耐冻融环境的纤维复合再生混凝土柱及其制备方法

摘要

本发明提供了耐冻融环境的纤维复合再生混凝土柱，按重量份计，该混凝土柱的原料包括：水泥1份、水0.53份、砂1.86份、原生粗骨料1.72份、再生粗骨料1.72份、以及纤维0-8kg/m

说明书

技术领域

 本发明属于混凝土领域，具体涉及耐冻融环境的纤维复合再生混凝土柱及其制备方法。

背景技术

随着我国市场经济的迅猛发展以及城镇化水平的不断提高，由于规划、拆除以及改建等产生的建筑垃圾数量剧增，同时，地震灾区在地震后留下大量废弃混凝土，这些仅仅在铺路中使用太过浪费。据统计，目前我国每年要产生数亿吨的建筑垃圾，这些建筑垃圾达到了城市垃圾的30%～40%。加之近年来我国自然灾害频发，由此造成的建筑物损坏更是产生了大量的建筑垃圾，如汶川大地震后产生的建筑垃圾就达3亿吨。如此大量的建筑垃圾如果仅靠掩埋与堆砌的简单处理方式将会极大地浪费国土资源，同时也会衍生出更多的粉尘来污染环境。

同时，地震之后大量结构损坏，急需加固修复满足新的设计规范要求。特别对于大量具有少数名族特色的建筑，需要进行加固修复使其复合新的使用要求，城市建筑不断淘汰，修建新建筑不但对环境造成影响，同时消耗大量人力、物理，造成更多的建筑垃圾。

而纤维复合材料是一种经济有效的加固复合材料可有效的提高混凝土的承载力、刚度、延性、抗疲劳和承受动态荷载的能力，与传统的加固材料相比，具有自重轻、强度高、耐腐蚀、延性好、易于操作和疲劳性能好的特点。

然而，现有技术中，耐冻融环境的再生混凝土柱鲜见报道。因此，亟需开发一种耐冻融环境的再生混凝土柱。

发明内容

    本发明的目的之一是提供一种耐高温及冻融环境的纤维复合再生混凝土柱，按重量份计，该混凝土柱的原料包括：水泥1份、水0.53份、细骨料1.86份、原生粗骨料1.72份、再生粗骨料1.72份、以及纤维2-8 kg/m³·混凝土柱；所述细骨料为天然河沙，再生粗骨料为废弃混凝土，原生粗骨料为天然鹅卵石；所述纤维为CFRP、BFRP、AFRP、GFRP和钢纤维中的至少一种，所述纤维作为加固材料包裹在混凝土柱表面。

所述再生粗骨料的粒径为4.75-19 mm，所述原生粗骨料的粒径为2.36-19mm；所述水泥为P.C32.5R水泥。

所述混凝土柱为圆柱或方柱，优选为圆柱。

所述混凝土柱为钢管或碳管约束混凝土柱。

包裹方式为：纤维包裹于混凝土柱上的全部表面，包裹层数为1或2层，优选为2层；或纤维以间隔包裹的方式对混凝土柱进行包裹，每100mm纤维包裹区域间隔50mm距离，包裹层数为1或2层，优选为2层。

优选的，用于包裹混凝土柱的纤维为BFRP。

本发明所用纤维具有如下特点：拉伸强度高、弹性系数高、弹性限度内伸长量大且拉伸强度高，故吸收冲击能量大；为无机纤维，具不燃性，耐化学性佳，吸水性小，尺度安定性及耐热性均佳，价格便宜。掺入混凝土中对防治混凝土开裂以及裂纹扩展有帮助。

如本发明实施例6中所记载，本发明所得的混凝土柱的耐冻融能力得到了较为显著提升，具有较好的承载力。

本发明的第二个目的在于提供耐冻融环境的纤维复合再生混凝土柱的制备方法，该制备方法包括如下步骤：

1）按顺序，依次加入细骨料、水泥、原生粗骨料和再生粗骨料、水，并依次搅拌均匀；

 2）将步骤1）的所得物装入钢管或碳管中，并振捣均匀形成再生混凝土柱；

3）对步骤2）所得钢管再生混凝土柱或碳管再生混凝土柱用纤维进行包裹；

按重量份计，步骤1）中各物质的配比关系为：水泥1份、水0.53份、砂1.86份、原生粗骨料1.72份、再生粗骨料1.72份，步骤3）中纤维用量为2-8 kg/m³·混凝土柱；所述细骨料为天然河沙，再生粗骨料为废弃混凝土，原生粗骨料为天然鹅卵石；所述纤维为CFRP、BFRP、AFRP、GFRP和钢纤维中的一种,优选BFRP。

    优选的，所述原生粗骨料的粒径为2.36-19 mm，再生粗骨料的粒径为4.75-19 mm；所述细骨料为天然河沙；所述水泥为P.C32.5R水泥；所述混凝土柱为钢管约束混凝土柱；所述所述混凝土柱为圆柱或方柱，优选为圆柱；所述包裹为将纤维包裹于混凝土柱上的全部表面，或将纤维以间隔包裹的方式对混凝土柱进行包裹，每100mm纤维包裹区域间隔50mm距离，包裹层数为1或2层，优选2层。

本发明与现有技术相比，具有以下益效果：

（1）      本发明主要使用建筑垃圾为原材料制备而成，因此节约了成本，同时还能有效的利用了资源，减少了对建筑垃圾处理所投入的人力物力，还减小了处理建筑垃圾所产生的粉尘等对环境的污染，因此还有效的保护了环境；

（2）      本发明的制备的纤维复合再生混凝土柱，较传统的钢筋混凝土柱施工周期短，容易制备，美观，本发明更环保、更节能。加固方式经济实用，简单易操作；

（3）      本发明制备的纤维复合再生混凝土柱能在冻融环境中使用，较常规混凝土柱具有更优秀的耐冻融性能。

附图说明

图1为不加纤维的钢管混凝土柱的试件的极限荷载与冻融周次的关系图；

图2为不加纤维的碳管混凝土柱的试件的极限荷载与冻融周次的关系图；

图3为加固方式示意图；

图4为冻融过程中试件混凝土表征变化结果图；

图5为-20~5℃混凝土试件混凝土表征变化比较结果图；

图6为-20~5℃和-10~5℃混凝土试件混凝土表征变化比较结果图，其中（a)为-20~5℃碳管试件，（b）为-10~5℃碳管试件；

图7为加固试件在冻融后的破坏形态；

图8为碳管试件表面随冻融周次变化现象；

图9为加固后碳管碳管试件的动弹性模量损失率结果图。

具体实施方式

下面给出实施例以对本发明作进一步说明。有必要在此指出的是以下实施例不能理解为对本发明保护范围的限制，如果该领域的技术熟练人员根据上述本发明内容对本发明作出一些非本质的改进和调整，仍属于本发明保护范围。

实施例1

1）按顺序，依次加入细骨料、水泥、原生粗骨料和再生粗骨料、水，并依次搅拌均匀；

 2）将步骤1）的所得物装入钢管或碳管中，并振捣均匀形成再生混凝土柱；

3）对步骤2）所得钢管再生混凝土柱或碳管再生混凝土柱用纤维进行包裹；

按重量份计，步骤1）中各物质的配比关系为：水泥1份、水0.53份、砂1.86份、原生粗骨料1.72份、再生粗骨料1.72份，步骤3）中纤维用量为2 kg/m³·混凝土柱；所述细骨料为天然河沙，再生粗骨料为废弃混凝土，原生粗骨料为天然鹅卵石；所述纤维为CFRP。

实施例2

1）按顺序，依次加入细骨料、水泥、原生粗骨料和再生粗骨料、水，并依次搅拌均匀；

 2）将步骤1）的所得物装入钢管或碳管中，并振捣均匀形成再生混凝土柱；

3）对步骤2）所得钢管再生混凝土柱或碳管再生混凝土柱用纤维进行包裹；

按重量份计，步骤1）中各物质的配比关系为：水泥1份、水0.53份、砂1.86份、原生粗骨料1.72份、再生粗骨料1.72份，步骤3）中纤维用量为4 kg/m³·混凝土柱；所述细骨料为天然河沙，再生粗骨料为废弃混凝土，原生粗骨料为天然鹅卵石；所述纤维为GFRP。

实施例3

1）按顺序，依次加入细骨料、水泥、原生粗骨料和再生粗骨料、水，并依次搅拌均匀；

 2）将步骤1）的所得物装入钢管或碳管中，并振捣均匀形成再生混凝土柱；

3）对步骤2）所得钢管再生混凝土柱或碳管再生混凝土柱用纤维进行包裹；

按重量份计，步骤1）中各物质的配比关系为：水泥1份、水0.53份、砂1.86份、原生粗骨料1.72份、再生粗骨料1.72份，步骤3）中纤维用量为8 kg/m³·混凝土柱；所述细骨料为天然河沙，再生粗骨料为废弃混凝土，原生粗骨料为天然鹅卵石；所述纤维为BFRP。

实施例4

1）按顺序，依次加入细骨料、水泥、原生粗骨料和再生粗骨料、水，并依次搅拌均匀；

 2）将步骤1）的所得物装入钢管或碳管中，并振捣均匀形成再生混凝土柱；

3）对步骤2）所得钢管再生混凝土柱或碳管再生混凝土柱用纤维进行包裹；

按重量份计，步骤1）中各物质的配比关系为：水泥1份、水0.53份、砂1.86份、原生粗骨料1.72份、再生粗骨料1.72份，步骤3）中纤维用量为8 kg/m³·混凝土柱；所述细骨料为天然河沙，再生粗骨料为废弃混凝土，原生粗骨料为天然鹅卵石；所述纤维为AFRP。

实施例5

1）按顺序，依次加入细骨料、水泥、原生粗骨料和再生粗骨料、水，并依次搅拌均匀；

 2）将步骤1）的所得物装入钢管或碳管中，并振捣均匀形成再生混凝土柱；

3）对步骤2）所得钢管再生混凝土柱或碳管再生混凝土柱用纤维进行包裹；

按重量份计，步骤1）中各物质的配比关系为：水泥1份、水0.53份、砂1.86份、原生粗骨料1.72份、再生粗骨料1.72份，步骤3）中纤维用量为4 kg/m³·混凝土柱；所述细骨料为天然河沙，再生粗骨料为废弃混凝土，原生粗骨料为天然鹅卵石；所述纤维为钢纤维。

实施例6

冻融对纤维复合再生混凝土柱的力学行为影响     玄武岩复合材料纤维丝的参入量为 4kg/m³。

按表1所述比例，按顺序，依次加入细骨料、水泥、原生粗骨料和再生粗骨料、水，并依次搅拌均匀，其中细骨料为天然河沙，再生粗骨料为废弃混凝土，原生粗骨料为天然鹅卵石。

1) 水泥

试验用水泥购自四川峨胜水泥股份有限公司生产峨胜牌P·C32.5R水泥，其各项指标如表2所示。

 2) 细骨料

试验用细骨料为河沙，基本性能参数如表3所示。

3）粗骨料

试验用粗骨料中，再生粗骨料为废弃混凝土，原生粗骨料为天然鹅卵石，其基本性能参数如表4所示。

搅拌均匀后，将物料注入钢管或碳管中，振捣均匀形成再生混凝土柱。

不加纤维的钢管或碳管混凝土柱的冻融方案及实验结果由表5、表6、表7和表8所示，其中，试件编号第一位数字表示再生骨料的取代率，“1”表示取代率为0%的再生混凝土，“2”表示取代率为50%的再生混凝土，“3”表示取代率为100%的再生混凝土，试件编号的第二为数字表示冻融周次，“0”表示未经冻融，“2”表示冻融20次，“4”表示冻融40次，“6”表示冻融60次。

 

 

试件极限承载力对比

从试件的极限荷载与冻融周次的关系来看，如附图1和附图2所示，试件的承载能力随着冻融周次的提高基本呈降低趋势。

同时从表9可见，约束再生混凝土短柱试件的极限承载力与动弹损失之间并不简单对等。

 原生混凝土试件的动弹损失率远大于极限承载力，而取代率为100%的试件的动弹损失率则小于试件的极限承载力；碳方管约束试件的动弹损失率更是远大于极限承载力的降幅。

实验中对钢管约束混凝土柱采用CFRP间隔包裹的方式进行加固，加固形式如附图3所示，加固层数为2层，在接头处增加100mm纤维布以保证粘贴强度，加固前管材表面经除锈、酒精擦拭后，涂抹结构胶，然后进行加固，养护一周待胶质凝固后加载。

试验用加载在四川大学土木工程实验室300T压力试验机上进行。

冻融过程对混凝土的影响结果见附图4、附图5和附图6，如附图4所示，随着冻融次数增加，试件表面逐渐出现砂浆鳞片化、细小骨料掉落。如图5所示，对再生混凝土而言，经60次冻融周次的50%的取代率的试件表面剥蚀最为严重，其次为经60次冻融周次的100%取代率试件,然而60次冻融循环后0%取代率的钢管约束混凝土试件表面保持最好。如图6所示，温度变化幅度较大（-20-5℃）的经20次冻融周次的0%取代率为0%的碳管约束混凝土柱试件表面所受的影响比温度变化幅度较小（-15-5℃）的该种碳管约束混凝土柱试件更为严重。碳管试件表面随冻融周次变化现象见图8所示。

对于加固后钢管试件极限承载力及位移结果见表10，其中，试件编号第一位数字表示再生骨料的取代率，“1”表示取代率为0%的再生混凝土，“2”表示取代率为50%的再生混凝土，“3”表示取代率为100%的再生混凝土，试件编号的第二为数字表示冻融周次，“0”表示未经冻融，“2”表示冻融20次，“4”表示冻融40次，“6”表示冻融60次。

对于加固后碳管碳管试件的动弹性模量损失率的结果见附图9。

由表10可知，经纤维加固后，试件的承载力有着普遍的提高。