CN109098354A - 一种frp管复合筋海砂混凝土柱及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种FRP管复合筋海砂混凝土柱及其制备方法。该混凝土柱包括FRP‑钢复合筋笼、FRP管和混凝土；FRP‑钢复合筋笼由FRP‑钢复合筋和围绕在FRP‑钢复合筋外侧的螺旋箍筋形成；FRP‑钢复合筋包括钢筋和包覆在钢筋外表面的FRP纤维层。混凝土柱受轴向压力时，FRP‑钢复合筋中钢筋发挥其抗压作用；当柱子受偏压时，其中布置的受拉侧的FRP‑钢复合筋不仅可以发挥出FRP材料高抗拉强度的特性而且可以利用到钢筋抗拉强度高、延性好的综合优势，相应的，受压侧的FRP‑钢复合筋中钢筋发挥其抗压作用，弹性模量高、延性好、防腐性能突出，可直接使用未淡化的海水和海砂。

Description

一种FRP管复合筋海砂混凝土柱及其制备方法

技术领域

本发明属于结构工程、桥梁工程、港口及海岛工程领域。更具体地，涉及一种FRP管复合筋海砂混凝土柱及其制备方法。

背景技术

据中国商品混凝土数据统计分析，我国预拌商品混凝土的使用量每年都在高速增长，河砂作为制备混凝土骨料的成分之一，连年的开采已对生态环境造成了严重的破坏。海砂储量大、分布广，采用海砂替代河砂的高性能海砂混凝土材料及结构体系具有广泛的应用前景。但是，海砂中含有的氯离子可腐蚀钢筋钝化薄膜，导致钢筋受力面积减小、力学性能急剧退化，进而引起构件和结构的破坏，使得结构整体承载力下降并导致房屋坍塌等严重工程事故，严重影响其在钢筋混凝土结构当中的使用。长期以来国内外的专家学者一直致力于探索消除海砂中氯离子影响的各种方法和途径的研究，但都未达到理想的效果，因此海砂也由于技术原因一直不能得到有效资源化利用。

如何防止和解决锈蚀问题是工程界和学术界不断致力于解决的问题。目前，可以通过在钢筋表面涂层、增加钢筋的混凝土保护层厚度以及对钢筋混凝土结构进行外加电流阴极保护的方法。但钢筋表面涂层在施工过程中容易破损、增加保护层厚度并不能从根本上解决钢筋锈蚀问题、外加电流的阴极保护法显著增加了工程维护成本。因此，现有的抑制钢筋锈蚀的方法和技术还具有极大的改善空间和发展。

FRP筋（Fiber Reinforced Plastics Bars，纤维复合材料）耐腐蚀、纵向抗拉强度高、质量轻、电磁绝缘性好，但其材料脆性，破坏突然；其应力应变呈线性关系，没有屈服平台，横向强度约为纵向强度的十分之一，所以FRP筋不抗压，不能直接作为柱中纵向受力筋。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服上述现有技术的缺陷和不足，提供一种FRP管复合筋海砂混凝土柱，以海砂代替河砂，以FRP-钢复合筋代替钢筋，其抗拉强度高、弹性模量高、延性好、防腐性能突出。

本发明的另一目的是提供一种FRP管复合筋混凝土柱的制备方法。

本发明上述目的通过以下技术方案实现：

一种FRP管复合筋混凝土柱，包括FRP-钢复合筋笼、套设在FRP-钢复合筋笼外的FRP管、填充在FRP-钢复合筋笼内及其和FRP管之间的混凝土；所述FRP-钢复合筋笼由FRP-钢复合筋和围绕在FRP-钢复合筋外侧的螺旋箍筋形成；所述FRP-钢复合筋包括钢筋和包覆在所述钢筋外表面的FRP纤维层。

外层FRP管提供的环向约束力在显著提高混凝土柱承载力的同时，也保证了混凝土柱整体结构的防腐蚀性能。FRP-钢复合筋和围绕在FRP-钢复合筋外侧的螺旋箍筋形成FRP-钢复合筋笼骨架。

本发明考虑到FRP材料的不足，采用FRP-钢复合筋作为柱中纵向受力筋应用到混凝土柱中，采用这种FRP-钢复合筋的混凝土柱应用到轴压的结构中时，其内芯钢筋可以承担抗压作用；同时，应用到偏压的结构中时，FRP-钢复合筋将兼顾FRP增强混凝土和钢筋增强混凝土的综合优势，其抗拉强度高、弹性模量高、延性好，充分弥补了FRP作为脆性材料的不足。另外，相同直径的FRP-钢复合筋与钢筋相比，自重大为减轻；高强度的包覆层既为结构受拉构件，同时又是功能性防腐构件，彻底解决了钢筋易诱蚀的问题，FRP-钢复合筋笼具备一定延性，可直接用于原始海水和海砂，无需对海砂或海水进行淡化处理，大大提高了海砂的使用率，同时还可避免因钢筋诱蚀所需的后期维护，降低了建筑材料的使用成本，缓解了建筑所用河砂匮乏的情况，具有重要的环保意义。

优选地，所述混凝土为海砂混凝土。

优选地，所述海砂混凝土的强度等级为C30～C60级。

所述海砂混凝土的配制过程中可以完全使用海砂，也可以部分使用海砂；可完全使用海水，也可部分使用海水。所述海砂可为未经淡化处理的海砂。

优选地，所述FRP管为CFRP管、GFRP管或BFRP管。

优选地，所述FRP管为圆管、方管或椭圆管等形状。

优选地，所述FRP-钢复合筋沿FRP管的轴向方向延伸分布。

优选地，所述FRP-钢复合筋笼设于所述FRP管的中心轴线上。

优选地，所述FRP-钢复合筋笼为圆柱体形状。

优选地，所述FRP-钢复合筋中同向设置钢筋与纤维。

优选地，所述FRP-钢复合筋的横截面为圆形。

FRP-钢复合筋混凝土柱的横截面可以为圆形或方形等形状。

优选地，FRP-钢复合筋和螺旋箍筋之间既可通过高强钢丝绑扎形成FRP-钢复合筋笼骨架，也可通过焊接连接形成FRP-钢复合筋笼骨架。

FRP材料垂直于纤维方向的强度较弱，螺旋箍筋的间距偏大或偏小均会同时影响最终得到的FRP-钢复合筋笼及混凝土柱的抗压性能。

优选地，所述螺旋箍筋的间距小于15～20倍FRP-钢复合筋的直径，且大于或等于50 mm。在绑扎骨架中，不应大于15倍FRP-钢复合筋的直径；在焊接骨架中，不应大于20倍FRP-钢复合筋的直径。

更优选地，所述螺旋箍筋的间距为50～100 mm。此时的螺旋箍筋可以较好地约束纵向受力钢筋，同时提高核心区混凝土的受压承载能力。

优选地，所述螺旋箍筋为FRP螺旋箍筋或为外表面设置有纤维布的螺旋钢筋。

所述纤维布为碳纤维布、玻璃纤维布、玄武岩纤维布或芳纶纤维布中的一种或多种，可以防腐蚀。

优选地，所述FRP-钢复合筋笼中FRP-钢复合筋的端部设置有加固箍筋，以进一步提高FRP-钢复合筋笼的约束纵向受力，同时进一步提高核心区混凝土的受压承载能力。

优选地，所述螺旋箍筋为封闭式箍筋。

FRP（纤维增强复合材料）是脆性材料，树脂是塑性材料，相对树脂来说，受荷载作用时纤维的变形很小，可以忽略不计，FRP筋变形主要是由树脂变形引起，变形的大小与树脂含量有关，树脂含量低，其可发生的协调变形小，宏观上表现为试件的延伸率很小，纤维含量的提高对FRP筋本身的强度和模量有很大的提高。

优选地，所述FRP纤维层的厚度为3～7 mm。FRP纤维层若太薄，则无法制作成型。FRP纤维层的厚度为3～7 mm时，在保证承载力足够高的前提下，不至于过度浪费材料。

优选地，所述FRP-钢复合筋中纤维的体积分数为75%～80%。与钢材相比，大部分FRP材料弹性模量较小，约为普通钢筋的25%～75%。纤维的体积分数为75%～80%时，既可以保留其高抗拉强度的优势，又能最大程度的提高FRP-钢复合筋的延性。

所述FRP纤维层中的纤维为防腐FRP纤维。防腐FRP纤维优选为玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维或芳纶纤维中的一种或多种。

优选地，纤维的长度大于或等于钢筋的长度。

优选地，纤维的厚度为0.16～0.19 mm。

更优选地，纤维的厚度为0.17 mm。

优选地，所述钢筋的直径为8～16 mm。

优选地，所述钢筋的强度等级为2～4级。钢筋的直径和强度等级直接影响纵向受力筋的延性。如果钢筋直径过大，会导致复合筋的直径过大，影响复合筋的延性。

优选地，所述钢筋为带肋钢筋。

优选地，所述钢筋设置在FRP-钢复合筋的中心。

优选地，所述FRP-钢复合筋笼中FRP-钢复合筋等间距分布，其间距的大小可根据混凝土柱实际承载力的需要调整。

本发明还提供了上述FRP管复合筋混凝土柱的制备方法，包括以下步骤：

S1. 在钢筋外表面涂刷胶黏剂，从树脂槽中引出已浸渍完全的纤维包裹整个钢筋形成FRP纤维层，得到FRP-钢复合筋。

S2. 将FRP-钢复合筋与螺旋钢筋绑扎或焊接形成FRP-钢复合筋笼，定位FRP管，浇筑混凝土，养护，即可得到FRP管复合筋混凝土柱。

优选地，步骤S1中，形成FRP纤维层后，通过拉挤模具，再通过拉伸机调直，使纤维方向与钢筋方向一致，然后螺旋缠绕纤维后粘砂，静置，得到FRP-钢复合筋。

优选地，所述混凝土的组分包括海砂、海水、水泥和粗骨料。

优选地，所述海砂：海水：水泥：粗骨料的质量比为585.87～685.73：172～205：341.67～452.63：1167.60～1189.50。

优选地，对所述海砂进行去杂质处理（去黏土、去贝壳等）。优选以纯净海砂作为细骨料，以碎石作为粗骨料。

优选地，养护时间为28天。

优选地，所述胶黏剂为耐腐蚀性树脂。所述耐腐蚀性树脂包括但不限于环氧树脂、聚酯树脂。

优选地，涂刷胶黏剂的厚度为0.4～0.6 mm。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明的混凝土柱受到轴向压力时，FRP-钢复合筋中钢筋可以承受压力；一侧偏压，另一侧偏拉时，受拉侧的FRP-钢复合筋中的纤维层和钢筋均可承受较高的抗拉强度，受压侧的FRP-钢复合筋中的钢筋可以承受压力，在保证偏压侧不发生破坏的前提下，受拉侧FRP-钢复合筋有二次刚度的过程体现；混凝土柱在承载力大大提高的同时，能够减少钢筋的使用量，减轻混凝土柱的自重；不仅可以发挥出FRP材料高抗拉强度的特性，而且弹性模量高、延性好，充分弥补了FRP作为脆性材料的不足。

2、FRP管可为混凝土柱提供环向约束力，同时有效提高柱的承载力，并且能与钢筋外表面的FRP纤维层协同抵御外界的酸碱腐蚀，有效提高了混凝土柱的耐久性。

3、螺旋箍筋也能很好地约束FRP-钢复合筋，提高混凝土柱的核心区受压承载能力，应用于混凝土柱中能达到很好的抗压防腐作用。

4、该FRP管复合筋混凝土柱具备一定延性和很好的防腐蚀性能，制备方法简单，可直接使用未淡化的海砂。海砂储量大，开采难度小，运输成本低，以海砂作为基材，可有效解决沿海地区或周围岛礁地区建筑材料缺乏的问题，也避免了过度开采河砂破坏生态环境的现象，有一定的经济效益和社会价值。同时，也可直接使用海水，无需消耗淡水，成本低，环保节约。

附图说明

图1为实施例1的FRP管复合筋海砂混凝土柱的结构示意图。

图2为FRP管复合筋海砂混凝土柱的方形横向截面图。

图3为FRP管复合筋海砂混凝土柱的圆形横向截面图。

图4为FRP-钢复合筋的截面图。

图5为实施例2的FRP管复合筋海砂混凝土柱的结构示意图。

其中，1为FRP-钢复合筋，101为钢筋，102为FRP纤维层，2为螺旋钢筋，3为加固箍筋，4为混凝土，5为FRP管。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非另有说明，本发明实施例采用的原料试剂为常规购买的原料试剂。

实施例1

一种FRP管复合筋海砂混凝土柱，如图1至图3所示，包括FRP-钢复合筋笼、套设在FRP-钢复合筋笼外的FRP管5和填充在FRP-钢复合筋笼内及其和外层FRP管5之间的混凝土4；FRP-钢复合筋笼由FRP-钢复合筋1和围绕在FRP-钢复合筋1外侧的螺旋箍筋2形成。

外层的FRP管5提供的环向约束力在显著提高混凝土柱承载力的同时，也保证了混凝土柱整体结构的防腐蚀性能。FRP-钢复合筋1和围绕在FRP-钢复合筋1外侧的螺旋箍筋2形成FRP-钢复合筋笼骨架。FRP管5为GFRP管。FRP管5可为圆管、方管或椭圆管等形状。FRP-钢复合筋笼为圆柱体形状，沿FRP管5的轴向方向延伸分布，设于FRP管5的中心轴线上。FRP-钢复合筋1的横截面为圆形。该FRP管复合筋混凝土柱的横截面可以为圆形或方形等形状。

如图4所示，该FRP-钢复合筋1包括钢筋101和包覆在钢筋101外表面的FRP纤维层102，钢筋101与FRP纤维层102中的纤维同向设置，所使用的纤维的长度大于或等于钢筋101的长度。FRP-钢复合筋1中纤维的体积分数为75%，既可以保留其高抗拉强度的优势，又能最大程度的提高FRP-钢复合筋的延性。钢筋101为带肋钢筋，设置在FRP-钢复合筋1的中心。

本发明FRP-钢复合筋1和螺旋箍筋2之间既可通过高强钢丝绑扎形成FRP-钢复合筋笼骨架，也可通过焊接连接形成FRP-钢复合筋笼骨架。螺旋箍筋2为外表面包覆有纤维布的螺旋钢筋。

本实施例FRP纤维层102的厚度为5 mm。FRP纤维层102中的纤维为玻璃纤维，其厚度为0.170 mm。纤维布为碳纤维布，纤维布的厚度为0.167 mm。螺旋箍筋2截面直径为10mm，缠绕直径为160 mm，间距为50 mm。FRP-钢复合筋1共6根，间距约为80 mm。FRP管5与FRP-钢复合筋笼的间距为40 mm，FRP管5的直径为200 mm，FRP管5的厚度为4mm，高度为400 mm。该混凝土4可为海砂混凝土；混凝土的强度等级为C30级。海砂混凝土的配制过程中可以完全使用海砂，也可以部分使用海砂；可完全使用海水，也可部分使用海水。海砂可为未经淡化处理的海砂。

根据实验数据分析，当FRP-钢复合筋中钢筋为10 mm的3级带肋钢筋，FRP纤维层的厚度分别为3 mm、5 mm、7 mm时，与仅有内芯10 mm3级带肋钢筋相比，受拉承载力分别提高约1.57、2.47、3.28倍；而且大大提高了结构的耐久性。

实施例2

如图5所示，为了进一步增强FRP管复合筋混凝土柱的综合性能，在实施例1的基础上，在FRP-钢复合筋笼中FRP-钢复合筋1的上下两端设置有加固箍筋3，以进一步提高FRP管复合筋海砂混凝土柱的约束纵向受力，同时进一步提高核心区混凝土的受压承载能力。

实施例3

实施例1的FRP管复合筋海砂混凝土柱的制备方法，包括以下步骤：

S1. 在钢筋外表面涂刷胶黏剂环氧树脂，涂刷胶黏剂的厚度为0.5 mm，从树脂槽中引出已浸渍完全的纤维包裹整个钢筋形成FRP纤维层，通过拉挤模具，再通过拉伸机调直，使纤维方向与钢筋方向一致，然后螺旋缠绕纤维后粘砂，静置，得到FRP-钢复合筋。

S2. 根据具体柱的尺寸及承载力的需要，选用相应直径的FRP-钢复合筋，与一榀FRP螺旋钢筋或外包裹纤维布的螺旋钢筋绑扎形成FRP-钢复合筋笼，定位FRP-钢复合筋笼在FRP管内的位置，浇筑混凝土，养护，即可得到FRP管复合筋混凝土柱。

混凝土的制备方法，包括以下步骤：

1、对海砂进行去杂质处理，以纯净海砂作为细骨料，碎石作为粗骨料；

2、将海砂和碎石投入搅拌机中搅拌5 min，得到砂石混合物；

3、将水泥与砂石混合物混合，搅拌5 min；

4、加入一定量的海水，搅拌均匀后，即可得到海砂混凝土。

其中，混凝土中海砂：海水：水泥：粗骨料的质量比为585.87：205：341.67：1189.50。

实施例4

本实施例其他条件与实施例1相同，唯一不同之处在于，FRP-钢复合筋中纤维的体积分数分别为75%、80%。

当FRP-钢复合筋中纤维的体积分数分别为75%、80%时，制备得到的海砂混凝土柱抗拉强度高、弹性模量高、延性好、防腐性能好。

实施例5

本实施例其他条件与实施例1相同，唯一不同之处在于，钢筋的直径分别为8 mm、16mm。

当FRP-钢复合筋中钢筋的直径分别为8 mm、16 mm时，制备得到的海砂混凝土柱抗拉强度高、弹性模量高、延性好、防腐性能好。

实施例6

本实施例其他条件与实施例3相同，唯一不同之处在于，海砂：海水：水泥：粗骨料的质量比为685.73：172：452.63：1167.60，制备得到的海砂混凝土柱抗拉强度高、弹性模量高、延性好、防腐性能好。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种FRP管复合筋混凝土柱，其特征在于，包括FRP-钢复合筋笼、套设在FRP-钢复合筋笼外的FRP管（5）、填充在FRP-钢复合筋笼内及其和FRP管（5）之间的混凝土（4）；所述FRP-钢复合筋笼由FRP-钢复合筋（1）和围绕在FRP-钢复合筋（1）外侧的螺旋箍筋（2）形成；所述FRP-钢复合筋（1）包括钢筋（101）和包覆在所述钢筋（101）外表面的FRP纤维层（102）。

2.根据权利要求1所述的FRP管复合筋混凝土柱，其特征在于，所述FRP-钢复合筋（1）中纤维的体积分数为75%～80%。

3.根据权利要求1所述的FRP管复合筋混凝土柱，其特征在于，所述钢筋（101）的直径为8～16 mm。

4.根据权利要求1所述的FRP管复合筋混凝土柱，其特征在于，所述螺旋箍筋（2）的间距小于15～20倍FRP-钢复合筋（1）的直径。

5.根据权利要求4所述的FRP管复合筋混凝土柱，其特征在于，所述螺旋箍筋（2）的间距大于50 mm。

6.根据权利要求1所述的FRP管复合筋混凝土柱，其特征在于，所述FRP-钢复合筋笼中FRP-钢复合筋（1）的端部设置有加固箍筋（3）。

7.根据权利要求1所述的FRP管复合筋混凝土柱，其特征在于，所述混凝土（4）为海砂混凝土。

8.权利要求1～7任一所述FRP管复合筋混凝土柱的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1. 在钢筋（101）外表面涂刷胶黏剂，从树脂槽中引出已浸渍完全的纤维包裹整个钢筋（101）形成FRP纤维层（102），得到FRP-钢复合筋（1）；

S2. 将FRP-钢复合筋（1）与螺旋钢筋（2）绑扎或焊接形成FRP-钢复合筋笼，定位FRP管（5），浇筑混凝土（4），养护，即可得到FRP管复合筋混凝土柱。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述混凝土（4）的组分包括海砂、海水、水泥和粗骨料。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述海砂：海水：水泥：粗骨料的质量比为585.87～685.73：172～205：341.67～452.63：1167.60～1189.50。