CN108998694A - 一种超弹性合金局部增强混凝土抗震柱的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种超弹性合金局部增强混凝土抗震柱的制备方法，具体是：以纯铜、纯铝、纯锰等其他纯金属或中间合金为原料制备出Cu‑Al‑Mn‑X超弹性合金作为增强筋条，用于替代混凝土柱子中受弯矩较大的局部区域的钢筋，制成钢筋‑合金结构笼子后并立好模板，以相当于结构笼子质量10～20倍的混凝土浆料浇筑为钢筋‑合金混凝土柱，待养护好后即可获得Cu‑Al‑Mn‑X超弹性合金局部增强混凝土抗震柱。本发明利用超弹性合金的大变形恢复能力和阻尼吸能能力，制备出可以承载地震、飓风、爆炸、地基坍塌等大变形的混凝土柱结构，从而减小生命财产的损失。

Description

一种超弹性合金局部增强混凝土抗震柱的制备方法
技术领域
本发明属于建筑材料领域，特别是一种Cu-Al-Mn-X超弹性合金局部增强混凝土抗震柱的制备方法。
背景技术
地震是对人类危害最大的自然灾害现象，每次地震爆发时都会造成生命财产的直接和间接损失。地震对建筑物的破坏作用是通过地基和基础传递给上部结构的。另外，由于地震产生的惯性力使建筑物受到水平方向的作用力，也会引起建筑物主体结构的破坏。传统钢筋混凝土柱结构可一定程度上抵抗震动能量，但变形超过了钢筋的弹性变形量，则会产生永久的裂纹和破坏，进而造成柱结构甚至上层建筑的坍塌。抗震设防标准是“小震不坏，中震可修，大震不倒”。随着混凝土技术的发展，以及对建筑物安全性、舒适性的要求，混凝土已经向高强度、高智能、多功能方向发展。随着混凝土技术的发展，以及对建筑物安全性，舒适性的要求，混凝土已经向高强度、高智能、多功能目标发展。智能材料的加入为智能混凝土结构的开发和应用提供了重要的思路。超弹性合金是一种集感知与驱动于一体的智能型结构材料，具有超过弹性变形后卸载能恢复原有形状的超弹性特征，且其迟滞回线现象使合金具有高的阻尼吸能性能。如果将这种合金置于土木建筑结构中制成抗震柱结构，利用超弹性的迟滞回线现象和形状恢复现象，不仅能在结构受到大的震动出现变形、裂纹和损伤时，吸收耗散掉较大部分的能量，而且还可以实现结构在大震动中的自愈合，从而显著增加结构的安全可靠性，在大震动中为生命财产安全提供一定保障和缓冲空间。在工程实践中，要求超弹性合金具有高的性价比、高的超弹性和高的阻尼性能。超弹性合金中应用最多的Ni-Ti基合金价格是钢筋的200倍以上，如果考虑经济性很难用于混凝土柱结构的设计和制作中，而目前价格远低于Ni-Ti合金的Cu基超弹性合金在工程上的应用具有取代Ni-Ti合金的潜力。一般Cu基超弹性合金虽然价格低，耐腐蚀性好，但存在记忆性能和强度差的问题，可通过将Cu基超弹性合金的性能进行改善；同时通过对合金增强混凝土柱结构进行优化设计，除了增加传统混凝土柱结构的抗弯曲性能，获得在大的振动及破坏中具有减震抗震且自修复的性能，可进一步降低抗震柱结构的价格。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种超弹性合金局部增强混凝土抗震柱的制备方法，该方法制备的抗震柱兼具优良抗震、自修复和经济性的混凝土柱结构。
本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：
本发明提供的超弹性合金局部增强混凝土抗震柱的制备方法，具体是：以纯铜、纯铝、纯锰等其他纯金属或中间合金为原料制备出Cu-Al-Mn-X超弹性合金作为增强筋条，用于替代混凝土柱子中受弯矩较大的局部区域的钢筋，制成钢筋-合金结构笼子后并立好模板，以相当于结构笼子质量10～20倍的混凝土浆料浇筑为钢筋-合金混凝土柱，待养护好后即可获得Cu-Al-Mn-X超弹性合金局部增强混凝土抗震柱。
所述Cu-Al-Mn-X超弹性合金的成分质量比例为：Al含量为8wt.％～10wt.％，Mn含量为8wt.％～13wt.％，X元素含量为0～3wt.％，其余为Cu；X元素为Fe、Zn、Ni或Ti。
所述超弹性合金局部增强混凝土抗震柱的横截面为矩形、圆形、工字型、L型或者T型中的一种。
本发明可以采用以下方法制备Cu-Al-Mn-X超弹性合金棒材：
步骤(1)制备Cu-Al-Mn-X合金棒材：
采用Cu-Al-Mn-X超弹性合金的合金元素成分质量比例的纯金属为原料，纯金属包括纯铜、纯铝、纯锰、纯锌、纯镍、纯铁，或者采用包括Cu-Mn合金、Cu-Al合金中间合金为原料，经熔炼炉熔炼后，浇注到底部为循环水冷却、四周加热到1000～1100℃的石墨或陶瓷结晶器中，制成直径为100～1000mm，高为200mm～1000mm的Cu-Al-Mn-X超弹性合金铸锭，
采用的热成形工艺：采用热旋锻、热拉拔或热轧制加工方法制成棒材，热加工温度700～800℃；然后加热到700～900℃退火保温0.5～2h后水淬，再采用低温时效处理加热到250～400℃保温10～60min后淬火，最终制备出的合金在室温下具有超弹性应变为5％～9％、屈服强度为300MPa～500MPa的Cu-Al-Mn-X合金棒材，
Cu-Al-Mn-X超弹性合金的合金元素成分质量比例为：
Al含量为8wt.％～10wt.％，Mn含量为8wt.％～13wt.％，X元素含量为0～3wt.％，其余为Cu；其中X元素为Fe、Zn、Ni或Ti；
(2)制备合金筋条：
根据需要，将Cu-Al-Mn-X合金棒材或者线材加工成尺寸满足混凝土结构规范对钢筋的要求的合金筋条，合金筋条表面进行粗糙化处理，增强合金筋条与混凝土浆料的粘接能力；
(3)制作钢筋-合金笼子：
将制备的Cu-Al-Mn-X合金筋条置于钢筋混凝土柱结构受弯矩较大的区域，用来替代混凝土柱中的钢筋；钢筋和合金筋条之间采用焊接、栓接或者螺纹铆接的方法进行连接，相平行的钢筋或合金筋条之间采用细钢制箍筋连接；
(4)制备合金增强混凝土抗震柱：
根据工程需要确定抗震柱的截面并立好模板，检查模板接缝平整后浇筑混凝土浆料，混凝土浆料采用符合普通或者特种混凝土标准的均可，等浆料凝固达到强度的75％后，拆除模板，养护好后即可。
上述步骤(2)中，所述合金筋条表面进行粗糙化处理是：将合金筋条表面通过机加工方式加工出深1mm宽2mm的凹凸小槽，或者进行涂树脂和粗砂的混合物处理，树脂和粗砂的质量比例为1:2～4。
上述步骤(1)中，所述的熔炼方法采用定向凝固法、塑性成型加工或低温时效强化方法。
上述步骤(3)中，所述受弯矩较大的区域是指在普通的混凝土制作中所需的钢筋笼子中用合金筋条替代局部区域的钢筋，这里所述的局部区域是指在整个柱子在应用中，受到横向均布载荷时，在相当于柱子最大弯矩点的70％～100％的跨度区域用合金筋条来替代。
本发明利用超弹性合金的大变形恢复能力和阻尼吸能能力，制备出可以承载地震、飓风、爆炸、地基坍塌等大变形的混凝土柱结构。与现有技术相比具有以下主要优点：
1.制备Cu-Al-Mn-X超弹性合金，用的金属原材料价格及制备成本相比制作常用的Ni-Ti超弹性合金更低；
2.制备的Cu-Al-Mn-X超弹性合金，其超弹性恢复应变能(为5％～9％)达到Ni-Ti合金水平，其屈服强度达到300MPa～500MPa，可以匹配常用的钢筋另外具有回复响应速度快(接近声速)、较好的疲劳性能(可在受力-恢复-受力过程中重复使用上百次)和耐腐蚀性能。
3.所制备的增强合金筋条用于替换混凝土柱结构受弯矩较大的局部区域的钢筋，相比用合金替代全部的钢筋，可以在满足抗震减震的要求上进一步降低柱结构的整体成本；
4.所制备的合金增强混凝土抗震柱，当外加震动载荷到抗震柱上时，受弯矩较大的局部区域会产生裂纹和弯曲变形，由于此处有超弹性合金筋条，在载荷卸掉后，裂纹和弯曲变形会受到超弹性合金的超弹性恢复而自愈，最终使整体柱结构不至于发生明显的残余变形而倒塌。该抗震柱可实现抵挡数十次较大震动载荷变形的能力。震后可自动愈合0～25mm宽的裂纹宽度，裂纹宽度的愈合度达到80％以上，大大降低后期的修复成本。
附图说明
图1是Cu-8.7wt.％Al-10.8wt.％Mn超弹性合金棒材拉伸应力-应变曲线。
图2为合金局部增强混凝土抗震柱的结构示意图。
图3为图2的A-A剖视图。
图4为合金局部增强混凝土抗震柱受震中的响应示意图。
图中：1.Cu-Al-Mn-X超弹性棒材；2.焊接、栓接或者螺纹铆接部分；3.钢筋；4.箍筋；5.混凝土；6.基础；7.裂纹。
具体实施方式
本发明公开的超弹性合金局部增强混凝土抗震柱的制备方法，以Cu-Al-Mn-X(X元素为Fe、Zn、Ni、Ti)超弹性合金作为增强筋条，置于混凝土柱受弯矩较大的局部区域，利用超弹性合金的大变形恢复能力和阻尼吸能能力，制备出可以承载地震、飓风、爆炸、地基坍塌等大变形的混凝土柱结构。其中超弹性合金价格为常用的Ni-Ti合金价格的十五分之一，且超弹性和屈服强度性能可达到Ni-Ti合金水平，具有良好力学性能、响应速度快、较好的疲劳性能和耐腐蚀性能；合金增强的局部区域为柱结构底部和地基接触的受弯矩较大的区域，所需合金长度大概为整个柱长度的15～25％左右，可以在满足抗震减震的要求上进一步降低结构的成本；所制备的合金增强混凝土抗震柱，可实现抵挡较大横向震动载荷的能力。震后可自动愈合0～25mm宽的裂纹，愈合度达到80％以上，修复成本低。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
【实施例1】
一种Cu-8.1wt.％Al-10.7wt.％Mn超弹性合金局部增强混凝土抗震柱的制备方法，其步骤如下：
制备增强合金：采用纯度为99.9％以上的无氧铜、电解铝和电解锰为原料，所述原料的质量比例为81.2:8.1:10.7，制备出直径为20mm，长度为4m的Cu-Al-Mn超弹性合金棒材或者线材产品，该产品在室温下的超弹性应变＝8.3％、屈服强度＝383MPa(图1)。
制备合金筋条：将制备的Cu-Al-Mn合金棒材切成四根直径为20mm，长l0＝1m的棒材，棒材表面涂一层2～3mm的树脂和粗砂的混合物。树脂和粗砂的质量比例为1:2，树脂采用普通的环氧树脂，粗砂的细度模数为3.5。
制作混凝土合金笼子：将制备的4根Cu-Al-Mn合金筋条，分别和4根长5m直径20mm的钢筋采用焊接方式连接起来制成合成筋条，使用钢箍筋编制成宽0.3m、高0.3m、长l＝6m的混凝土合金笼子，确保应用时合金筋条部分置于与地基接触的一端。
制备合金柱结构：立好模板，尺寸为宽0.5m、高0.5m、长l＝6m，检查模板接缝平整后浇筑普通的混凝土浆料，等浆料凝固达到强度的75％后，拆除模板，养护好后即可。待混凝土养护好后，在横向载荷F力的作用下，在柱的底部产生数条3～12mm裂缝7(图4)，卸载后裂缝可回复95％。
【实施例2】
一种Cu-8.7wt.％Al-8.8wt.％Mn-3wt.％Ni超弹性合金局部增强混凝土抗震柱的制备方法，其步骤如下：
制备增强合金：采用纯度为99.9％以上的无氧铜、电解铝和电解锰、电解镍为原料，所述原料的质量比例为79.5:8.7:8.8:3，制备出直径为22mm，长度为4m的Cu-Al-Mn-Ni超弹性合金棒材或者线材产品，该产品室温下的超弹性应变＝7％、屈服强度＝300MPa。
制备合金筋条：将制备的Cu-Al-Mn-Ni合金棒材切成四根直径为22mm，长l0＝2m的棒材，棒材表面采用机加工出一些凹凸的槽子，槽子深1mm，宽2mm。
制作混凝土合金笼子：将制备的4根Cu-Al-Mn-Ni合金筋条，分别和四根长6m直径20mm的钢筋采用焊接方式连接起来制成合成筋条，使用钢箍筋编制成宽0.4m高0.4m长l＝8m的混凝土合金笼子，确保应用时合金筋条部分置于与地基接触的一端。
制备合金柱结构：立好模板，尺寸为直径0.6m长l＝8m，检查模板接缝平整后浇筑普通的混凝土浆料，等浆料凝固达到强度的75％后，拆除模板，养护好后即可。待混凝土养护好后，在横向载荷F力作用下，在柱的底部产生数条3～20mm裂缝7(图4)，卸载后裂缝可回复90％。
【实施例3】
一种Cu-9.7wt.％Al-8.9wt.％Mn-1wt.％Fe超弹性合金局部增强混凝土抗震柱的制备方法，其步骤如下：
制备增强合金：采用纯度为99.8％以上的无氧铜、电解铝和电解锰、电解镍，纯铁为原料所述原料的质量比例为80.3:9.7:9.0:1，制备出直径为20mm，长度为4m的Cu-Al-Mn-Fe超弹性合金棒材或者线材产品，该产品在室温下的超弹性应变＝6％、屈服强度＝400MPa。
制备合金筋条：将制备的Cu-Al-Mn-Fe合金棒材切成四根直径为20mm长l0＝1m的棒材，棒材表面涂一层2～3mm的树脂和粗砂的混合物制成筋条。树脂和粗砂的质量比例为1:3，树脂采用普通的环氧树脂，粗砂的细度模数为3.5。
制作合金-钢筋笼子：将制备的4根Cu-Al-Mn-Fe合金筋条，分别和四根直径20mm长4m的钢筋采用螺纹铆接加焊接的方式连接，使用钢箍筋编制成宽0.3m、高0.3m、长l＝5m的混凝土合金笼子，确保应用时合金筋条部分置于与地基接触的一端。
制备合金柱结构：立好模板，尺寸为直径0.5m长l＝5m，检查模板接缝平整后浇筑普通的混凝土浆料，等浆料凝固达到强度的75％后，拆除模板，养护好后即可。待混凝土养护好后，在横向载荷F力作用下，在柱的底部产生数条2～10mm裂缝7(图4)，卸载后裂缝可回复85％。
由上述实施例制备的Cu-Al-Mn-X超弹性合金局部增强混凝土抗震柱，其结构如图2和图3所示，由下自上依次是Cu-Al-Mn-X超弹性棒材1，焊接、栓接或者螺纹铆接部分2，钢筋3，箍筋4，和混凝土5。该抗震柱矗立在基础6上。
本发明的效果是：当抗震柱在震动中受到横向的集中载荷或者分布载荷时，和基础连接的区域所受的弯矩最大，传统的钢筋柱子容易产生裂纹或永久弯曲变形，但由于本发明的抗震柱在这一区域设置了高强度高超弹性的合金棒材，可以吸收很大的应变能量，而且可以在载荷去除后，自动愈合0～25mm左右的裂纹宽度或者柱子的弯曲变形。可保证柱子连接的整体框架不容易发生倒塌事故。
本发明的特点是：Cu-Al-Mn-X超弹性合金局部增强混凝土抗震柱具有价格低、抗震能力强、阻尼性能好、响应速度快、自修复能力、耐腐蚀性能好等。

Claims (7)

1.一种超弹性合金局部增强混凝土抗震柱的制备方法，其特征是以纯铜、纯铝、纯锰等其他纯金属或中间合金为原料制备出Cu-Al-Mn-X超弹性合金作为增强筋条，用于替代混凝土柱子中受弯矩较大的局部区域的钢筋，制成钢筋-合金结构笼子后并立好模板，以相当于结构笼子质量10～20倍的混凝土浆料浇筑为钢筋-合金混凝土柱，待养护好后即可获得Cu-Al-Mn-X超弹性合金局部增强混凝土抗震柱。
2.根据权利要求1所述超弹性合金局部增强混凝土抗震柱的制备方法，其特征是所述Cu-Al-Mn-X超弹性合金的合金元素成分质量比例为：
Al含量为8wt.％～10wt.％，Mn含量为8wt.％～13wt.％，X元素含量为0～3wt.％，其余为Cu；其中X元素为Fe、Zn、Ni或Ti。
3.根据权利要求1所述超弹性合金局部增强混凝土抗震柱的制备方法，其特征在于该抗震柱的横截面为矩形、圆形、工字型、L型或者T型中的一种。
4.根据权利要求1所述超弹性合金局部增强混凝土抗震柱的制备方法，其特征在于采用以下方法制备Cu-Al-Mn-X超弹性合金棒材：
步骤(1)制备Cu-Al-Mn-X合金棒材：
采用Cu-Al-Mn-X超弹性合金的合金元素成分质量比例的纯金属为原料，纯金属包括纯铜、纯铝、纯锰、纯锌、纯镍、纯铁，或者采用包括Cu-Mn合金、Cu-Al合金中间合金为原料，经熔炼炉熔炼后，浇注到底部为循环水冷却、四周加热到1000～1100℃的石墨或陶瓷结晶器中，制成直径为100～1000mm，高为200mm～1000mm的Cu-Al-Mn-X超弹性合金铸锭，
采用的热成形工艺：采用热旋锻、热拉拔或热轧制加工方法制成棒材，热加工温度700～800℃；然后加热到700～900℃退火保温0.5～2h后水淬，再采用低温时效处理加热到250～400℃保温10～60min后淬火，最终制备出的合金在室温下具有超弹性应变为5％～9％、屈服强度为300MPa～500MPa的Cu-Al-Mn-X合金棒材，
Cu-Al-Mn-X超弹性合金的合金元素成分质量比例为：
Al含量为8wt.％～10wt.％，Mn含量为8wt.％～13wt.％，X元素含量为0～3wt.％，其余为Cu；其中X元素为Fe、Zn、Ni或Ti；
步骤(2)制备合金筋条：
根据需要，将Cu-Al-Mn-X合金棒材或者线材加工成尺寸满足混凝土结构规范对钢筋的要求的合金筋条，合金筋条表面进行粗糙化处理，增强合金筋条与混凝土浆料的粘接能力；
步骤(3)制作钢筋-合金笼子：
将制备的Cu-Al-Mn-X合金筋条置于钢筋混凝土柱结构受弯矩较大的区域，用来替代混凝土柱中的钢筋；钢筋和合金筋条之间采用焊接、栓接或者螺纹铆接的方法进行连接，相平行的钢筋或合金筋条之间采用细钢制箍筋连接；
步骤(4)制备合金增强混凝土抗震柱：
根据工程需要确定抗震柱的截面并立好模板，检查模板接缝平整后浇筑混凝土浆料，混凝土浆料采用符合普通或者特种混凝土标准的均可，等浆料凝固达到强度的75％后，拆除模板，养护好后即可。
5.根据权利要求4所述的超弹性合金局部增强混凝土抗震柱的制备方法，其特征在于步骤(2)中，所述合金筋条表面进行粗糙化处理是：将合金筋条表面通过机加工方式加工出深1mm宽2mm的凹凸小槽，或者进行涂树脂和粗砂的混合物处理，树脂和粗砂的质量比例为1:2～4。
6.根据权利要求4所述的超弹性合金局部增强混凝土抗震柱的制备方法，其特征在于步骤(1)中，所述的合金制备方法采用定向凝固法、塑性成型加工和低温时效强化方法。
7.根据权利要求4所述的超弹性合金局部增强混凝土抗震柱的制备方法，其特征在于步骤(3)中，所述受弯矩较大的区域是指在普通的混凝土制作中所需的钢筋笼子中用合金筋条替代局部区域的钢筋，这里所述的局部区域是指在整个柱子在应用中，受到横向均布载荷时，在弯矩相当于柱子最大弯矩的70％～100％的跨度区域用合金筋条来替代。
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