CN115059237A - 一种frp型材-uhpc-再生混凝土组合梁 - Google Patents
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Abstract
本发明属于建筑材料及结构工程相关技术领域，并公开了一种FRP型材‑UHPC‑再生混凝土组合梁，该组合梁包括模板以及先后浇筑在其内部的下部浇筑区和上部浇筑区，其中模板由FRP型材制成，并且成型为两端封闭的槽形；下部浇筑区由再生混凝土填充浇筑而成并且构成组合梁的受拉区域；上部浇筑区由UHPC填充浇筑而成并且构成组合梁的受压区域。通过本发明，能够充分融合UHPC的卓越受压性能和FRP的卓越受拉性能，显著减轻了结构的自重，承载力高，材料利用率高；此外由于不考虑混凝土的受拉强度，组合梁的受拉区采用再生混凝土填充，经济效益高，环保性好，具有可持续发展价值，同时可获得外部FRP型材的充分保护，其抗氯离子侵蚀、抗碳化、抗渗透性能大幅度提升。
Description
技术领域
本发明属于建筑材料及结构工程相关技术领域，更具体地，涉及一种FRP型材-UHPC-再生混凝土组合梁。
背景技术
在各类建筑工程施工中，经常需要使用混凝土作为主要材质的组合梁。混凝土是世界上用量最大的人工建筑材料，我国每年用量已超40亿立方米，占世界约50％，总产值超万亿元。但混凝土产业年碳排放量约占人类活动产生总量的8％，约占建筑垃圾总量的60％，造成了严重的环境影响。
目前已开始采用再生混凝土循环利用废弃混凝土，这样不仅可以解决建筑垃圾的处理问题，还能有效减少对天然骨料的开采，是一种绿色可持续发展建筑材料。但是，再生混凝土强度差异性比较明显，且较之普通混凝土材料的各项性能均有所下降，致使其在重要工程中的应用受到极大限制。
此外，建筑领域中广泛存在的问题还在于，普通钢筋混凝土结构易开裂，钢筋易锈蚀，导致耐久性和设计寿命较低(一般为50年)。为此，现有技术中提出了超高性能混凝土(UHPC)的解决方案。UHPC是一种新型高性能水泥基复合材料，其强度、韧性、耐久性均显著优于普通混凝土。
然而，进一步的研究表明，由于UHPC的拉压强度比较高，使得UHPC梁底部发生受拉破坏时，受压区应力往往远未达到UHPC的受压极限承载力；此外，UHPC材料成本一般是普通混凝土的5-10倍，导致其难于广泛应用于工程中。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或需求，本发明的目的在于提供一种FRP型材-UHPC-再生混凝土组合梁，其中通过对整个组合梁的构造组成及布置方式重新进行设计，同时围绕一些关键材质及结构参数进行针对性改进，相应能够充分结合UHPC的卓越受压性能和纤维增强复合材料(FRP)的卓越受拉性能，显著减轻整个结构的自重，承载力高，材料利用率高；由于不考虑混凝土的受拉强度，组合梁的受拉区采用再生混凝土填充，经济效益高，环保性好，具有可持续发展价值。此外，该新型组合梁耐久性好，其中再生混凝土由于有外部FRP型材的保护，其抗氯离子侵蚀、抗碳化、抗渗透性能大幅度提升，而UHPC材料的初始缺陷较少，耐久性较普通混凝土也有多倍的提高。
为实现上述目的，按照本发明，提供了一种FRP型材-UHPC-再生混凝土组合梁，其特征在于，该组合梁包括模板以及先后浇筑在该模板内部的下部浇筑区和上部浇筑区，其中：
所述模板由FRP型材制成永久模板，并且成型为两端封闭的槽形；
所述下部浇筑区由再生混凝土填充浇筑而成且通过第一连接件与所述模板连接成一体；此外，所述再生混凝土内部含有再生混凝土块体或再生混凝土骨料，并且该下部浇筑区构成组合梁的受拉区域；
所述上部浇筑区由UHPC填充浇筑而成且通过第二连接件与所述模板连接成一体，并且该上部浇筑区构成组合梁的受压区域。
作为进一步优选地，所述FRP型材优选为碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维或混杂纤维拉挤型材。
作为进一步优选地，所述UHPC的质量组分优选如下：水泥1000-1300份，矿物掺和料100-650份，细砂900-1200份，石英粉100-300份，减水剂30-60份，水150-400份，钢纤维50-300份；其中所述矿物掺和料优选为硅灰，或者硅灰与粉煤灰、高炉矿渣的混合物；所述钢纤维为光滑直纤维或异形截面纤维，异形截面纤维包括端钩纤维、波型纤维或螺旋钢纤维中的一种或多种。
作为进一步优选地，所述再生混凝土内部含有再生混凝土块体时，其中该再生混凝土块体的质量比优选为25％-35％；所述再生混凝土块体优选为除旧有建筑物除去保护层与钢筋后的废旧混凝土块，并且其特征尺寸优选为40mm-300mm。
作为进一步优选地，所述再生混凝土内部含有再生混凝土骨料时，其质量组分优选如下：水泥400-800份，粗骨料1000-1300份，细骨料500-1000份，水200-400份；其中粗骨料的中再生骨料含量不超过40wt％；再生骨料优选为拆除旧有建筑物除去保护层与钢筋后的废旧混凝土块，经破碎、加工后所得粒径在4.75mm-31.5mm的颗粒。
作为进一步优选地，所述第一、第二连接件优选为高强螺栓，并且还优选施加有粘结剂。
作为进一步优选地，所述高强螺栓的布置方式优选如下：其伸入混凝土中的长度为组合梁宽度的1/4～1/3。
作为进一步优选地，所述高强螺栓优选为全牙六角高强钢制螺栓，所述粘结剂优选为环氧树脂。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下技术优点：
(1)本发明通过对整个组合梁的构造组成及布置方式重新进行设计，能够充分融合多种材质的特性优点，使得组合梁与现有结构相比在自重、承载力和耐久性等多个方面均取得显著改善；更具体地，一方面由于采用FRP型材作为永久模板，具有节省模板、提高施工效率等优点；另一方面，通过在受拉区使用FRP型材承载，在受压区使用UHPC承载，最大化利用了两种材料的优势，材料利用率高；
(2)本发明通过采用再生混凝土来替换受拉区的UHPC，能够在确保综合性能满足施工需求的前提下显著降低成本，同时环保性好，具有可持续发展价值；再生混凝土由于有外部FRP型材的保护，其抗氯离子侵蚀、抗碳化、抗渗透性能大幅度提升，而UHPC材料的初始缺陷较少，耐久性较普通混凝土也有多倍的提高。
(3)本发明通过采用螺栓类连接件及粘结剂来使得FRP型材与多种混凝土成型一体，相应能够进一步提高受力性能及承载能力，同时便于操控和现场施工；
(4)本发明的组合梁整体结构紧凑、便于加工和现场施工，可大幅度减小组合梁的截面积，同时具备工序简化、造价低、环境适应性好等优点。
附图说明
图1是按照本发明一个优选实施例的FRP型材-UHPC-再生混凝土组合梁的整体结构剖视图；
图2是按照本发明另一优选实施例的FRP型材-UHPC-再生混凝土组合梁的整体结构剖视图；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-FRP型材 2-UHPC 3-再生混凝土 4-粘结剂 5-螺栓 6-钢筋。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
实施例1
图1是按照本发明一个优选实施例的FRP型材-UHPC-再生混凝土组合梁的整体结构剖视图。如图1所示，该组合梁的UHPC截面大小为150mm*100mm，再生混凝土截面大小为150mm*200mm,组合梁总截面大小为150mm*300mm，下面将进行具体解释说明。
本实施例的FRP型材为槽形玻璃纤维拉挤型材，以玻璃纤维为增强材料，以树脂为胶粘剂复合而成，厚度为4mm。参见图1，上述槽形FRP拉挤型材侧表面设置有若干螺栓5穿过的预留孔，这些预留孔的孔径大小比螺栓5的直径大1-2mm。
本实施例的螺栓5譬如可采用M24的全牙六角高强钢螺栓，上下两排螺栓5沿梁高的三等分线对向布置，螺栓伸入UHPC2和再生混凝土3的长度50mm。位于同一排的螺栓5和相邻螺栓最外缘之间的最近距离为80-100mm。每个螺栓5在FRP型材两侧旋入螺母。
本实施例的UHPC原料组分包括水泥、硅灰、细砂、水、石英粉、高效减水剂、钢纤维。所采用的钢纤维为直线钢纤维，直径为0.2mm，长度为12mm，长径比为60，抗拉强度为2700MPa。所采用水泥为普通硅酸盐水泥。硅灰的比表面积为22m2/g，其中SiO2含量≥90％，细砂粒径范围为0.1mm-0.5mm，石英粉粒径为5μm-50μm，SiO2含量≥95％。高效减水剂为聚羧酸高效粉末减水剂，减水效率≥30％。水为工业用水。UHPC中各组分质量比如下表1所示。
表1
本实施例的再生混凝土由硅酸盐水泥、粗骨料、细骨料和水混合搅拌得到，其中：水泥为硅酸盐水泥；粗骨料25％采用再生骨料，另外的采用粒径为5mm-15mm卵石；细骨料采用河沙，为级配良好的中砂；水为工业用水。
本实施例的FRP型材1作为内部混凝土浇筑的永久模板，先浇筑再生混凝土3，养护24小时后浇筑UHPC2。在每次浇筑前20分钟，于FRP型材的内部接触面上均匀涂抹环氧树脂作为粘结剂4。
实施例2
本实施例相对于实施例1而言，其区别仅在于在再生混凝土内置受拉钢筋，如图2所示。受拉钢筋选用HRB400级钢筋，直径为14mm，共计2根。本实施例中，FRP材料、UHPC和再生块体混凝土的配合比实施例1相同。
本实施例的FRP型材除设有若干供螺栓5穿过的预留孔外，还需设若干供钢筋穿过的预留孔。在浇筑再生块体混凝土前，需预先将钢筋插入预留孔内。其他制作步骤与实施例1相同。
本发明所提供的新型FRP型材-UHPC-再生混凝土组合梁，根据GB50010-2010《混凝土结构设计规范》和相关文献，其正截面受弯承载力计算公式为：
混凝土受压区高度x应按下列公式确定：
α1fcbx＝T1+T2
其中，M为弯矩设计值，b、h分别为截面宽度、高度，fc为混凝土轴心抗压强度设计值，T1、T2分别为钢筋和FRP型材所受拉力，界限破坏时有T1＝fy*As，fy为普通钢筋抗拉强度设计值，As为受拉纵向普通钢筋的截面面积。此时T1＝EF*εF*AF，EF为FRP型材的受拉弹性模量设计值，εF为FRP型材应变，由截面应变图算得，AF＝b*t为FRP型材底板截面积，t为FRP型材底板厚度。h0＝h-40(mm)为截面有效高度，α1、β1为UHPC等效矩形应力图形参数，按下表2取值。
| f<sub>c</sub>/MPa | α<sub>1</sub> | β<sub>1</sub> |
| 100 | 0.885 | 0.750 |
| 110 | 0.878 | 0.740 |
| 130 | 0.864 | 0.722 |
| 150 | 0.848 | 0.706 |
| 170 | 0.830 | 0.693 |
| 190 | 0.807 | 0.683 |
表2
本发明提供的新型FRP型材-UHPC-再生混凝土组合梁，相同截面面积和配筋下，其正截面受弯承载力相对于普通钢筋混凝土梁显著提高。下表3列出了当采用相同的荷载设计值和截面宽度时，新型FRP型材-UHPC-再生混凝土组合梁与普通混凝土梁所需的截面高度。其中普通混凝土轴心抗压强度设计值取用30Mpa；UHPC轴心抗压强度设计值取用130Mpa；FRP型材受拉弹性模量设计值取用46GPa,底板厚度取为4mm；HRB400钢筋抗拉强度设计值取用360MP。表格中，h1为新型FRP型材-UHPC-再生混凝土组合梁截面高度；h2为普通钢筋混凝土梁截面高度；λ1为h1与h2的比值。
| b/mm | M/kN·m | h<sub>1</sub>/mm | h<sub>2</sub>/mm | λ<sub>1</sub> |
| 120 | 28 | 120 | 303 | 0.40 |
| 120 | 110 | 240 | 560 | 0.43 |
| 150 | 50 | 150 | 354 | 0.42 |
| 150 | 230 | 300 | 713 | 0.42 |
| 200 | 150 | 200 | 511 | 0.39 |
| 200 | 550 | 400 | 941 | 0.42 |
| 250 | 270 | 250 | 605 | 0.41 |
| 250 | 1200 | 500 | 1231 | 0.41 |
表3
上述表格计算参数表明，在采用相同的荷载设计值时，可以看出，按照本发明的新型FRP型材-UHPC-再生混凝土组合梁相比于普通混凝土梁，截面积大幅度减小至39％-43％。
综上，按照本发明的FRP型材-UHPC-再生混凝土组合梁能够充分融合UHPC的卓越受压性能和FRP的卓越受拉性能，显著减轻了结构的自重，承载力高，材料利用率高；此外由于不考虑混凝土的受拉强度，组合梁的受拉区采用再生混凝土填充，经济效益高，环保性好，具有可持续发展价值，同时可获得外部FRP型材的充分保护，其抗氯离子侵蚀、抗碳化、抗渗透性能大幅度提升，而UHPC材料的初始缺陷较少，耐久性较普通混凝土也有多倍的提高。此外，FRP型材作为永久模板，具有节省模板，提高施工效率等优点。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种FRP型材-UHPC-再生混凝土组合梁，其特征在于，该组合梁包括模板以及先后浇筑在该模板内部的下部浇筑区和上部浇筑区，其中：
所述模板由FRP型材(1)制成永久模板，并且成型为两端封闭的槽形；
所述下部浇筑区由再生混凝土(3)填充浇筑而成且通过第一连接件与所述模板连接成一体；此外，所述再生混凝土(3)内部含有再生混凝土块体或再生混凝土骨料，并且该下部浇筑区构成组合梁的受拉区域；
所述上部浇筑区由UHPC(2)填充浇筑而成且通过第二连接件与所述模板连接成一体，并且该上部浇筑区构成组合梁的受压区域。
2.如权利要求1所述的一种FRP型材-UHPC-再生混凝土组合梁，其特征在于，所述FRP型材(1)优选为碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维或混杂纤维拉挤型材。
3.如权利要求1或2所述的一种FRP型材-UHPC-再生混凝土组合梁，其特征在于，所述UHPC(2)的质量组分优选如下：水泥1000-1300份，矿物掺和料100-650份，细砂900-1200份，石英粉100-300份，减水剂30-60份，水150-400份，钢纤维50-300份；其中所述矿物掺和料优选为硅灰，或者硅灰与粉煤灰、高炉矿渣的混合物；所述钢纤维为光滑直纤维或异形截面纤维，其中异形截面纤维包括端钩纤维、波型纤维或螺旋钢纤维中的一种或多种。
4.如权利要求1-3任意一项所述的一种FRP型材-UHPC-再生混凝土组合梁，其特征在于，所述再生混凝土(3)内部含有再生混凝土块体时，其中该再生混凝土块体的质量比优选为25％-35％；所述再生混凝土块体优选为除旧有建筑物除去保护层与钢筋后的废旧混凝土块，并且其特征尺寸优选为40mm-300mm。
5.如权利要求1-3任意一项所述的一种FRP型材-UHPC-再生混凝土组合梁，其特征在于，所述再生混凝土(3)内部含有再生混凝土骨料时，其质量组分优选如下：水泥400-800份，粗骨料1000-1300份，细骨料500-1000份，水200-400份；其中粗骨料的中再生骨料含量不超过40wt％；再生骨料优选为拆除旧有建筑物除去保护层与钢筋后的废旧混凝土块，经破碎、加工后所得粒径在4.75mm-31.5mm的颗粒。
6.如权利要求1-5任意一项所述的一种FRP型材-UHPC-再生混凝土组合梁，其特征在于，所述第一、第二连接件优选为高强螺栓，并且还优选施加有粘结剂。
7.如权利要求6所述的一种FRP型材-UHPC-再生混凝土组合梁，其特征在于，所述高强螺栓的布置方式优选如下：其伸入混凝土中的长度为组合梁宽度的1/4～1/3。
8.如权利要求6或7所述的一种FRP型材-UHPC-再生混凝土组合梁，其特征在于，所述高强螺栓优选为全牙六角高强钢制螺栓，所述粘结剂优选为环氧树脂。
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- 2022-07-28 CN CN202210898971.7A patent/CN115059237A/zh active Pending
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