碳纤维布预约束超高性能混凝土柱的制造方法与流程

本发明属于建筑结构加固领域，尤其涉及一种碳纤维布预约束超高性能混凝土柱的制造方法。

背景技术：

在建筑结构中，柱子是建筑物重要的受力支承构件，用以支承梁、桁架、楼板等，而钢筋混凝土结构的柱子在众多的建筑中应用最为广泛。但是由于钢筋混凝土柱的承载力、延性以及抗震等性能的有限，经过不断的研究，钢管混凝土在劲性钢筋混凝土及螺旋配筋混凝土的基础上演变和发展起来，在土木建筑工程中应用已有近百年的历史。但是钢管混凝土中混凝土的性能是其整体的关键所在，随着现代建筑工程对建筑材料和建筑结构的要求越来越高，对于高性能混凝土的研究也就越来越多，活性粉末混凝土（RPC）便是其中之一。通过数据资料可知，活性粉末混凝土（RPC）的泊松比0.22，而钢材的泊松比为0.3，导致在轴压力作用下，钢管的横向变形大于活性粉末混凝土（RPC）的横向变形，因此不能使用钢管约束RPC。经过不断的探索，发现碳纤维布性能优越，其抗拉强度为钢材的10倍，弹性模量与钢材相当，且其密度仅为钢材的1／5。以碳纤维布为模板浇筑活性粉末混凝土（RPC）柱，使碳纤维布包裹保护内部RPC，是一种较为新颖的结构组成思路。但是，若不对碳纤维布施加预拉伸，则活性粉末混凝土达到极限应变时碳纤维布并未充分达到强度，所以两者并未得到充分利用。通过文献检索，目前国内外相关机构及众多学者对碳纤维布和RPC这两种材料分别进行了大量的研究，但尚未见到将其二者相结合制成预约束RPC柱的研究。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种碳纤维布预约束超高性能混凝土柱的制造方法，通过将碳纤维布制成圆柱体模板，向其中填入活性粉末混凝土RPC，并进行预压使得RPC获得预压力、碳纤维布获得预拉力，使RPC柱获得碳纤维布的预约束，其强度得到增大，碳纤维布也因预拉伸，两者的强度达到最大，在结构破坏时强度得到充分利用。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种碳纤维布预约束超高性能混凝土柱的制造方法，用碳纤维布制成封闭的圆柱筒，并在其中的一个圆形面上开设填料孔和充气孔，并将该圆形面作为顶面；

密封填料孔并通过充气孔向封闭的圆柱筒内充入压缩空气至形成直立饱满的空腔圆柱体；

通过填料孔分层填入活性粉末混凝土RPC至填满圆柱体，并振捣密实，形成活性粉末混凝土RPC柱；

在活性粉末混凝土RPC柱的上下底面施加一定的压力；

保持上述压力，在一定的温度下使用蒸汽对活性粉末混凝土RPC柱进行养护至合适的时间；

移除压力并停止蒸汽养护，对活性粉末混凝土RPC柱进行混凝土标准养护形成成品柱；

在成品柱的侧壁涂防火涂层。

进一步地，用碳纤维布制成封闭的圆柱筒中，为内外两层同心的封闭的圆柱筒，密封填料孔开设在内外层构成的圆环面上，充气孔为两个，一个开设在所述的圆环面上，一个开设在与所述圆环面在同一面的内层的圆形面上，充入压缩空气后形成内圆柱体和外面的环形柱体，从填料孔填入的活性粉末混凝土RPC进入环形柱体内，填满捣实后形成中空的活性粉末混凝土RPC柱。

进一步地，形成的所述活性粉末混凝土RPC柱的直径D为150mm-300mm。

进一步地，所述的碳纤维布的强度在3500 MPa-4500 MPa之间，弹性模量在210 GPa-260 GPa之间，极限抗拉应变在0.015-0.02之间。

进一步地，通过所述填料孔填入活性粉末混凝土RPC为分层填入，每层填入高度10cm-20cm，并进行分层捣实。

进一步地，所述活性粉末混凝土RPC的配合比为硅酸盐水泥：硅灰：石英砂：石英粉：钢纤维：水=1:(0.25-0.35):(1.1-1.5):(0.3-0.4):(0.17-0.28):(0.17-0.28)，并且掺加高效减水剂使坍落度在20mm-50mm左右。

进一步地，在所述活性粉末混凝土RPC柱的上下底面所施加的压力在11D²-15D²之间，以mm为单位。

进一步地，使用蒸汽时，温度不低于90℃，蒸汽养护时间为3-5天。

进一步地，所述的混凝土标准养护的温度为20℃2℃，相对湿度95%的条件下养护28天。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

1、本发明利用碳纤维布制成封闭的圆柱结构并充入压缩空气，形成中空的圆柱体，在圆柱体内填入活性粉末混凝土RPC，进行预压，使得活性粉末混凝土达到极限应变时碳纤维布充分达到强度，其中碳纤维布既可用作模板，又因预拉伸使得其强度可以充分利用，也因受预拉力从而预约束活性粉末混凝土RPC，使得形成的活性粉末混凝土RPC柱整体强度更高，两者得到充分利用。

2、由于活性粉末混凝土RPC受到预压力，而又受到碳纤维布的预约束，使得活性粉末混凝土RPC在承受实际荷载后，因受预压力而强度增大，延性更好。

3、本发明的制造方法简便，原理清晰明了，形成的活性粉末混凝土RPC成品柱的强度可靠。

附图说明

图1是采用本发明制造的活性粉末混凝土RPC柱的实施例一的示意图；

图2是采用本发明制造的活性粉末混凝土RPC柱的剖面受力示意图；

图3是采用本发明制造的活性粉末混凝土RPC柱的实施例二的示意图；

图4是采用本发明制造的活性粉末混凝土RPC柱的实施例二的剖视图；

图中：1、填料孔；2、充气孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一

参见图1，为本发明提供的碳纤维布预约束超高性能混凝土柱的制造方法的具体实施例之一，图2示出了采用本发明制造的活性粉末混凝土RPC柱的剖面受力示意图，用碳纤维布制成封闭的圆柱筒，并在其中的一个圆形面上开设填料孔1和充气孔2，并将该圆形面作为顶面；

密封填料孔1并通过充气孔2向封闭的圆柱筒内充入压缩空气至形成直立饱满的空腔圆柱体；

通过填料孔1分层填入活性粉末混凝土RPC至填满圆柱体，并振捣密实，形成活性粉末混凝土RPC柱；

在活性粉末混凝土RPC柱的上下底面施加一定的压力；

保持上述压力，在一定的温度下使用蒸汽对活性粉末混凝土RPC柱进行养护至合适的时间；

移除压力并停止蒸汽养护，对活性粉末混凝土RPC柱进行混凝土标准养护形成成品柱；

在成品柱的侧壁涂防火涂层。

本发明利用碳纤维布制成封闭的圆柱结构并充入压缩空气，形成中空的圆柱体，在圆柱体内填入活性粉末混凝土RPC，进行预压，使得活性粉末混凝土达到极限应变时碳纤维布充分达到强度，其中碳纤维布既可用作模板，又因预拉伸使得其强度可以充分利用，也因受预拉力从而预约束活性粉末混凝土RPC，使得形成的活性粉末混凝土RPC柱整体强度更高，两者得到充分利用；由于活性粉末混凝土RPC受到预压力，而又受到碳纤维布的预约束，使得活性粉末混凝土RPC在承受实际荷载后，因受预压力而强度增大，延性更好。

进一步地，本发明实施例提供的纤维布预约束超高性能混凝土柱的制造方法的具体实施方式，形成的活性粉末混凝土RPC柱的直径D为150mm-300mm。

进一步地，本发明实施例提供的纤维布预约束超高性能混凝土柱的制造方法的具体实施方式，选用的碳纤维布的强度在3500 MPa-4500 MPa之间，弹性模量在210 GPa-260 GPa之间，极限抗拉应变在0.015-0.02之间。

进一步地，本发明实施例提供的纤维布预约束超高性能混凝土柱的制造方法的具体实施方式，通过填料孔1填入活性粉末混凝土RPC为分层填入，每层填入高度10cm-20cm，并进行分层捣实。

进一步地，本发明实施例提供的制造方法的具体实施方式，活性粉末混凝土RPC的质量配比为硅酸盐水泥：硅灰：石英砂：石英粉：钢纤维：水=1:(0.25-0.35):(1.1-1.5):(0.3-0.4):(0.17-0.28):(0.17-0.28)，并且掺加高效减水剂使坍落度在20mm-50mm左右。

进一步地，本发明实施例提供的纤维布预约束超高性能混凝土柱的制造方法的具体实施方式，在活性粉末混凝土RPC柱的上下底面所施加的压力在11²-15²之间，以mm为单位。

进一步地，本发明实施例提供的纤维布预约束超高性能混凝土柱的制造方法的具体实施方式，使用蒸汽时，温度不低于90℃，蒸汽养护时间为3-5天。

进一步地，本发明实施例提供的纤维布预约束超高性能混凝土柱的制造方法的具体实施方式，混凝土标准养护的温度为20℃2℃，相对湿度为95%的条件下养护28天。

实施例二

参见图3和图4，本发明实施例提供的纤维布预约束超高性能混凝土柱的制造方法的具体实施方式，其与实施例一的区别在于，形成的活性粉末混凝土RPC柱为中空的，如图4所示，中间为空心柱，具体做法是，用碳纤维布制成封闭的圆柱结构中，为内外两层封闭的圆柱结构，密封填料孔1开设在内外层构成的圆环面上，充气孔2为两个，一个开设在圆环面上，一个开设在与圆环面在同一面的内层的圆形面上，充入压缩空气后形成内圆柱体和外面的圆环柱体，内外两圆柱体同轴，从填料孔填入的活性粉末混凝土RPC进入环形柱体内，填满捣实后形成中空的活性粉末混凝土RPC柱。在此，也可以采用其他的方法，例如，两层碳纤维布中，内层的圆柱上设有通孔，在压缩空气充入环形柱可直接进入内层的圆柱内。

综上所述，本发明制作方法，是采用碳纤维布制成对混凝土起约束作用的约束模板，包括将碳纤维布进行裁剪、缝制成封闭的圆柱筒，其直径尺寸在150mm-300mm之间，碳纤维布的用量可以通过碳纤维布与混凝土面积之比在0.4%-1.2%之间进行选择。同时在圆柱筒的顶面设置填料孔1和充气孔2，分别通过充气孔2充入压缩空气使得圆柱筒变得饱满，通过填料孔1填入活性粉末混凝土RPC振捣密实，在填入活性粉末混凝土时，需要持续充入压缩空气保持圆柱筒饱满。随后为了计算简便，取碳纤维布与混凝土面积比为1%，记活性粉末混凝土柱的直径为D，碳纤布的厚度为d，活性粉末混凝土RPC的应力为，碳纤维布的应力为。由碳纤维布与混凝土的面积比可得，。因为碳纤维布的厚度d远小于活性粉末混凝土柱直径，故此时内部混凝土柱的直径近似取为D，由图2所示受力平衡可得，。由于碳纤维布的强度在3500MPa-4500MPa之间，故此时的取值在17.5MPa-22.5MPa之间。基于保守性，在此处的取值在15MPa-20MPa之间。根据力与应力的关系N=，其中为应力，S为受力面积，可得相应于的力取值在11D²-15D²之间。然后在活性粉末混凝土柱的上下底面施加压力，压力控制在11D²-15D²之间，则在施加压力时，施加给碳纤维筒的压强为15MPa-20MPa之间，相应的碳纤维布的预拉应力为3000MPa-4000MPa之间（在后续养护过程中，活性粉末混凝土会发生体积收缩，导致该预拉应力有所降低）。保持上述压力的同时，在不低于90℃的温度下，使用蒸汽养护3-5天。在移除压力和蒸汽养护后，将该活性粉末混凝土柱置于温度为20℃2℃，相对湿度95%的条件下养护28天，最后在成品柱上涂防火涂层。

以上对本发明提供的技术方案进行了详细介绍，本发明中应用具体个例对本发明的实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明，应当指出，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可对本发明进行若干改进，这些改进也落入本发明权利要求的保护范围内。