CN110359724A - 一种仿生树干纤维混凝土梁柱结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及混凝土梁柱，公开一种基于树干结构仿生设计思路的“碳纤维‑聚脲”双约束的纤维混凝土梁柱结构；所述梁柱结构由内向外依次包括纤维混凝土芯体、粘结层、聚脲中间层、浸渍树脂层和碳纤维外层，所述的碳纤维外层与聚脲中间层对内部的纤维混凝土芯体结构进行约束，共同形成梁柱强韧化构型；所述的纤维混凝土芯体通过粘结层与聚脲中间层形成一体，碳纤维外层通过浸渍树脂层粘结在聚脲中间层外部；本发明采用仿生树干结构，对混凝土结构进行强韧优化，与传统钢‑混凝土组合结构相比，基于树干结构“木质基体、形成层、活性韧皮部”特点所设计的C‑P‑C组合构件可衍生出多样化的力学性能和耐久性能。

Description

一种仿生树干纤维混凝土梁柱结构

技术领域

本发明涉及混凝土梁柱，特别是一种基于树干结构仿生设计思路的“碳纤维-聚脲”双约束的纤维混凝土（C-P-C）梁柱结构。

背景技术

目前的建筑用梁柱大多为钢筋混凝土结构或者钢材结构，混凝土是非均质的脆性材料，在发生微小纵向变形时基体内各种材料变形不一致，使得混凝土梁柱由于泊松比效应导致构件开裂，混凝土的脆性破坏限制了混凝土在工程应用上的进一步发展。而且混凝土作为重要的建筑材料，混凝土结构耐久性防护也是面临的一个重要问题。

碳纤维(carbon fiber，简称CF)，是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成，经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维“外柔内刚”，质量比金属铝轻，但强度却高于钢铁，并且具有耐腐蚀、高模量的特性，在国防军工和民用方面都是重要材料。它不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。

碳纤维具有许多优良性能，碳纤维的轴向强度和模量高，密度低、比性能高，无蠕变，非氧化环境下耐超高温，耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小且具有各向异性，耐腐蚀性好，X射线透过性好。良好的导电导热性能、电磁屏蔽性好等。

聚脲是由异氰酸酯组份与氨基化合物组份反应生成的一种弹性体物质，它疏水性极强，对环境湿度不敏感，甚至可以在水(或者冰)上喷涂成膜，在极端恶劣的环境条件下可正常施工，表现特别突出。聚脲涂层柔韧有余、刚性十足、色彩丰富，它致密、连续、无接缝，完全隔绝空气中水分和氧气的渗入，防腐和防护性能无与伦比。它同时具有耐磨、防水、抗冲击、抗疲劳、耐老化、耐高温、耐核辐射等多种功能。

新型结构材料的开发及应用是土木工程技术发展的主要驱动力。新型结构材料往往部分性能非常突出，而其他性能却相对较弱。因此，在土木工程中应用某种新型结构材料时，往往需要将其与其他传统或新型结构材料进行优化组合，以其获得高性能结构。

发明内容

本发明克服现有技术存在的不足，提出了一种基于树干结构仿生设计思路的“碳纤维-聚脲”双约束的纤维混凝土（C-P-C）梁柱结构，解决目前混凝土用于梁柱结构中出现的上述问题。

本发明是通过如下技术方案实现的。

一种仿生树干纤维混凝土梁柱结构，所述梁柱结构由内向外依次包括纤维混凝土芯体、粘结层、聚脲中间层、浸渍树脂层和碳纤维外层，所述的碳纤维外层与聚脲中间层对内部的纤维混凝土芯体结构进行约束，共同形成梁柱强韧化构型；所述的纤维混凝土芯体通过粘结层与聚脲中间层形成一体，碳纤维外层通过浸渍树脂层粘结在所述的聚脲中间层外部，所述的纤维混凝土芯体等效于树干结构中的木质基体为承力部分，所述的聚脲中间层等效于树干结构的形成层组织，作用为保护纤维混凝土芯体防止其受到机械损伤；所述的碳纤维外层等效于树干结构的韧皮部组织，作用为保护内部结构起到加固效果。

进一步优选的，所述的纤维混凝土中含有短纤维。

更优的，所述短纤维为钢纤维或柔性纤维。

进一步优选的，所述的粘结层包括底胶层和找平层，所述的底胶层涂覆在所述的纤维混凝土芯体表面，用于提高所述聚脲中间层与纤维混凝土芯体界面的粘结强度，在所述底胶层上涂覆找平层。

进一步优选的，所述的碳纤维为CFRP管状型材，所述CFRP管状型材用于梁柱预制结构。

进一步优选的，所述的碳纤维为碳纤维布，所述碳纤维布用于梁柱非预制现浇结构。

进一步的，所述的纤维混凝土芯体、聚脲中间层和碳纤维外层的厚度比为10-15:1-5:1-2。

本发明相对于现有技术所产生的有益效果为。

本发明采用一种仿生树干结构，该结构通过碳纤维（Carbon fibre）和聚脲弹性体（Polyurea）对内部混凝土（Concrete）进行约束，形成CPC梁柱强韧化构型，结合了树干构型的优点，对混凝土结构进行强韧优化。与传统钢-混凝土组合结构相比，基于树干结构“木质基体+形成层+活性韧皮部”特点所设计的C-P-C组合构件可衍生出多样化的力学性能和耐久性能。本发明具有的优点和积极效果具体为：

①该仿生树干结构采用碳纤维（Carbon fibre）和聚脲弹性体（Polyurea）双约束层（CP双约束层）提高混凝土梁柱抵抗变形和断裂的能力。高韧性的碳纤维外层在混凝土梁柱的变形和断裂过程中吸收能量，同时提升柱体的强度和塑性。

②CP双约束层能有效提升混凝土的耐久性能。

③聚脲弹性体致密、连续、无接缝等优点使得CPC结构的抗侧向冲击大幅增强，可有效吸收动载能量。

④CPC结构可根据工程需要实现现浇和预制。一种是管状预制，聚脲进行内管壁喷涂，混凝土进行填充（Ⅰ型），一种是包覆非预制（Ⅱ型）。

附图说明

图1为实施例1中CPC梁柱包覆非预制（Ⅱ型）混凝土结构示意图。

图2为实施例1中CPC梁柱包覆非预制（Ⅱ型）混凝土的施工流程图。

图3为实施例2中CPC梁柱预制（Ⅰ型）混凝土结构示意图。

图4为实施例2中CPC梁柱预制（Ⅰ型）混凝土的施工流程图。

其中，1为纤维混凝土芯体，2为底胶层，3为找平层，4为聚脲中间层，5为浸渍树脂，6为碳纤维外层。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，结合实施例和附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。下面结合实施例及附图详细说明本发明的技术方案，但保护范围不被此限制。

实施例1

如图1和图2所示，为一种基于树干结构仿生设计思路的“碳纤维-聚脲”双约束的非预制型（Ⅱ型）纤维混凝土（C-P-C）梁柱结构，由内到外依次为纤维混凝土芯体1、底胶层2、找平层3、聚脲中间层4、浸渍树脂5和碳纤维外层6。纤维混凝土芯体1截面可为圆形或方形，可按工程需要配置钢筋。在纤维混凝土芯体1外面用滚轮毛刷均匀涂抹底胶层2，涂抹量由底胶的品种和混凝土表面状况而定，底胶的浓度较低时，一般用量标准为0.25-0.3kg/㎡。底胶层2干燥后对混凝土表面涂敷修补胶作为找平层3，涂补胶的一般用量为0.5-1.5kg/m²。待涂补胶固化后在其表面均匀喷涂等厚度的聚脲弹性体薄层作为聚脲中间层4，喷涂厚度可在0.5mm-10mm之间进行调整，待聚脲体胶凝且未硬化阶段在其表面涂抹浸渍树脂5，涂敷树脂量应以浸透纤维布为标准，胶不宜多。最外一层为碳纤维外层6，碳纤维外层采用碳纤维布来进行粘贴，在粘贴碳纤维布时必须确定受力方向，纤维粘贴方向与受力方向一致，纤维布要铺设平整，不能褶皱，不能弯曲；浸渍树脂必须用专用滚压轮滚压，并排除气泡。

实施例2

如图3和图4所示，为一种基于树干结构仿生设计思路的“碳纤维-聚脲”双约束的预制型（Ⅰ型）纤维混凝土（C-P-C）梁柱结构，包括纤维混凝土芯体1、聚脲中间层4和碳纤维外层6，采用CFRP复合管材做为碳纤维外层6，在所述CFRP管材内壁喷涂均匀厚度的聚脲弹性体作为聚脲中间层4，喷涂厚度可在0.5mm-10mm之间进行调整，待聚脲凝胶硬化后，将纤维混凝土浇筑于管体内部并养护成型。

与传统钢-混凝土组合结构相比，基于树干结构“木质基体+形成层+活性韧皮部”特点所设计的C-P-C组合构件可衍生出多样化的力学性能和耐久性能。实施例1和2具有的优点和积极效果具体为：该仿生树干结构采用碳纤维（Carbon fibre）和聚脲弹性体（Polyurea）双约束层（CP双约束层）提高混凝土梁柱抵抗变形和断裂的能力。高韧性的碳纤维外层在混凝土梁柱的变形和断裂过程中吸收能量，同时提升柱体的强度和塑性。CP双约束层能有效提升混凝土的耐久性能。聚脲弹性体致密、连续、无接缝等优点使得CPC结构的抗侧向冲击大幅增强，可有效吸收动载能量。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (7)

1.一种仿生树干纤维混凝土梁柱结构，其特征在于，所述梁柱结构由内向外依次包括纤维混凝土芯体、粘结层、聚脲中间层、浸渍树脂层和碳纤维外层，所述的碳纤维外层与聚脲中间层对内部的纤维混凝土芯体结构进行约束，共同形成梁柱强韧化构型；所述的纤维混凝土芯体通过粘结层与聚脲中间层形成一体，碳纤维外层通过浸渍树脂层粘结在所述的聚脲中间层外部，所述的纤维混凝土芯体等效于树干结构中的木质基体为承力部分，所述的聚脲中间层等效于树干结构的形成层组织，作用为保护纤维混凝土芯体防止其受到机械损伤；所述的碳纤维外层等效于树干结构的韧皮部组织，作用为保护内部结构起到加固效果。

2.根据权利要求1所述的一种仿生树干纤维混凝土梁柱结构，其特征在于，所述的纤维混凝土中含有短纤维。

3.根据权利要求2所述的一种仿生树干纤维混凝土梁柱结构，其特征在于，所述短纤维为钢纤维或柔性纤维。

4.根据权利要求1所述的一种仿生树干纤维混凝土梁柱结构，其特征在于，所述的粘结层包括底胶层和找平层，所述的底胶层涂覆在所述的纤维混凝土芯体表面，用于提高所述聚脲中间层与纤维混凝土芯体界面的粘结强度，在所述底胶层上涂覆找平层。

5.根据权利要求1所述的一种仿生树干纤维混凝土梁柱结构，其特征在于，所述的碳纤维为CFRP管状型材，所述CFRP管状型材用于梁柱预制结构。

6.根据权利要求1所述的一种仿生树干纤维混凝土梁柱结构，其特征在于，所述的碳纤维为碳纤维布，所述碳纤维布用于梁柱非预制现浇结构。

7.根据权利要求1所述的一种仿生树干纤维混凝土梁柱结构，其特征在于，所述的纤维混凝土芯体、聚脲中间层和碳纤维外层的厚度比为10-15:1-5:1-2。