碳纤维筋与钢筋复合ICCP-SS海水海砂混凝土梁

摘要

本发明公开了一种碳纤维筋与钢筋复合ICCP‑SS海水海砂混凝土梁，包括：海水海砂混凝土层；FRP‑钢复合筋，嵌设在所述海水海砂混凝土层中；所述FRP‑钢复合筋作为外加电流阴极保护和结构加固系统；所述FRP‑钢复合筋包括：FRP复合纵筋；碳纤维束，缠绕在所述FRP复合纵筋外；钢筋笼，与所述FRP复合纵筋连接。一方面以碳纤维束为阳极，以钢筋为阴极，通过外加电流对海水海砂混凝土叠合板内的钢筋进行保护，可以预防和延缓钢筋的腐蚀；另一方面FRP纵筋可以提供结构抗弯加固的作用，用于弥补和提高由于钢筋腐蚀导致的叠合梁力学性能损失。

说明书

技术领域

本发明涉及装配式结构工程技术领域，尤其涉及的是一种碳纤维筋与钢筋复合ICCP-SS海水海砂混凝土梁。

背景技术

滨海地区的海水海砂资源丰富，在混凝土结构中，采用海水海砂，可以有效解决河砂淡水资源日益枯竭的问题，充分利用当地资源。目前但采用海水海砂的钢筋混凝土结构会产生比较严重的腐蚀问题，降低海水海砂混凝土结构的力学性能和耐久性。

外加电流阴极保护(Impressed Current Cathodic Protection,简称ICCP)是采用辅助阳极材料对混凝土结构内部钢筋施加阴极保护电流，使电位负移至免蚀区域，从而保护钢筋的技术，被公认为是一种可有效预防和延缓钢筋腐蚀的调控方法；结构加固(Structural Strengthening,简称SS)是采用结构钢或纤维增强聚合物(FibreReinforced Polymer,简称FRP)等结构加固材料与混凝土结构共同受力变形，从而提高或修复结构力学性能的技术。

现有技术中，ICCP技术虽然可以抑制滨海环境下的混凝土结构中的钢筋腐蚀，但无法恢复由于钢筋腐蚀导致的结构力学性能劣化；SS技术虽然可提高或恢复结构承载力，但无法从根本上上解决滨海环境下，混凝土结构外部环境和内部有害元素对钢筋的持续侵蚀作用。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种碳纤维筋与钢筋复合ICCP-SS海水海砂混凝土梁，旨在解决现有技术中由于钢筋腐蚀而损失的结构承载力的问题。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种碳纤维筋与钢筋复合ICCP-SS海水海砂混凝土梁，其中，包括：

海水海砂混凝土层；

FRP-钢复合筋，嵌设在所述海水海砂混凝土层中；所述FRP-钢复合筋作为外加电流阴极保护和结构加固系统；

所述FRP-钢复合筋包括：

FRP复合纵筋；

碳纤维束，缠绕在所述FRP复合纵筋外；

钢筋笼，与所述FRP复合纵筋连接。

所述的碳纤维筋与钢筋复合ICCP-SS海水海砂混凝土梁，其中，所述钢筋笼包括：

纵向钢筋，与所述FRP复合纵筋连接；

若干个箍筋，设置于所述纵向钢筋，并沿所述纵向钢筋的长度方向排列。

所述的碳纤维筋与钢筋复合ICCP-SS海水海砂混凝土梁，其中，所述纵向钢筋通过绝缘卡槽与所述FRP复合纵筋连接；所述绝缘卡槽包括：

第一套筒，套设在所述纵向钢筋外；

第二套筒，套设在所述FRP复合纵筋外；

连接杆，两端分别连接所述第一套筒和所述第二套筒。

所述的碳纤维筋与钢筋复合ICCP-SS海水海砂混凝土梁，其中，所述第一套筒与所述第二套筒之间的间距大于50mm；和/或

所述第二套筒位于所述第一套筒朝向所述箍筋的中心的位置。

所述的碳纤维筋与钢筋复合ICCP-SS海水海砂混凝土梁，其中，所述碳纤维束中碳纤维含量为12K-50K。

所述的碳纤维筋与钢筋复合ICCP-SS海水海砂混凝土梁，其中，所述FRP复合纵筋选自玻璃纤维FRP复合纵筋、碳纤维FRP复合纵筋、芳纶纤维FRP复合纵筋、玄武岩FRP复合纵筋中的一种。

所述的碳纤维筋与钢筋复合ICCP-SS海水海砂混凝土梁，其中，所述碳纤维束缠绕的螺距大于所述FRP复合纵筋的直径；和/或

所述碳纤维束通过环氧树脂粘合剂与所述FRP复合纵筋粘接。

一种碳纤维筋与钢筋复合ICCP-SS海水海砂混凝土梁的制备方法，其中，包括步骤：

提供梁模板、碳纤维束、FRP复合纵筋、钢筋笼以及海水海砂混凝土；

将所述碳纤维束缠绕在所述FRP复合纵筋上，并连接所述FRP复合纵筋和所述钢筋笼，得到FRP-钢复合筋；

将所述FRP-钢复合筋放入所述梁模板内，并浇入所述海水海砂混凝土，经过固化处理后，得到海水海砂混凝土层；

拆除所述梁模板，采用电源连接所述碳纤维束和所述钢筋笼，以对所述钢筋笼进行保护处理，得到碳纤维筋与钢筋复合ICCP-SS海水海砂混凝土梁。

所述的碳纤维筋与钢筋复合ICCP-SS海水海砂混凝土梁的制备方法，其中，所述将所述碳纤维束缠绕在所述FRP复合纵筋上，包括：

在所述FRP复合纵筋上涂抹环氧树脂粘合剂，将所述碳纤维束的一端采用绑带固定在所述FRP复合纵筋上，并缠绕所述碳纤维束直至所述碳纤维束的另一端粘接在所述FRP复合纵筋上；

对缠绕所述碳纤维束的FRP复合纵筋的表面进行喷砂处理。

所述的碳纤维筋与钢筋复合ICCP-SS海水海砂混凝土梁的制备方法，其中，所述将所述FRP-钢复合筋放入所述梁模板内，并浇入所述海水海砂混凝土，经过固化处理后，得到海水海砂混凝土层，包括：

将所述FRP-钢复合筋放入所述梁模板内，采用分层浇筑分层振捣法，将所述海水海砂混凝土浇入所述梁模板后抹平，采用粗钢刷拉毛并进行固化处理，得到海水海砂混凝土层。

有益效果：一方面以碳纤维束为阳极，以钢筋为阴极，通过外加电流对海水海砂混凝土叠合板内的钢筋进行保护，可以预防和延缓钢筋的腐蚀；另一方面FRP纵筋可以提供结构抗弯加固的作用，用于弥补和提高由于钢筋腐蚀导致的叠合梁力学性能损失。

附图说明

图1是本发明中海水海砂混凝土梁的截面图。

图2是本发明中梁模板与FRP-钢复合筋的结构示意图。

图3是本发明中卡槽的结构示意图。

附图标记说明：

1、海水海砂混凝土层；2、箍筋；3、纵向钢筋；4、绝缘卡槽；5、碳纤维束；6、FRP复合纵筋；7、梁模板。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请同时参阅图1-图3，本发明提供了一种碳纤维筋与钢筋复合ICCP-SS海水海砂混凝土梁的一些实施例。

FRP具有轻质、高强、耐腐蚀、耐疲劳等优点，是SS技术中广泛应用的材料，同时碳纤维具有优异的导电性和稳定的化学特性，可作为ICCP技术的辅助阳极使用。因此可以将FRP和碳纤维材料开发成一种具有ICCP功能和SS功能的组合材料。

如图1-图2所示，本发明的碳纤维筋与钢筋复合ICCP-SS海水海砂混凝土梁，包括：

海水海砂混凝土层1；

FRP-钢复合筋，嵌设在所述海水海砂混凝土层1中；所述FRP-钢复合筋作为外加电流阴极保护和结构加固系统；

所述FRP-钢复合筋包括：

FRP复合纵筋6；

碳纤维束5，缠绕在所述FRP复合纵筋6外；

钢筋笼，与所述FRP复合纵筋6连接。

值得说明的是，现有技术中，在利用海水海砂时，通常先对海水进行淡化处理，对海砂进行净化处理，然后采用淡化的海水和净化的海砂制作混凝土，此外还会添加阻锈剂并对钢筋表面涂层防止氯离子的侵蚀。而本申请中，海水海砂混凝土层1是指采用未淡化的海水和/或未净化的海砂作为原料形成的混凝土结构，需要说明的是，本申请中未淡化的海水及未净化的海砂可以是直接作为原材料使用，例如，在未净化的海砂中加入水泥后加入未淡化的海水以形成海水海砂混凝土。由于海水海砂混凝土层1是采用未淡化的海水和/或未净化的海砂制作得到的，因此，海水海砂混凝土层1内部存在有害介质，如氯化物和硫酸盐等有害介质。需要说明的是，本申请在制备碳纤维筋与钢筋复合ICCP-SS海水海砂混凝土梁时，需要采用电源连接碳纤维束和钢筋笼，对钢筋笼进行保护处理以去除有害介质，从而主动干预富含有害介质的海水海砂混凝土层1内的钢筋笼腐蚀。本申请利用FRP-钢复合筋作为外加电流阴极保护和结构加固系统的结构加固和阴极防护的双重功能，将其应用于碳纤维筋与钢筋复合ICCP-SS海水海砂混凝土梁中，即使在海水海砂混凝土层内部富含有害介质或外部环境恶劣的情况下，钢筋也能得到足够的保护。钢筋笼是指由钢筋扎结形成的笼结构。

一方面以碳纤维束5为阳极，以钢筋为阴极，通过外加电流对海水海砂混凝土叠合板内的钢筋进行保护，可以预防和延缓钢筋的腐蚀；另一方面FRP纵筋可以提供结构抗弯加固的作用，用于弥补和提高由于钢筋腐蚀导致的叠合梁力学性能损失，较传统的海水海砂混凝土结构具有更好的力学性能和耐久性。

在本发明实施例的一个较佳实现方式中，如图1-图2所示，所述钢筋笼包括：

纵向钢筋3，与所述FRP复合纵筋6连接；

若干个箍筋2，设置于所述纵向钢筋3，并沿所述纵向钢筋3的长度方向排列。

具体地，纵向钢筋3沿海水海砂混凝土层1的长度方向延伸设置，纵向钢筋3可以有1个或多个，如图2所示，采用3根纵向钢筋3。若干个箍筋2沿纵向钢筋3的长度方向排列，且纵向钢筋3位于箍筋2内并与箍筋2连接。

在本发明实施例的一个较佳实现方式中，如图1-图2所示，所述纵向钢筋3通过绝缘卡槽4与所述FRP复合纵筋6连接；所述绝缘卡槽4包括：

第一套筒，套设在所述纵向钢筋3外；

第二套筒，套设在所述FRP复合纵筋6外；

连接杆，两端分别连接所述第一套筒和所述第二套筒。

具体地，缠绕碳纤维后的FRP复合纵筋6的安装需采用绝缘材质的垫块或卡槽，精确固定FRP复合纵筋6的位置。FRP复合纵筋6可以有1个或多个。

在本发明实施例的一个较佳实现方式中，如图2-图3所示，所述第一套筒与所述第二套筒之间的间距大于50mm。

具体地，FRP复合纵筋6与箍筋2(或纵向钢筋3)之间间距需大于50mm，避免碳纤维束5与箍筋2(或纵向钢筋3)接触，在外加电流时出现短路。

在本发明实施例的一个较佳实现方式中，如图2-图3所示，所述第二套筒位于所述第一套筒朝向所述箍筋2的中心的位置。

具体地，缠绕碳纤维后的FRP复合纵筋6位于钢筋笼内部的纵向钢筋3上方。

在本发明实施例的一个较佳实现方式中，所述碳纤维束5中碳纤维含量为12K-50K。

具体地，缠绕在FRP筋表面的碳纤维束5的碳纤维含量可选择市面上常用规格，如12K、24K、50K等，需根据实际需求调整。

在本发明实施例的一个较佳实现方式中，所述FRP复合纵筋6选自玻璃纤维FRP复合纵筋(GFRP)、碳纤维FRP复合纵筋(CFRP)、芳纶纤维FRP复合纵筋(AFRP)、玄武岩FRP复合纵筋中的一种。

具体地，所述FRP复合纵筋6可采用市面现有的各类FRP复合纵筋。

在本发明实施例的一个较佳实现方式中，如图2所示，所述碳纤维束5缠绕的螺距大于所述FRP复合纵筋6的直径。

具体地，缠绕碳纤维束5时螺距需大于FRP复合纵筋6直径，避免喷砂部位过少，使缠绕碳纤维后的FRP复合纵筋6丧失与后续浇筑的海水海砂混凝土间的粘结。

在本发明实施例的一个较佳实现方式中，所述碳纤维束5通过环氧树脂粘合剂与所述FRP复合纵筋6粘接。

具体地，碳纤维束5可以粘贴在FRP复合纵筋6上，FRP复合纵筋6的表面涂抹环氧树脂粘合剂时需控制粘合剂用量，保证在缠绕碳纤维束5时碳纤维束5表面纤维可以充分露出，从而可以与海水海砂混凝土充分接触，保证后续外加电流阴极保护的效果。

本发明提供表面缠绕碳纤维FRP筋与钢筋复合海水海砂混凝土梁，与现有技术相比，具有如下有益效果：

本发明利用海水海砂代替淡水河砂等日益枯竭的资源，充分利用滨海地区丰富的海水海砂资源用于钢筋混凝土结构预制叠合板的浇筑，降低了材料运输成本，极大的提高了海水海砂资源的利用效率，对保护生态环境起到了积极作用，具有较大的社会经济效益。

本发明采用一种基于FRP筋和碳纤维束的ICCP-SS系统，一方面以碳纤维束5为阳极，以钢筋为阴极，通过外加电流对海水海砂混凝土叠合板内的钢筋进行保护，可以预防和延缓钢筋的腐蚀；另一方面FRP纵筋可以提供结构抗弯加固的作用，用于弥补和提高由于钢筋腐蚀导致的叠合梁力学性能损失，较传统的海水海砂混凝土结构具有更好的力学性能和耐久性。

基于上述任意一实施例所述的碳纤维筋与钢筋复合ICCP-SS海水海砂混凝土梁，本发明还提供了一种碳纤维筋与钢筋复合ICCP-SS海水海砂混凝土梁的制备方法的较佳实施例：

本发明实施例的碳纤维筋与钢筋复合ICCP-SS海水海砂混凝土梁的制备方法，包括以下步骤：

步骤S100、提供梁模板、碳纤维束、FRP复合纵筋、钢筋笼以及海水海砂混凝土。

具体地，根据海水海砂混凝土梁的长度与截面尺寸，裁剪相应长度、设计数量的FRP复合纵筋6。

举例说明，根据海水海砂混凝土梁的长度与截面尺寸，裁剪两根CFRP纵筋，其长度为叠合梁长加两端的锚固长度，CFRP筋直径为10mm。

步骤S200、将所述碳纤维束缠绕在所述FRP复合纵筋上，并连接所述FRP复合纵筋和所述钢筋笼，得到FRP-钢复合筋。

具体地，将碳纤维束5呈螺旋状缠绕在FRP复合纵筋6上，具体地，碳纤维束5从FRP复合纵筋6的一端缠绕至FRP复合纵筋6的另一端，然后将FRP复合纵筋6与钢筋笼连接，形成FRP-钢复合筋。为了便于连接电源，碳纤维束5一端连接通电导线，并采用塑料套管进行保护，防止浇筑过程中损坏。

步骤S200具体包括：

步骤S210、在所述FRP复合纵筋上涂抹环氧树脂粘合剂，将所述碳纤维束的一端采用绑带固定在所述FRP复合纵筋上，并缠绕所述碳纤维束直至所述碳纤维束的另一端粘接在所述FRP复合纵筋上。

步骤S220、对缠绕所述碳纤维束的FRP复合纵筋的表面进行喷砂处理。

具体地，碳纤维束5需采用非金属制的绑带，如塑料绑带，绑扎在FRP复合纵筋6的一端，绑扎完成后需采用环氧树脂粘合剂固定。将缠绕好碳纤维束5的FRP复合纵筋6表面在露出环氧树脂粘合剂的部位进行喷砂处理，增大FRP复合纵筋6与后续浇筑的海水海砂混凝土之间的粘结力。缠绕碳纤维束5后，环氧树脂标准养护时间进行养护。

钢筋笼包括纵向钢筋3和箍筋2，将纵向钢筋3和箍筋2绑扎连接形成钢筋笼，然后在绑扎好的纵向钢筋3上方安装制作好的FRP复合纵筋6，FRP复合纵筋6与纵向钢筋3、箍筋2保持一定间距，形成FRP-钢复合筋。

举例说明，将CFRP纵筋表面涂抹拌制好的环氧树脂粘合剂，将连续的50K碳纤维束5采用塑料绑带绑扎在CFRP纵筋一端，以螺距20mm缠绕至CFRP纵筋的另一端，通过CFRP纵筋表面的树脂将碳纤维束5粘结在CFRP纵筋表面；在缠绕粘贴过程中需控制树脂用量，使碳纤维束5外表面的碳纤维丝充分暴露；在碳纤维束5的缠绕完成后，将布满树脂的CFRP纵筋表面进行喷砂处理，保证CFRP纵筋与后续浇筑混凝土的粘结；将碳纤维束5一端连接通电导线，并采用塑料套管进行保护，防止浇筑过程中损坏；按规定时间养护环氧树脂粘合剂，一般为24小时。

步骤S300、将所述FRP-钢复合筋放入所述梁模板内，并浇入所述海水海砂混凝土，经过固化处理后，得到海水海砂混凝土层1。

具体地，将FRP-钢复合筋放入梁模板7内，然后将海水海砂混凝土浇筑到梁模板7中，并对海水海砂混凝土进行固化处理后，得到海水海砂混凝土层1。

具体地，步骤S300包括：

步骤S310、将所述FRP-钢复合筋放入所述梁模板内，采用分层浇筑分层振捣法，将所述海水海砂混凝土浇入所述梁模板后抹平，采用粗钢刷拉毛并进行固化处理，得到海水海砂混凝土层。

具体地，将FRP-钢复合筋放置入梁模板7内，采用塑料卡槽固定纵向钢筋3的位置和FRP复合纵筋6的位置；将拌制好的海水海砂混凝土浇筑至梁模板7顶面，浇筑完成后将梁模板7顶面抹平，初凝前采用粗钢刷拉毛，初期养护后拆模。

举例说明，裁剪好的纵向钢筋3和缠绕有碳纤维束5的CFRP纵筋穿过4个绝缘卡槽4，形成两层的钢筋布置，通过绝缘卡槽4上的塑料套管控制上层CFRP纵筋和下层纵向钢筋3的位置；制作箍筋2，将箍筋2、固定好的上层CFRP纵筋和下层纵向钢筋3绑扎为FRP-钢复合筋笼，放置入梁模板7内，通过垫块和梁模板7两端侧模的纵筋孔控制保护层的厚度。

将拌制好的海水海砂混凝土浇筑至梁模板7顶面，为保证浇筑质量，可采用浇筑采用分层浇筑分层振捣的方法，浇筑完成后将叠合梁顶面抹平，初凝前采用粗钢刷拉毛，初期养护后拆模。

步骤S400、拆除所述梁模板，采用电源连接所述碳纤维束和所述钢筋笼，以对所述钢筋笼进行保护处理，得到碳纤维筋与钢筋复合ICCP-SS海水海砂混凝土梁。

具体地，在拆模后，需在露出的海水海砂混凝土梁的箍筋2和/或纵向钢筋3端部焊接通电导线，并联接入到直流电源的阴极；将碳纤维束5连接的通电导线并联接入到直流电源阳极；打开直流电源，施加强度为10mA/m

举例说明，需在露出的箍筋2和钢纵筋3端部焊接通电导线，并联接入到直流电源的阴极；将碳纤维束5连接的通电导线并联接入到直流电源阳极；打开直流电源，施加强度为10mA/m

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。