CN111908867A

CN111908867A - 一种frp筋废弃橡胶掺混的海水海砂超高性能混凝土梁

Info

Publication number: CN111908867A
Application number: CN202010782796.6A
Authority: CN
Inventors: 陈誉; 方宇航; 吴志强; 饶成志; 李志慧; 冯刚
Original assignee: Fuzhou University
Current assignee: Fuzhou University
Priority date: 2020-08-06
Filing date: 2020-08-06
Publication date: 2020-11-10

Abstract

本发明公开了一种FRP筋废弃橡胶掺混的海水海砂超高性能混凝土梁，包括FRP筋和废弃橡胶掺混的海砂混凝土，所述混凝土组分包括废旧橡胶颗粒，海水，海砂，碎石，减水剂，粉煤灰和硅灰。本发明的有益效果包括：将废弃橡胶制成颗粒掺混于制备结构构件混凝土中，一方面对工业废料进行了重新利用，原料中海砂资源丰富，容易得到，降低了工程造价，节约了能源，减少了生产成本；相比于现有技术，本发明技术方案制得的废弃橡胶FRP筋海水海砂超高性能混凝土梁具有更优的抗裂、抗震、抗压、抗折、抗渗、防腐、抗冲击和耐磨性能，更高的变形能力，更强的隔音性能，并且自重轻；使用FRP筋代替钢筋避免了因海水海砂对钢筋锈蚀造成构件腐蚀的问题。

Description

一种FRP筋废弃橡胶掺混的海水海砂超高性能混凝土梁

技术领域

本发明涉及结构工程领域，具体涉及一种FRP筋废弃橡胶掺混的海水海砂超高性能混凝土梁。

背景技术

随着我国城市化的发展，各类建筑工程的规模不断扩大，随之引发的是大量混凝土的使用和越来越大的建筑用砂的需求，在一些地区甚至出现了河砂供不应求的状态。继而海砂资源作为替代资源被大量开发利用，但是，海砂中高含量的氯离子如不经处理而直接将其用于混凝土中极易引起钢筋的腐蚀，从而破坏混凝土的结构，引发“海砂屋”现象。

为了增大对海砂的使用量同时制备出可以海砂腐蚀且符合使用要求的建筑材料，现有技术中采用的技术方案主要包括两个方面：一是利用其它材料代替钢筋混凝土中的钢材料，二是在海砂使用前进行淡化处理。前者采用的替代材料需要与钢筋的性功相符，能够对钢筋混凝土的性能产生积极作用，通常需要使用具有不同性能的几种不同复合材料；后者对海砂进行淡化处理无疑增加了淡水的使用量，解决了河砂资源节约的同时却导致了对淡水资源的浪费。然而，FRP海水海砂混凝土存在挠度大，延性差等缺陷。

申请号为CN201911212629.1的发明专利，公开了一种FRP筋部分钢纤维增强混凝土梁及其制备方法，所述FRP筋部分钢纤维增强混凝土梁包含：由部分FRP筋和部分钢筋构成的复合筋笼以及填充浇筑在复合筋笼下部受拉区的普通混凝土和填充浇筑在复合筋笼上部受压区的钢纤维混凝土，且普通混凝土完全包裹住复合筋笼下部受拉区，钢纤维混凝土完全包裹住复合筋笼上部受压区。该发明制得的FRP筋部分钢纤维增强混凝土梁结构简单，制备成本低，可提高梁受压区边缘混凝土的极限压应变和提高梁的极限承载力和延性，并能充分发挥并利用FRP和钢纤维的增强增韧作用；该发明使用部分FPR筋代替部分钢筋克服了海砂对钢筋混凝土的盐水降解和劣化作用，该发明的不足之处在于，仍然需要钢纤维材料的加入，使得其制备成本相对较高，且所述梁的制备过程中需要分别制备普通混凝土和钢纤维混凝土，增加了制备工序。

申请号为CN201910042974.9的发明专利，公开了一种碳纤维海砂高性能混凝土材料及其制备方法，该发明采用碳纤维取代钢筋，其避免钢筋混凝土的盐水降解和劣化作用，且使建筑构件重量减轻，安装施工方便，缩短建筑工期；同时，碳纤维具有震动阻尼特性，可吸收震动波，使本发明的混凝土材料的防地震能力和抗弯强度提高十几倍。然而，碳纤维材料虽然具有重量轻强度高等优点，但是碳纤维材料属于脆性材料，若受力过大会直接断裂，损坏后将无法修复，如果长期积累会带来极大的安全隐患。

发明内容

本发明的目的是解决上述技术问题，提供一种制备工艺简单，制备成本更低且性能更佳的废弃橡胶掺混的FRP筋海水海砂超高性能混凝土梁。

本发明采用的技术方案如下：

一种FRP筋废弃橡胶掺混的海水海砂超高性能混凝土梁，包括FRP筋和废弃橡胶掺混的海砂混凝土，所述的废弃橡胶掺混的海砂混凝土按照原料的百分含量计包括橡胶颗粒1.25~3，水泥15~20，海水7~10，海砂25~30，碎石45~50，减水剂0.1~0.2，粉煤灰0~5，硅灰1~2；所述的FRP筋包括FRP筋材2，FRP型材和FRP螺旋箍筋；所述FRP型材设置于所述混凝土梁的受拉区，所述FRP筋设置于所述混凝土梁的受压区，所述的FRP螺旋箍筋绕包所述FRP筋材与FRP型材。

经本发明人研究发现，对废弃轮胎进行破碎、清理后形成橡胶颗粒，可取代部分天然砂粒掺入到海砂混凝土中，能够增强海砂混凝土的延性及抗冲击性能。如此既可以对废弃橡胶进行回收再利用，又能提高海砂混凝土的性能。

本发明上述技术方案中，FRP筋是有多股连续纤维，如玻璃纤维，碳纤维等通过基地材料（如聚酰胺树脂，聚乙烯树脂，环氧树脂等）进行胶合后，经特质的模具挤压并拉拔成型的。由于其具有质量轻、抗拉强度高、耐腐蚀性强、材料结合力强、透磁波性能强等优点。

本发明使用FRP筋和废弃橡胶掺混的海砂混凝土制备高性能混凝土梁不需要对海砂进行淡化处理可直接使用海水进行混合。橡胶材料能够吸收声波，减缓热量流失可以赋予所述的FRP筋废弃橡胶掺混的海水海砂超高性能混凝土梁以较好的隔音和保温性能。

本发明技术方案中，沿着混凝土梁的纵轴方向，按一定间距布置连续矩形FRP螺旋箍筋，一方面可以满足施工构造的需要，利用它固定纵向角部的受力筋和架立筋，以便于减小在施工时浇捣混凝土所产生的扰动力而引起大的偏差;另一方面，可以承受外荷载作用下所产生的剪力。

优选地，所述水泥为P.O 42.5普通硅酸盐混凝土，所述粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰。

优选地，所述橡胶主要为废弃轮胎以及橡胶制品，经过常温粉碎产生，其粒径为2~4mm。

优选地，所述的FRP筋为碳纤维增强复合材料、玻璃纤维增强复合材料、芳纶纤维增强复合材料或玄武岩纤维增强复合材料的一种或几种。

优选地，所述的FRP螺旋箍筋为普通FRP矩形箍筋或矩形FRP螺旋箍筋一种或多种。

优选地，所述的矩形FRP螺旋箍筋为对称矩形FRP螺旋箍筋或反对称矩形FRP螺旋箍筋。

矩形螺旋FRP箍筋混凝土梁能提高斜截面的抗剪承载力，能有效抑制斜裂缝的发展，而且可以节约工时和矩形螺旋FRP箍筋的用量。

优选地，所述的FRP型材设置为槽型。

本发明产生的有益效果包括：

（1）与现有技术相比，本发明使用废弃橡胶对海砂混凝土进行掺混，增强了海砂混凝土的变形能力，提高了海砂混凝土的延性，增强了混凝土与水泥基体的粘结力；同时废弃橡胶的掺入减少了制成的废弃橡胶掺混的FRP筋海水海砂UHPC梁的裂缝尖端的应力集中现象，延缓了裂缝的产生和发展，提高了梁的抗裂性能；在受拉区设置槽型FRP型材，提高了梁的刚度和强度，解决了受拉区采用FRP筋受弯挠度大的缺陷；避免了使用钢筋导致的锈蚀问题，提高了梁的耐久性。

（2）FRP筋与橡胶材料纤维材料与橡胶具有很大的阻尼，能够防止结构振动和变形具有很大的滞回性能，能够吸收大量的地震能，使得制得的梁具有较好的抗震性能。

（3）本发明提高了海水海砂混凝土抗折、抗渗、防腐、抗冲击及耐磨性能。

（4）本发明充分利用工业废料（废弃橡胶），节约资源，绿色环保，充分利用了未能开发使用的资源，便于就地取材，造价低廉，施工方便纤维材料骨架可现场直接施工，操作简单。

附图说明

图1为一种FRP筋废弃橡胶掺混的海水海砂超高性能混凝土梁的截面图；

图2为一种FRP筋废弃橡胶掺混的海水海砂超高性能混凝土梁的侧视图；

图3为一种FRP筋废弃橡胶掺混的海水海砂超高性能混凝土梁的透视图；

其中，1为废弃橡胶掺混的海砂混凝土，2为FRP筋材，3为FRP螺旋箍筋，4为FRP型材。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明进行进一步地详细说明。

一种FRP筋废弃橡胶掺混的海水海砂超高性能混凝土（UHPC）梁，以下简称为FRP筋海废弃橡胶掺混海砂混凝土UHPC梁，图1为一种FRP筋废弃橡胶掺混的海水海砂超高性能混凝土梁的截面图，如图1所示，包括FRP筋和废弃橡胶掺混的海砂混凝土1，所述的废弃橡胶掺混的海砂混凝土1按照原料的百分含量计包括：橡胶颗粒1.25~3，水泥15~20，海水7~10，海砂25~30，碎石45~50，减水剂0.1~0.2，粉煤灰0~5，硅灰1~2；所述的FRP筋包括FRP筋材2，FRP型材4和FRP螺旋箍筋3；所述FRP型材4设置于所述废弃橡胶FRP筋海水海砂UHPC梁的受拉区，所述FRP筋设置于所述废弃橡胶FRP筋海水海砂UHPC梁的受压区，所述的FRP螺旋箍筋3绕包所述FRP筋材2与FRP型材外。

所述水泥为P.O 42.5普通硅酸盐混凝土，所述粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰。

所述橡胶主要为废弃轮胎以及橡胶制品，经过常温粉碎产生，其粒径为2~4mm。

所述的FRP筋为碳纤维增强复合材料、玻璃纤维增强复合材料、芳纶纤维增强复合材料或玄武岩纤维增强复合材料的一种或几种。

所述的FRP螺旋箍筋3为普通FRP矩形箍筋或矩形FRP螺旋箍筋一种或多种。

所述的矩形FRP螺旋箍筋为对称矩形FRP螺旋箍筋或反对称矩形FRP螺旋箍筋。

所述的FRP型材4设置为槽型。

所述的橡胶颗粒来源为废旧轮胎，是将回收的废旧轮胎进行消毒、破碎、除杂和筛分等工序后得到的。

实施例1

FRP筋海废弃橡胶掺混海砂混凝土UHPC梁的制备方法，包括步骤：

S1：称取水泥36kg、海水18kg、海砂45kg、碎石81kg、橡胶颗粒5kg、减水剂0.5kg、粉煤灰9kg、硅灰5kg；

S2废弃橡胶掺混海砂混凝土的制备：为防止橡胶颗粒分布不均而出现抱团现象，故先将水泥、海砂、橡胶颗粒、硅灰、粉煤灰和减水剂倒入搅拌机内搅拌120 s，再加入碎石继续搅拌60 s，最后加海水水搅拌120 s 后出料。橡胶粒径采用2~4 mm。

S3 FRP筋海废弃橡胶掺混海砂混凝土UHPC梁的制备：FRP矩形螺旋箍筋选用工厂预制，采用对称两边绕制。FRP矩形螺旋箍筋包裹设置于FRP筋材2和槽形FRP型材4外，所述FRP筋材2和槽形FRP型材4通过尼龙扎带绑扎在FRP矩形螺旋箍筋上，形成骨架结构。在模具中浇筑所述废弃橡胶掺混海砂混凝土，经养28天护后得到FRP筋海废弃橡胶掺混海砂混凝土UHPC梁。

按照 DL/T 5332-2005，采用三点弯曲梁法测试带切缝的橡胶混凝土梁试件的断裂韧度，制作尺寸为200 mm×120 mm×1000 mm，跨度为800 mm，预制裂缝长度为80 mm，加载力速率为100 N/s，三根试验构件，分别编号为A1，A2，A3。

实施例2

与实施例1相比较，本实施例区别在于，称取海砂的质量为50kg，且不加入橡胶颗粒，其他组分及操作步骤与实施例1所述一致。

按照实施例1所述方法制得的三根试验构件分别编号为B1，B2，B3。

实施例1与实施例2制得的FRP筋海废弃橡胶掺混海砂混凝土UHPC梁的断裂韧度测试结果如表1所示。

表1 FRP筋海废弃橡胶掺混海砂混凝土UHPC梁的断裂韧度测试结果数据表

由表1可以计算出，实施例1的试验构件的断裂韧度平均值为1.202 MPa·m^1/2, 实施例2的试验构件的断裂韧度平均值为1.118 MPa·m^1/2，本发明技术方案制得的FRP筋海废弃橡胶掺混海砂混凝土UHPC梁得断裂韧性高于不掺杂废弃橡胶梁的断裂韧性。

实施例3

FRP筋海废弃橡胶掺混海砂混凝土的制备方法，包括步骤：

S1：称取水泥12kg、海水6kg、海砂15kg、碎石27kg、橡胶颗粒1.7kg、减水剂0.17kg、粉煤灰3kg、硅灰1.7kg。

S2废弃橡胶掺混海砂混凝土的制备：为防止橡胶颗粒分布不均而出现抱团现象，故先将水泥、海砂、橡胶颗粒、硅灰、粉煤灰和减水剂倒入搅拌机内搅拌120 s，再加入碎石继续搅拌60 s，最后加海水搅拌120 s 后出料。橡胶粒径采用2~4mm。

按照GB /T 50082—2009，采用快冻法进行测试。将废弃橡胶掺混海砂混凝土试验构件养护24天后取出，在(20±2)℃水中浸泡4天，浸泡时液面高于试验构件顶面3~4 cm，浸泡完成后开始冻融试验。所述试验构件个数为3，编号为C1，C2，C3，将每个编号的试验构件分别制备18个尺寸为100mm×100 mm×400 mm的测试件，每个编号试验构件对应的质量损失率测试结果数值取所述的18个测试件的平均值。冻融循环后测试废弃橡胶掺混海砂混凝土抗压强度的试验构件数也为3个，编号为C1'，C2'，C3'，将每个编号的试验构件分别制备6个尺寸为 150 mm×150 mm×150 mm，每个编号试验构件对应的抗压强度测试结果数值取所述的6个试件的平均值。

实施例4

本实施例与实施例3相比较，不同之处在于所取海砂质量为16.7kg，且不加入橡胶颗粒。测试废弃橡胶掺混海砂混凝土质量损失率的试验构件号为D1，D2，D3；冻融循环后测试废弃橡胶掺混海砂混凝土抗压强度的试验构件编号为D1'，D2'，D3'；测试方法及测试件的要求与实施例3相同。

实施例3和实施例4制得的废弃橡胶掺混海砂混凝土的冻融循环后的质量损失率测试结果如表2所示；实施例3和实施例4制得的废弃橡胶掺混海砂混凝土的冻融循环后的相对抗压强度如表3所示。

表2 废弃橡胶掺混海砂混凝土试验构件的冻融循环后的质量损失率（%）测试数据表

表3 废弃橡胶掺混海砂混凝土试验构件的冻融循环后的相对抗压强度测试结果数据表

由表2可以看出废弃橡胶掺混海砂混凝土试验构件的冻融循环后的质量损失率值小于未掺杂废弃橡胶的海砂混凝土试验构件的冻融循环后的质量损失率值；由表3可以看出废弃橡胶掺混海砂混凝土试验构件的冻融循环后的相对抗压强度大于未掺杂废弃橡胶的海砂混凝土试验构件的冻融循环后的相对抗压强度。

实施例5

FRP筋海废弃橡胶掺混海砂混凝土的制备方法，包括步骤：

S1：称取水泥6kg、海水3kg、海砂7.5kg、碎石13.5kg、橡胶颗粒0.85kg、减水剂0.085kg、粉煤灰1.5kg、硅灰0.85kg。

S2废弃橡胶掺混海砂混凝土的制备：先将水泥、海砂、橡胶颗粒、硅灰、粉煤灰和减水剂倒入搅拌机内搅拌120 s，再加入碎石继续搅拌60 s，最后加海水水搅拌120 s 后出料。橡胶粒径采用2~4mm。

将废弃橡胶掺混海砂混凝土制成150mm×150mm×150mm立方体，制作3块试验构件，编号为E1，E2，E3。标准养护至27天将试块取出，擦干表面水分放在室内自然干燥，再放入温度60℃±5℃的供箱中供干12h至恒重，然后再带有花轮磨头的混凝土磨耗机上，爪夹具夹紧。在负荷下磨削转，然后取下试件刷净表而粉尘称重，记下相应的质量m₁，该质量作为试件的初始质量m₂，然后在200N负荷下磨60转，然后取下试件刷净表面粉尘称重，并记录剩余质量，按下述公式计算每一试验构件的磨损量，以单位面积的磨损量G_c来表示，

实施例6

本实施例与实施5相比较，不同之处在于称取的海砂质量为8.35kg，且不加入橡胶颗粒。制作3块试验构件，所述试验构件编号分别为F1，F2，F3。

实施例5与实施例6制得的废弃橡胶掺混海砂混凝土的磨损量试验结果如表4所示。由表4 可以看出废弃橡胶掺混海砂混凝土的磨损量小于未进行掺混的海砂混凝土的磨损量，即废弃橡胶掺混海砂混凝土的耐磨性能优于未进行掺混的海砂混凝土。

表4 废弃橡胶掺混海砂混凝土的磨损量试验结果磨损表

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims

1.一种FRP筋废弃橡胶掺混的海水海砂超高性能混凝土梁，其特征在于：包括FRP筋和废弃橡胶掺混的海砂混凝土，所述的废弃橡胶掺混的海砂混凝土按照原料的质量份计包括橡胶颗粒1.25~3，水泥15~20，海水7~10，海砂25~30，碎石45~50，减水剂0.1~0.2，粉煤灰0~5，硅灰1~2；所述的FRP筋包括FRP筋材，FRP型材和FRP螺旋箍筋；所述FRP型材设置于所述混凝土梁的受拉区，所述FRP筋设置于所述混凝土梁的受压区，所述的FRP螺旋箍筋绕包所述FRP筋材与FRP型材。

2.根据权利要求1所述的一种FRP筋废弃橡胶掺混的海水海砂超高性能混凝土梁，其特征在于：所述水泥为P.O 42.5普通硅酸盐混凝土，所述粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰。

3.根据权利要求1所述的一种FRP筋废弃橡胶掺混的海水海砂超高性能混凝土梁，其特征在于：所述橡胶主要为废弃轮胎以及橡胶制品，经过常温粉碎产生，其粒径为2~4mm。

4.根据权利要求1所述的一种FRP筋废弃橡胶掺混的海水海砂超高性能混凝土梁，其特征在于：所述的FRP筋为碳纤维增强复合材料、玻璃纤维增强复合材料、芳纶纤维增强复合材料或玄武岩纤维增强复合材料的一种或几种。

5.根据权利要求1所述的一种FRP筋废弃橡胶掺混的海水海砂超高性能混凝土梁，其特征在于：所述的FRP螺旋箍筋为普通FRP矩形箍筋或矩形FRP螺旋箍筋一种或多种。

6.根据权利要求1所述的一种FRP筋废弃橡胶掺混的海水海砂超高性能混凝土梁，其特征在于：所述的矩形FRP螺旋箍筋为对称矩形FRP螺旋箍筋或反对称矩形FRP螺旋箍筋。

7.根据权利要求1所述的一种FRP筋废弃橡胶掺混的海水海砂超高性能混凝土梁，其特征在于：所述的FRP型材设置为槽型。