高韌性水泥基材料-非金屬纖維筋復合結構及應用和方法
【專利摘要】本發明公開了一種高韌性水泥基復合材料-非金屬纖維筋復合結構，以高韌性水泥基材料為基材，以非金屬纖維筋為定向加強筋，按重量百分比計，高韌性水泥基材料包括以下組分：水泥35%，粉煤灰45%-55%，硅灰5%-10%，偏高嶺土5%-10%；所述的高強短纖維為聚乙烯醇纖維、聚乙烯纖維、碳纖維、芳綸纖維中的一種或幾種；所述的非金屬纖維筋為碳纖維增強塑料筋、芳綸纖維增強塑料筋、玻璃纖維增強塑料筋或玄武巖纖維增強塑料筋。本發明還公開了上述高韌性水泥基材料-非金屬纖維筋復合結構的應用及應用方法。本發明利用高韌性水泥基材料-非金屬纖維筋來加固鋼筋混凝土結構，以提高結構的承載能力和耐久性，降低結構的老化速度。
【專利說明】高韌性水泥基材料-非金屬纖維筋復合結構及應用和方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及建筑加固與高性能工程結構，尤其涉及一種高韌性水泥基材料-非金屬纖維筋復合結構及應用、方法。
【背景技術】
[0002]混凝土具有良好的抗壓性能，與鋼筋結合，能夠形成很好的承重結構，因此目前絕大部分建筑與橋梁都是鋼筋混凝土結構。但是，由于混凝土的抗拉性能及延性較差，所以在實際工程中，鋼筋混凝土結構很容易在受荷的情況下出現裂縫，隨著有害物質如氯離子、二氧化碳、水分的侵入，造成鋼筋不斷銹蝕膨脹，混凝土開裂，混凝土保護層剝落，導致結構耐久性降低，承載力下降，對建筑、橋梁結構的安全性產生很大的影響。在正常使用狀態下，鋼筋混凝土結構耐久性不足的主要原因是普通混凝土本身沒有很好的阻滯細微裂縫開裂、發展的能力，從而會引發滲漏及其它與耐久性相關問題；其次，開裂結構中的鋼筋容易銹蝕，增大結構的失效風險。根據美國聯邦公路局(FHWA)全國橋梁數據庫公布的統計數據，截止到2006年，美國橋梁建造總數為596808座，病害橋梁總數為153879座，約占25.8%。據調查，我國1980年建成的寧波北倉港10萬噸級礦石碼頭，使用不到10年其上部結構就發現嚴重的銹蝕損壞；天津港客運碼頭1979年建成，使用不到10年前承臺板有50%左右出現銹蝕損壞，導致構件開裂破壞情況十分嚴重。裂縫也是水工混凝土建筑物最常見的問題之一，特別是水壩、水庫，總會有較小的裂縫或滲漏，這是不可避免的，但是如果裂縫過寬或滲漏量過大，則會影響水壩的安全性和耐久性。在地震預測觀測站、飛機場跑道和醫療設施等這類低導電、非磁性特殊領域或設備中，鋼筋混凝土結構必然會對其產生一定的影響。地磁觀測在國家安全、氣象、通訊、遙感等方面具有非常重要的作用，特別是在攻克地震預報難關時更是基礎參量。隨著地磁觀測數字化先進儀器的普遍應用，即對地磁觀測室環境的無磁要求提高了 I個數量級。所以鋼筋混凝土結構在實際使用中存在一定的缺陷。
[0003]由于鋼筋混凝土自身存在一定的缺陷，其耐久性問題又影響著整個結構的安全性和適用性，隨著老化建筑結構自身承載力不斷出現問題，必然要采取措施對現有結構進行加固，現有的加固方法有:加大截面加固法、粘貼鋼板加固法、粘貼碳纖維增強塑料加固法、體外預應力加固法、增加支承加固法等。然而各種加固法都有其優點和不足之處。加大截面加固法，增大了混凝土構件的體積、自重、且施工周期長、施工空間大；粘貼鋼板加固法，能較好增大了橋梁結構的剛度和強度，但鋼板受環境影響較大，在潮濕和氯鹽環境下容易被侵蝕而強度降低，耐久性較差；粘貼碳纖維，能很好的提高結構強度，但結構剛度卻沒有明顯的改變；體外預應力加固法，對原結構外觀有一定影響，且不易用于混凝土收縮徐變較大的結構；增加支承加固法，易損害建筑物的原貌和使用功能，并可能減小使用空間。因此發展新的加固方式和材料也是建筑結構發展的趨勢。
[0004]纖維筋是由多股玄武巖纖維與樹脂基體材料結合，經擠壓、拉拔成型，擠壓成型工藝從原材料開始，經過浸潤、壓模、固化、切割等，最后形成的一種新型復合材料。纖維筋與鋼筋相比，不生銹和耐腐蝕，尤其具有極高的耐酸性和耐鹽性；且是一種電絕緣體，并具有非磁性。在靠近高壓線的建筑，要求非磁性的混凝土建筑物應用纖維筋，具有很大的優越性，對于醫院CT放射室以及對電磁環境有特殊要求的建筑結構，使用纖維筋材料可起到良好的電磁屏蔽效果，并且具有強度高、質量輕(玄武巖纖維復合筋質量僅為鋼筋的五分之一，不僅能提高建筑物的防腐性能，還可以降低建筑物的自重)、抗疲勞、無污染、人體接觸無害、生產工藝簡單、成本低等優點，可以替代或部分替代鋼筋用于混凝土結構中，從根本上解決鋼筋銹蝕問題，逐步受到土木工程界的關注。所以纖維筋可以代替鋼筋，應用于公路、橋梁、機場、車站、水利工程、地下工程以及軍事工程、保密工程、特殊工程等需絕緣脫磁環境等特殊領域，具有良好的社會效益和經濟效益。常見的纖維筋按其所采用原絲材料的不同，可分為碳纖維增強塑料筋、芳綸纖維增強塑料筋、玻璃纖維增強塑料筋以及玄武巖纖維增強塑料筋。
[0005]短纖維增強水泥基復合材料板自身具有很好的變形性能，由于短纖維的連橋作用，使板在受到拉力時，能夠多裂縫開裂，并且使裂縫保持在一個很小的開裂寬度范圍內，對提高結構的耐久性起到了很大的促進作用，但是其極限抗拉強度還是很小，在工程中的應用存在一定的局限性。纖維筋與纖維增強水泥基復合材料相結合，組成高韌性水泥基材料-非金屬纖維筋復合結構，既具有很高的抗拉強度，又具有較理想的變形能力、裂縫控制能力及耐久性；既可以采用現場澆筑的形式對結構進行加固，也可以采用工廠預制的形式，所以是一種新型的便捷的結構加固方式。
【發明內容】
[0006]為了解決現有鋼筋混凝土結構自身混凝土開裂、鋼筋銹蝕、耐久性降低、承載力下降的問題，本發明提供了一種高韌性水泥基材料-非金屬纖維筋復合結構及應用方法；不僅能提高結構的承載能力，而且還能很好的控制裂縫的發展，提高結構的耐久性，使結構的老化速度降低；并且具有很好的電磁屏蔽效果，為軍事及醫療提供的幫助；為工程結構提供了新的加固材料和方式，使選擇更具多樣性。
[0007]一種高韌性水泥基材料-非金屬纖維筋復合結構，以高韌性水泥基材料為基材，以非金屬纖維筋為定向加強筋，
[0008]按重量百分比計，高韌性水泥基材料包括以下組分:水泥35%，粉煤灰45%_55%，硅灰 5%-10%，偏高嶺土 5%-10% ；
[0009]所述的高韌性水泥基材料中還含有體積摻量為2%_3%的高強短纖維；
[0010]所述的高強短纖維為聚乙烯醇纖維、聚乙烯纖維、碳纖維、芳綸纖維中的一種或幾種；
[0011]所述的非金屬纖維筋為碳纖維增強塑料筋、芳綸纖維增強塑料筋、玻璃纖維增強塑料筋或玄武巖纖維增強塑料筋。
[0012]在本發明中，粉煤灰能夠很好地“稀釋”基體的不均勻性，降低局部缺陷出現的機率，使基體更加均勻，高摻量粉煤灰使各斷裂面之間的結構差異相對縮小；粉煤灰能夠降低基體強度，當外部荷載達到基體開裂強度時，基體中摻入粉煤灰使得裂縫更容易產生，有利于多裂縫產生；最后，大量緊密堆積粉煤灰球形顆粒進一步增加了纖維與基體的摩擦力，改善了纖維-基體界面黏結性能，但由于基體強度相對降低，基體在各個受力截面易于開裂，有利于纖維承擔開裂基體兩側的荷載，因而使更多的纖維在較早階段受力，使得纖維更容易從基體中拔出而非斷裂，因此纖維的增強效應得到改善。偏高嶺土和硅灰的這兩種火山灰質材料的加入均明顯縮短了水泥體系水化誘導期，使水化放熱高峰以及鈣礬石大量形成提前，并且使得水泥體系水化放熱速率趨于緩和。偏高嶺土和硅灰的加入均使得水泥漿體更加致密，孔洞減少。制備形成的水泥基復合材料具有很高的韌性，其峰值拉應變可超過1.5%。
[0013]高韌性水泥基材料-非金屬纖維筋組合而成的復合結構，既能充分利用水泥基材料的自身性能來解決混凝土結構的裂縫和耐久性問題，又能利用纖維筋的高強度來提高結構的承載力和剛度。組合后的結構既具有較好的裂縫控制能力，又具有較高的承載力。與普通的纖維筋-混凝土結構相比，纖維筋與高韌性水泥基材料之間粘結性能更好，而且能夠很好的協調變形，是一種理想的受力構件。
[0014]本發明的技術方案:以高韌性纖維水泥基復合材料為基材(峰值拉應變大于
1.5%)，然后再使用具有較好耐久性能的纖維筋做定向加強，形成一種薄板結構。水泥基中的高強短纖維的作用是控制基體材料的開裂以及開裂后裂縫的發展寬度和發展模式，使基材多裂縫均勻發展；纖維筋的作用是增強水泥基材料的強度和剛度，使其具有更高的承載能力。
[0015]利用上述的高韌性水泥基材料-非金屬纖維筋復合結構，采用澆筑方式與混凝土結構相疊合，本發明還提供了一種具有所述復合結構的混凝土疊合結構，所述混凝土疊合結構的受拉區設有用所述高韌性水泥基材料-非金屬纖維筋復合而成的承拉層。
[0016]在混凝土疊合結構內，所述的承拉層與混凝土結構為澆注成型的一體結構，所述的承拉層位于混凝土疊合結構的受拉區，混凝土疊合結構內的箍筋繞置在架立筋和非金屬纖維筋外。
[0017]針對新建工程結構，優選采用現澆的方式，以非金屬纖維筋代替受拉區鋼筋，以高韌性水泥基材料代替受拉區混凝土，替代混凝土的厚度宜大于50_。
[0018]此結構環境適應性較強，可根據結構的形式及需要采取不同的澆筑方案，疊合結構整體性好，從控裂性、經濟性、安全性及耐久性上看都表現出較為明顯的優勢。
[0019]針對現澆的具有高韌性水泥基材料-非金屬纖維筋的混凝土疊合結構，其澆筑步驟如下:
[0020]第一步，將架立筋固定在筋籠頂部，以非金屬纖維筋為受力縱筋置于筋籠底部，再把箍筋纏繞在架立筋和非金屬纖維筋外，綁扎成筋籠；
[0021]第二步:向模板內澆筑高韌性水泥基材料，澆筑厚度應至少覆蓋所述非金屬纖維筋20_，在高韌性水泥基材料初凝前，繼續澆筑普通混凝土，振搗密實，直至填滿模板。
[0022]針對既有混凝土結構，可通過現澆或者粘貼并錨固的方式進行加固，因此，本發明提供了一種利用所述高韌性水泥基材料-非金屬纖維筋復合薄板加固既有混凝土結構技術，加固薄板位于加固混凝土結構的受拉部位，來提高結構的承載力和耐久性。
[0023]采用現澆加固時，可分為以下幾個操作步驟:
[0024]I)對既有混凝土結構的加固面進行打磨處理，鑿毛后得到凹凸不平且粗糙的混凝
土基面；
[0025]2)在混凝土基面的打孔，并向孔內注膠，然后在孔內打入鉚釘，使鉚釘頭部裸露于混凝土基面外；[0026]3)將界面劑均勻噴涂在混凝土基面上，并在加固區域支模和綁扎所述的非金屬纖維筋；
[0027]4)將配好的高韌性水泥基材料漿料在混凝土基面上逐層壓抹，每壓抹一層后在漿體表面沿縱橫方向反復搓毛，直至達到預定的壓抹厚度。
[0028]優選的，在步驟3)中，界面劑的厚度不超過2mm ；
[0029]在步驟4)中，對高韌性水泥基材料漿料進行逐層壓抹的時間不超過0.5h。
[0030]本發明利用高韌性水泥基材料-非金屬纖維筋復合結構來加固鋼筋混凝土結構，以提高結構的承載能力和耐久性，降低結構的老化速度，并且具有很好的電磁屏蔽效果，為軍事及醫療提供的幫助；為建筑橋梁等工程結構提供了新的加固材料和方式，使選擇更具多樣性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0031]圖1為高韌性水泥基材料-非金屬纖維筋復合薄板截面示意圖；
[0032]圖2為纖維筋、高韌性水泥基材料分別替代混凝土梁受拉區鋼筋和混凝土的截面示意圖；
[0033]圖3為高韌性水泥基材料-非金屬纖維筋復合薄板結構加固混凝土梁的截面示意圖；
[0034]圖4為復合薄板的應力應變曲線圖。
[0035]圖中:I架立筋；2混凝土 ； 3箍筋；4縱向受力纖維筋；5高韌性水泥基材料；6界面齊U (采用現澆法時)或結構膠(采用粘結法時);7縱向受力鋼筋；H混凝土梁高度；B混凝土梁寬度；h纖維筋-高韌性水泥基材料復合薄板厚度；a梁中受拉區高韌性水泥基材料澆筑高度；b:高韌性水泥基材料-非金屬纖維筋復合薄板寬度；c梁中混凝土澆筑高度。
【具體實施方式】
[0036]實施例1: 15mm厚玄武巖纖維筋-PVA纖維增強水泥基材料復合薄板結構實例
[0037]PVA纖維在基體中的體積摻率為2%，基體漿體配比:水泥:精細砂:粉煤灰:偏高嶺土:硅灰:水:減水劑=1:1.43:1.43:0.29:0.14:0.86:0.036 ;水泥類型為42.5級，精細砂為80-120目，粉煤灰為一級粉煤灰，偏高嶺土采用DX-80M型，硅灰采用微硅粉，減水劑采用聚羧酸鹽類減水劑，纖維筋采用玄武巖纖維筋。
[0038]試件加工過程:先將水泥、精細砂、粉煤灰、偏高嶺土、硅灰投入攪拌機攪拌均勻，大約攪拌時間2-3分鐘；然后稱量相應重量的水，將需要加入的減水劑與水攪拌均勻，并將稱好的PVA纖維放入減水劑與水的混合液體中充分濕潤與分散；將減水劑與水的混合液體倒入攪拌機，攪拌3-4分鐘，使材料與混合液充分結合，具有很好的流動性；最后將濕潤分散的PVA纖維放入攪拌機，充分攪拌4-6分鐘，保證纖維分散均勻且與漿體充分混合，漿體制作完成。將纖維筋固定在已制作好的木模里，在木模里放入纖維漿體，澆筑厚度大約7_，放在振動臺上振搗I分鐘；然后再向木模里放入纖維漿體，澆筑厚度大約為8_，放到振動臺上振搗I分鐘；最后對振搗好的試件進行抹平。24小時后，將澆筑好的試件拆模，放入標準養護室養護28天，養護到期后取出，進行力學測試。
[0039]復合薄板的結構如圖1所示，b為薄板寬度，4為玄武巖纖維筋，5為-PVA纖維增強水泥基。對分別放入兩根，三根，四根BFRP筋的厚度15mm，寬度100mm，長度400mm的高韌性水泥基材料-非金屬纖維筋復合薄板行軸向拉伸試驗，測得其極限抗拉強度分別為:12.147MPa, 15.211MPa，20.704MPa ;極限拉應變分別為:2.16%, 1.99%, 2.41%。板的應力應變曲線如圖4所示。三種配筋板達到極限強度時，平均裂縫寬度均為ΙΟΟμπι左右，且最大裂縫寬度均不超過200 μ m，可見高韌性水泥基材料-非金屬纖維筋復合結構具有很理想的抗拉能力和裂縫控制能力。
[0040]實施例2:高韌性水泥基材料-非金屬纖維筋復合薄板代替混凝土梁受拉區鋼筋和混凝土的應用實例
[0041]筋籠綁扎:箍筋，架立筋采用Φ8ΗΡΒ235鋼筋，受力縱筋采用Φ 12玄武巖纖維復合筋(BFRP筋)。頂面及底面筋材保護層厚度為20mm(混凝土表面到箍筋表面的混凝土厚度)。
[0042]燒筑復合梁:燒筑時，先向模板內燒筑厚度為50mm的PVA纖維增強水泥基復合材料，振搗密實，在水泥基復合材料初凝前，繼續在其表面澆筑厚度為150_的C30混凝土，并再次振搗密實。
[0043]濕潤養護:24小時候拆模，放入標準養護室進行養護28天。
[0044]澆筑得到的新型疊合梁結構如圖2所示，架立筋1、箍筋3和縱向受力纖維筋4組成筋籠，基體材料分為混凝土 2和高韌性水泥基材料5，且縱向受力纖維筋4埋設在高韌性水泥基材料5內，圖中B為梁寬，H為梁高，a梁中受拉區高韌性水泥基材料澆筑高度，c梁中混凝土澆筑高度。
[0045]新型疊合梁的極限承載力為84.8KN,參考梁(參考梁為FRP筋混凝土梁，受力縱筋為FRP筋，受拉區混凝土未采用ECC代替)的極限承載力為80KN，與參考梁相比承載力有所提高。用高韌性PVA增強水泥基復合材料代替受拉區混凝土的新型復合梁的初始開裂裂縫寬度大約為0.05mm左右，明顯低于參考梁初始裂縫寬度0.26mm。新型復合梁比參考梁的初始裂縫發展高度降低了 24.1%。可見:采用高韌性PVA增強水泥基復合材料代替參考梁受拉區混凝土，FRP筋與周圍的水泥基材料有著更好的粘結力和協調變形能力，并且對裂縫有著良好的控制能力。
[0046]實施例3:現澆PVA纖維增強水泥基材料-碳纖維筋復合薄板加固鋼筋混凝土梁實例
[0047]混凝土基面處理:用角磨機打磨處理混凝土基面，并用花錘和電錘鑿毛基面，使之形成隨機的凹凸不平狀以增加黏結面的粗糙程度。
[0048]植入鉚釘:在梁底面隔一定間距預埋鉚釘，用電錘垂直對準梁底面混凝土打孔，然后清除孔內灰塵并向孔內注膠，隨后逐個打入特制的異形鉚釘。
[0049]基面浮塵沖洗:對加固部位用高壓水將混凝土表面的粉灰、油污沖洗干凈，保持潮濕狀態。
[0050]噴涂加固用鋼筋混凝土界面劑:涂刷界面劑前，需提前24h在施工面上充分灑水濕潤，使內部水分飽和，在表面無明水的情況下進行噴涂施工，噴涂過程中應確保界面劑均勻分布，噴涂厚度不得超過2mm。
[0051]支模及綁扎纖維筋:在需要加固區域支木模和綁扎纖維筋。
[0052]纖維增強水泥基復合材料(ECC)的壓抹:配好的漿料應保證在0.5h內用完，采用分層人工壓抹方式進行施工，每壓抹一層后須用木抹子在漿體表面沿縱橫方向反復搓毛，當壓抹厚度達到設計要求后，應及時做好壓抹收光。
[0053]濕潤養護:纖維增強水泥基復合材料壓抹收光后進行標準養護。
[0054]通過上述的步驟，形成如圖3所示的加固鋼筋混凝土梁，架立筋1、箍筋3和縱向受力纖鋼筋7組成筋籠，縱向受力纖維筋4和高韌性水泥基材料5組成的加固用復合薄板，復合薄板與混凝土 2之間為界面劑或結構膠6，h為高韌性水泥基材料-非金屬纖維筋復合薄板厚度。
[0055]采用現澆PVA纖維增強水泥基材料-碳纖維筋復合薄板加固的鋼筋混凝土梁，其開裂荷載、極限承載力都有了不同程度的提高。加固后的鋼筋混凝土梁與未加固梁的開裂荷載分別為24.1KNU7.4KN,開裂荷載提高了 38.5%。極限承載能力分別為144.4KN、97.3KN，極限承載力提高了 48.4%。未加固梁加載到鋼筋屈服后，裂縫的寬度迅速增加，很快達到2_左右，然而加固梁的裂縫一直處于緩慢發展的狀態，達到極限荷載時，裂縫仍然小于0.5_。可見PVA纖維增強水泥基材料-碳纖維筋復合薄板對混凝土梁的開裂及裂縫發展有明顯的抑制作用。
【權利要求】
1.一種高韌性水泥基材料-非金屬纖維筋復合結構，以高韌性水泥基材料為基材，以非金屬纖維筋為定向加強筋，其特征在于， 按重量百分比計，高韌性水泥基材料包括以下組分:水泥35%，粉煤灰45%-55%，硅灰5%-10%，偏高嶺土 5%-10% ； 所述的高韌性水泥基材料中還含有體積摻量為2%-3%的高強短纖維； 所述的高強短纖維為聚乙烯醇纖維、聚乙烯纖維、碳纖維、芳綸纖維中的一種或幾種；所述的非金屬纖維筋為碳纖維增強塑料筋、芳綸纖維增強塑料筋、玻璃纖維增強塑料筋或玄武巖纖維增強塑料筋。
2.一種基于權利要求1所述高韌性水泥基材料-非金屬纖維筋的混凝土疊合結構，其特征在于，所述混凝土疊合結構的受拉區設有用所述高韌性水泥基材料-非金屬纖維筋復合而成的承拉層。
3.如權利要求2所述的混凝土疊合結構，其特征在于，所述的承拉層與混凝土結構為澆注成型的一體結構。
4.如權利要求3所述的混凝土疊合結構，其特征在于，所述的承拉層位于混凝土疊合結構的受拉區，混凝土疊合結構內的箍筋繞置在架立筋和非金屬纖維筋外。
5.一種用于權利要求2?4任一項所述混凝土疊合結構的澆筑方法，其特征在于，包括以下步驟: 第一步，將架立筋固定在筋籠頂部，以非金屬纖維筋為受力縱筋置于筋籠底部，再把箍筋纏繞在架立筋和非金屬纖維筋外，綁扎成筋籠； 第二步:向模板內澆筑高韌性水泥基材料，澆筑厚度應至少覆蓋所述非金屬纖維筋20mm,在高韌性水泥基材料初凝前，繼續澆筑普通混凝土，振搗密實，直至填滿模板。
6.一種基于權利要求1所述高韌性水泥基材料-非金屬纖維筋復合結構的混凝土梁，其特征在于，混凝土梁的受拉區固定有用所述高韌性水泥基材料-非金屬纖維筋復合而成的加固薄板。
7.—種如權利要求6所述加固既有混凝土結構的現澆加固方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)對既有混凝土結構的加固面進行打磨處理，鑿毛后得到凹凸不平且粗糙的混凝土基面； 2)在混凝土基面的打孔，并向孔內注膠，然后在孔內打入鉚釘，使鉚釘頭部裸露于混凝土基面外； 3)將界面劑均勻噴涂在混凝土基面上，并在加固區域支模和綁扎所述的非金屬纖維筋； 4)將配好的高韌性水泥基材料漿料在混凝土基面上逐層壓抹，每壓抹一層后在漿體表面沿縱橫方向反復搓毛，直至達到預定的壓抹厚度。
8.如權利要求7所述的現澆加固方法，其特征在于，在步驟3)中，界面劑的厚度不超過2mm ； 在步驟4)中，對高韌性水泥基材料漿料進行逐層壓抹的時間不超過0.5h。
【文檔編號】C04B28/00GK103938803SQ201410135749
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年4月4日 優先權日:2014年4月4日
【發明者】王海龍, 孫曉燕, 彭光宇, 羅月靜 申請人:浙江大學, 廣西交通科學研究院