高強(qiáng)鋼筋功能梯度混凝土梁的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種建筑構(gòu)件的結(jié)構(gòu)及材料，尤其涉及一種高強(qiáng)鋼筋功能梯度混凝土梁，屬于建筑材料技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性是當(dāng)今土木工程領(lǐng)域面臨的一個(gè)世界性重大工程技術(shù)問(wèn)題，具有普遍性和科學(xué)性，并與國(guó)民經(jīng)濟(jì)和可持續(xù)發(fā)展緊密相連。據(jù)統(tǒng)計(jì)，僅在1999年一年，我國(guó)因結(jié)構(gòu)劣化造成的經(jīng)濟(jì)損失就高達(dá)1800億~3600億元。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)性能劣化是由混凝土劣化和鋼筋劣化造成的，而這兩方面的劣化均與混凝土的開(kāi)裂有關(guān)。已有大量的研究表明，鋼筋的銹蝕率與水分及其他有害物質(zhì)滲入到混凝土構(gòu)件內(nèi)的速度有關(guān)。在同樣的環(huán)境條件和相同的保護(hù)層厚度下，裂縫寬度越大，則鋼筋越易于腐蝕。因此，在實(shí)際混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，裂縫寬度的控制是解決問(wèn)題的關(guān)鍵。
[0003]眾所周知，采用高配筋率的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不僅需要投入大量的人力和時(shí)間，而且不利于保證混凝土澆筑的質(zhì)量，從而可能導(dǎo)致更為松散的混凝土，反而增加了混凝土的滲透性。近年來(lái)，隨著高強(qiáng)鋼筋在土木工程中的推廣應(yīng)用，在正常使用狀態(tài)下鋼筋應(yīng)力較高，可能需要加配受力鋼筋控制裂縫，這樣就不能充分發(fā)揮高強(qiáng)鋼筋的強(qiáng)度效率。特別是在耐久性能影響下增大構(gòu)件的混凝土保護(hù)層厚度時(shí)，構(gòu)件的裂縫寬度將進(jìn)一步增大，裂縫控制問(wèn)題則更加突出。
[0004]研究低滲透性的改性混凝土，采用纖維增強(qiáng)增韌是一種有效可行的方法。近年來(lái)纖維混凝土材料得到了廣泛的應(yīng)用，并取得了良好的效果。但是，這些纖維混凝土在重荷載作用下仍然無(wú)法有效地控制裂縫寬度的擴(kuò)展，在直接拉伸荷載作用下仍表現(xiàn)出應(yīng)變軟化特性，在展示高于混凝土韌性的同時(shí)，常以較寬的有害裂縫為代價(jià)。因此，研究人員對(duì)高性能纖維水泥基復(fù)合材料做了進(jìn)一步的研發(fā)，例如，公成旭、張君在文獻(xiàn)《高韌性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的抗拉性能》中介紹了高韌性聚乙烯醇纖維(PVA)增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的配合比、制備過(guò)程以及拉伸力學(xué)性能；俞家歡、Victor Li在文獻(xiàn)《Research on product1n,performance and fibredispers1n of PVA engineeringcementit1us composites〉〉中詳細(xì)介紹了聚乙烯醇纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的制備工藝。在上述制備方案中給出的聚乙烯醇纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料雖然都得到了應(yīng)變硬化現(xiàn)象以及復(fù)合開(kāi)裂效果，但卻因?yàn)椴捎萌毡綤urrary公司生產(chǎn)的聚乙烯醇纖維價(jià)格昂貴，致使成品的成本較高，難以實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用。
[0005]對(duì)普通的混凝土受彎梁來(lái)說(shuō)，受拉區(qū)混凝土的開(kāi)裂加快了鋼筋的銹蝕，繼而造成了混凝土保護(hù)層的進(jìn)一步開(kāi)裂和剝落。
[0006]近年來(lái),功能梯度材料在水泥混凝土材料領(lǐng)域的應(yīng)用已越來(lái)越引起廣大研究者們的重視，例如徐世烺、李慶華在文獻(xiàn)《超高韌性復(fù)合材料控裂功能梯度復(fù)合梁彎曲性能理論研究》中對(duì)具有超高韌性水泥基復(fù)合材料(UHTCC)保護(hù)層的鋼筋混凝土短梁進(jìn)行了試驗(yàn)研究。但該文中所用的超高韌性水泥基復(fù)合材料采用了日本Kurrary公司生產(chǎn)的聚乙烯醇纖維制備而成。而且，試驗(yàn)結(jié)果表明，盡管上述鋼筋混凝土梁中配置的鋼筋僅為HRB335級(jí)鋼筋，但在極限破壞時(shí)仍有部分試件在裂縫根部將會(huì)發(fā)生局部層界脫粘，卻不會(huì)造成UHTCC層與混凝土層嚴(yán)重剝離。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明針對(duì)高強(qiáng)鋼筋推廣過(guò)程中遇到的裂縫寬度控制問(wèn)題，以及普通混凝土存在的抗裂能力差、極限延伸率小等缺點(diǎn)，提供一種高強(qiáng)鋼筋功能梯度混凝土梁，旨在解決如何使配置高強(qiáng)鋼筋的混凝土梁在充分利用高強(qiáng)鋼筋強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)的同時(shí)控制其在正常使用極限狀態(tài)下的裂縫寬度以滿足耐久性要求的問(wèn)題。
[0008]為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下:一種高強(qiáng)鋼筋功能梯度混凝土梁，包括普通混凝土 1、高韌性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料2和布置在普通混凝土 I或高韌性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料2中的高強(qiáng)鋼筋3，其特征在于，所述普通混凝土 1、高韌性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料2分層組合，混凝土梁的受壓區(qū)采用普通混凝土 1，在梁的整個(gè)縱向長(zhǎng)度范圍內(nèi)或特定梁段的受拉區(qū)澆筑高韌性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料2，在普通混凝土 I與高韌性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料2的結(jié)合區(qū)域采用界面區(qū)處理；所述界面處理是在界面處人工制造具有相應(yīng)深度的壓痕或者是在界面區(qū)域預(yù)埋鋼件。
[0009]所述梁的整個(gè)縱向長(zhǎng)度范圍內(nèi)高韌性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料2的厚度是梁截面高度的1/10~1/5 ;所述特定梁段是指以梁的彎矩控制截面為對(duì)稱中心且其長(zhǎng)度為梁長(zhǎng)的1/4~1/2的梁段，其受拉區(qū)高韌性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料2的澆筑厚度為梁截面高度的 1/10~1/5。
[0010]所述的高韌性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料2包括水泥、粉煤灰、硅灰、石英砂、國(guó)產(chǎn)纖維、水和減水劑，各組分的重量比為:水泥11.4?48.7%、粉煤灰2%?34.1 %、硅灰12.0?12.4%、石英砂18.5?32.0%、國(guó)產(chǎn)纖維1.47?2.5%、水15.5?22.7%和減水劑0.2%?1.2% ;所述國(guó)產(chǎn)纖維為國(guó)產(chǎn)聚乙烯醇纖維或者聚丙烯纖維。
[0011]所述國(guó)產(chǎn)纖維長(zhǎng)度為9?22mm、直徑為0.015?0.05mm、彈性模量為30?150GPa、抗拉強(qiáng)度為1000?3500MPa、極限伸長(zhǎng)率為2%?15%。
[0012]所述的高強(qiáng)鋼筋3為400MPa級(jí)鋼筋或500MPa級(jí)鋼筋，布置在普通混凝土 I中或者高韌性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料2中或者二者的結(jié)合區(qū)域。
[0013]所述的壓痕為半球形凹點(diǎn)壓痕，半球形凹點(diǎn)的半徑為2~3cm，相鄰兩半球形凹點(diǎn)的距離在3~5cm。
[0014]所述的鋼件為高強(qiáng)鋼筋4或鋼絲或鋼筋網(wǎng)片5。
[0015]所述制備方法是將上述重量比的水泥、粉煤灰、硅灰、石英砂添加到攪拌機(jī)的攪拌桶內(nèi)進(jìn)行低速干拌lmin，使各基體材料分散均勻；再將重量比的水和減水劑加入上述基體材料中低速攪拌lmin,再高速攪拌2min,形成均勻的流動(dòng)性較好的糊狀衆(zhòng)體；最后加入重量比的國(guó)產(chǎn)纖維，高速攪拌Smin至分散均勻?yàn)橹埂?br>[0016]本發(fā)明是在傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，引入功能梯度材料設(shè)計(jì)原理，對(duì)混凝土進(jìn)行分層設(shè)計(jì)，用國(guó)產(chǎn)纖維制備高韌性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料以取代受拉區(qū)部分混凝土，受壓區(qū)混凝土仍采用普通混凝土，采用特殊的界面區(qū)處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)材料體系在性能上的均勻過(guò)渡，并以高強(qiáng)鋼筋作為縱向受拉鋼筋，進(jìn)而構(gòu)成承載能力強(qiáng)和耐久性能高的新型鋼筋混凝土梁。本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明以高強(qiáng)鋼筋作為縱向受拉鋼筋，用高韌性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料取代受拉區(qū)部分混凝土以控制梁在正常使用狀態(tài)下的裂縫寬度，既可以充分發(fā)揮高強(qiáng)鋼筋強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)，減小縱向受拉鋼筋用量，節(jié)約資源，又可以提高混凝土梁的耐久性。因此，本發(fā)明綜合、充分利用了高強(qiáng)鋼筋和高韌性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的優(yōu)良性能，節(jié)約鋼材資源，提高結(jié)構(gòu)耐久性。
【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1是本發(fā)明中高韌性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的制作流程圖；
圖2、圖3是普通混凝土和高韌性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的分層形式圖及界面處理圖；
圖4是高強(qiáng)鋼筋在梁體里的布置位置圖之一；
圖5是高強(qiáng)鋼筋在梁體里的布置位置圖之二；
圖6是高強(qiáng)鋼筋在梁體里的布置位置圖之三；
圖中，I為普通混凝土，2為高韌性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料，3為高強(qiáng)鋼筋，4為高強(qiáng)鋼筋，5為鋼筋網(wǎng)片。
【具體實(shí)施方式】
[0018]本發(fā)明由兩種水泥基材料分層組合而成，其結(jié)構(gòu)要點(diǎn):用高韌性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料取代受拉區(qū)部分混凝土，受壓區(qū)混凝土仍采用普通混凝土，并采用特殊的界面區(qū)處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)材料體系在性能上的均勻過(guò)渡。作為一種優(yōu)選方案，本發(fā)明在梁的整個(gè)縱向長(zhǎng)度范圍內(nèi)澆筑高韌性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料如圖2所示，其厚度是梁截面高度的1/10~1/5。作為另一種優(yōu)選方案，本發(fā)明在某一特定梁段的受拉區(qū)澆筑高韌性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料，如圖3所示，該某一特定梁段是指以梁的彎矩控制截面為對(duì)稱中心且其長(zhǎng)度為