一种自增强再生钢筋混凝土复合结构及其制备与应用

本发明涉及土木工程材料，尤其是涉及一种自增强再生钢筋混凝土复合结构及其制备与应用。

背景技术：

1、随着人类对新造建筑物和其它基础设施需求的日益增加，天然骨料资源的大规模开采导致其储量快速枯竭，同时拆除废的建筑废弃物使地球环境面临严峻挑战。为弥补传统混凝土可持续发展潜力的不足，越来越多的可再生废弃物(如生物炭，轮胎，建筑固废)正在开发以替代其原材料。其中，将建筑废弃物回收再利用为骨料制备结构用再生混凝土是当前解决资源短缺和环境污染双重压力的重要举措。再生混凝土符合绿色、低碳、环保的生态理念，然而它脆性大、抗拉强度低以及抗渗耐久性差等特点仍是制约其结构利用层次偏低的主要因素。特别是再生混凝土结构长期处于负荷、或承受疲劳荷载以及温差等因素作用时，将会产生不可恢复的变形，轻者影响结构正常使用，需维修加固，重者则导致结构严重开裂变形，内部钢筋锈蚀，从而产生灾难性破坏。

2、而科技的进步又迫使人们对建筑结构设计的外观、安全性及可靠性提出了更高的要求。如何最大限度地降低灾害中由于结构失效而造成的人员伤亡和财产损失已成为人们关注的焦点。为保证结构在实际服役环境下的安全可靠性，传统的结构增强方式主要是通过提高结构强度设计等级、加大构件尺寸等获得足够的安全储备。而机敏材料的出现，为新型建筑结构在真实服役过程中能够实时感知外界环境变化，对此又可以产生瞬时主动响应、快速分析并做出类似生物体的智能反应提供了一定的物质和技术基础。其中轻质高强的碳纤维除了在结构增强增韧方面具有很高的技术吸引力外，它直径较细、比表面积大的优点使其在通电后产生的焦耳热极易发生散发，电热转化效率可高达90％以上。利用碳纤维掺入混凝土基质所形成的带电粒子通道，在外加电场作用下可大大降低电阻率，改善结构的导电性能。并且还具有良好的电磁、电热及电力效应，可广泛用于结构电磁屏蔽、钢筋阴极防护、建筑地面采暖及道路融雪化冰等。尽管碳纤维在提高结构力学及机敏性能方面显示出很大的优势，但由于其高昂的材料成本仍是制约推广的主要因素。

3、在公开号为cnio7140906a的发明创造中公开了一种用于道路微波除冰的碳纤维增强混凝土及其制备方法，其质量组分为：水泥330-355kg；水135.3-145.55kg；石料1437.85kg；砂子548.78-562.55kg；减水剂3.33-3.55kg；碳纤维2.67-4.45kg。该结构的抗压、抗折强度以及微波除冰效率均得到提升，但真正除冰起作用的仅为混凝土表层结构，因此将整个混凝土中掺加碳纤维成本较高，推广价值低。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种自增强再生钢筋混凝土复合结构及其制备与应用。本发明的自增强再生钢筋混凝土复合结构的材料成本降低、结构耐久性得以提高，包括再生钢筋混凝土主体和碳纤维增强水泥砂浆，本发明的再生钢筋混凝土主体内部设有钢筋，所述碳纤维增强水泥砂浆内部预埋有主阳板，且碳纤维增强水泥砂浆两侧分别设置有一个电极。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、本发明的第一个目的是提供一种自增强再生钢筋混凝土复合结构，使用时与可调电源相连，包括再生钢筋混凝土主体和碳纤维增强水泥砂浆，

4、所述碳纤维增强水泥砂浆位于再生钢筋混凝土主体上表面，所述再生钢筋混凝土主体内部平行设置有若干钢筋，所述碳纤维增强水泥砂浆内部预埋有主阳板，沿钢筋长度方向的两侧端部各铺覆有电极；

5、工作时，用导线将电极与可调电源相连接，或，以钢筋为阴极，用导线将钢筋与主阳板与可调电源相连接。

6、本发明的第二个目的是提供一种自增强再生钢筋混凝土复合结构的制备方法，包括以下步骤：

7、(s1)将钢筋装模后浇铸再生混凝土，再生混凝土顶部与模具顶部预留一部分距离，后处理得到再生钢筋混凝土主体(强度等级为c40，水胶比为0.35-0.45)；

8、(s2)将分散剂、消泡剂溶解后混匀，依次加入碳纤维、硅灰、导电填料并混匀，然后加入水泥、消泡剂、高效减水剂，混匀至碳纤维分散成一根根单丝，然后与砂子混匀，得到碳纤维增强水泥砂浆；

9、(s3)将步骤(s2)得到的碳纤维增强水泥砂浆均匀铺覆于再生钢筋混凝土主体上表面，并在碳纤维增强水泥砂浆中预埋主阳板，后处理后在碳纤维增强水泥砂浆两侧涂覆导电银浆作为电极，得到自增强再生钢筋混凝土复合结构。

10、在本发明的一个实施方式中，步骤(s1)中，钢筋选自光圆钢筋或带肋钢筋中的一种，距离再生混凝土表面为20mm-30mm的保护层厚度。

11、在本发明的一个实施方式中，步骤(s1)中，顶部预留20cm-40cm。

12、在本发明的一个实施方式中，步骤(s2)中，每立方米碳纤维增强水泥砂浆中，分散剂、消泡剂、碳纤维、硅灰、导电填料、水泥、高效减水剂、水和砂子的质量数分别为3kg-4kg、1kg-2kg、3.6kg-18kg、130kg-140kg、0.9kg-100kg、900kg-1000kg、2kg-5kg、400kg-410kg和900kg-1000kg。

13、在本发明的一个实施方式中，步骤(s2)中，分散剂选自甲基纤维素、羧甲基纤维素钠或羟乙基纤维素中的一种或几种；

14、消泡剂选自磷酸三丁酯、脂肪酸酯或有机硅油中的一种或几种；

15、所述导电填料选自炭黑或四氧化三铁中的一种；当导电填料为炭黑时，每立方米碳纤维增强水泥砂浆中，炭黑的质量数为0.9kg-10kg；当导电填料为四氧化三铁时，每立方米碳纤维增强水泥砂浆中，四氧化三铁的质量数为9kg-100kg；

16、高效减水剂选自粉末状聚羧酸高性能减水剂、萘系高效减水剂或密胺系减水剂中的一种或几种，减水率为30％-40％。

17、在本发明的一个实施方式中，碳纤维为pan基材质，长度5mm-10mm，掺量占整个砂浆体积的0.2％-1.5％；

18、炭黑平均粒径在5.8μm左右，含碳量≥90％，掺量为制备砂浆所需水泥质量的0.1％-1％；

19、四氧化三铁平均粒径在3.9μm左右，掺量为制备砂浆所需水泥质量的1％-10％；

20、硅灰为优质硅灰，平均粒径在0.1μm左右，可有效用于碳纤维分散；

21、水泥为42.5等级及以上的硅酸盐水泥；

22、砂子为天然河砂，其细度模数为2.3-3.0，平均粒径为0.35-0.5mm，含泥量不超过2％。

23、在本发明的一个实施方式中，步骤(s3)中，碳纤维增强水泥砂浆位于再生钢筋混凝土主体中和轴以上，碳纤维增强水泥砂浆的厚度为20mm-40mm，电阻率为0.1ω·m-1ω·m；

24、所述主阳板选自活化钛网板或其他活泼金属中的一种；

25、所述后处理为拆模并养护，养护结束后将碳纤维增强水泥砂浆两侧打磨至露出碳纤维。

26、在本发明的一个实施方式中，拆模前静置时间24h以使上层碳纤维增强水泥砂浆和下层再生钢筋混凝土主体成型。

27、在本发明的一个实施方式中，养护过程汇总，温度为18-22℃，湿度≥95％，时间为28天。

28、在本发明的一个实施方式中，导电银浆中固含量达70％，电阻率较低，具有极好的稳定性和卓越的黏着力。

29、本发明的第三个目的是提供一种自增强再生钢筋混凝土复合结构在大跨度结构中的应用，将电极用导线和与可调电源相连，基于焦耳效应，利用通电引起的体积膨胀可有效增强大跨度结构内部再生钢筋混凝土结构的承载能力。

30、本发明的第四个目的是提供一种自增强再生钢筋混凝土复合结构在钢筋阴极智能防护中的应用，以钢筋作为阴极，将主阳极和钢筋利用导线分别与可调节电源的正极、负极相连接，实现对结构内部钢筋的智能防护，从而提高结构耐久性。

31、本发明中，导线选用具有高导电性的金属丝。

32、本发明采用层铺法的设计工艺将碳纤维增强水泥砂浆均匀铺覆于再生钢筋混凝土主体表面，开发了一种自增强再生钢筋混凝土智能复合结构，极大地降低了制备成本，并且实现了再生混凝土结构的智能化。因此，该技术的实施不仅有利于再生混凝土在结构层次方面的高效应用，而且对防止资源过度开采和最大限度地保护环境具有重要意义。

33、本发明一方面基于碳纤维增强水泥砂浆升温速度较快且易于控制的特点，利用其通电温升引起的体积膨胀对再生钢筋混凝土主体施加一个反向预应力；这不仅可以恢复再生钢筋混凝土主体由于徐变、疲劳以及环境温度引起的变形，还能通过主动控制的方式缓解传统再生钢筋混凝土主体抗拉强度低、易开裂的缺点，提升承载能力。另一方面，基于碳纤维增强水泥砂浆高的电导率，可有效提高水泥基阳极材料可通过的保护电流，降低阴极保护所需要的驱动电压，从而实现对再生钢筋混凝土主体内部钢筋的阴极保护，提高结构耐久性。

34、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

35、(1)制备工艺简单。本发明首先提出了新的碳纤维砂浆搅拌工艺，在此基础上又进一步通过掺加炭黑、四氧化三铁等导电填料协同优化碳纤维砂浆的性能，使其可充分发挥碳纤维长程导电与纳米导电填料短程导电的优势，降低电阻率；进一步的，本发明采用现浇层铺法的设计工艺将制备得到的碳纤维增强水泥砂浆在再生钢筋混凝土主体初凝之前均匀铺覆于再生钢筋混凝土主体上表面，并在碳纤维增强水泥砂浆中预埋主阳极。

36、(2)兼容性好。本发明的一种自增强再生钢筋混凝土复合结构中碳纤维增强水泥砂浆与再生钢筋混凝土主体之间的物理力学性能指标相近，变形协调具有一致性，另外，本发明通过适当的振捣可以保证上层碳纤维增强水泥砂浆与下层再生钢筋混凝土主体能够有效粘结，不易脱落。

37、(3)耐久性优异。本发明的一种自增强再生钢筋混凝土复合结构中碳纤维增强水泥砂浆的设计强度高于再生钢筋混凝土10mpa；具有高长径比、高弹性模量和高耐腐蚀性能的碳纤维与水泥砂浆复掺制备的碳纤维增强水泥砂浆涂层可提升再生钢筋混凝土结构的抗压、抗拉、弯曲强度和抗冲磨性能，同时降低收缩变形，对再生钢筋混凝土主体具有很好的保护作用。

38、(4)功能性强。本发明的一种自增强再生钢筋混凝土复合结构中对碳纤维增强水泥砂浆驱动可使再生钢筋混凝土结构产生向上的挠曲变形而提高结构承载承载能力。将碳纤维增强水泥砂浆中的钛网和再生混凝土中的钢筋分别当作阳极和阴极，与电源的正负极相连，此时碳纤维增强水泥砂浆充当辅助阳极可使保护电流均匀分布于受保护钢筋表面，从而抑制钢筋腐蚀。

39、(5)性价比高。利用本发明的一种自增强再生钢筋混凝土复合结构的制备方法制备得到的自增强再生钢筋混凝土复合结构在碳纤维掺量较低的情况下就具有良好的导电性，而且自增强再生钢筋混凝土复合结构的制备方法中层铺法的设计工艺大大降低了材料成本。