CN116427623A - 一种定向钢纤维增强的uhpc围套混凝土结构及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种定向钢纤维增强的UHPC围套混凝土结构及制备方法，属于建筑结构技术领域。定向钢纤维增强的UHPC围套混凝土结构，包括由定向钢纤维增强的UHPC制备形成的围套，及浇筑在该定向钢纤维增强的UHPC围套内的普通混凝土；由定向钢纤维增强的UHPC围套对普通混凝土形成外部约束；定向钢纤维增强的UHPC围套为柱形体结构。本发明中将UHPC内部的钢纤维进行环向定向，使纤维排布方向与受力方向保持一致，充分发挥钢纤维的增强、增韧作用。在定向钢纤维增强的UHPC围套中，当钢纤维的排布方向与混凝土受拉力的方向保持一致时，钢纤维能够更有效地提高沿钢纤维方向的抗拉性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种定向钢纤维增强的UHPC围套混凝土结构及制备方法，属于建筑结构技术领域。
背景技术
随着中国经济的不断发展，我国土木工程建设的规模越来越大。为了满足高层化、大跨度化的需求，钢管混凝土已经被广泛应用于高层建筑和桥梁工程等施工中。
钢管混凝土是通过外包钢管对核心混凝土提供外部约束，使内部混凝土处于三向受力状态，从而增强内部混凝土的抗压强度和变形能力，改善工作性能。这种结构综合利用了钢材和混凝土两种材料的优点，具有承载力高、延性好的特点。
但钢管混凝土结构在工程实际应用中存在各种性能上的不足：(1)钢管混凝土结构的耐火性能不如普通钢筋混凝土结构；(2)在临海等易腐蚀环境下，需要设置额外的防腐保护措施，工序复杂，耐久性欠缺，经济效益不佳；(3)在实际工程中，钢管混凝土之间或者钢管混凝土与钢筋混凝土之间的连接构造对工艺要求高，牛腿、加劲板等的使用又会影响结构美观和施工的进度。
近年来，国内学者针对以上不足，对传统钢管混凝土结构形式及材料进行不断改进，设计出一些新型钢管混凝土结构。
部分学者对钢管内部填充材料和结构进行改进，如圆中空夹层钢管超高性能混凝土([1]黄宏；左勇；戴雨祺.一种超轻高性能圆套圆中空夹层钢管混凝土柱[P].江西省：CN111321845A,2020-06-23.)，是由两个同心圆钢管作为模板，在内部灌注超高性能混凝土而形成，具有自重轻、减少超高性能混凝土用量等优点。但该结构在制作过程中依旧存在着钢管焊接不紧密等隐患，影响结构的耐久性。
还有些学者改变外部约束材料，采用其他管材替代钢管，如FRP-UHPFRC-混凝土复合柱([2]杨贞军；彭程明；李雅祺.一种FRP-UHPFRC-混凝土复合柱[P].湖北省：CN113565264A,2021-10-29.)，是采用UHPFRC管约束普通混凝土，再在UHPFRC管外贴FRP层，形成复合混凝土柱，进一步提高结构的整体性和耐久性，但该结构施工时较为繁琐，对工艺要求高。
发明内容
本发明为克服钢管混凝土现存的问题，本发明提供一种定向钢纤维增强的UHPC围套混凝土结构及制备方法；采用定向钢纤维增强的UHPC围套替代外包钢管，以之作为模板浇筑内部混凝土，制作成组合柱构件，使得内部混凝土处于侧向受压状态，二者共同发挥作用，提高结构的承载能力。
本发明采用如下技术方案：
本发明所述的一种定向钢纤维增强的UHPC围套混凝土结构，包括由定向钢纤维增强的UHPC制备形成的围套，及浇筑在该定向钢纤维增强的UHPC围套内的普通混凝土；由定向钢纤维增强的UHPC围套对普通混凝土形成外部约束；定向钢纤维增强的UHPC围套为柱形体结构。
本发明所述的定向钢纤维增强的UHPC围套混凝土结构，可根据不同的受力要求，在UHPC中混掺钢纤维、聚烯烃纤维或聚乙烯醇纤维，钢纤维通过磁场定向实现环向排布，聚烯烃纤维或聚乙烯醇纤维是杂向排布。
本发明所述的定向钢纤维增强的UHPC围套混凝土结构，所述的定向钢纤维增强的UHPC的钢纤维掺量为总质量的2.5％-3.5％。
本发明所述的定向钢纤维增强的UHPC围套混凝土结构，定向钢纤维增强的UHPC制备形成的围套的横截面形状为矩形或圆形或多边形，定向钢纤维增强的UHPC制备形成的围套厚度为20mm-100mm。
定向钢纤维增强的UHPC围套混凝土结构的制备方法，步骤如下：
第一步、采用水泥、硅灰、石英砂、矿粉、钢纤维、水、减水剂制备钢纤维增强的UHPC；在该步骤中确定钢纤维的比例；
第二步、以围套的形状确定围套模具的形状，将围套模具成立置安放，并在围套下半部安装轴向半包裹式定向装置的线圈；
第三步、在第二步中的围套模具内浇筑第一步制备完成的钢纤维增强的UHPC；将浇筑完成后的钢纤维增强的UHPC静置；在钢纤维增强的UHPC浇筑后及静置过程中无振捣，避免对浇筑完成后的钢纤维增强的UHPC形成扰动；
第四步、在第三步浇筑完成后，在围套模具上半部安装轴向半包裹式定向装置的线圈，该上半部的线圈与下半部的线圈相互对接形成螺旋状线圈，该螺旋状线圈缠绕在围套模具的内、外圆周面外侧；螺旋状线圈的接直流电；
第五步、利用拼接完成后的线圈对围套模具内的钢纤维增强的UHPC施加定向磁场，使得外加磁场穿过钢纤维增强的UHPC，从而将钢纤维增强的UHPC内的钢纤维排布方向调整为环向水平分布；磁化结果后待钢纤维增强的UHPC凝固后脱模；
第六步、待第五步完成后脱模，形成定向钢纤维增强的UHPC围套，若混掺聚烯烃纤维或聚乙烯醇纤维，则聚烯烃纤维或聚乙烯醇纤维为杂向排布：将定向钢纤维增强的UHPC围套作为侧模，在侧模底端放置底板作为底模；
第七步、在侧模内浇筑普通混凝土，并进行振捣，养护后形成向钢纤维增强的UHPC围套混凝土结构。
本发明所述的定向钢纤维增强的UHPC围套混凝土结构的制备方法，所述第五步中定向磁场的磁场强度大于40mT；磁场作用时间大于60s。
本发明所述的定向钢纤维增强的UHPC围套混凝土结构的制备方法，所述第四步中上半部线圈与下半部线圈，上半部线圈与下半部线圈均预制呈“U”形；位于围套模具首尾端的线圈其中一端头用于接直流电；上半部线圈的一端头与下半部线圈的一端头相接、上半部线圈的一端头的另一端头与另一个下半部线圈的一端头相接，拼接后形成整根螺旋状线圈。
本发明所述的定向钢纤维增强的UHPC围套混凝土结构的制备方法，所述第一步在制备钢纤维增强的UHPC，若混惨聚烯烃纤维或聚乙烯醇纤维在定向磁场后钢纤维成环向水平分布，聚烯烃纤维或聚乙烯醇纤维成杂向排布。
本发明的定向钢纤维增强的UHPC围套混凝土结构的制备方法，所述浇筑普通混凝土前预先配置钢筋。
有益效果
本发明提供的定向钢纤维增强的UHPC围套混凝土结构，在该柱体结构中，定向钢纤维增强的UHPC围套主要是承受环向拉应力，本发明中将UHPC内部的钢纤维进行环向定向，使纤维排布方向与受力方向保持一致，充分发挥钢纤维的增强、增韧作用。在定向钢纤维增强的UHPC围套中，当钢纤维的排布方向与混凝土受拉力的方向保持一致时，钢纤维能够更有效地提高沿钢纤维方向的抗拉性能。
在相同强度要求下，与传统浇筑的UHPC-混凝土复合柱相比，本发明采用定向钢纤维增强的UHPC围套可降低钢纤维使用量，降低工程成本，改善纤维混凝土浇筑时的流动性。
与采用钢管作为约束材料的约束混凝土结构相比，本发明采用UHPC围套替代钢管，耐火性能和抗震性能都得到改善；高强度的UHPC可以约束内部混凝土，提高其承载能力和延性；同时，使用UHPC围套可避免原本钢管混凝土中钢材锈蚀带来的耐久性问题，使用和维护成本低；
定向钢纤维增强的UHPC围套混凝土结构的制备方法，其定向钢纤维增强的UHPC围套可进行预制后直接在现场施工中进行使用，该方法中定向钢纤维增强的UHPC围套可作为浇筑内部混凝土的施工模板使用，减少支模、拆模等施工工序，加快施工进度，节省造价。
附图说明
图1为制备环向定向UHPC围套专用设备的结构示意图；其中(a)为线圈拼接前结构示意图；(b)为线圈拼接后结构示意图；
图2为定向钢纤维增强的UHPC围套混凝土圆形柱体结构的立体图；
图3为定向钢纤维增强的UHPC围套混凝土圆形柱体结构的平面示意图；
图4为定向钢纤维增强的UHPC圆形围套的平面示意图；
图5为定向钢纤维增强的UHPC圆形围套的立面示意图；
图6为定向钢纤维增强的UHPC围套混凝土矩形柱体结构的平面示意图；
图7为定向钢纤维增强的UHPC围套混凝土矩形柱体结构的立体图。
图中1为直流电源，2为线圈，3为环向UHPC围套的浇筑模具。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例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的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的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
本实施例中，定向钢纤维增强的UHPC围套混凝土圆形柱体结构如图2所示。该混凝土柱体由定向钢纤维增强的UHPC围套和普通混凝土柱组成。包括定向钢纤维增强的UHPC围套、普通混凝土柱；在定向钢纤维增强的UHPC围套内浇筑填充普通混凝土形成柱体结构，定向钢纤维增强的UHPC围套为普通混凝土柱提供外部环向约束。
定向钢纤维增强的UHPC围套的制备材料包括水泥、硅灰、石英砂、矿粉、钢纤维、水和减水剂，其中钢纤维掺量为2.5％-3.5％。除了前述材料可根据不同的受力要求，在UHPC中混掺聚烯烃纤维或聚乙烯醇纤维，钢纤维通过磁场定向实现环向排布，聚烯烃纤维或聚乙烯醇纤维是杂向排布。定向钢纤维增强的UHPC围套的横截面形状为矩形、圆形或其他多边形，厚度为20mm-100mm。
在本实施例中，UHPC围套采用圆管，横截面内直径为300mm，高600mm，壁厚为20mm，采用的钢纤维为平直型钢纤维，长度13mm，直径0.22mm，长径比为60。
本实施例中，掺杂环向定向钢纤维的UHPC围套约束的现浇混凝土柱体结构的具体浇筑步骤为：
第一步、采用水泥、硅灰、石英砂、矿粉、钢纤维、水、减水剂制备钢纤维增强的UHPC；在该步骤中确定钢纤维的比例；
第二步、以围套的形状确定围套模具的形状，将围套模具成立置安放，并在围套下半部安装轴向半包裹式定向装置的线圈；
第三步、在第二步中的围套模具内浇筑第一步制备完成的钢纤维增强的UHPC；UHPC围套的UHPC浇筑结束后不得进行类似常规混凝土的振捣；避免对浇筑完成后的钢纤维增强的UHPC形成扰动。
第四步、在第三步浇筑完成后，在围套模具上半部安装轴向半包裹式定向装置的线圈，该上半部的线圈与下半部的线圈一一相互对接；上半部线圈与下半部线圈，均为单根线圈上下拼接而成环形线圈，独立环形线圈沿围套模具周向依次间隔排列。
第五步、利用拼接完成后的线圈对围套模具内的钢纤维增强的UHPC施加定向磁场，使得外加磁场穿过钢纤维增强的UHPC，从而将钢纤维增强的UHPC内的钢纤维排布方向调整为环向水平分布；钢纤维环向定向是采用电磁学原理来实现，通过构建圆环形匀强磁场，使得外加磁场穿过UHPC，从而将钢纤维排布方向调整为环向分布；定向磁场，磁场强度应不低于40mT(毫特斯拉)，磁场作用时间应不低于60s，实际所需磁场强度和作用时间应根据定向效果的优劣适当增减；定向效果应通过三维CT扫描加以检定。
第六步、待第五步完成后脱模，形成定向钢纤维增强的UHPC围套，将定向钢纤维增强的UHPC围套作为侧模，在侧模底端放置木板作为底模；
第七步、在侧模内浇筑普通混凝土，并进行振捣，根据实际需求，所述普通混凝土内部可配置钢筋；养护后形成向钢纤维增强的UHPC围套混凝土结构。
实施例2
如图6所示：本实施例与实施例1相比，其区别仅在于将圆柱换成方柱，并在普通混凝土中放置钢筋笼。
本实施例中，矩形UHPC围套，横截面尺寸为300mm X 300mm，高600mm，壁厚20mm。
本实施例中，定向钢纤维增强的UHPC围套混凝土矩形柱体结构的具体浇筑过程为：
第一步，按照设计的组分拌制UHPC，浇筑矩形UHPC围套，将围套放置在矩形磁场中，对钢纤维定向，或者对采用直线型磁场对矩形围套的各个侧面单独定向，然后放入标准养护环境中进行养护。
第二步，将养护好的矩形UHPC围套作为侧模，用木板作为底模。在UHPC围套内部放入绑扎好的钢筋笼，浇筑拌制好的普通混凝土，然后充分振捣，放置标准养护条件下进行养护。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种定向钢纤维增强的UHPC围套混凝土结构，其特征在于：包括由定向钢纤维增强的UHPC制备形成的围套，及浇筑在该定向钢纤维增强的UHPC围套内的普通混凝土；由定向钢纤维增强的UHPC围套对普通混凝土形成外部约束； 定向钢纤维增强的UHPC围套为柱形体结构。
2.根据权利要求1所述的定向钢纤维增强的UHPC围套混凝土结构，其特征在于：定向钢纤维增强的UHPC中混惨聚烯烃纤维或聚乙烯醇纤维。
3.根据权利要求1所述的定向钢纤维增强的UHPC围套混凝土结构，其特征在于：所述的定向钢纤维增强的UHPC的钢纤维掺量为总质量的2.5%-3.5%。
4.根据权利要求1所述的定向钢纤维增强的UHPC围套混凝土结构，其特征在于：定向钢纤维增强的UHPC制备形成的围套的横截面形状为矩形或圆形或多边形，定向钢纤维增强的UHPC制备形成的围套厚度为20mm-100mm。
5.定向钢纤维增强的UHPC围套混凝土结构的制备方法，其特征在于：步骤如下：
第一步、采用水泥、硅灰、石英砂、矿粉、钢纤维、水、减水剂制备钢纤维增强的UHPC；在该步骤中确定钢纤维的比例；
第二步、以围套的形状确定围套模具的形状，将围套模具成立置安放，并在围套下半部安装轴向半包裹式定向装置的线圈；
第三步、在第二步中的围套模具内浇筑第一步制备完成的钢纤维增强的UHPC；将浇筑完成后的钢纤维增强的UHPC静置；在钢纤维增强的UHPC浇筑后及静置过程中无振捣，避免对浇筑完成后的钢纤维增强的UHPC形成扰动；
第四步、在第三步浇筑完成后，在围套模具上半部安装轴向半包裹式定向装置的线圈，该上半部的线圈与下半部的线圈相互对接形成螺旋状线圈，该螺旋状线圈缠绕在围套模具的内、外圆周面外侧，螺旋状线圈接直流电；
第五步、利用拼接完成后的线圈对围套模具内的钢纤维增强的UHPC施加定向磁场，使得外加磁场穿过钢纤维增强的UHPC，从而将钢纤维增强的UHPC内的钢纤维排布方向调整为环向水平分布；磁化结束后待钢纤维增强的UHPC凝固后脱模；
第六步、待第五步完成后脱模，形成定向钢纤维增强的UHPC围套，若混掺聚烯烃纤维或聚乙烯醇纤维，则聚烯烃纤维或聚乙烯醇纤维为杂向排布：将定向钢纤维增强的UHPC围套作为侧模，在侧模底端放置底板作为底模；
第七步、在侧模内浇筑普通混凝土，并进行振捣，养护后形成向钢纤维增强的UHPC围套混凝土结构。
6.根据权利要求5所述的定向钢纤维增强的UHPC围套混凝土结构的制备方法，其特征在于：所述第五步中定向磁场的磁场强度大于40mT；磁场作用时间大于60s。
7.根据权利要求5所述的定向钢纤维增强的UHPC围套混凝土结构的制备方法，其特征在于：所述第四步中上半部线圈与下半部线圈，上半部线圈与下半部线圈均预制呈“U”形；位于围套模具首尾端的线圈其中一端头用于接直流电；上半部线圈的一端头与下半部线圈的一端头相接、上半部线圈的一端头的另一端头与另一个下半部线圈的一端头相接，拼接后形成整根螺旋状线圈。
8.根据权利要求5所述的定向钢纤维增强的UHPC围套混凝土结构的制备方法，其特征在于：所述第一步在制备钢纤维增强的UHPC，若混惨聚烯烃纤维或聚乙烯醇纤维在定向磁场后钢纤维成环向水平分布，聚烯烃纤维或聚乙烯醇纤维成杂向排布。
9.根据权利要求5所述的定向钢纤维增强的UHPC围套混凝土结构的制备方法，其特征在于：所述浇筑普通混凝土前预先配置钢筋。
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