CN110984461B - 一种内置frp筋骨架海水珊瑚骨料混凝土砌块及施工方法 - Google Patents

Abstract

一种内置FRP筋骨架海水珊瑚骨料混凝土砌块及施工方法，属于建筑新型材料及结构领域。混凝土砌块包括珊瑚骨料海水混凝土砌块本体、设在珊瑚骨料海水混凝土砌块本体厚度1/2层面上的FRP筋骨架；珊瑚骨料海水混凝土砌块本体为方形，方形的四个角呈拼接预留孔道的圆弧边，FRP筋外露端位于拼接预留孔道的圆弧边的中央，外露筋端头部预制有用于拼接FRP筋端头为整体的对接凹槽。筋端部预制对接凹槽利用树脂胶合成一个整体,再利用纤维绷带将四个砌块的外延FRP骨架端部进行柔性固定成一个整体,最后利用内掺碳纤维的珊瑚砂浆将圆形预留孔密实,使各个砌块形成一个整体，其结构简单,原料就地取材,材料自身耐久性能良好,经济效益突出。

Description

一种内置FRP筋骨架海水珊瑚骨料混凝土砌块及施工方法

技术领域

本发明涉及一种混凝土砌块及施工方法，尤其是一种适用于土木工程和海洋工程中连锁防护的内置FRP筋骨架海水珊瑚骨料混凝土砌块及施工方法。

背景技术

混凝土砌块已被广泛应用于土木工程和海洋工程，但是对于高温高湿的海洋工程中，由于海岛缺乏普通混凝土的原材料，所以目前采用的手段则是将混凝土砌块在陆地预制加工成型后,再运输到海岛建设地点，其运输成本大，且使用不方便。例如，专利号为CN103046559A公开了应用于海洋工程中的一种内置钢筋骨架连锁防护混凝土砌块, 采用混凝土砌块体、连锁钢筋骨架，通过采取在混凝土砌块体设有对接卯孔孔道,将连锁钢筋骨架置入混凝土砌块体内，骨架钢筋延伸到混凝土砌块体外的对接卯孔孔道内；修建护坡砌体时，相邻混凝土砌块的卯孔孔道对接后形成圆形对接卯孔，使用焊接方法将延伸在圆形对接卯孔内的外露骨架钢筋进行焊接锚固，再用高流动自密实混凝土将圆形对接卯孔灌满封实。然而，这种混凝土砌块应用于堤坝，江河湖泊护堤处，在高湿度环境和水浪冲击作用，混凝土砌块的耐久性存在明显不足，钢筋易被锈蚀，导致钢筋失去其束缚能力而失效，且混凝土砌块需要大量的骨料，尤其是在海岛稀缺资源的情况下，采用传统的普通混凝土和普通砂浆既不经济也不环保。

国内外大多数混凝土砌块多为加气混凝土砌块，即在普通混凝土砌块中加入其他掺合料，对于骨料入手的创新点几乎没有已经公开使用的先例，同样,砌筑砂浆应用普通标准砂也会造成运输复杂,资源稀缺等问题。其次FRP筋连接不同于钢筋,本发明提供了一种新型的FRP筋连接方式。

发明内容

技术问题：本发明的目的是要克服现有技术中的不足之处，提供一种内置FRP筋骨架连锁防护海水珊瑚骨料混凝土砌块。

技术方案：本发明的一种内置FRP筋骨架连锁防护海水珊瑚骨料混凝土砌块，所述的混凝土砌块包括珊瑚骨料海水混凝土砌块本体、设在珊瑚骨料海水混凝土砌块本体厚度1/2层面上的FRP筋骨架；所述的珊瑚骨料海水混凝土砌块本体为方形，方形的四个角呈拼接预留孔道的圆弧边，所述的FRP筋骨架由呈十字形的FRP套管、穿过FRP套管的一根长FRP筋和与长FRP筋成直角套在FRP套管上的两根短FRP筋组合而成，两根短FRP筋套在FRP套管之后的总长度与一根长FRP筋的长度相等，长FRP筋和短FRP筋走向沿全珊瑚骨料海水混凝土砌块本体立面对角线方向布置，外露端位于拼接预留孔道的圆弧边的中央，外露端头部预制有用于拼接FRP筋端头为整体的对接凹槽。

所述方形的四个角呈拼接预留孔道的圆弧直径不大于1/3珊瑚骨料海水混凝土砌块本体的边长,不小于50mm。

所述的长FRP筋和短FRP筋的直径d为12mm，抗拉强度为500MPa。

所述的珊瑚骨料混凝土砌块本体的厚度不小于200mm。

一种使用上述内置FRP筋骨架连锁防护海水珊瑚骨料混凝土砌块的施工方法,包括如下步骤：

a. 制备珊瑚骨料海水混凝土，按质量百分比配料：普通硅酸盐水泥25.6%-27.5%，珊瑚礁石25.6%-31.3%，珊瑚砂31.8%-36.2%，海水量10.4%-11.6%,减水剂0.9%-1.6%配制立方体抗压强度大于40MPa的珊瑚骨料海水混凝土，其中，珊瑚礁石经破碎后颗径宜选用5-20mm,珊瑚砂的颗径宜选用0-5mm；

b.制备FRP筋骨架：按设计尺寸要求加工好FRP套管、长FRP筋和短FRP筋，用FRP套管连接长FRP筋和短FRP筋，先在FRP套管内充入添加了CaO类膨胀剂的水泥基材料，然后依次将长FRP筋和短FRP筋穿套在FRP套管上，套管膨胀被约束后产生内压使FRP构件之间锚固，添加CaO类膨胀剂的水泥基材料硬化之后与FRP筋材、套管之间形成较强的摩擦力，增强锚固效果；

c.用制备好的珊瑚骨料海水混凝土按设计尺寸制备海水珊瑚骨料混凝土砌块，在每个珊瑚骨料海水混凝土砌块本体厚度1/2层面上放置预先制备好的FRP筋骨架，与砌块一次性浇筑成型,FRP筋骨架中的长FRP筋和短FRP筋走向沿全珊瑚骨料海水混凝土砌块本体(1)立面对角线方向布置，外露端位于拼接预留孔道的圆弧边的中央；

d. 按顺序铺设护坡，将制备好的海水珊瑚骨料混凝土砌块拼接铺设，使铺设连接的每个砌块的四个圆弧边均围成拼接预留孔道；

e. 在所围成的拼接预留孔道中，外露的长FRP筋和短FRP筋两两相对，先用树脂将两两相对的端部预制对接凹槽 的FRP筋胶合成一个整体，再用纤维绷带 连接包扎后组合成一个完整的节点，最后用掺有碳纤维的珊瑚砂浆将拼接预留孔道灌满密实。

有益效果，本发明结合国内外研究现状以及中国的海洋战略，从材料着手，增强砌块结构的耐久性及减少其工程造价，极大程度上实现绿色环保安全。利用海洋中的珊瑚骨料制作混凝土砌块,就地取材，尤其适用于高温高湿的海洋工程中,可避免目前采用的将混凝土砌块在大陆加工成型,再运输到海岛建设地点,造成运输成本大,使用不方便的问题。采用珊瑚石珊瑚砂代替普通骨料制备珊瑚骨料海水混凝土砌块，减少了运输成本低，提高了经济效益；利用具有优良的耐腐蚀性能FRP筋代替钢筋，从根本上解决了目前的钢筋混凝土结构中钢筋锈蚀问题,使得结构耐久性有所提高,能确保处于高温高湿高盐的恶劣环境下建筑工程的可靠性，避免复杂的后期维护，无磁性环境从而满足特殊需要；在混凝土砌块内置FRP骨架，利用FRP套管使两根通长FRP筋锚固,使之成为一个整体，以减少受拉压破坏等问题；砌块设有连接孔道，由于FRP筋不能通过焊接连接在一起，并且防止局部强度过低，孔道内四根FRP筋两两端部利用树脂将对接凹槽拼接粘合后再采用纤维绷带固定成一个整体，最后利用内掺碳纤维的珊瑚砂浆灌满密实,使其整体性较好,不易在砌块黏结薄弱处发生破坏。通过使用全珊瑚骨料海水混凝土，做到用珊瑚石和珊瑚砂代替普通骨料，用海水代替淡水进行拌制混凝土，FRP筋材具有优良的抗电磁干扰特性和耐腐蚀性能，在位于恶劣环境下的建筑物以及对电磁干扰有特殊要求的建筑物中使用效果要明显优于钢筋，与现有技术相比，其优点在于:

(1)材料就地取材,运输方便,经济绿色,混凝土中全珊瑚骨料代替普通骨料,海水代替淡水;水泥砂浆中珊瑚砂代替标准砂;套管连接处利用添加了CaO类膨胀剂的水泥基材料等有益于开发,就地取材,适用于工程实际；

(2)材料耐久性好,对于海洋土木工程,维护是关键,用FRP筋材全面代替钢筋,可以有效的避免钢筋锈蚀所引起的耐久性不足的问题。此外,在岛礁建设,考虑到普通钢筋的电磁干扰,用FRP筋可以避免干扰问题,具有一定的战略意义；

(3)FRP筋连接方式更加牢固,对于FRP筋连接一直是一个较为棘手的工程问题,利用FRP筋端部预制对接凹槽胶合成整体,使得FRP筋的连接更具有整体性,一定程度上缓解了FRP筋搭接产生的应力集中,再通过纤维绷带固定成为一个完整独立的具有能控制六个自由度的柔性节点，其次FRP套管添加了CaO类膨胀剂的水泥基材料代替普通胶合剂连接,依靠较强的摩擦力保证有效的锚固。

附图说明

图1是本发明的内置FRP筋海水珊瑚骨料砌块示意图。

图2是本发明的FRP筋骨架结构示意图。

图3是本发明的FRP筋连接处FRP套管示意图。

图4是本发明的孔道处纤维绷带固定及珊瑚砂浆处理示意图。

图5是本发明的四根FRP筋端头凹槽对接结构示意图。

图6是本发明的铺设海礁护堤的内置FRP筋珊瑚骨料海水混凝土砌块布置示意图。

图中:1-全珊瑚骨料海水混凝土砌块本体；2-FRP筋套管；3-FRP筋骨架；4-圆弧边；5-长FRP筋；6-短FRP筋；7-添加CaO类膨胀剂的水泥基材料；8-纤维绷带；9-珊瑚砂浆；10-对接凹槽。

具体实施方式

本发明一种内置FRP筋骨架连锁防护海水珊瑚骨料混凝土砌块，包括珊瑚骨料海水混凝土砌块本体1、设在珊瑚骨料海水混凝土砌块本体1厚度1/2层面上的FRP筋骨架3；所述的珊瑚骨料海水混凝土砌块本体1为方形，方形的四个角呈拼接预留孔道的圆弧边4，所述的FRP筋骨架3由呈十字形的FRP套管2、穿过FRP套管2的一根长FRP筋5和与长FRP筋5成直角套在FRP套管2上的两根短FRP筋6组合而成，两根短FRP筋6套在FRP套管2之后的总长度与一根长FRP筋5的长度相等，长FRP筋5和短FRP筋6走向沿全珊瑚骨料海水混凝土砌块本体1立面对角线方向布置，外露端位于拼接预留孔道的圆弧边4的中央，外露端头部预制有用于拼接FRP筋端头为整体的对接凹槽10。

所述方形的四个角呈拼接预留孔道的圆弧边4不大于1/3珊瑚骨料海水混凝土砌块本体1的边长,不小于50mm；所述的长FRP筋5和短FRP筋6的直径d为12mm，抗拉强度为500MPa；所述的珊瑚骨料混凝土砌块本体1的厚度不小于200mm。

一种使用上述内置FRP筋骨架连锁防护海水珊瑚骨料混凝土砌块的施工方法，包括如下步骤：

a. 制备珊瑚骨料海水混凝土，按质量百分比配料：普通硅酸盐水泥25.6%-27.5%，珊瑚礁石25.6%-31.3%，珊瑚砂31.8%-36.2%，海水量10.4%-11.6%,减水剂0.9%-1.6%配制立方体抗压强度大于40MPa的珊瑚骨料海水混凝土，其中，珊瑚礁石经破碎后颗径宜选用5-20mm,珊瑚砂的颗径宜选用0-5mm；

b.制备FRP筋骨架3：按设计尺寸要求加工好FRP套管2、长FRP筋5和短FRP筋6，用FRP套管2连接长FRP筋5和短FRP筋6，先在FRP套管2内充入添加了CaO类膨胀剂的水泥基材料7，然后依次将长FRP筋5和短FRP筋6穿套在FRP套管2上，套管膨胀被约束后产生内压使FRP构件之间锚固，添加CaO类膨胀剂的水泥基材料硬化之后与FRP筋材、套管2之间形成较强的摩擦力，增强锚固效果；

c.用制备好的珊瑚骨料海水混凝土按设计尺寸制备海水珊瑚骨料混凝土砌块，在每个珊瑚骨料海水混凝土砌块本体1厚度1/2层面上放置预先制备好的FRP筋骨架3，与砌块一次性浇筑成型,FRP筋骨架3中的长FRP筋5和短FRP筋6走向沿全珊瑚骨料海水混凝土砌块本体1立面对角线方向布置，外露端位于拼接预留孔道的圆弧边4中央；

d. 按顺序铺设护坡，将制备好的海水珊瑚骨料混凝土砌块拼接铺设，使铺设连接的每个砌块的四个圆弧边4围成拼接预留孔道；

e. 在所围成的拼接预留孔道中，外露的长FRP筋5和短FRP筋6两两相对，先用树脂将两两相对的端部预制对接凹槽10 的FRP筋胶合成一个整体，再用纤维绷带8 连接包扎后组合成一个完整的节点，最后用掺有碳纤维的珊瑚砂浆9将连接孔道灌满密实。

下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述：

如图1所示，以正方形混凝土护坡砌块(500*500*200)为例,该尺寸为例应用于海岛岛礁护坡使用不局限于此。

如图1至图5所示, 内置FRP筋骨架海水珊瑚骨料砌块,砌块本体1的厚度1/2处内置有FRP筋骨架3,砌块四处边角预留的拼接预留孔道的圆弧边4,FRP筋骨架3的FRP筋沿对角线方向超出砌块主体，位于拼接预留孔道的圆弧边4的中央。

如图1所示,所述的珊瑚骨料砌块本体选择强度大于40MPa混凝土强度的全珊瑚骨料海水混凝土浇筑, 全珊瑚骨料海水混凝土是由珊瑚礁、珊瑚砂、水泥、海水、外加剂按一定比例配制而成。混凝土配合比按质量比例组成：普通硅酸盐水泥25.6%-27.5%，珊瑚礁石25.6%-31.3%，珊瑚砂31.8%-36.2%，水量10.4%-11.6%,减水剂0.9%-1.6%。特别强调的是,由于原状珊瑚礁颗粒较大（5-10cm），针片状含量较多，不能直接用于拌和混凝土，因此利用破碎机将原状珊瑚破碎成5-20mm连续粒径的珊瑚礁。 为保证全珊瑚骨料海水混凝土强度，对骨料不进行饱和面干处理。其中，珊瑚礁石经破碎后颗径宜为5-20mm,珊瑚砂的颗径宜为0-5mm。

如图1所示,全珊瑚骨料海水混凝土砌块使用砌块成型机和对应的模具压制成型,预留的连接孔道直径不宜大于1/3砌块边长,但也不应小于50mm.圆心为对角线与两条边的交点处。

如图2和图3所示,所述的内置FRP筋骨架3由一根长FRP筋5,两根短FRP筋6以及起连接作用的FRP套管2构成。长FRP筋5的长度为砌块的对角线长度,两根短FRP筋6拼接后的长度与长FRP筋5相等,且长FRP筋5端部预制“L”形对接凹槽10,两根短FRP6端部分别预制“凸”字形和“凹”字形对接凹槽10 。按照相关规范规定,通常将高厚比小于3的砌体构件视为短柱,可以不考虑附加弯矩作用。为满足材料利用率最大化的思想,在混凝土达到抗压极限状态时,FRP筋屈服,故通过估算,FRP筋骨架3所采用的筋材直径为12mm的 FRP筋材.并将FRP筋骨架3置于砌块厚度方向的1/2处.与砌块一体浇筑成型。由于利用FRP筋代替钢筋,不存在锈蚀问题,在淡水资源匮乏的环境下,可以直接应用海水拌制混凝土。

如图3所示,所述的FRP筋骨架3的连接:利用FRP套管2连接，在套管构件内充入添加了CaO类膨胀剂的水泥基材料7，膨胀被约束后而产生内压使FRP构件之间锚固，这样锚固可以避免应力集中。CaO膨胀硬化之后使FRP筋材与套管2之间形成很强的摩擦力，有良好的锚固效果，所使用的CaO采用海洋中大量存在的贝壳进行煅烧所得到，就地取材，原料也较易获得。

如图4和图5所示,所述的拼接预留孔道内四根FRP筋之间彼此相对的两根FRP筋端部凹槽10 对于孔道中FRP筋进行连接时,在连接处先用树脂将两根相对具有“L”形凹槽的FRP筋黏结成一个整体,再将“凸”形FRP筋端头插入两个“L”形拼合成的孔道后与相对有“凹”字形端部利用树脂相连 ,最后用纤维绷带固定成一个完整整体。同时,该种FRP筋连接方式进行固定同样能实现限制其六个自由度方向的位移。最后利用内掺碳纤维的珊瑚砂浆9将拼接预留孔道密实，所述的内掺碳纤维的珊瑚砂浆9是在砂浆内掺体积掺量2-3%的长度约为2-3mm的碳纤维，以此提高珊瑚砂浆整体的抗剪强度。对珊瑚砂不进行饱和面干处理，按照设计施工技术规范要求的进行砌筑,最终形成如图6所示的内置FRP筋骨架珊瑚骨料混凝土砌块砌筑成的防护边坡。

所述的连锁FRP筋骨架3,其中FRP筋沿孔道走向即混凝土砌块立面对角线方向布置斜向FRP筋,连锁FRP筋骨架3内两根筋材搭接采用FRP套管2锚固，由于各种FRP筋的抗拉强度为500MPa左右,按截面最小尺寸200*500,混凝土强度为40MPa的条件下进行估算,FRP筋骨架所采用的筋材直径取12mm，连锁FRP筋骨架同时置于海水珊瑚骨料混凝土1拌合料内,一次浇筑成型。其位置应位于混凝土砌块厚度方向的1/2处。

本砌块主要应用于海洋等高温高湿等环境下,其设计强度较高，使用FRP筋代替钢筋,故应满足FRP筋的设计规范，砌筑时应按相关砌筑规范砌筑，由于FRP筋抗剪强度较低，且FRP连接不同于钢筋焊接，故使每四块砌块间形成的圆形孔道中两两相对的FRP筋端对接凹槽10咬合后利用树脂将其胶合成一个整体,再利用纤维绷带8将四根FRP筋包裹形成一个柔性约束限制六自由度的结点，这里FRP筋可以采用带肋粘砂类的筋材,以增大FRP筋与混凝土以及砂浆的黏接性能。

Claims (2)

1.一种内置FRP筋骨架连锁防护海水珊瑚骨料混凝土砌块，其特征在于：混凝土砌块包括珊瑚骨料海水混凝土砌块本体(1)、设在珊瑚骨料海水混凝土砌块本体(1)厚度1/2层面上的FRP筋骨架(3)；所述的珊瑚骨料海水混凝土砌块本体(1)为方形，方形的四个角呈拼接预留孔道的圆弧边（4），所述的FRP筋骨架(3)由呈十字形的FRP套管(2)、穿过FRP套管(2)的一根长FRP筋（5）和与长FRP筋（5）成直角套在FRP套管(2)上的两根短FRP筋（6）组合而成，两根短FRP筋（6）套在FRP套管(2)之后的总长度与一根长FRP筋（5）的长度相等，长FRP筋（5）和短FRP筋（6）走向沿全珊瑚骨料海水混凝土砌块本体(1)立面对角线方向布置，外露端位于拼接预留孔道的圆弧边（4）的中央，外露端头部预制有用于拼接FRP筋端头为整体的对接凹槽(10)；拼接预留孔道内四根FRP筋之间彼此相对的两根FRP筋端部凹槽( 10) 对于孔道中FRP筋进行连接时,在连接处先用树脂将两根相对具有“L”形凹槽的FRP筋黏结成一个整体,再将“凸”形FRP筋端头插入两个“L”形拼合成的孔道后与相对有“凹”字形端部利用树脂相连 ,最后用纤维绷带固定成一个完整整体；

所述方形的四个角呈拼接预留孔道的圆弧直径不大于1/3珊瑚骨料海水混凝土砌块本体(1)的边长,不小于50mm；

所述的长FRP筋（5）和短FRP筋（6）的直径d为12mm，抗拉强度为500MPa；

所述的珊瑚骨料海水混凝土砌块本体(1)的厚度不小于200mm。

2.一种使用权利要求1所述内置FRP筋骨架连锁防护海水珊瑚骨料混凝土砌块的施工方法,其特征在于包括如下步骤：

a. 制备珊瑚骨料海水混凝土，按质量百分比配料：普通硅酸盐水泥25.6%-27.5%，珊瑚礁石25.6%-31.3%，珊瑚砂31.8%-36.2%，海水量10.4%-11.6%,减水剂0.9%-1.6%配制立方体抗压强度大于40MPa的珊瑚骨料海水混凝土，其中，珊瑚礁石经破碎后颗径宜选用5-20mm,珊瑚砂的颗径宜选用0-5mm；

b.制备FRP筋骨架(3)：按设计尺寸要求加工好FRP套管(2)、长FRP筋（5）和短FRP筋（6），用FRP套管(2)连接长FRP筋（5）和短FRP筋（6），先在FRP套管(2)内充入添加了CaO类膨胀剂的水泥基材料(7)，然后依次将长FRP筋（5）和短FRP筋（6）穿套在FRP套管(2)上，套管膨胀被约束后产生内压使FRP构件之间锚固，添加CaO类膨胀剂的水泥基材料硬化之后与FRP筋材、套管(2)之间形成较强的摩擦力，增强锚固效果；

c.用制备好的珊瑚骨料海水混凝土按设计尺寸制备海水珊瑚骨料混凝土砌块，在每个珊瑚骨料海水混凝土砌块本体(1)厚度1/2层面上放置预先制备好的FRP筋骨架(3)，与砌块一次性浇筑成型,FRP筋骨架(3)中的长FRP筋（5）和短FRP筋（6）走向沿全珊瑚骨料海水混凝土砌块本体(1)立面对角线方向布置，外露端位于拼接预留孔道的圆弧边（4）的中央；

d. 按顺序铺设护坡，将制备好的海水珊瑚骨料混凝土砌块拼接铺设，使铺设连接的每个砌块的四个圆弧边（4）均围成拼接预留孔道；

e. 在所围成的拼接预留孔道中，外露的长FRP筋（5）和短FRP筋（6）两两相对，先用树脂将两两相对的端部预制对接凹槽 (10) 的FRP筋胶合成一个整体，再用纤维绷带 (8) 连接包扎后组合成一个完整的节点，最后用掺有碳纤维的珊瑚砂浆 (9) 将拼接预留孔道灌满密实。

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