高性能的海工钛筋混凝土支撑装置及制备工艺

摘要

本发明提供一种高性能的海工钛筋混凝土支撑装置及其制备工艺，海工钛筋混凝土支撑装置，例如护墙或者立柱建筑构件，包括混凝土基材以及包裹在基材中的钛合金筋结构。优选的，钛合金筋结构采用钛合金棒材，交织地形成增强支撑，浇筑在混凝土基材中。本发明采用钛合金筋材形成混凝土基材的增强结构，提高整体建筑构件的耐腐蚀性能和稳定性，提高使用寿命。

说明书

技术领域

本发明涉及海工混凝土支撑结构技术领域，具体而言涉及一种高性能的海工钛筋混凝土支撑装置，例如支护板(墙)、墩桩以及铺装板等，以及其制备工艺。

背景技术

海工混凝土是指海洋工程用的混凝土，应用在海洋环境下的桥墩、墩桩、支撑护板(护墙)等，通常采用钢筋混凝土结构，浇筑成混凝土柱、混凝土墙等，或者采用预制结构的支撑板，钢筋通常以主钢筋+辅助钢筋，交织成网状以及多层或者多层交叉式结构等形式，与混凝土浇筑成整体结构。

然而，在海水环境介质环境下，会对传统钢筋混凝结构产生侵蚀作用，由于长期受到海水的冲击、强腐蚀性的环境下钢筋混凝结果容易开裂，甚至出现断裂和崩塌的现象，有极大的安全隐患。钢筋混凝土失效的主要原因在于内部钢筋被腐蚀，腐蚀产物膨胀从而造成基体产生裂纹，从而降低安全性能和使用寿命。

发明内容

本发明目的在于提供一种高性能的海工钛筋混凝土支撑装置及其制备工艺，旨在通过采用钛合金筋结构替代传统的钢筋结构，显著增强耐腐蚀性，提高使用寿命和安全性。

为达成上述目的，本发明提出一种高性能的海工钛筋混凝土支撑装置，包括混凝土基材以及包裹在基材中的钛合金筋结构，所述钛合金筋结构采用直径范围在5mm-60mm的钛合金棒材，交织地形成增强支撑，浇筑在混凝土基材中。

进一步的实施例中，所述钛合金棒材为钛铁合金棒材。

进一步的实施例中，所述钛合金棒材为钛铁硼合金棒材。

进一步的实施例中，所述钛合金棒材中的钛金属重量比大于等于95％。

进一步的实施例中，所述钛合金筋结构包括至少一层交织成的网状筋结构。

进一步的实施例中，所述钛合金筋结构包括多层网状交织形成的笼式骨架结构。

进一步的实施例中，所述钛合金棒材为α+β钛合金，其中的α相等轴组织的体积分数大于等于95％。

进一步的实施例中，所述的海工钛筋混凝土支撑装置包括板式支撑机构或者墩桩式支撑装置。

进一步的实施例中，所述混凝土基材包括水泥、砂石、矿物掺合料以及减水剂形成的混合物。

根据本发明的改进，还提出一种高性能的海工钛筋混凝土支撑装置的制备工艺，包括：

采用钛合金棒材作为筋材，通过交织形成网状筋结构或者笼式骨架筋结构；

将制备好的混凝土基材浇筑到所述网状筋结构或者笼式骨架筋结构。

通过以上本发明的技术方案，其显著的优点在于：

1、采用高强度耐腐蚀的钛合金，替代传统的钢筋使用来增强海工混凝土内增强结构的耐腐蚀性能和强度，提高整体的安全性和耐腐蚀性，延长使用寿命；

2、采用的钛合金，选用α+β钛合金，α相等轴组织的体积分数占据绝对多数，保证加入混凝土的增强材料在拉伸性能、握裹力、耐蚀性以及弯曲性能上达到传统的钢筋混凝土的性能，完全替代传统的钢筋增强材料结构，极大的提高使用寿命；

3、采用新型的钛合金增强结构，与传统的钢筋或者带肋钢筋不同,钛合金的焊接、冷加工不会导致耐蚀性能变化，确保在后期加工，例如后期通过焊接的方式进行维护的工作中，钛合金的腐蚀性能不会改变。

附图说明

图1是本发明的高性能的海工钛筋混凝土支撑装置使用的钛合金的金相组织图。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。

本发明所涉及的海工混凝土支撑装置，例如板式支撑或者墩桩式支撑建筑构件，应用到海港、码头、引桥、防浪堤、桥墩上，形成护墙或者立柱，由于长期接触海水介质，受其冲击和腐蚀，容易对混凝土以及传统钢筋材料的增强结构产生腐蚀，导致断裂、崩塌等问题，带来安全性隐患。

本发明提出的高性能的海工钛筋混凝土支撑装置，采用钛合金筋材形成混凝土基材的增强结构，提高整体建筑构件的耐腐蚀性能和稳定性，提高使用寿命。而且，在后期的养护过程中，例如后期通过焊接的方式进行维护的工作中，钛合金的腐蚀性能不会改变，同样保持住高稳定的抗腐蚀性能。

根据本发明的公开，一种高性能的海工钛筋混凝土支撑装置，例如前述的护墙或者立柱建筑构件，包括混凝土基材以及包裹在基材中的钛合金筋结构，所述钛合金筋结构采用直径范围在5mm-60mm的钛合金棒材，交织地形成增强支撑，浇筑在混凝土基材中。

本发明的各个实施例中的混凝土基材包括水泥、砂石、矿物掺合料以及减水剂形成的混合物，可以是传统的海工混凝土基材，或者使用增强性能的基材，例如在混凝土中掺杂了阻锈剂，抑制电化学腐蚀。

可选地，矿物掺合料可以选用粉煤灰、微硅粉、矿渣粉以及他们的混合物，以填充混凝土间隙形成润滑膜，改善过渡区，并降低水胶化，形成低水胶比的环境。同时，还可以改善徐变能力，减小早期热裂缝。

在一些实施例的制备工艺中，可以通过选用合适直径的合金棒材进行加工形成稳固的增强结构，例如通过交叉、交织形成网状筋结构或者形成的笼式骨架结构。钛合金棒材的直径可以根据实际情况，在5mm-60mm的范围内选择，从5mm(例如钛丝材可用于捆扎)开始，利于进行笼骨架的安装、折弯以及焊接等处理，还可以在例如6.5mm、8mm、12mm、20mm、25mm、28mm、40mm、50mmd等尺寸范围进行选择，尤其但不限制在：可以选用较大的直径的棒材作为主支撑，以及其他尺寸的棒材作为辅助支撑，或者是在制备笼式骨架经结构的实施例中，可以选用30mm以下的棒材。

在另一些实施中，还可以多层交织形成更加稳固的内部增强结构。

在钛合金棒材的材料选择上，优选采用钛铁合金(T i-Fe)棒材，或者钛铁硼合金(Ti-Fe-B)棒材，合金的制备工艺流程简单，得到的合金成分较均匀，且能够实现大批量生产，成本较低，而且在热处理形成棒材的过程中，仅在较低温度下进行热处理所得到的合金强度与轧制态非常接近，这就简化了在实际应用中，只要采用较低的退火温度就可以得到满足要求的钛筋，满足海洋工程环境下的力学性能要求，且耐腐蚀，使用寿命极大的延长。

我们在一些实施例中，优选采用了高性能的钛合金材料，其中合金棒材中的钛金属重量比大于等于95％。

例如，在一些实施例中所采用的钛合金棒材，合金成分包括：Fe：0.5-3.5wt.％，B：0.05-0.2wt.％，余量为钛和不可避免的杂质，所述杂质总量小于等于0.5wt.％。

在一些更加具体的实施例中，采用α+β钛合金，钛合金成分包括：Fe：0.5-3.5wt.％，B：0.05-0.2wt.％，余量为钛和不可避免的杂质，所述杂质包括O≤0.1wt.％，C≤0.02wt.％，N≤0.01wt.％，H≤0.01wt.％。

作为可选的实施例，上述合金材料的制备工艺包括：1)按钛合金配方：Fe：0.5-3wt.％，B：0.05-0.2wt.％，余量为95wt.％的钛，以及不可避免的杂质；2)将一份海绵钛、铁颗粒、硼粉按配比分成4～5次，放入3000kN等温锻造压力机的压料模具中，压力机先加压，再保压，保压时间约为5秒，加压速度0.5mm/s，整个压制过程需要5分钟左右，压制结束待冷却后得到电极块；按以上方法重复进行三次压制，以获得熔炼所需的三个电极块；3)将步骤2中所得到的电极块前后对齐放入真空自耗电弧炉的坩埚中，进行一次熔炼；4)将步骤3中所得到的一次铸锭，经过平头、锯切、焊接后再进行二次熔炼；5)将步骤4中二次熔炼后的铸锭在相变点以上50～200℃开坯锻造成棒坯，然后经过轧制后制成Ф25mm的棒材；6)对棒材进行热处理，得到最终产品。

下面结合附图1所示的示例，对上述钛合金棒材制备过程进行更加具体的说明：

合金成分为Ti-2wt％，Fe-0.1wt％，B-0.1wt％，相变点温度为857±5℃，将购买的海绵钛、纯铁颗粒、硼粉按每个电极块62.615kg的比例进行配比，混料完成后放入3000kN等温锻造压力机的压料模具中，通电后加压压力机先加压，再保压，保压时间约为5秒，加压速度0.5mm/s，整个压制过程需要5分钟左右，压制结束待冷却后得到电极块；按以上方法重复进行三次压制，以获得熔炼所需的三个电极块；电极块前后对齐放入真空自耗电弧炉的坩埚中，抽真空到真空度＜0.13Pa后进行时长约40分钟的一次熔炼；利用坩埚周围循环水冷90分钟，从电弧炉的坩埚中将一次铸锭取出，水冷完全后进行平头、锯切和表面处理，以消除表面缺陷等对二次熔炼的影响；利用氩弧焊焊接方法将锯切的一次铸锭首尾焊接，放入电弧炉的坩埚中进行二次熔炼，得到最终铸锭，测定铸锭的相变温度，然后铸锭在相变点以上20～150℃开坯锻造成棒坯，经过轧制制成Ф25mm的棒材。将棒材置于690℃～810℃保温1h后空冷至室温得到产品。对热处理后的合金进行微观结构表征，金相组织见图1，并按照GB/T228.1-2010的要求进行力学性能测试，性能见表1。

表1钛合金棒材的力学性能

热处理制度R_m(MPa)R_p0.2(MPa)A(％)轧制态636.56444.3625.17690℃/1h/AC603.24422.7025.60720℃/1h/AC596.26424.0725.76750℃/1h/AC592.08409.4021.84780℃/1h/AC603.69392.4025.32810℃/1h/AC591.27356.8426.00

本实例中，钛合金经过普通退火后，室温抗拉强度都不小于590MPa，室温屈服强度都不小于390MPa，塑形延伸率不小于21％。合金的微观组织为等轴组织，等轴组织由等轴α相和少量的晶间β相构成，其中，该α+β钛合金中α相占据了极大的体积，体积分数达到了95％以上，而β相的体积分数仅有5％左右，使得α+β钛合金中α相等轴组织占据95％以上的体积，以确保高强度和塑性的要求，满足海洋工程对于混凝土的性能要求。

本发明的前述替代传统混凝土中钢筋的钛合金棒材中，以钛为主体元素，以α稳定元素B和β稳定元素Fe为合金元素，通过普通退火热处理工艺所得的钛筋产品，具有较好的强度和塑性，能够满足海洋工程对于混凝土的性能要求，可作为传统钢筋的替代品或者与钢筋组合使用，例如在海水中桥墩部分的混凝土采用钛筋，引桥部分的桥墩采用钢筋混凝土，从而达到更优的效果。

随着退火温度的升高，钛合金的抗拉强度和屈服强度都有所降低，原因在于，随着温度的升高，轧制态中细小的等轴α相开始球化形成不规则的块状形态，同时晶粒尺寸有所增加，导致强度有所降低。但是延伸率的变化却有所不同，延伸率保持了较高水平，克服了α稳定元素B对钛合金延伸率造成大幅下降的不利后果，得退火后的合金组织更加均匀和接近平衡态，尤其是在较低温度下进行热处理所得到的合金强度与轧制态非常接近，这就简化了在实际应用中，只要采用较低的退火温度就可以得到满足要求的钛筋。

海工用混凝土的混凝土劣化，一个重要原因就是混凝土自身的碳化。碳化是混凝土受到酸性气体(主要是CO₂)的作用,使水泥石中Ca(OH)₂不断减少,生成碳酸盐的过程。混凝土是一个多孔的结构,容易积聚水分,海洋潮湿环境又提供了充足的水源。混凝土从外界环境中吸入水和空气,给碳化创造了条件。生成的CaCO₃体积较原来的组分大,体积膨胀,造成裂缝,使得内部混凝土和腐蚀介质充分接触，尤其是氯离子的侵入将会造成传统钢筋混凝土的内部钢筋腐蚀。虽然钢筋在碱性介质中，阳极表面能够生成一层钝化膜(成分主要为Fe₃O₄或Fe₂O₃)，能够起到保护钢筋不受侵蚀的作用，但是在富含氯离子的海工环境中，尤其是海洋工程及近岸结构的高温、高盐特殊环境中，氯离子比其他离子(如硫酸根离子)含量更为丰富也更容易通过膜的缺陷或孔隙穿透氧化膜,引起钢筋的锈蚀。混凝土中的钢筋锈蚀以后,其锈蚀物的体积是相应钢筋体积的2-4倍,锈蚀产生的膨胀会导致混凝土胀裂，使其对钢筋的约束作用减小，并且锈蚀产物的润滑作用还会使钢筋与混凝土之间的摩擦力衰减，从而使钢筋混凝土握裹力随之降低。同时，锈蚀会造成钢筋力学性能退化、混凝土截面性能损伤、钢筋与混凝土之间粘结力降低等后果,导致混凝土构件的损伤,改变构件破坏形态、降低构件承载能力,从而致使钢筋混凝土达不到设计寿命，或者发生无法预计的危害。而且在海工领域中的混凝土建筑物一旦破坏,维修起来将非常麻烦甚至无法维修。

本发明使用的钛合金筋结构，由于钛在热力学上是不稳定的金属，其致钝电位较负，标准电极电位为-1.63V(标准氢电极SHE)，这使得钛及钛合金海水环境中会形成保护性极好的TiO₂氧化膜，在富含氯化物离子等腐蚀介质的海工环境中，钛合金表面的钝化膜也难以被侵蚀。钛合金钝化膜的存在使金属电极表面进行活性溶解的面积减小，钝化后的钛合金自腐蚀电位大幅升高。同时钛合金表面形成的钝化膜又具有非常好的自愈性，当其钝化膜遭到破坏时，能够迅速修复，弥合形成新的保护膜。因而在海水中钛合金具有非常有益的耐腐蚀性能，能够避免混凝土碳化所带来的性能影响。

与不锈钢和钢筋不同,钛合金的焊接、冷加工不会导致耐蚀性能变化。这也就是说在后期通过焊接的方式进行维护的工作中，钛合金的腐蚀性能不会改变。

此外，钛合金的密度为4.52g/cm³，低于传统混凝土中钢筋的密度，这也就减轻了混凝土自身重量对结构的影响。

本发明的方案，即利用超长寿命、高性能海工钛筋混凝土取代或者优化传统的钢筋混凝土，从而提高海工混凝土建筑物或者桥梁构建的使用寿命。

根据前述实施例的海工钛筋混凝土，我们从拉伸性能、握裹力、耐蚀性以及弯曲性能进行了测试，以确保其满足传统钢筋混凝土的海工环境下的性能要求和安全要求。

钢筋混凝土结构中钢筋承受拉力，混凝土承受压力，也就是说混凝土抗拉强度的获取主要是来自内部钢筋，在对内部支撑构件材料的性能测试实验中，选取了混凝土结构中常用的钢筋HRB400和本专利钛筋中的钛合金Ti-2Fe-0.1B，其化学成分见表2。

表2两中筋材的化学成分含量(质量分数，％)

HRB4000.20C0.50Si1.15Mn0.021S0.028P—Ti-2Fe-0.1B1.89Fe0.08B0.014C0.0012H0.004N余量Ti

【拉伸性能实验】

两种筋材的拉伸性能实验严格按照GB/T 228.1-2010金属材料拉伸试验第一部分：室温试验方法进行，实验结果记录如表3。

表3钢筋HRB400和钛筋Ti-2Fe-0.1B的拉伸性能

在YB/T 361-2014钢筋混凝土用耐蚀钢筋标准中，对于钢筋HRB400的要求是，下屈服强度ReL≥400MPa，抗拉强度Rm≥540MPa，断后伸长率A≥16％。在本发明中，钛筋中的钛合金Ti-2Fe-0.1B原始轧制态钛合金筋材的屈服强度≥440MPa，抗拉强度≥630MPa，塑性延伸率≥25％，远高于标准所要求的性能指标。

【握裹力实验】

混凝土的抗压强度很高，抗拉强度很低，在一根混凝土梁的受拉区加入适量的钢筋，抗拉强度很高的钢筋将承受拉应力。为使加入混凝土的增强材料能够与混凝土共同受力，增强材料必须满足以下条件：有可靠的粘结或锚固；具有与混凝土相近的线膨胀系数，不因温度变化而破坏粘结或锚固；在结构正常寿命内不与混凝土产生有害的化学反应。这就要求钢筋与混凝土和钛筋与混凝土之间必须有非常良好的握裹力。在钢筋混凝土结构建筑中，握裹力是钢筋和混凝土得以共同工作的基础。

对于握裹力实验，钢筋规格HRB400级、直径φ20带肋钢筋和直径φ20的钛筋。钢筋总长100mm，实验中使用的混凝土试块是工程结构常用的C30混凝土强度等级试块，试块尺寸为长×宽×高＝150mm×150mm×150mm，有效锚固长度取80mm。为防止试验过程中外露钢筋被压弯而影响试验结果，外露钢筋长度不宜过长。对于钛筋与混凝土的实验，与钢筋要求一致。在标准养护条件下养护到28d时进行试验。

本试验参考对钢筋抗拔承载力试验的方法进行。最大试验荷载根据试件钢筋规格为HRB400级钢筋按照其强度标准值σs＝400N/mm²，计算出最大试验荷载量为125.66KN。按照实验所得的强度值σs＝425N/mm²，计算出最大试验荷载量为133.52KN。钛筋按照实验所得的强度值σs＝444N/mm²，计算出最大实验载荷量为139.49KN。试件的制作一共分为2组，第1组为钢筋，第2组为钛筋，每组做3块。所有试验严格按照GB/T>

式中：τ-握裹强度MPa；P-荷载峰值kN；d-钢筋直径mm；l-钢筋的有效锚固长度mm。

表4握裹强度实验的数据记录

从实验数据分析可见，钛筋与混凝土之间的握裹强度与钢筋HRB400与混凝土之间的握裹强度相当并略微高于钢筋HRB400与混凝土的握裹强度。也就是混凝土抵抗钛筋滑移能力强，能够达到并超出的钢筋混凝土抗滑移能力，同时其抗压强度达到并超过钢筋混凝土。

【耐蚀性】

腐蚀实验的试样从钢筋和钛筋上直接截取，尺寸为14mm×450mm，用于腐蚀率测定和力学性能测试。腐蚀介质为模拟混凝土结构中的孔隙液，具体成分为在饱和Ca(OH)2溶液中加入3.5wt％NaCl(简称3.5％NaCl溶液，模拟重度盐腐蚀环境)，腐蚀时间为10、20、30d，即240、480、720h。钢筋HRB400在3.5％NaCl溶液中的腐蚀速率测试结果见表5。可以看出，随着腐蚀时间的增加，钢筋HRB400的腐蚀率(质量损失率)逐渐增加，由240h时的0.09％增加到720h时的0.19％，增大了近1倍。同时还可看出，在240～720h，钢筋HRB400的腐蚀率与腐蚀时间基本呈线性关系，而钛筋无变化。

表5钢筋HRB400的腐蚀时间和腐蚀率

在海水环境中，氯化物离子难于侵蚀钛合金表面的钝化膜，不易发生点蚀、间隙腐蚀以及应力腐蚀。在海水中的腐蚀率为10-4mm/a，比耐蚀等级标准的最高等级还高一个数量级，此外在高速流动海水(流速>10m/s)的冲刷状态下也具有优异的耐蚀性。混凝土碳化所带来的氯离子渗入对钛筋混凝土整体造成的不利影响非常小，微乎其微。

【弯曲性能实验】

梁是传统钢筋混凝土结构中最常见的承重构件，一般承受着荷载作用产生的弯矩和剪力，钢筋的锈蚀已成为影响现役钢筋混凝土结构耐久性的主要因素。在梁的抗弯性能试验中主要采用的钢筋混凝土梁截面尺寸为100mm×100mm，梁长600mm，其中计算跨度400mm，深入支座部分两端各100mm。混凝土强度等级采用C30，保护层厚度为15mm。实验分成两部分进行，第一部分是钢筋混凝土的弯曲实验，受力纵筋采用HRB400级钢筋，架立筋、箍筋采用HPB335级钢筋。第二部分是钛筋混凝土，架立筋、箍筋也采用HPB335级钢筋。

具体的实验方案采用四分点加载方式，梁跨中1/3部分即为纯弯段。加载支座一端采用滚动铰支座，另一端采用固定铰支座，并在支座处试件底部各垫8mm厚的钢板，以防止受力时产生应力集中。荷载由液压千斤顶通过手压油泵作用。在分配梁顶，并通过集中力加载点作用于试验梁，两集中力加载点处一端为滚动铰支座，另一端固定铰支座。抗弯性实验的数据结果记录在表6。

表6-两种筋材混凝土的开裂荷载和极限承载力比较

满足耐久性要求是控制在实际使用中混凝土中产生裂缝宽度的主要原因。混凝土在没有开裂的时候，可以保护内部钢筋和钛筋免受离子侵蚀进而避免发生锈蚀，当然对于钛筋来讲，即使进入了氯离子也能不会发生腐蚀，同时也可避免冻融作用加速保护层的剥蚀和脱落。所以开裂荷载对于耐久性研究非常重要，越高说明耐久性越好。在一般的工程设计中，一般不需要进行受力全过程分析，主要是求得构件的极限承载力。可以看到，极限承载力对于界定构件破坏形态，建立构件承载力退化模型有重要意义。

由以上试验过程可见，采用钛筋的混凝土构件，在开裂荷载、屈服荷载和极限荷载能力上都与传统的钢筋混凝土相当并且超出，完全达到替代的性能水平和要求。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。