CN113089928A - 碳纤维-frp-钢筋复层网格海水海砂混凝土叠合板及其制作方法 - Google Patents

碳纤维-frp-钢筋复层网格海水海砂混凝土叠合板及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种碳纤维‑FRP‑钢筋复层网格海水海砂混凝土叠合板及其制备方法。该叠合板包括外加电流阴极保护和结构加强复合系统以及钢筋海水海砂混凝土叠合板芯；外加电流阴极保护和结构加强复合系统包括首先浇筑的掺有碳纤维短丝的砂浆层和固设于砂浆层内、由FRP网格筋和碳纤维网格粘接在一起形成的FRP网格筋‑碳纤维网格；碳纤维网格外接用于连接直流电源正极的导线；钢筋海水海砂混凝土叠合板芯包括后续浇筑在外加电流阴极保护和结构加强复合系统上方的海水海砂混凝土层和固设于海水海砂混凝土层内部的钢桁架筋与钢分布筋；钢桁架筋与钢分布筋外接用于连接直流电源负极的导线。

Description

碳纤维-FRP-钢筋复层网格海水海砂混凝土叠合板及其制作 方法
技术领域
本发明涉及装配式结构工程技术领域，具体涉及一种碳纤维-FRP-钢筋复层网格海水海砂混凝土叠合板及其制作方法。
背景技术
滨海地区的海水海砂资源丰富，在混凝土结构中，采用海水海砂，可以有效解决河砂淡水资源日益枯竭的问题，充分利用当地资源。目前采用海水海砂的钢筋混凝土结构会产生比较严重的腐蚀问题，降低海水海砂混凝土结构的力学性能和耐久性。
外加电流阴极保护(Impressed Current Cathodic Protection，简称ICCP)是采用辅助阳极材料对混凝土结构内部钢筋施加阴极保护电流，使电位负移至免蚀区域，从而保护钢筋的技术，被公认为是一种可有效预防和延缓钢筋腐蚀的调控方法；结构加固(Structural Strengthening，简称SS)是采用结构钢或纤维增强聚合物(FibreReinforced Polymer，简称FRP)等结构加固材料与混凝土结构共同受力变形，从而提高或修复结构力学性能的技术。
ICCP技术虽然可以抑制滨海环境下的混凝土结构中的钢筋腐蚀，但无法恢复由于钢筋腐蚀导致的结构力学性能劣化；SS技术虽然可提高或恢复结构承载力，但无法从根本上解决滨海环境下，混凝土结构外部环境和内部有害元素对钢筋的持续侵蚀作用。
碳纤维增强复合材料(Carbon Fibre Reinforced Polymer，简称CFRP)是一种以高分子环氧树脂为机体，以碳纤维为增强体，经过复合工艺制成的复合材料，具有轻质、高强、耐腐蚀、耐疲劳、性能可设计等优点，是SS技术中广泛应用的材料。
在本领域，提供一种具有外加电流阴极保护和结构加固功能的钢筋海水海砂预制叠合板是亟待解决的技术问题。
发明内容
针对上述技术问题，本发明的目的在于针对目前滨海地区河砂淡水资源的不足，提供一种具有外加电流阴极保护和结构加强功能(ICCP-SS)的钢筋海水海砂混凝土预制叠合板，充分利用海水海砂资源；通过基于CFRP的ICCP-SS系统预防和延缓钢筋腐蚀，提高或恢复由海水海砂导致的钢筋腐蚀而损失的结构承载力。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种碳纤维-FRP-钢筋复层网格海水海砂混凝土叠合板，包括外加电流阴极保护和结构加强复合系统以及钢筋海水海砂混凝土叠合板芯；
所述外加电流阴极保护和结构加强复合系统包括首先浇筑的掺有碳纤维短丝的砂浆层和固设于所述砂浆层内、由FRP网格筋和碳纤维网格粘接在一起形成的FRP网格筋-碳纤维网格；所述碳纤维网格外接用于连接直流电源正极的导线；
所述钢筋海水海砂混凝土叠合板芯包括后续浇筑在所述外加电流阴极保护和结构加强复合系统上方的海水海砂混凝土层和固设于所述海水海砂混凝土层内部的钢桁架筋与钢分布筋；所述钢桁架筋与钢分布筋外接用于连接直流电源负极的导线。
本发明通过外加电流阴极保护和结构加固复合系统和钢筋海水海砂混凝土的复合，有效的利用沿海地区的海水海砂资源，预防和延缓钢筋的腐蚀，提高或弥补由于钢筋腐蚀而损失的结构承载力，保证了所述预制叠合板的耐久性和结构性能。
本发明利用碳纤维网格具有的优异导电性和稳定化学特性，将其作为ICCP技术的辅助阳极使用，将FRP材料和碳纤维网格开发成一种具有ICCP功能和SS功能的组合系统。
本发明中，海水海砂混凝土结构可充分利用滨海地区海水海砂资源。本发明将FRP材料和碳纤维网格开发成一种提供外加电流阴极保护和结构加强功能的复合系统(ICCP-SS)来预防、延缓钢筋腐蚀，提高、恢复由于钢筋腐蚀而损失的结构承载力。
在一优选例中，所述FRP网格筋为正交网格，网格间距为50mm-150mm，FRP可采用现有各类FRP材料，包括GFRP(玻璃纤维增强聚合物)、CFRP、AFRP(芳纶纤维增强聚合物)和BFRP(玄武岩纤维增强聚合物)。
在一优选例中，所述碳纤维网格为正交网格，网格间距为30mm-50mm，碳纤维含量根据需求可适当调整。
在一优选例中，所述掺有碳纤维短丝的砂浆层厚度为20mm-30mm。
所述掺有碳纤维短丝的砂浆层中，碳纤维短丝体积掺量可根据需要进行调整，在一优选例中为2％。
在一优选例中，掺入碳纤维短丝后砂浆的平板扩展度需大于250mm。
所述掺有碳纤维短丝的砂浆层中，碳纤维短丝起到的作用是增加砂浆的导电性和提高砂浆的抗拉抗折强度。作为优选，所述碳纤维短丝的长度为0.5-20mm。
在一优选例中，所述FRP网格筋截面高度需控制在3mm-5mm。
在一优选例中，所述FRP网格筋的节点处下方设置垫块，所述垫块高度需根据掺有碳纤维短丝的砂浆层厚度和FRP网格筋截面高度组合确定。所述垫块间距可根据网格筋网格间距适当调整。在一优选例中，所述垫块间距200mm-300mm。
在一优选例中，所述钢分布筋的底层分布钢筋与所述钢桁架筋的底部纵筋可直接放置在所述FRP网格筋顶面，所述钢分布筋由叠合板模具侧面钢筋槽固定。
在一优选例中，所述用于连接直流电源正极的导线采用塑料套管进行保护，防止浇筑过程中破坏。
本发明还提供了所述的碳纤维-FRP-钢筋复层网格海水海砂混凝土叠合板的制作方法，包括步骤：
(1)采用环氧树脂将FRP网格筋和碳纤维网格粘接在一起；将垫块用环氧树脂粘贴在FRP网格筋的节点处，与碳纤维网格同面；碳纤维网格经向与纬向碳纤维束连接导线；根据采用的环氧树脂粘合剂的标准养护时间养护备用；
(2)叠合板模具内部表面刷脱模剂，按FRP网格筋、碳纤维网格和垫块自上而下的顺序置入叠合板模具，在模具内浇筑掺有碳纤维短丝的砂浆至FRP网格筋顶面，采用平板振动器振捣砂浆；在叠合板模具上铺设钢分布筋和钢桁架筋，钢分布筋和钢桁架筋端头设有焊接导线；在砂浆初凝之前，在砂浆上浇筑拌制好的海水海砂混凝土至叠合板模具顶面；
(3)养护完成得到具有外加电流阴极保护和结构加强功能的碳纤维-FRP-钢筋复层网格海水海砂混凝土叠合板；在养护、搁置和使用过程中，将钢筋连接的导线和碳纤维网格连接的导线分别连接直流电源的阴极和阳极，实现外加电流阴极保护，预防钢筋锈蚀。
步骤(3)中，所述养护：浇筑完成后将叠合板顶面抹平后，初凝前采用粗钢刷拉毛，初期养护后进行拆模；而后定期对所述叠合板洒水养护至28天规定龄期，从而完成具有外加电流阴极保护和结构加强功能的钢筋海水海砂混凝土预制叠合板制作。
本发明与现有技术相比，主要优点包括：
1、本发明利用海水海砂代替淡水河砂等日益枯竭的资源，充分利用滨海地区丰富的海水海砂资源用于钢筋混凝土结构预制叠合板的浇筑，降低了材料运输成本，极大的提高了海水海砂资源的利用效率，对保护生态环境起到了积极作用，具有较大的社会经济效益。
2、本发明采用一种基于FRP网格筋和碳纤维网格的ICCP-SS系统，一方面以碳纤维网格为阳极，以钢筋为阴极，通过外加电流对海水海砂混凝土叠合板内的钢筋进行保护，可以预防和延缓钢筋的腐蚀；另一方面FRP网格筋可以提供结构加固的作用，用于弥补和提高由于钢筋腐蚀导致的叠合板力学性能损失，较传统的海水海砂混凝土结构具有更好的力学性能和耐久性。
附图说明
图1为实施例叠合板局部截面示意图；
图2为实施例叠合板局部FRP网格筋和碳纤维网格俯视示意图；
图中：
1-叠合板纵向钢分布筋；
2-叠合板横向钢分布筋；
3-叠合板纵向钢桁架筋；
4-叠合板底板海水海砂混凝土；
5-掺碳纤维短丝导电砂浆；
6-碳纤维网格；
7-塑料垫块；
8-FRP网格筋。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的操作方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。
本实施例的碳纤维-FRP-钢筋复层网格海水海砂混凝土叠合板如图1、2所示，包括外加电流阴极保护和结构加强复合系统以及钢筋海水海砂混凝土叠合板芯；所述外加电流阴极保护和结构加强复合系统包括首先浇筑的掺碳纤维短丝砂浆5和固设于掺碳纤维短丝砂浆5内、由FRP网格筋8和碳纤维网格6粘接在一起形成的FRP网格筋-碳纤维网格；碳纤维网格6外接用于连接直流电源正极的导线；所述钢筋海水海砂混凝土叠合板芯包括后续浇筑在所述外加电流阴极保护和结构加强复合系统上方的海水海砂混凝土4和固设于海水海砂混凝土4内部的钢桁架筋3与钢分布筋1、2；钢桁架筋3与钢分布筋1、2外接用于连接直流电源负极的导线。
上述碳纤维-FRP-钢筋复层网格海水海砂混凝土叠合板的制作方法包括步骤：
1)FRP网格筋和碳纤维网格复合板制作
根据预制构件厂采用的叠合板浇筑模板尺寸，裁剪整片FRP网格筋8，网格筋为正交网格，孔径为50mm-150mm，FRP材料可采用市面常用的GFRP、CFRP、AFRP和BFRP等纤维聚合物；裁剪同等面积的碳纤维正交网格6，孔径为30mm-50mm。将裁剪好的碳纤维网格6平整的铺设在FRP网格筋8表面；采用拌制好的环氧树脂，将碳纤维网格6与FRP网格筋8粘接；将立方体塑料垫块7采用相同的环氧树脂粘接粘接在FRP网格筋节点处，与碳纤维网格处于同面，间距200mm-300mm(可根据网格筋的孔径进行适当调整)；将碳纤维网格经向和纬向的纤维束连接通电导线，并采用塑料套管进行保护，防止浇筑过程中破坏；根据所用的环氧树脂标准养护时间对粘接部位进行养护。
2)导电砂浆制备
采用商用普通砂浆，倒入搅拌机中搅拌2-3分钟使商品砂浆各成分均匀拌和，然后根据其标准水灰比计算得到的相应重量的水倒入搅拌机，搅拌5分钟；将体积掺量2％的长度为0.5-20mm的碳纤维短丝在搅拌过程中均匀撒入搅拌机，待纤维全部撒入后，继续搅拌2-3min，根据导电砂浆5的平板扩展度，适量加入减水剂，使其平板扩展度大于250mm。
3)ICCP-SS系统浇筑
将养护好的FRP网格筋8和碳纤维网格6复合板置入叠合板钢模，将制备好的掺入碳纤维导短丝的电砂浆5均匀倒入模板内，浇筑总量需达到FRP网格筋8顶面；采用手持式平板动器对砂浆层5进行振捣，使砂浆可以充分填充FRP网格筋和碳纤维网格复合板底部空隙。
4)海水海沙混凝土浇筑
将纵向钢分布筋1放置入叠合板钢模具的钢筋槽，将钢桁架筋3放置入模板设计位置，将横向钢分布筋2穿过钢桁架筋3放置入叠合板钢模具的钢筋槽，将纵向钢分布筋1、横向钢分布筋2和钢桁架筋3绑扎在交叉点处绑扎牢固；将拌制好的海水海砂混凝土4在导电砂浆5上浇筑至叠合板钢模顶面，为保证浇筑质量，可采用浇筑采用分层浇筑分层振捣的方法；浇筑完成后，定期浇水养护28天。
5)外加电流阴极保护
在露出纵向钢分布筋1、横向钢分布筋2和钢桁架筋3端头焊接通电导线，并连到直流电源的负极；将碳纤维网格6连接的通电导线连接到直流电源正极；打开直流电源，施加强度为10mA/m2的直流电流，对钢筋进行保护，防止钢筋腐蚀。
此外应理解，在阅读了本发明的上述描述内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (7)

1.一种碳纤维-FRP-钢筋复层网格海水海砂混凝土叠合板，其特征在于，包括外加电流阴极保护和结构加强复合系统以及钢筋海水海砂混凝土叠合板芯；
所述外加电流阴极保护和结构加强复合系统包括首先浇筑的掺有碳纤维短丝的砂浆层和固设于所述砂浆层内、由FRP网格筋和碳纤维网格粘接在一起形成的FRP网格筋-碳纤维网格；所述碳纤维网格外接用于连接直流电源正极的导线；
所述钢筋海水海砂混凝土叠合板芯包括后续浇筑在所述外加电流阴极保护和结构加强复合系统上方的海水海砂混凝土层和固设于所述海水海砂混凝土层内部的钢桁架筋与钢分布筋；所述钢桁架筋与钢分布筋外接用于连接直流电源负极的导线。
2.根据权利要求1所述的碳纤维-FRP-钢筋复层网格海水海砂混凝土叠合板，其特征在于，所述FRP网格筋为正交网格，网格间距为50mm-150mm，FRP采用现有各类FRP材料，包括GFRP、CFRP、AFRP和BFRP；
所述碳纤维网格为正交网格，网格间距为30mm-50mm，碳纤维含量根据需求调整。
3.根据权利要求1所述的碳纤维-FRP-钢筋复层网格海水海砂混凝土叠合板，其特征在于，所述掺有碳纤维短丝的砂浆层厚度为20mm-30mm，碳纤维短丝体积掺量为2％，掺入碳纤维短丝后砂浆的平板扩展度大于250mm；
所述碳纤维短丝的长度为0.5-20mm。
4.根据权利要求1所述的碳纤维-FRP-钢筋复层网格海水海砂混凝土叠合板，其特征在于，所述FRP网格筋截面高度控制在3mm-5mm；
所述FRP网格筋的节点处下方设置垫块，所述垫块高度根据掺有碳纤维短丝的砂浆层厚度和FRP网格筋截面高度组合确定，所述垫块间距200mm-300mm。
5.根据权利要求1所述的碳纤维-FRP-钢筋复层网格海水海砂混凝土叠合板，其特征在于，所述钢分布筋的底层分布钢筋与所述钢桁架筋的底部纵筋直接放置在所述FRP网格筋顶面，所述钢分布筋由叠合板模具侧面钢筋槽固定。
6.根据权利要求1所述的碳纤维-FRP-钢筋复层网格海水海砂混凝土叠合板，其特征在于，所述用于连接直流电源正极的导线采用塑料套管进行保护。
7.根据权利要求1～6任一权利要求所述的碳纤维-FRP-钢筋复层网格海水海砂混凝土叠合板的制作方法，其特征在于，包括步骤：
(1)采用环氧树脂将FRP网格筋和碳纤维网格粘接在一起；将垫块用环氧树脂粘贴在FRP网格筋的节点处，与碳纤维网格同面；碳纤维网格经向与纬向碳纤维束连接导线；根据采用的环氧树脂粘合剂的标准养护时间养护备用；
(2)叠合板模具内部表面刷脱模剂，按FRP网格筋、碳纤维网格和垫块自上而下的顺序置入叠合板模具，在模具内浇筑掺有碳纤维短丝的砂浆至FRP网格筋顶面，采用平板振动器振捣砂浆；在叠合板模具上铺设钢分布筋和钢桁架筋，钢分布筋和钢桁架筋端头设有焊接导线；在砂浆初凝之前，在砂浆上浇筑拌制好的海水海砂混凝土至叠合板模具顶面；
(3)养护完成得到具有外加电流阴极保护和结构加强功能的碳纤维-FRP-钢筋复层网格海水海砂混凝土叠合板；在养护、搁置和使用过程中，将钢筋连接的导线和碳纤维网格连接的导线分别连接直流电源的负极和正极，实现外加电流阴极保护，预防钢筋锈蚀。
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