一种FRP筋结构用橡胶集料混凝土梁

技术领域

本发明涉及土木工程FRP筋混凝土结构技术领域，尤其涉及一种新型复合结构体系，即FRP筋结构用橡胶集料混凝土梁。

背景技术

混凝土结构中钢筋腐蚀造成的结构破坏，严重威胁着钢筋混凝土结构的长期安全性，制约着混凝土结构的健康发展。纤维增强复合材料筋(Fiber Reinforced Polymer，以下简称FRP筋)是由多股连续长纤维(如玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维等)与树脂基体(不饱和聚酯、聚乙烯树脂、聚丙烯等)按照一定比例混合，同时添加一些辅助剂材料(如引发剂、促进剂等)，经过挤拉成型等一系列加工工艺制成的。由于FRP筋具有良好的耐腐蚀性能、轻质高强、电磁绝缘性较好、抗疲劳性能好、可设计性好等优势，众多国内外学者建议将FRP筋代替钢筋用于增强混凝土结构中，从根本上解决钢筋锈蚀问题，从而有效降低建筑结构的维修费用和综合成本。因此，FRP筋混凝土结构成为关注的热点。

研究表明，FRP筋混凝土梁在静力荷载作用下的裂缝宽度比钢筋混凝土梁宽，抗裂性能低于钢筋混凝土梁，这使得FRP筋混凝土梁在正常使用荷载下的状态难以满足规范要求和舒适度要求。FRP筋混凝土梁破坏时呈现两种破坏形式：配筋率较低时，破坏表现为FRP筋的拉断，即受拉破坏；当配筋率合适时，受压区混凝土被压碎，梁的破坏表现出一定的延性特征，即受压破坏，是较为理想的破坏形式。但无论是FRP筋拉断或受压区混凝土压碎，均为典型的脆性破坏形式，相较而言，国内外文献建议采用FRP筋超筋混凝土梁。

鉴于FRP筋混凝土梁的上述问题，考虑改善混凝土类型。橡胶集料混凝土作为一种新型土木工程材料已经成为目前国内外研究的热点，橡胶集料的应用也在很大程度上减少了由于大量轮胎堆积造成的“黑色污染”。橡胶集料混凝土是一种把橡胶微粒作为水泥混凝土的组成材料配制而成的特殊混凝土，又称为弹性混凝土，既具有普通混凝土的力学性能，又具有橡胶的高弹性和变形抗裂性能。橡胶微粒是由旧汽车轮胎经破碎而成，粒径为1mm-2mm或更小，密度约为1.0g/cm

发明内容

针对上述现有技术，本发明提出一种FRP筋结构用橡胶集料混凝土梁体系。针对FRP筋普通混凝土梁在静力荷载作用下裂缝宽度和挠度较大，破坏时脆性特征较为明显的问题，将普通混凝土替换为变形能力较大且抗裂性能优异的结构用橡胶集料混凝土，以期改善FRP筋混凝土梁在静力荷载作用下的受弯性能。

在FRP筋普通混凝土梁中，由于FRP材料的弹性模量仅为钢材的1/4-1/3，加载过程中FRP筋的变形较大，而普通混凝土变形能力较小，无法与FRP筋很好协调，使得梁出现较大裂缝，呈脆性破坏特征。结构用橡胶集料混凝土的抗裂性能及变形能力均明显高于普通混凝土，并且其强度与基准普通混凝土相等，将其与FRP筋相结合组成FRP筋结构用橡胶集料混凝土梁，一方面提高了梁的抗裂性能，另一方面其较高的变形能力可以与FRP筋更好协调变形，提高梁的极限变形能力，更有利于充分发挥FRP筋抗拉强度高的优势，并提高梁的延性。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种FRP筋结构用橡胶集料混凝土梁，包括钢筋架和浇筑的混凝土构成，所述钢筋架包括钢筋架立筋、FRP受拉筋和钢筋箍筋，所述FRP受拉筋的两端分别设有弯钩，所述弯钩与所述FRP受拉筋之间用玻璃纤维束或尼龙绳以十字交叉方式绑扎，并用环氧树脂胶封闭；所述混凝土是结构用橡胶集料混凝土。

进一步讲，本发明所述的FRP筋结构用橡胶集料混凝土梁，其中，所述弯钩的直径与所述FRP受拉筋的直径相等，长度是直径的5倍。

所述FRP受拉筋选用GFRP筋或者是BFRP筋，所选FRP受拉筋的表面为非光面、设有螺纹、绕肋、压痕和粘砂中的一种或多种，以保证FRP受拉筋与结构用橡胶集料混凝土的有效粘结。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)控制橡胶集料混凝土的强度，采用结构用橡胶集料混凝土，可以避免由于混凝土强度降低造成的对FRP筋混凝土梁受弯性能的不良影响。

(2)将橡胶颗粒引入FRP筋混凝土梁，橡胶集料混凝土的变形与FRP筋的变形相协调，延缓裂缝的发展，充分发挥FRP筋的抗拉强度，提高极限承载力，改善破坏时的延性。

(3)解决了钢筋腐蚀带来的维修费用高的问题，延长了混凝土结构的寿命，同时回收利用废旧轮胎，减少了废旧轮胎造成的“黑色污染”问题。

(4)FRP筋橡胶集料混凝土构件变形能力较大，在地震作用下材料有望保持弹性特征，避免产生或极大减少残余变形，有望成为可恢复功能结构。

附图说明

图1为本发明所述的FRP筋结构用橡胶集料混凝土梁的结构示意图；

图2是图1所示的梁的断面结构示意图。

图中：1-钢筋架立筋，2-钢筋箍筋，3-FRP受拉筋，4-结构用橡胶集料混凝土。

具体实施方式

本发明的构思是：已有研究表明，橡胶集料混凝土的强度和弹性模量较普通混凝土有所降低，但通过对橡胶颗粒的预处理，改变橡胶与水泥浆的界面性能，或对橡胶集料混凝土的配合比优化设计，可以减少混凝土强度的降低，制得结构用橡胶集料混凝土。同时，将橡胶集料引入FRP筋混凝土梁，橡胶集料混凝土的变形与FRP筋的变形相协调，延缓裂缝的发展，充分发挥FRP筋的抗拉强度，提高极限受弯承载力，改善破坏时的延性。

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。

本发明提出的FRP筋结构用橡胶集料混凝土梁是一种新型的复合结构体系，在FRP筋普通混凝土梁的基础上，用延性及抗裂性更高的橡胶集料混凝土替换普通混凝土。橡胶集料的引入可提高梁的抗裂性、极限变形能力及破坏时的延性。由于FRP筋与橡胶集料混凝土的粘结性能相比普通混凝土有所降低，梁端需要加强锚固措施。FRP受拉筋在橡胶集料混凝土梁端的锚固。如图1和图2所示，本发明的FRP筋结构用橡胶集料混凝土梁包括钢筋架和结构用橡胶集料混凝土，所述钢筋架由钢筋架立筋1、FRP受拉筋3和钢筋箍筋2构成。FRP受拉筋在橡胶集料混凝土梁端的锚固采用在所述FRP受拉筋3的两端分别设有弯钩，所述弯钩与所述FRP受拉筋3之间用玻璃纤维束或尼龙绳以十字交叉方式绑扎，并用环氧树脂胶封闭；

普通橡胶集料混凝土的强度会随着橡胶掺量的增加而降低。混凝土强度降低过多时，会影响FRP筋混凝土梁的极限受弯承载力，无法达到混凝土结构中对混凝土强度等级的最低要求。而已有文献指出，通过调整配合比，橡胶集料混凝土可以达到C20-C50的强度等级，也有文献指出可以用水、四氯化碳溶液、氢氧化钠饱和溶液等预处理橡胶颗粒，减少橡胶集料混凝土强度的降低。因此，可以综合采用配合比优化设计及橡胶颗粒改性处理的方法，配制得到与普通混凝土强度相同的结构用橡胶集料混凝土，本领域技术人员，在本发明的启示下，按照设计要求调整配合比和或对橡胶颗粒进行改性处理，具体内容如下：

结构用橡胶集料混凝土的配合比优化设计通过试配实现，水泥选用PO 42.5等级水泥，细骨料选择中砂，粗骨料选择粒径为5-20mm的碎石，橡胶颗粒粒径为1-2mm，为改善混凝土的和易性，加入一定量的高效减水剂，调整水灰比、砂率、减水剂含量等，以期达到控制等强的效果。对于橡胶颗粒的掺量，可选取50kg/m

本发明中的FRP受拉筋3的表面处理方式可以包括绕肋、压痕或粘砂，选取经济性较好的工程中较为常用的GFRP筋或者新型材料BFRP筋，但不可使用光圆FRP筋。FRP受拉筋3端部的锚固可以用一根直径与FRP受拉筋3直径相等、长度约为5d的短钢筋，与FRP受拉筋十字交叉绑扎，用玻璃纤维束或尼龙绳绑扎，再用环氧树脂胶封闭。

实施例：

(1)控制橡胶集料混凝土的强度等级。材料强度是结构设计的关键，材料强度的精细控制有利于结构设计的可靠性和安全性。GB 50010-2010《混凝土结构设计规范》规定，钢筋混凝土梁中，钢筋的强度等级为HRB400时，混凝土强度等级不低于C25。因此需要，寻求合适的方法保证配制与普通混凝土强度等级相同的橡胶集料混凝土。

(2)确定橡胶集料的掺加方式。橡胶集料混凝土的配合比设计方法总体分两种：第一种是橡胶颗粒等体积取代细骨料、橡胶颗粒等体积取代粗骨料、橡胶颗粒等体积取代部分细骨料和部分粗骨料，其他组分含量不变，且水灰比、砂率不变；第二种是橡胶颗粒取代总体积的一定比例，其余组分含量改变，水灰比、砂率、减水剂的含量调整。第一种橡胶颗粒等体积取代骨料的方法，往往使得橡胶集料混凝土的强度随着掺量的增加而有不同程度的降低，后者通过调整水灰比、砂率、减水剂含量等，可达到与普通混凝土强度等级相同的水平，故选择第二种配合比方法。

(3)橡胶颗粒的改性处理。为了减少橡胶集料混凝土强度的降低，对橡胶颗粒预处理，以改善橡胶颗粒与水泥浆之间的界面状态，加强橡胶颗粒与水泥浆的粘结。故在搅拌之前，用水、乳胶清洗剂、氢氧化钠溶液、四氯化碳溶液等物理或化学方式对橡胶颗粒进行改性处理，以弥补橡胶掺入引起的混凝土强度的降低。

(4)FRP受拉筋类型的选取。根据FRP筋组成纤维的种类，FRP筋可分为CFRP筋、GFRP筋、AFRP筋和BFRP筋，考虑到GFRP筋的经济性及BFRP筋，在工程中应用较多。已有文献表明，光圆FRP筋与混凝土的粘结性能较差，故对FRP筋的表面进行处理，选取表面有螺纹、绕肋、压痕或粘砂的FRP筋，以增强FRP筋与混凝土的粘结，保证FRP筋与混凝土之间可以共同承担变形。

(5)FRP筋在橡胶集料混凝土梁中的锚固。已有文献表明，FRP筋与混凝土的粘结性能随橡胶掺量的增大而降低，为了避免FRP筋橡胶集料混凝土梁在加载过程中出现滑移破坏，FRP筋端部的锚固采取一定的措施。可应用端部带弯钩的FRP筋，而针对由于加工工艺问题，无法直接进行弯折的FRP筋，可采取可靠的机械措施。即用一根直径与FRP筋直径相等、长度约为5d的短钢筋，与受拉FRP筋十字交叉绑扎，用玻璃纤维束或尼龙绳绑扎，再用环氧树脂较封闭；待环氧树脂固化完全，再进行混凝土的浇筑。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。