效减水剂可以为聚羧酸高效减水剂、萘系高效减水剂或脂肪族高效减水剂。
本发明纤维增强水泥基复合材料混凝土增强约束管采用离心工艺制成预制构件，生产工艺简单，不仅廉价、塑性韧性好，而且耐火、耐腐蚀性好，可广泛用于高层建筑中。
(1)具有钢管以及钢管混凝土同样的力学性能
纤维增强水泥基复合材料是在水泥中掺入细的、短切乱向均匀分布的纤维，可以明显起到防裂、增强和增韧效果。用纤维增强水泥基复合材料制备纤维增强约束管替代钢管，经过合理的截面设计，可以使其在塑性、韧性、抗拉、抗压强度等方面达到钢管同样的力学性能。
用纤维增强约束管取代钢管制备混凝土组合结构，纤维增强约束管能使其内部混凝土处于三向受压状态，提高了混凝土的抗压强度；纤维增强约束管内部的混凝土又可以有效地防止纤维增强约束管发生局部屈曲。纤维增强约束管和混凝土之间的相互作用使纤维增强约束管内部混凝土的破坏由脆性破坏转变为塑性破坏，构件的延性性能明显改善，耗能能力大大提高，具有优越的抗震性能。
(2)克服了钢管混凝土不耐火、易腐蚀的缺点
钢管混凝土的钢管外露，外围没有混凝土的保护，受火时钢材软化而丧失力学性能，同时钢管直接暴露于大气中容易发生锈蚀。而纤维增强水泥基复合材料是一种无机非金属材料。这种材料自身不可燃，而且在高温下力学性能也不衰退，也不会发生腐蚀，克服了钢管混凝土不耐火、易腐蚀的缺点。
(3)成本低廉。生产简单方便
纤维增强约束管主要原料为高强水泥，和钢材相比价格低廉，即使通过增大截面尺寸才达到钢管同样的性能，但其综合造价仍比钢管低得多。
纤维增强约束管通过离心成型和自然或蒸汽养护，工艺过程较为简单，有利于工业化生产和推广应用。
(4)施工方便，工期大大缩短
结构施工时，纤维增强约束管可以作为劲性骨架承担施工阶段的施工荷载和结构重量，施工不受混凝土养护时间的影响；由于纤维增强约束管内部没有钢筋，便于混凝土的浇注和捣实；纤维增强约束管混凝土结构施工时，不需要模板，既节省了支模、拆模的材料和人工费用，也节省了时间。
具体实施方式
下面结合实施例(用本发明制备的纤维增强水泥基复合材料混凝土增强约束管和钢管比较)对本发明作进一步说明。
实施咧1：
一、制备纤维增强水泥基复合材料混凝土增强约束管
1)材料配比
水泥为P.O 52.5普通硅酸盐水泥，聚丙烯腈纤维掺量占水泥的质量百分比5％，其长度是6～30mm(可选范围1.5～200mm，6～30mm效果更佳)，聚羧酸高效减水剂掺量占水泥的质量百分比1.8％，水与水泥的质量比(水灰比)0.30。
2)纤维增强水泥基复合材料混凝土增强约束管和钢管的性能参数设计
根据外径、壁厚和管长等参数设计φ250*39*1000、φ256*35*1000和φ276*34*1000(mm*mm*mm)三种规格的纤维增强约束管试件，其编号分别为M1,M2,M3。与之对照，采用和纤维增强约束管外径相同、壁厚不同的φ250*5.5*1000，φ256*5.0*1000和φ276*4.8*1000(mm*mm*mm)三种规格的钢管试件，其编号分别为S1,S2,S3。
3)纤维增强水泥基复合材料混凝土增强约束管的制备
具体制备过程如下：
a)称量配料及混合工艺：按上述原料配方进行称量配料，然后将上述原料放入搅拌机中匀速搅拌即得纤维增强水泥基复合材料浆体；
b)离心工艺：组装好外模，将搅拌所得的原料放入喂料机中。外模在离心机上旋转的同时，喂料机伸入模型布料，然后高速旋转模型使纤维混凝土在离心作用下密实。24小时后脱模，放于户外自然养护28天。
4)纤维增强水泥基复合材料混凝土增强约束管和钢管的力学性能
通过对两种构件管上割下的样条拉伸试验，测得纤维增强水泥基复合材料混凝土增强约束管和钢管的力学性能如表2.1所示。
表2.1钢管和纤维增强管性能表
二、纤维增强水泥基复合材料混凝土增强约束管混凝土构件的制备
1)充填混凝土的配合比及力学性能
充填混凝土的强度等级为C50，混凝土原料组成及其质量百分比如下：胶凝材料为P.O52.5普通硅酸盐水泥(掺量488kg/m3)；细骨料为砂子(掺量767kg/m3)；粗骨料为5～20mm的级配碎石(掺量1051kg/m3)；水(掺量185kg/m3)；聚羧酸高效减水剂(掺量10kg/m3)。采用强制式混凝土搅拌机搅拌制备混凝土拌和物，搅拌后预留三个150*150*150mm的立方体试块，试块与试件养护条件相同，于试件试验当日试压。试验时混凝土龄期均超过40天，详细数据见表2.2。
表2.2混凝土材料性能表
2)纤维增强水泥基复合材料混凝土增强约束管混凝土构件和钢管混凝土构件的制备
纤维增强水泥基复合材料混凝土增强约束管的底端用加固胶粘接10mm厚的钢板堵孔。将纤维增强水泥基复合材料混凝土增强约束管竖直，混凝土自上口灌入，同时用插入式振捣器振捣密实，待纤维增强水泥基复合材料混凝土增强约束管灌满后将管口混凝土抹平，自然养护28天。在试验前用高强水泥砂浆将上端的混凝土表面与纤维增强水泥基复合材料混凝土增强约束管抹平，然后再用加固胶粘接10mm厚的钢板作为盖板。
钢管试件切割车平后，底端用10mm厚的钢板封焊，并保证焊缝的质量。将钢管竖直，混凝土自上口灌入钢管，同时用插入式振捣器振捣密实，待钢管灌满后将管口混凝土仔细抹平，自然养护。在试验前用高强水泥砂浆将上端的混凝土表面与钢管抹平，然后再焊上盖板。
3)纤维增强水泥基复合材料混凝土增强约束管混凝土构件和钢管混凝土构件的性能比较
一方面，参照《现代钢管混凝土结构》中钢管混凝土单肢柱轴向受压承载力的计算方法，分别计算S1,S2,S3和M1,M2,M3的极限承载力N0。
N0--钢管混凝土轴心受压短柱的承载力标准值；
ξ--钢管混凝土的套箍指标；
Ac--钢管内的核心混凝土横截面面积；
fc--核心混凝土的抗压强度标准值；
Ay--钢管的横截面面积；
fy--钢管的屈服极限强度标准值；
另一方面，对试件S1,S2,S3和M1,M2,M3进行轴压试验。轴压试验在中国矿业大学工程结构试验中心万能压力试验机上进行，上、下柱端采用刀口绞加载。试验前，用打磨机将纤维增强管混凝土和钢管混凝土试件顶端打磨平整。试验时对其全程进行了观测。受荷初期，结构的变形和应变都较小，且与荷载成线性变化关系，未有肉眼可见变形。随着荷载不断加大，试件上部一侧板面出现突鼓，逐渐拓展到其他侧面，突鼓逐渐加大，最后钢管圆弧与矩形交界处焊缝上部开裂，停止加载。测得试件轴心受压承载力N。
表2.3轴心受压试件参数
表2.4纤维增强水泥基复合材料混凝土增强约束管混凝土构件和钢管混凝土构件轴心受压承载力的比较
试件编号 S1 S2 S3 M1 M2 M3
计算极限承载力N0(KN) 1547 1579 1794 1292 1380 1648
实测极限承载力N(KN) 1632 1619 1867 1208 1483 1795
从表2.1和表2.4可以看出，虽然M1,M2,M3的抗拉强度和屈服强度远小于S1,S2,S3的抗拉强度和屈服强度。但是通过增大M1,M2,M3的壁厚，不管是计算所得的极限承载力N0还是实验所得的极限承载力N，M1,M2,M3的值与S1,S2,S3的值相差不大。且随着管壁厚度的减小，极限承载力之间的差距越来越小。如果继续增加M1,M2,M3的壁厚，其极限承载力将超过S1,S2,S3的极限承载力。
上述计算结果和试验结果均表明纤维增强水泥基复合材料制备纤维增强约束管替代钢管，经过合理的截面设计，可以使其在塑性、韧性、抗拉、抗压强度等方面达到钢管同样的力学性能。而且克服了钢管混凝土不耐火、易腐蚀的缺点，成本低廉，有利于工业化生产和推广应用。
实施例2:与实施例基本相同，所不同的是：
聚丙烯腈纤维与水泥的质量百分比3％；萘系高效减水剂掺量与水泥的质量百分比1％,水与水泥的质量比0.2。
实施例3:与实施例基本相同，所不同的是：
超高分子量聚乙烯纤维与水泥的质量百分比8％；脂肪族高效减水剂掺量与水泥的质量百分比2％,水与水泥的质量比0.25。
实施例4:与实施例基本相同，所不同的是：采用聚乙烯醇纤维、聚酯纤维或聚甲醛纤维。
实施例5:与实施例基本相同，所不同的是：采用聚酯纤维。
实施例6:与实施例基本相同，所不同的是：采用聚甲醛纤维。

Claims (6)

1.一种纤维增强水泥基复合材料混凝土增强约束管，其特征是：管体采用纤维增强水泥基复合材料，所述纤维增强水泥基复合材料为水泥中掺入短切乱向均匀分布的有机纤维复合而成，纤维掺量占水泥的质量百分比3-8％，纤维的长度1.5～200mm。
2.根据权利要求1所述的纤维增强水泥基复合材料混凝土增强约束管，其特征是：所述的水泥为强度等级不低于52.5的硅酸盐水泥。
3.根据权利要求1所述的纤维增强水泥基复合材料混凝土增强约束管，其特征是：所述的有机纤维为聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维、超高分子量聚乙烯纤维、聚乙烯醇纤维、聚酯纤维或聚甲醛纤维。
4.一种制备权利要求1、2或3所述纤维增强水泥基复合材料混凝土增强约束管的方法，其步骤如下：
步骤1.制浆：按下列材料配比进行称量配料，用搅拌机搅拌混合均匀，即得纤维增强水泥基复合材料浆体；
所述纤维增强水泥基复合材料各组分为水泥、有机纤维、高效减水剂和水，其中：
有机纤维与水泥的质量百分比 3-8％；
减水剂掺量与水泥的质量百分比 1-2％；
水与水泥的质量比 0.2-0.3；
步骤2.离心成型：采用离心机离心成型的方法，用步骤1制备的纤维增强水泥基复合材料浆体离心成型管体；
步骤3.养护:将步骤2制得的管体带模蒸汽养护设定的时间后脱模或自然养护1天后脱模，继续自然养护至设定的龄期,即得纤维增强水泥基复合材料混凝土增强约束管成品。
5.根据权利要求4所述制备权利要求1、2或3所述纤维增强水泥基复合材料混凝土增强约束管的方法，其特征是：所述步骤2离心成型是，将管模平置在离心成型机的托轮上组装好外模，同时将搅拌好的纤维增强水泥基复合材料浆体放入喂料机中；外模在离心机上旋转的同时，喂料机伸入模内布料，然后托轮带动管模高速旋转，一部分拌合水被挤出排去，从而使复合材料浆体在离心作用下沿管模内壁挤压密实，形成管体。
6.根据权利要求4所述制备权利要求1、2或3所述纤维增强水泥基复合材料混凝土增强约束管的方法，其特征是：所述的高效减水剂为聚羧酸高效减水剂、萘系高效减水剂或脂肪族高效减水剂。
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