CN109057170A - 一种基于水泥基粘结介质的纤维增强复合材料连接体系与实施方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于水泥基粘结介质的纤维增强复合材料连接体系，包括全灌浆套筒，全灌浆套筒顶部设有灌浆孔和排浆孔，全灌浆套筒内壁设有剪力键，全灌浆套筒内分别插有第一锚杆和第二锚杆，第一锚杆外套装有用于阻挡全灌浆套筒内浆料流出的第一密封件，第二锚杆外套装有用于阻挡全灌浆套筒内浆料流出的第二密封件，第一锚杆和第二锚杆均由纤维增强复合材料制成；本发明还提供了其实施方法，步骤如下：1)确定锚杆的种类和规格；2)确定浆料的原料和配比；3)确定全灌浆套筒规格；4)连接体系安装；5)灌浆；6)养护处理；本发明使得钢筋和纤维增强复合材料连接更加安全、可靠、高效，且操作简单、耐久性好、适用性广、工程实用性强。
Description
技术领域
本发明涉及纤维增强复合材料的连接技术，特别是涉及一种基于水泥基粘结介质的纤维增强复合材料连接体系与实施方法。
背景技术
灌浆套筒连接方式原用于解决钢筋连接问题，其原理是受力筋从套筒两端开口穿入套筒内部，受力筋与套筒之间灌注微膨胀的水泥基灌浆料，即可完成受力筋的连接。其连接的机理是借助灌浆料受到套筒的围束作用以及其本身具有的微膨胀特性增强其与受力筋、套筒内侧间的正向作用力，由该正向力与粗糙表面产生的摩擦力，来传递应力。目前使用的套筒灌浆料大都以普通水泥浆为粘结介质，普通水泥浆配制、使用简便并具有良好的稳定性和耐久性，但其粘结强度较低导致锚固长度过长，且可灌性受到颗粒尺寸限制。
为了满足现代结构向大跨度、高耸、重载以及在恶劣条件下工作发展的需要，与钢筋相比，纤维增强复合材料FRP(FiberReinforced Polymer)以其轻质、高强、比模量大、稳定性好、抗腐蚀性和耐久性好、热膨胀系数与混凝土接近等特点被越来越广泛地应用于各种工程结构中。其中，纤维材料包括碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维，分别称为CFRP(CarbonFiberReinforced Polymer)、GFRP(Glass FiberReinforced Polymer)、AFRP(AramidFiberReinforced Polymer)。然而，FRP材料不能像钢筋一样采用焊接或直螺纹套筒连接等传统的机械连接方式，故急需一种可靠的连接方式解决其连接问题。
专利文件《一种基于纤维增强塑料筋锚杆与超高性能水泥基粘结锚固介质的岩锚体系的制备方法》(CN102493451B)公开了一种基于纤维增强塑料筋锚杆与超高性能水泥基粘结锚固介质的岩锚体系的制备方法，该制备方法包括以下实施步骤：步骤一、确定锚杆材料及锚固粘结介质；步骤二、设计锚固体系；步骤三、锚具锚固锚杆两端；步骤四、锚杆出厂检验；步骤五、岩锚体系现场安装；步骤六、锚杆张拉；步骤七、封锚。由于本发明岩锚体系采用纤维增强塑料筋作为锚杆、超高性能水泥基材料作为两端粘结介质，采用专门设计的群锚锚具作为地上端锚具、锚杆地下端设计锚具‐锥形帽组合体，发挥了两种高性能材料的优异特征，克服了现存岩锚体系由于钢筋锈蚀、注浆体老化导致的结构耐久性问题。但该装置结构复杂，实施过程繁琐，主要应用在岩锚体系中，应用范围具有局限性。
发明内容
为解决现有技术存在的问题，本发明提出一种结构简单、耐久性好、安全高效的基于水泥基粘结介质的纤维增强复合材料连接体系与实施方法。
本发明包括全灌浆套筒，所述全灌浆套筒顶部设有灌浆孔和排浆孔，所述全灌浆套筒内壁设有剪力键，所述全灌浆套筒内分别插有第一锚杆和第二锚杆，所述第一锚杆外套装有用于阻挡全灌浆套筒内浆料流出的第一密封件，所述第二锚杆外套装有用于阻挡全灌浆套筒内浆料流出的第二密封件，所述第一锚杆和第二锚杆均由纤维增强复合材料制成。
进一步地，所述剪力键的深度为全灌浆套筒内壁与第一锚杆或第二锚杆之间距离的一半。
进一步地，所述剪力键在全灌浆套筒内壁上对称分布，并沿全灌浆套筒轴向方向设有若干列。
进一步地，所述第一密封件和第二密封件外径大于全灌浆套筒内径。
进一步地，所述第一密封件和第二密封件分别固定安装在第一锚杆和第二锚杆上。
进一步地，所述全灌浆套筒、第一锚杆和第二锚杆的轴线重合。
本发明还提供一种基于水泥基粘结介质的纤维增强复合材料连接体系实施方法，包括以下步骤：
1)根据实际需要确定作为连接对象的第一锚杆和第二锚杆的种类和规格；
2)根据实际需要确定浆料的原料和配比；
3)根据步骤1)第一锚杆和第二锚杆的规格及其在浆料中的锚固长度，选用配套的全灌浆套筒规格；
4)将第一锚杆和第二锚杆分别从全灌浆套筒两端插入，按步骤3)中锚固长度要求固定在全灌浆套筒内，并用第一密封件和第二密封件分别对全灌浆套筒进行密封；
5)通过灌浆孔向步骤4)的全灌浆套筒中灌入浆料，振捣浆料，待浆料从排浆孔排出时结束灌浆；
6)对步骤5)完成灌浆的全灌浆套筒进行养护，待其达到要求强度。
进一步地，所述全灌浆套筒、第一锚杆和第二锚杆均水平安装。
进一步地，所述浆料由活性粉末混凝土或高致密超细颗粒材料和膨胀剂制得的浆料干料通过加水搅拌制成。
进一步地，全灌浆套筒的设计长度还根据浆料不同的类型确定。
本发明中活性粉末混凝土RPC(Reactive Powder Concrete)系基于最大密实度理论配制的一种超高性能混凝土，其原理是通过提高其组分的细度与活性、减少内部缺陷，以获得由其组分材料所决定的最大承载力及优异的耐久性。与普通混凝土相比，RPC不含粗骨料(原材料平均粒径在0.1μm到1.0mm之间)，此外，钢纤维的添加、超细颗粒硅灰和石英粉的使用，使得其具有超高的抗压强度(100‐180MPa，含钢纤维能达到更高)和较高的抗拉强度、良好的韧性、优异的耐久性，RPC也由此被视为新一代水泥基材料，有关RPC材料的国家标准《活性粉末混凝土》(GB/T 31387‐2015)已颁布实施。
本发明中高致密超细颗粒材料DSP(Densified Small Particles)的使用原理是利用超细颗粒(如硅灰)填充大颗粒(如水泥颗粒)之间的空隙(两种颗粒间一般相差1‐2个数量级)，大大降低了材料的空隙率，从而达到最紧密堆积状态。相较于普通水泥基灌浆材料，其具有低水胶比、强度高、耐久性好、稳定性好等优点，且具有较好的施工性能。
本发明相对于现有技术，其优点在于：
1、本发明采用具有轻质、高强、比模量大、稳定性好、抗腐蚀性和耐久性好、热膨胀系数与混凝土接近等特点的纤维增强复合材料，可以满足大跨度、高耸、重载以及在恶劣条件下建设发展的需要；使用在土木工程中极具实际应用前景的超高性能水泥基材料‐活性粉末混凝土或高致密超细颗粒均布材料，通过提高组分的细度与活性，使材料内部的缺陷降到最低，可获得由其组分材料所决定的最大承载力及优异的耐久性，具有强度高、韧性大和耐久性好的显著特点。将纤维增强复合材料和活性粉末混凝土或高致密超细颗粒均布材料结合而形成新型纤维增强复合材料连接结构具备可靠和高效的优势，适用性广，工程实用性强。
2、本发明综合纤维增强复合材料和超高性能水泥基材料的特点，重新设计纤维增强复合材料连接体系，包括全灌浆套筒，全灌浆套筒顶部设有灌浆孔和排浆孔，全灌浆套筒内壁设有剪力键，全灌浆套筒内分别插有第一锚杆和第二锚杆，第一锚杆外套装有用于阻挡全灌浆套筒内浆料流出的第一密封件，第二锚杆外套装有用于阻挡全灌浆套筒内浆料流出的第二密封件，第一锚杆和第二锚杆均由纤维增强复合材料制成，该结构克服了纤维增强复合材料连接过程中不能采用焊接或直螺纹套筒连接等传统的机械连接方式的缺点，且结构简单，操作便捷；配合超高性能水泥基材料作为粘结介质，获得更高的粘结强度，使第一锚杆和第二锚杆的锚固长度减少，进而减少套筒的设计长度，全灌浆套筒可以直接选用现有市场上的各种型号套筒，无需特别设计，节约成本。
3、本发明采用纤维增强复合材料作为第一锚杆和第二锚杆，超高性能水泥基材料‐活性粉末混凝土或高致密超细颗粒均布材料作为套筒的粘结介质，使得本发明连接更加安全、可靠、高效，同时操作简单、耐久性好、适用性广、工程实用性强；套筒连接设置密封件具有密封和紧固定位的作用，有利于本发明连接过程连接对象的对正，同时全灌浆套筒内设有剪力键，当连接体系受到的剪力过大时，剪力键能够保证浆料与全灌浆套筒不会发生大滑移，保证稳定性，且能够进行断裂，消除剪力，进而保护本发明的其他部件，延长本发明的使用寿命。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的有关本发明的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明结构示意图。
在图中，1全灌浆套筒，2灌浆孔，3排浆孔，4剪力键，5第一锚杆，6第二锚杆，7浆料，8第一密封件，9第二密封件。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明包括全灌浆套筒1，所述全灌浆套筒1顶部设有灌浆孔2和排浆孔3，所述全灌浆套筒1内壁设有剪力键4，所述全灌浆套筒1内分别插有第一锚杆5和第二锚杆6，所述第一锚杆5外套装有用于阻挡全灌浆套筒1内浆料7流出的第一密封件8，所述第二锚杆6外套装有用于阻挡全灌浆套筒1内浆料7流出的第二密封件9，所述第一锚杆5和第二锚杆6均由纤维增强复合材料制成。
本发明采用具有轻质、高强、比模量大、稳定性好、抗腐蚀性和耐久性好、热膨胀系数与混凝土接近等特点的纤维增强复合材料，可以满足大跨度、高耸、重载以及在恶劣条件下建设发展的需要；第一锚杆5和第二锚杆6均由纤维增强复合材料制成，本发明克服了纤维增强复合材料连接过程中不能采用焊接或直螺纹套筒连接等传统的机械连接方式的缺点，且结构简单，操作便捷；全灌浆套筒1可以直接选用现有市场上的各种型号套筒，无需特别设计，节约成本；套筒连接设置密封件具有密封和紧固定位的作用，防止了浆料7的泄漏，有利于本发明连接过程连接对象的对正，同时全灌浆套筒1内设有剪力键4，当本发明受到的剪力过大时，剪力键4能够保证浆料7与全灌浆套筒1不会发生大滑移，保证稳定性，且能够进行断裂，消除剪力，进而保护本发明的其他部件，延长本发明的使用寿命。
所述剪力键4的深度为全灌浆套筒1内壁与第一锚杆5或第二锚杆6之间距离的一半，相当于剪力键4的深度取全灌浆套筒1内净空的一半，剪力键4与第一锚杆5或第二锚杆6之间有间隙，有利于浆料7在全灌浆套筒1内的流动，方便浆料7对全灌浆套筒1内部进行填充，不会造成填充不完全的的情况产生，减少内部缺陷，保持本发明的稳定性和安全性。
所述剪力键4在全灌浆套筒1内壁上对称分布，并沿全灌浆套筒1轴向方向设有若干列，设置多个剪力键4能够保证浆料7与全灌浆套筒1不会发生大滑移，保证稳定性，且有利于消除各部位的作用剪力，增强保护效果，提高本发明的耐久性。
所述第一密封件8和第二密封件9外径大于全灌浆套筒1内径，方便第一密封件8和第二密封件9对全灌浆套筒1的密封，同时可以达到限定述第一锚杆5和第二锚杆6的锚固长度的作用。
所述第一密封件8和第二密封件9分别固定安装在第一锚杆5和第二锚杆6上，还具有限定锚固长度的作用，有利于第一锚杆5和第二锚杆6的定位。
所述全灌浆套筒1、第一锚杆5和第二锚杆6的轴线重合，相当于全灌浆套筒1、第一锚杆5和第二锚杆6的横截面的圆心位于同一直线上，保持了本发明连接对象之间的对正效果，使本发明更稳定，耐久性更好。
所述灌浆孔2和排浆孔3分别靠近全灌浆套筒1两端，保证了浆料7在灌浆过程中的密实性，减少内部缺陷。
所述第一锚杆5和第二锚杆6之间存在一定的间隙，间隙应大于两锚杆直径的较大值，即间隙大于第一锚杆5或第二锚杆6的直径的较大值，有利于浆料7在全灌浆套筒1内的填充，增强第一锚杆5和第二锚杆6所受到浆料7产生的作用力，使本发明更安全稳定。
所述第一锚杆5和第二锚杆6的直径可以相同，也可以不同，有利于选择合适规格的第一锚杆5和第二锚杆6，扩大适用范围，选取合适的规格的锚杆，节约了成本。
本发明还提供一种基于水泥基粘结介质的纤维增强复合材料连接体系实施方法，包括以下步骤：
1)根据实际需要确定作为连接对象的第一锚杆5和第二锚杆6的种类和规格；
2)根据实际需要确定浆料7的原料和配比；
3)根据步骤1)第一锚杆5和第二锚杆6的规格及其在浆料7中的锚固长度，选用配套的全灌浆套筒1规格；
4)将第一锚杆5和第二锚杆6分别从全灌浆套筒1两端插入，按步骤3)中锚固长度要求固定在全灌浆套筒1内，并用第一密封件8和第二密封件9分别对全灌浆套筒1进行密封；
5)通过灌浆孔2向步骤4)的全灌浆套筒1中灌入浆料7，振捣浆料7，待浆料7从排浆孔3排出时结束灌浆；
6)对步骤6)完成灌浆的全灌浆套筒1进行养护，待其达到要求强度。
所述全灌浆套筒1、第一锚杆5和第二锚杆6均水平安装，有利于浆料7对全灌浆套筒1的灌浆处理，避免了灌浆不均匀的情况发生，减少了本发明的内部缺陷。
所述浆料7由活性粉末混凝土或高致密超细颗粒材料和膨胀剂制得的浆料干料通过加水搅拌制成。
本发明使用在土木工程中极具实际应用前景的超高性能水泥基材料‐活性粉末混凝土或高致密超细颗粒均布材料，通过提高组分的细度与活性，使材料内部的缺陷降到最底，可获得由其组分材料所决定的最大承载力及优异的耐久性，具有强度高、韧性大和耐久性好的显著特点；采用纤维增强复合材料作为第一锚杆5和第二锚杆6，配合超高性能水泥基材料‐活性粉末混凝土或高致密超细颗粒均布材料作为套筒连接的粘结介质，使得本发明更加安全、可靠、高效，同时操作简单、耐久性好、适用性广、工程实用性强。
全灌浆套筒1的设计长度还根据浆料7不同的类型确定，本发明选用超高性能水泥基材料‐活性粉末混凝土或高致密超细颗粒均布材料作为套筒连接的粘结介质，可以使锚固长度降低，进而减少套筒设计长度，节约成本。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。
Claims (10)
1.一种基于水泥基粘结介质的纤维增强复合材料连接体系，其特征在于，包括全灌浆套筒(1)，所述全灌浆套筒(1)顶部设有灌浆孔(2)和排浆孔(3)，所述全灌浆套筒(1)内壁设有剪力键(4)，所述全灌浆套筒(1)内分别插有第一锚杆(5)和第二锚杆(6)，所述第一锚杆(5)外套装有用于阻挡全灌浆套筒(1)内浆料(7)流出的第一密封件(8)，所述第二锚杆(6)外套装有用于阻挡全灌浆套筒(1)内浆料(7)流出的第二密封件(9)，所述第一锚杆(5)和第二锚杆(6)均由纤维增强复合材料制成。
2.如权利要求1所述的基于水泥基粘结介质的纤维增强复合材料连接体系，其特征在于，所述剪力键(4)的深度为全灌浆套筒(1)内壁与第一锚杆(5)或第二锚杆(6)之间距离的一半。
3.如权利要求1所述的基于水泥基粘结介质的纤维增强复合材料连接体系，其特征在于，所述剪力键(4)在全灌浆套筒(1)内壁上对称分布，并沿全灌浆套筒(1)轴向方向设有若干列。
4.如权利要求1所述的基于水泥基粘结介质的纤维增强复合材料连接体系，其特征在于，所述第一密封件(8)和第二密封件(9)外径大于全灌浆套筒(1)内径。
5.如权利要求1所述的基于水泥基粘结介质的纤维增强复合材料连接体系，其特征在于，所述第一密封件(8)和第二密封件(9)分别固定安装在第一锚杆(5)和第二锚杆(6)上。
6.如权利要求1所述的基于水泥基粘结介质的纤维增强复合材料连接体系，其特征在于，所述全灌浆套筒(1)、第一锚杆(5)和第二锚杆(6)的轴线重合。
7.如权利要求1-6任一权利要求所述的基于水泥基粘结介质的纤维增强复合材料连接体系的实施方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)根据实际需要确定作为连接对象的第一锚杆(5)和第二锚杆(6)的种类和规格；
2)根据实际需要确定浆料(7)的原料和配比；
3)根据步骤1)第一锚杆(5)和第二锚杆(6)的规格及其在浆料(7)中的锚固长度，选用配套的全灌浆套筒(1)规格；
4)将第一锚杆(5)和第二锚杆(6)分别从全灌浆套筒(1)两端插入，按步骤3)中锚固长度要求固定在全灌浆套筒(1)内，并用第一密封件(8)和第二密封件(9)分别对全灌浆套筒(1)进行密封；
5)通过灌浆孔(2)向步骤4)的全灌浆套筒(1)中灌入浆料(7)，振捣浆料(7)，待浆料(7)从排浆孔(3)排出时结束灌浆；
6)对步骤5)完成灌浆的全灌浆套筒(1)进行养护，待其达到要求强度。
8.如权利要求7所述的基于水泥基粘结介质的纤维增强复合材料连接体系，其特征在于，所述全灌浆套筒(1)、第一锚杆(5)和第二锚杆(6)均水平安装。
9.如权利要求7所述的基于水泥基粘结介质的纤维增强复合材料连接体系的实施方法，其特征在于，所述浆料(7)由活性粉末混凝土或高致密超细颗粒材料和膨胀剂制得的浆料干料通过加水搅拌制成。
10.如权利要求7所述的基于水泥基粘结介质的纤维增强复合材料连接体系的实施方法，其特征在于，全灌浆套筒(1)的设计长度还根据浆料(7)不同的类型确定。
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