一种半刚性叠合梁防撞护栏及其施工方法

摘要

本发明公开了一种半刚性叠合梁防撞护栏及其施工方法，半刚性叠合梁防撞护栏包括由生态纳米颗粒增强水泥基复合材料制成的主体和由超高延性水泥基复合材料制成的保护层，主体和保护层通过施工方法复合浇筑而成。主体占叠合梁防撞护栏横截面高度的2/3～3/4，保护层占叠合梁防撞护栏横截面高度的1/4～1/3。本发明的半刚性叠合梁防撞护栏具有极高的强度和耐久性，能够更好的发挥防撞护栏的安全作用，减少防撞护栏的维护次数，延长使用寿命。细小裂纹在载荷消失后会产生自修复效应，极大提高了半刚性叠合梁防撞护栏的使用寿命。

说明书

技术领域

本发明涉及一种半刚性叠合梁防撞护栏，属于混凝土防撞护栏技术领 域。

背景技术

随着我国公路，尤其是高速公路的飞速发展，防撞护栏作为保障道路 安全的一种有效设施，发挥着至关重要的作用。普通混凝土防撞护栏作为 一种刚性护栏，其具有拦截效果好，撞击损坏小等优点。但车辆在发生撞 击意外时，混凝土护栏要依靠碰撞吸收能量，对车内乘务人员安全考虑较 少，如果车辆碰撞护栏后停下来，巨大的减速度容易造成车内人员颈椎等 内伤；如果车辆碰撞护栏后不能停下来，则容易造成车辆改变方向冲到对 面车道上或者直接翻越护栏冲出路面，造成人车的二次伤害。而且由于施 工方法决定，混凝土护栏不易于替换，只能通过定期维修和整体更换来保 证道路安全，目前只是较多应用于绝对严禁车辆驶出的相关路段，例如高 架桥等。半刚性防撞护栏主要以波形梁钢护栏为主要形式，其利用土基、 立柱和波形梁的变形来吸收能量，迫使车辆缓慢减速，能够在发生意外时 更好的保护车内乘务人员的安全，目前被广泛应用于高速公路中。但波形 梁钢护栏使用的钢梁、钢筋等材质在户外易受到环境的腐蚀，使用寿命不 高，需要每隔3年左右涂刷防锈漆，维护成本巨大。并且，波形梁钢护栏 一旦因发生碰撞而导致断裂，其锐利和高刚度的断面会像利剑一般插入车 体，容易对车内人员造成严重的人身伤害，这类事故每年都会发生，频率 较高。

因此，为了保护车辆及车内人员的生命财产安全，急需研发一种不仅具 有现行半刚性护栏的技术性能，而且还具有比其更优越的高耐久性、大变 形、低维护成本、裂后可自愈合特性的新型半刚性防撞护栏。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种半刚性叠合梁防 撞护栏及其施工方法，其具有受撞击后变形大、安全性能更高、使用寿命 长且维护简单。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种半刚性叠合梁防撞护栏，包括由生态纳米颗粒增强水泥基复合材料 制成的主体和由超高延性水泥基复合材料制成的保护层，主体和保护层通 过施工方法复合浇筑而成。

所述主体的厚度占叠合梁防撞护栏横截面高度的2/3～3/4，抗压强度不低 于150MPa，抗折强度不低于30MPa。

所述保护层的厚度占叠合梁防撞护栏横截面高度的1/4～1/3，抗折强度不 低于10MPa，极限延伸率不低于2％，且在弯曲形变过程中存在明显应变硬 化过程，伴随着多缝开裂的发生，平均裂缝宽度不超过0.15mm。

浇筑后主体和保护层的界面处抗剪切强度不低于8MPa。

所述生态纳米颗粒增强水泥基复合材料为专利号为ZL201310260592.6 的中国专利“一种生态纳米颗粒增强水泥基复合材料及其制备方法”所述 的材料。

所述超高延性水泥基复合材料为专利号为ZL201310392208.8的中国 专利“一种高抗裂低收缩高延性砂浆及其制备方法”所述的材料。

一种半刚性叠合梁防撞护栏的施工方法，包括以下步骤：

步骤一、制备生态纳米颗粒增强水泥基复合材料：

按照专利“ZL201310260592.6”所述的方法，将所需的水泥、生态纳 米颗粒、细集料、钢纤维按计算量称量后倒入搅拌机中，搅拌2-3min， 至粉料混合均匀，得到混料；

将所需的高性能减水剂和拌合水按计算量称量后充分混合，加入上所 述混料中，搅拌3-5min，直至形成浆体，再搅拌1min；

将所述浆体倒入模具中，至占到模具总体积的2/3-3/4为止，振实抹 平，水平置于标准养护环境中到初凝后10h之内，备用；

步骤二、制备超高延性水泥基复合材料：

按照专利“ZL201310392208.8”所述的方法，将所需的水泥、粉煤 灰、细集料、功能组分称量后倒入搅拌机，干拌2～3min，得到混合均匀 的干粉；然后将溶有减水剂的全部水加入干粉中，湿拌1～2min后形成浆 体；

将聚乙烯醇纤维加入上一步中制备得到的浆体中，湿拌4～5min使聚 乙烯醇纤维在浆体中均匀分散，得到的均匀浆体；

步骤三、制备半刚性叠合梁防撞护栏：

在步骤一得到的生态纳米颗粒增强水泥基复合材料初凝后10h之内， 将步骤二得到的超高延性水泥基复合材料在其抹平表面浇筑满模具，振 实，抹平；

将上述步骤得到的复合砂浆水平置于标准养护环境下，待砂浆完全硬 化后拆模；

将上述步骤得到的硬化砂浆蒸汽养护，即得到半刚性叠合梁防撞护 栏。

所述步骤三中，复合砂浆水平置于标准养护环境下的时间是24-48h。

所述步骤三中，蒸汽养护是将硬化砂浆置于蒸养箱中，60-85℃蒸汽养 护3d。

本发明的有益效果是：

本发明所涉及的半刚性叠合梁防撞护栏，与现有混凝土防撞护栏相 比，具有以下优点：

(1)使用生态纳米颗粒增强水泥基复合材料，替代普通混凝土，作 为防撞护栏承担强度的主体部分，具有更高的强度和耐久性，能够使防撞 护栏做到轻量化，明显提升其安全性能，增加其在户外环境中的使用寿命， 减少维修次数。

(2)使用超高延性水泥基复合材料作为主体的保护层，能够使叠合 梁在受到外力作用发生开裂时，裂缝首先在此部分出现，伴随多缝开裂现 象，使叠合梁在弹性变形过后，还会发生显著的塑形变形，即应变强化阶 段，出现多缝开裂现象。

(3)高延性水泥基复合材料在发生多缝开裂时，平均裂缝宽度不大于 0.15mm，此宽度下的裂缝具有自愈合效应。即半刚性叠合梁防撞护栏在外 力作用下发生破坏以后，若其在塑形变形阶段外力消失，此时防撞护栏具 有自修复的作用，可以减少防撞护栏维修次数，增加使用寿命。

附图说明

图1为本发明的半刚性叠合梁防撞护栏的结构示意图；

图2为实施例1中的叠合梁的三点弯应力-应变曲线图；

图3为实施例2中的“Z”型模具示意图；

图4为是实例2中的剪切测试过程示意图；

图5为实施例2中的剪切测试应力-应变曲线图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作更进一步的说明。

如图1所示为本发明的一种半刚性叠合梁防撞护栏，包括由生态纳米颗 粒增强水泥基复合材料制成的主体1和由超高延性水泥基复合材料制成的 保护层2，主体和保护层通过施工方法复合浇筑而成；主体1的厚度占叠合 梁防撞护栏横截面高度的2/3～3/4，抗压强度不低于150MPa，抗折强度不 低于30MPa；保护层2的厚度占叠合梁防撞护栏横截面高度的1/4～1/3，抗 折强度不低于10MPa，极限延伸率不低于2％，且在弯曲形变过程中存在明 显应变硬化过程，伴随着多缝开裂的发生，平均裂缝宽度不超过0.15mm。 浇筑后主体和保护层的界面处抗剪切强度不低于8MPa。

生态纳米颗粒增强水泥基复合材料为专利号为ZL201310260592.6的中 国专利“一种生态纳米颗粒增强水泥基复合材料及其制备方法”所述的材 料；超高延性水泥基复合材料为专利号为ZL201310392208.8的中国专利 “一种高抗裂低收缩高延性砂浆及其制备方法”所述的材料。

本发明半钢性叠合梁防撞护栏所用原材料均为市售，没有特殊说明的 即为无特殊要求的市售普通品。所用聚羧酸系高效减水剂要求其减水率达 到或超过40％以上。

实施例1

1、原材料及配合比设计：

生态纳米颗粒增强水泥基复合材料制备选用的胶凝材料为P·II52.5 型波特兰水泥，I级粉煤灰，硅灰；细集料为最大粒径为2.36mm的连续 级配普通河砂；钢纤维为长度为13mm，长径比为65，最大抗拉强度为 2850MPa的超细钢纤维；高性能减水剂的固体百分数为40％，减税率为 40％以上。原材料的配合比如表1所示。

表1、生态纳米颗粒增强水泥基复合材料的配合比(kg/m³)

(注：SP指高性能减水剂，表中数值为减水剂还有的有效成分质量)

超高延性水泥基复合材料制备选用的胶凝材料为P·II42.5硅酸盐水 泥；I级粉煤灰；S95级粒化高炉矿渣；细集料为粒径0.15mm～1.18mm、 细度模数1.65的的天然河砂；聚乙烯醇纤维为密度1.3g/cm³、当量直径 30～40μm、长度12mm、极限抗拉强度≥1250MPa、极限延伸率8～12％、 弹性模量38.0GPa的聚乙烯醇短切纤维。原材料配合比如表2所示。

表2、超高延性水泥基复合材料的配合比(kg/m³)

(注：C-水泥；FA-粉煤灰；BFS-磨细矿粉；S-粒径不大于1.18mm 的河砂；W-水；PVAF-聚乙烯醇纤维；SP-高效减水剂；GA-功能组分。)

2、制备方法如下：

(1)将准确称量的生态纳米颗粒增强水泥基复合材料水泥、粉煤灰、 硅灰、砂和钢纤维倒入搅拌机中，搅拌2-3min至材料混合均匀；

(2)将拌合水和高性能减水剂混合均匀，边搅拌边倒入干粉混合料 中，搅拌5min至完全形成浆体，再快速搅拌1min；

(3)将搅拌好的浆体分别倒入100*100*400mm的模具中，直至占 模具总体积的3/4为止。置于跳桌上振动60次，抹平表面，水平放置于 标准养护箱中养护10h；

(4)将准确称量的超高延性水泥基复合材料的水泥、粉煤灰、磨细 矿粉、普通河砂、功能组分倒入搅拌机，干拌2～3min至混合均匀；

(5)将溶有减水剂的全部水加入干粉中，湿1～2min至形成流动性、 黏聚性适宜的浆体；

(6)将聚乙烯醇纤维加入浆体中，湿拌4～5min至纤维在浆体中均匀 分散；

(7)结束后关闭搅拌机电源，将拌合均匀的浆体浇筑于模具中超高 性能钢纤维水泥基复合材料之上，置于跳桌上振动60次，抹平表面，水 平放置与标准养护箱中养护24h；

(8)拆模，将复合后的试块置于分别置于蒸养箱中，85°条件下蒸 汽养护3d。

对上述制备的试块，采用三点弯曲方法测试其抗折性能，实验结果如 图1所示。

结果表明，叠合梁所能承受的最大弯曲应力达到29.6KN，此时弯曲 挠度达到3.0mm。当应力达到23.0KN时，在高延性材料保护层跨中区附 近出现第一条裂缝。随后叠合梁仍能继续承载应力，伴随着多缝开裂现象， 直至达到极限，期间存在明显的塑形形变。

实施例2

1、原材料及配合比设计：

生态纳米颗粒增强水泥基复合材料制备选用的胶凝材料为P·I52.5 型波特兰水泥，1级粉煤灰，硅灰；细集料为最大粒径为2.36mm的连续 级配普通河砂；钢纤维为长度为13mm，长径比为65，最大抗拉强度为 2850MPa的超细钢纤维；高性能减水剂的固体百分数为40％，减水率为 40％以上。原材料的配合比如表3所示。

表3、生态纳米颗粒增强水泥基复合材料的配合比(kg/m³)

(注：SP指高性能减水剂，表中数值为减水剂含有的有效成分质量)

超高延性水泥基复合材料制备选用的胶凝材料为P·II42.5硅酸盐水 泥；I级粉煤灰；S95级粒化高炉矿渣；细集料为粒径0.15mm～1.18mm、 细度模数1.65的的天然河砂；聚乙烯醇纤维为密度1.3g/cm³、当量直径 30～40μm、长度12mm、极限抗拉强度≥1250MPa、极限延伸率8～12％、 弹性模量38.0GPa的聚乙烯醇短切纤维。原材料配合比如表4所示。

表4、超高延性水泥基复合材料的配合比(kg/m³)

(注：C-水泥；FA-粉煤灰；BFS-磨细矿粉；S-粒径不大于1.18mm 的河砂；W-水；PVAF-聚乙烯醇纤维；SP-高效减水剂；GA-功能组分)

2、制备方法如下：

(1)将准确称量的生态纳米颗粒增强水泥基复合材料水泥、粉煤灰、 硅灰、砂和钢纤维倒入搅拌机中，搅拌2-3min至材料混合均匀；

(2)将拌合水和高性能减水剂混合均匀，边搅拌边倒入干粉混合料 中，搅拌5min至完全形成浆体，再快速搅拌1min；

(3)将挡块置于“Z”型模具(如图2)中，将搅拌好的浆体倒入“Z” 型模的一半。置于跳桌上振动60次，抹平表面，水平放置于标准养护箱 中养护13h；

(4)将准确称量的超高延性水泥基复合材料的水泥、粉煤灰、磨细 矿粉、普通河砂、功能组分倒入搅拌机，干拌2～3min至混合均匀；

(5)将溶有减水剂的全部水加入干粉中，湿1～2min至形成流动性、 黏聚性适宜的浆体；

(6)将聚乙烯醇纤维加入浆体中，湿拌4～5min至纤维在浆体中均匀 分散；

(7)结束后关闭搅拌机电源。取出模具挡块，将拌合均匀的浆体浇 筑于“Z”型模的另外一半，置于跳桌上振动60次，抹平表面，水平放 置与标准养护箱中养护24h；

(8)拆模，将复合后的试块置于分别置于蒸养箱中，60°条件下蒸 汽养护3d。

按上述步骤制备的“Z”型复合试件，置于万能试验机上，轴向加压 测试复合界面剪切性能。测试过程如图3所示，轴向应变控制为 0.05mm/min，测试结果如图4所示。

纤维混凝土复合试件的粘结面剪切强度按式(1-1)计算

δ＝P/A(1-1)

式中，δ——纤维混凝土复合试件粘结面剪切强度；

P——破坏荷载；

A——粘结面的面积。

本实验中复合材料的界面面积为50mm*50mm，从结果可知，复合界面 剪切力达到21.9KN时，发生了破坏。经过式(1-1)计算可得，复合材料 的界面剪切强度δ＝8.76MPa.

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的 普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进 和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。