海水海砂型钢骨架混凝土结构及其制备方法

1.本发明属于建筑结构技术领域，尤其涉及一种海水海砂型钢骨架混凝土结构及其制备方法。


背景技术：

2.目前，我国每年建筑工程中的砂石骨料用量达到30亿吨，所使用淡水也达数十亿吨，然而随着用量不断增加，自然资源逐渐枯竭，生态环境也遭到了破坏，同时成本也在不断上升。因此，在滨海城市和沿海岛礁中，采用海水海砂混凝土建设相关的民用建筑、工业建筑和军工建筑，不但可以有效解决由内陆原材料长距离运输所导致的建设成本过高的问题，而且极大的缓解了淡水、河砂资源紧张的问题。已有研究表明，海水海砂混凝土材料和淡水河砂混凝土材料的力学性能基本一致。然而，与河砂和淡水相比，海砂和海水中富含大量腐蚀性离子，同时，滨海城市和沿海岛礁中的钢筋混凝土结构长期处于海水和近海大气的氯离子侵蚀环境中，氯离子侵蚀后会破坏钢筋表面的“钝化膜”发生氧化反应，进而引起电化学锈蚀，钢筋锈蚀将造成钢筋截面减小、蚀坑的出现、钢筋与混凝土之间粘结性能退化和混凝土保护层开裂与剥落，最终导致结构性能退化、承载能力降低和使用寿命缩短等耐久性问题，从而增加建筑行业的碳排量。
3.同时，我国许多滨海城市和海域均处于高烈度设防区域，对结构的抗震设计具有较高的要求。在建筑结构抗震设计中，节点的设计尤为关键，需遵循“强柱弱梁，强剪弱弯，强节点弱构件”的设计原则，避免节点区域先发生破坏，引导损伤发生于易修复的梁构件上。此外，海水海砂中腐蚀性离子的侵蚀会导致结构性能的降低，使结构无法抵抗原有设计烈度的地震荷载，并且可能发生破坏模式的转变，由延性破坏转为脆性破坏。
4.上述海水海砂混凝土造成的钢筋锈蚀等耐久性问题不但缩短了结构的使用寿命，而且增加了结构在地震作用下的破坏风险，造成了人员与财产的损失。


技术实现要素：

5.针对以上技术问题，本发明公开了一种海水海砂型钢骨架混凝土结构及其制备方法，从根源上解决钢筋混凝土结构的耐久性问题及梁柱节点的抗震问题。
6.对此，本发明采用的技术方案为：
7.一种海水海砂型钢骨架混凝土结构，包括混杂纤维增强水泥基材料制成的永久模板、型钢骨架和海水海砂混凝土；所述永久模板位于所述型钢骨架的外侧，所述海水海砂混凝土填充在永久模板、型钢骨架构成的空腔内；所述混杂纤维增强水泥基材料包括内层的混杂纤维水泥基材料层、外层的混杂纤维水泥基材料层和位于中间的混杂纤维网格，所述混杂纤维网格为碳纤维束、受力纤维束纵横间隔分布编织而成，所述内层的混杂纤维水泥基材料层、外层的混杂纤维水泥基材料层内含有短切的碳纤维和增强纤维；相邻的永久模板之间的接缝处，两者的纤维网格之间通过导电胶粘剂连接，所述接缝处的表面设有水泥基材料封装层。其中，所述水泥基材料封装层为采用混杂纤维水泥基材料封装在接缝处的
外侧得到。
8.采用此技术方案，混杂纤维网格中，碳纤维束与受力纤维束在两个方向均为间隔分布，受力纤维束作为水泥基复合材料的受力增强材料，碳纤维束作为水泥基复合材料的辅助阳极材料，两种纤维束独立设计兼顾了两者的优点，不用考虑碳纤维束对结构强度的贡献，不用考虑由于外加电流对受力纤维束可能造成的强度劣化，简化了纤维增强网格的设计。水泥基复合材料中包含短切的碳纤维+增强纤维，其中短切碳纤维增加水泥基体的导电性，便于构建外加电流阴极保护系统，短切增强纤维增加水泥基材料的抗拉和抗裂性能，可以避免混凝土浇筑过程中可能导致永久模板开裂的问题，并且在相同性能要求下，混杂纤维水泥基材料可以更加轻质高强。
9.作为本发明的进一步改进，所述永久模板的内壁设有若干用于增加水泥基材料与混凝土材料界面粘结性能的凹槽，使得结构的组合性能更良好，共同承受外部施加的荷载。
10.作为本发明的进一步改进，所述凹槽阵列分布，所述凹槽的深度为3-10mm、宽度为5-15mm。
11.作为本发明的进一步改进，所述型钢骨架与永久模板的内壁之间设有垫块。
12.进一步的，所述垫块为混杂纤维水泥基材料的垫块，也就是水泥基材料内含有短切的碳纤维和增强纤维。
13.进一步的，所述垫块阵列设置。
14.作为本发明的进一步改进，所述垫块在型钢骨架的四周每隔300～800mm设置。
15.进一步的，用水泥基垫块在型钢骨架四周每隔500mm进行支撑，使型钢骨架定位准确，定位准确后对型钢骨架柱进行固定。
16.作为本发明的进一步改进，所述永久模板包括u型的梁永久模板、空心的柱永久模板，所述型钢骨架包括相互连接的柱型钢和梁型钢，所述柱型钢位于柱永久模板的中部，所述梁永久模板位于梁型钢的外侧；在所述梁永久模板和柱永久模板的连接处，所述梁永久模板内的纤维网格和柱永久模板内的纤维网格通过导电胶粘剂连接。
17.作为本发明的进一步改进，所述柱永久模板与梁永久模板的连接处设有开孔，开孔处混杂纤维网格伸出，所述梁永久模板的端口处的混杂纤维网格伸出，在所述柱永久模板与梁永久模板的接缝处，两者伸出的混杂纤维网格通过导电胶粘剂连接成为一体，并采用混杂纤维水泥基材料封装。采用混杂纤维水泥基材料封装可以防止胶粘剂受外部环境影响。接缝处，两者的纤维网格均伸出，通过胶粘剂使梁、柱构件中的混杂纤维网格成为一体，保证其具有良好受力性能。
18.作为本发明的进一步改进，所述导电胶粘剂为导电环氧树脂。
19.作为本发明的进一步改进，所述柱永久模板可为方形、圆形或多边形，所述柱永久模板和梁永久模板可为钢筋混凝土构件、型钢骨架混凝土构件或其组合。
20.本发明还公开了如上所述的海水海砂型钢骨架混凝土结构的制备方法，包括如下步骤：
21.步骤s1，分别制作柱永久模板和梁永久模板；所述柱永久模板上设有与梁永久模板截面尺寸一致的开孔，开孔处混杂纤维网格伸出；所述梁永久模板的端口处混杂纤维网格伸出；
22.步骤s2，将柱型钢放置于模板内部，采用垫块在柱型钢的四周进行支撑，使型钢定
位准确，定位准确后对型钢柱进行固定；
23.步骤s3，将型钢梁与型钢柱进行焊接或螺栓连接，然后将梁永久模板固定连接于型钢梁上；
24.步骤s4，在所述梁永久模板与所述柱永久模板的连接处，采用导电胶粘剂将开孔处的梁永久模板与所述柱永久模板伸出的混杂纤维网格进行粘结，并在拼接处的外侧采用混杂纤维水泥基材料进行封装；
25.步骤s5，先后浇筑柱构件与梁构件的海水海砂混凝土，然后养护；
26.步骤s6，将柱型钢与直流电源的阴极连接，将柱永久模板的碳纤维束与直流电源的阳极连接。
27.作为本发明的进一步改进，步骤s3中，采用扁担撑和钢带将梁永久模板固定连接于梁型钢上，并将垫块设于扁担撑与梁型钢之间。
28.作为本发明的进一步改进，所述导电胶粘剂为导电环氧树脂，在采用导电环氧树脂固化纤维网格时，采用小木条在固化区域进行围挡，避免导电环氧树脂外流。
29.进一步的，在固化时，可对导电环氧树脂进行加热，加快其固化速度。
30.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
31.第一，采用本发明的技术方案，同步提升了海水海砂型钢混凝土结构的耐久性和抗震性，可以大幅缓解河砂和淡水资源紧张的问题，降低了混凝土结构的建设费用，提高结构的施工效率，有利于大范围推广使用海水海砂混凝土。
32.第二，采用本发明的技术方案，永久模板固定于型钢骨架上，避免了设置外部临时支撑，提高了施工效率。现有技术中采用钢筋混凝土结构节点区域横纵钢筋交汇锚固，施工性极差，且质量难以保证，而本发明的技术方案采用型钢结构可进一步简化节点区域复杂性，提高节点质量。而且，型钢混凝土具有较大的抗侧刚度和承载力，延性性能和抗震性能优异，采用型钢混凝土可大大提高结构的抗震性能和抗冲击性能，简化施工模式，加速海水海砂资源化应用进程。此外，纤维增强水泥基复合材料永久模板的使用，可以节约模板消耗，施工完成后与混凝土一起形成组合结构，共同受力，外加电流阴极保护系统在结构建设完成后即可发挥作用，大幅提高结构在恶劣环境下的服役寿命。
附图说明
33.图1为本发明实施例的混杂纤维增强水泥基柱永久模板结构示意图。
34.图2为本发明实施例的混杂纤维增强水泥基梁永久模板结构示意图。
35.图3为本发明实施例的混杂纤维网格的结构示意图。
36.图4为本发明实施例的柱型钢安装示意图，其中，(a)为立体图，(b)为安装后的柱构件的截面图。
37.图5为本发明实施例的梁型钢安装示意图。
38.图6为本发明实施例的梁永久模板的安装示意图，其中，(a)为立体图，(b)为安装后的梁构件的截面图。
39.图7是本发明实施例与直流电源连接的示意图。
40.附图标记包括：
41.1-柱永久模板，2-梁永久模板，3-混杂纤维水泥基材料，4-混杂纤维网格，5-凹槽，
6-导电环氧树脂，7-封装层，8-柱型钢，9-梁型钢，10-垫块，11-扁担撑，12-钢带，13-直流电源；41-玄武岩纤维束，42-碳纤维束。
具体实施方式
42.下面对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明。
43.如图1～图7所示，一种海水海砂型钢骨架混凝土结构，包括混杂纤维增强水泥基材料制成的永久模板、型钢骨架和海水海砂混凝土；所述永久模板位于所述型钢骨架的外侧，所述海水海砂混凝土填充在永久模板、型钢骨架构成的空腔内；所述混杂纤维增强水泥基材料包括内层的混杂纤维水泥基材料3、外层的混杂纤维水泥基材料3和位于中间的混杂纤维网格4，所述混杂纤维网格4为碳纤维束42、受力纤维束纵横间隔分布编织而成的混杂纤维网格4，所述内层的混杂纤维水泥基材料、外层的混杂纤维水泥基材料内含有短切的碳纤维和增强纤维。所述受力纤维束可为玻璃纤维束、玄武岩纤维束、芳纶纤维束等，本实施例为玄武岩纤维束41；水泥基材料中的增强纤维可为pp纤维、pva纤维、pe纤维等，本实施例为pva纤维。
44.具体而言，如图1和图2所示，所述永久模板包括u型的梁永久模板2、空心的柱永久模板1，所述型钢骨架包括相互连接的柱型钢8和梁型钢9，所述柱型钢8位于柱永久模板1的中部，所述梁永久模板2位于梁型钢9的外侧；在所述梁永久模板2和柱永久模板1的连接处，所述梁永久模板2内的纤维网格和柱永久模板1内的纤维网格通过导电胶粘剂连接。所述梁永久模板2、柱永久模板1的内壁设有若干用于增加水泥基材料与混凝土材料界面粘结性能的凹槽5。所述凹槽5阵列分布，所述凹槽5的深度为3-10mm、宽度为5-15mm。进一步优选的，所述凹槽5的深度为5mm、宽度为10mm。
45.所述柱型钢8与柱永久模板1的内壁之间设有水泥基垫块10。所述水泥基垫块10在柱永久模板1四周每隔500mm进行支撑，使柱型钢8定位准确，定位准确后对柱型钢8进行固定。
46.所述柱永久模板1与梁永久模板2的连接处设有开孔，开孔处混杂纤维网格4伸出，所述梁永久模板2的端口处的混杂纤维网格4伸出，在所述柱永久模板1与梁永久模板2的接缝处，两者伸出的混杂纤维网格4通过导电胶粘剂连接成为一体，并采用混杂纤维水泥基材料进行封装形成封装层7。
47.其中，如图3所示，混杂纤维增强水泥基材料内部的纤维网格为连续的碳纤维束42+玄武岩纤维束41的混杂网格，碳纤维束42与玄武岩纤维束41在两个方向均为间隔分布，玄武岩纤维束41作为水泥基复合材料的受力增强材料，碳纤维束42作为水泥基复合材料的辅助阳极材料，两种纤维束独立设计，不考虑碳纤维束42对结构强度的贡献，不考虑由于外加电流对玄武岩纤维束41可能造成的强度劣化，简化了纤维增强网格的设计步骤；水泥基复合材料中包含短切的碳纤维+pva纤维，其中短切碳纤维增加水泥基体的导电性，便于构建外加电流阴极保护系统，短切pva纤维增加水泥基材料的抗拉和抗裂性能，可以避免混凝土浇筑过程中可能导致永久模板开裂的问题，并且在相同性能要求下，混杂纤维水泥基材料可以更加轻质高强；且混杂纤维增强水泥基的柱永久模板1在与梁永久模板2的内壁设置深度为5mm和宽度为10mm的凹槽5，增加水泥基与混凝土材料的界面粘结性能，使得结构的组合性能更良好，共同承受外部施加的荷载。
48.为便于梁柱节点的连接，在梁、柱构件连接处将预制的完整柱永久模板1开孔，开孔时保留洞口边缘的混杂纤维网格4伸出一段，以备下一步拼接工作，如图1所示；同时，梁永久模板2的端口部位也同样伸出一部分混杂纤维网格4，便于模板拼接。梁永久模板2、柱永久模板1在接口处均有混杂纤维网格4伸出，拼接时，在接缝处采用导电环氧树脂6将两者分别伸出的纤维网格进行固化，使两者的混杂纤维网格4连为一体，并采用混杂纤维水泥基材料进行封装。此连接方式不但可以保持通电电流密度一致，而且所有纤维网格连为一个整体，便于外加电流阴极保护系统的构建。
49.结构内部柱型钢8和梁型钢9采用普通钢结构连接方式进行连接，形成可受力的型钢骨架。梁永久模板2、柱永久模板1通过悬挂、支撑等方式连接于型钢骨架上，可以避免设置外部临时支撑。型钢与永久模板搭建完成后，浇筑海水海砂混凝土，浇筑过程中应充分振捣，但振动棒不可接触永久模板，避免振动棒的直接振动导致永久模板开裂。浇筑完成后，浇水充分养护，无须拆卸模板即完成结构成型，提高了建筑结构的施工效率。
50.养护28天后，根据用钢量大小，设计构件的通电电流大小。采用稳定直流电源13，控制电路中的电流大小，将构件型钢部分与电源阴极连接，将碳纤维束42与电源阳极连接，连接完成后检查设备是否正常运行，通过腐蚀电流密度判断内部型钢是否得到保护，系统正常运行后，对设备及线路采取防水、防潮、防晒等保护措施，完成外加电流阴极保护系统的构建。
51.具体的制备步骤如下：
52.(1)采用现有技术制作混杂纤维增强水泥基梁永久模板2、柱永久模板1，待模板养护完成后，在梁、柱连接处的柱永久模板1上进行开孔。在开孔时，保留洞口周围的混杂纤维网格4，以备与梁永久模板2的混杂纤维网格4进行连接，如图1和图2所示。
53.(2)安装柱永久模板1，安装完成后，将柱型钢8放置于柱永久模板1的内部，采用水泥基垫块10在柱型钢8的四周每隔500mm进行支撑，使柱型钢8定位准确，定位准确后对柱型钢8进行固定，如图4所示，保证柱型钢8与柱永久模板1的相对位置准确无误，得到柱构件。其中水泥基垫块10高度为型钢混凝土的保护层厚度。
54.(3)然后将梁型钢9与柱型钢8进行焊接或螺栓连接，如图5所示，稳定连接后，采用扁担撑11、水泥基垫块10和钢带12将梁永久模板2固定连接于型钢梁上，如图6所示，可避免设置外部临时支撑，需要注意的是，扁担撑11和钢带12采用焊接或者螺栓连接，水泥基垫块10高度为型钢保护层厚度，得到梁构件。
55.(4)在梁永久模板2、柱永久模板1的连接处，采用导电环氧树脂6将两者内部的混杂纤维网格4连接在一起，并采用混杂纤维水泥基材料进行封装，可以防止出现接缝处漏浆的现象；
56.(5)完成模板与内部型钢搭建后，先后浇筑柱构件与梁构件的海水海砂混凝土，浇筑过程中应充分振捣，振捣时振动棒不可接触梁永久模板2、柱永久模板1，防止梁构件、柱构件的永久模板开裂。混凝土浇筑完成后，充分养护，保证水泥基界面与混凝土界面之间具备良好的粘结性能；
57.(6)根据用钢量大小，设计构件的通电电流大小。采用直流电源13，稳定控制电路中的电流大小，将柱型钢8部分与电源阴极连接，将柱永久模板1中的碳纤维束42与电源阳极连接，如图7所示，连接完成后检查设备是否正常运行，通过腐蚀电流密度判断内部型钢
是否得到保护，系统正常运行后，对设备及线路采取防水、防潮、防晒等保护措施，完成外加电流阴极保护系统的构建。
58.进一步的，柱永久模板可为方形、圆形或多边形，本实施例仅对方形模板进行介绍。
59.本实施例中混杂纤维增强水泥基复合材料由连续的碳纤维束+玄武岩纤维束的混杂纤维网格和短切的碳纤维+pva纤维的混杂纤维水泥基材料组成，既可以作为延长结构耐久性的外加电流阴极保护系统的阳极材料，也可以作为提高结构抗震性能的增强材料。此外，混杂纤维增强水泥基复合材料被预制为永久模板，施工时，将内部型钢固定后，再将永久模板固定悬挂于型钢上，然后浇筑海水海砂混凝土。此结构可以节约模板消耗，且无须设置临时支撑，大幅加快施工进度，缩短建设工期，提高建筑结构施工效率。同时，型钢混凝土结构的刚度和承载力显著高于相同尺寸的钢筋混凝土结构，因而可以减小构件截面尺寸，增加使用空间，且其延性性能明显优于钢筋混凝土结构，具有良好的抗震性能。结构建造完成后，将内部型钢与外部混杂纤维增强水泥基材料构成外加电流阴极保护系统，接通电流，从使用初期即可发挥提高结构耐久性的作用，增加结构的全寿命使用周期。
60.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种海水海砂型钢骨架混凝土结构，其特征在于：包括混杂纤维增强水泥基材料制成的永久模板、型钢骨架和海水海砂混凝土；所述永久模板位于所述型钢骨架的外侧，所述海水海砂混凝土填充在永久模板、型钢骨架构成的空腔内；所述混杂纤维增强水泥基材料包括内层的混杂纤维水泥基材料层、外层的混杂纤维水泥基材料层和位于中间的混杂纤维网格，所述混杂纤维网格为碳纤维束、受力纤维束纵横间隔分布编织而成，所述内层的混杂纤维水泥基材料层、外层的混杂纤维水泥基材料层内含有短切的碳纤维和增强纤维；相邻的永久模板之间的接缝处，两者的纤维网格之间通过导电胶粘剂连接，所述接缝处的表面设有混杂纤维水泥基材料封装层。2.根据权利要求1所述的海水海砂型钢骨架混凝土结构，其特征在于：所述永久模板的内壁设有若干用于增加水泥基材料与混凝土材料界面粘结性能的凹槽。3.根据权利要求2所述的海水海砂型钢骨架混凝土结构，其特征在于：所述凹槽阵列分布，所述凹槽的深度为3-10mm、宽度为5-15mm。4.根据权利要求1所述的海水海砂型钢骨架混凝土结构，其特征在于：所述受力纤维束为玻璃纤维束、玄武岩纤维束、芳纶纤维束中的至少一种，所述增强纤维为pp纤维、pva纤维、pe纤维中的至少一种。5.根据权利要求4所述的海水海砂型钢骨架混凝土结构，其特征在于：所述永久模板包括u型的梁永久模板、空心的柱永久模板，所述型钢骨架包括相互连接的柱型钢和梁型钢，所述柱型钢位于柱永久模板的中部，所述梁永久模板位于梁型钢的外侧；在所述梁永久模板和柱永久模板的连接处，所述梁永久模板内的纤维网格和柱永久模板内的纤维网格通过导电胶粘剂连接。6.根据权利要求5所述的海水海砂型钢骨架混凝土结构，其特征在于：所述柱永久模板与梁永久模板的连接处设有开孔，开孔处混杂纤维网格伸出，所述梁永久模板的端口处的混杂纤维网格伸出，在所述柱永久模板与梁永久模板的接缝处，两者伸出的混杂纤维网格通过导电胶粘剂连接成为一体，并采用混杂纤维水泥基材料封装。7.根据权利要求6所述的海水海砂型钢骨架混凝土结构，其特征在于：所述型钢骨架与永久模板的内壁之间设有垫块。8.根据权利要求6所述的海水海砂型钢骨架混凝土结构，其特征在于：所述胶粘剂为导电环氧树脂。9.如权利要求6～8任意一项所述的海水海砂型钢骨架混凝土结构的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤s1，分别制作柱永久模板和梁永久模板；所述柱永久模板上设有与梁永久模板截面尺寸一致的开孔，开孔处混杂纤维网格伸出；所述梁永久模板的端口处混杂纤维网格伸出；步骤s2，将柱型钢放置于模板内部，采用垫块在柱型钢的四周进行支撑，使型钢定位准确，定位准确后对型钢柱进行固定；步骤s3，将型钢梁与型钢柱进行焊接或螺栓连接，然后将梁永久模板固定连接于型钢梁上；
步骤s4，在所述梁永久模板与所述柱永久模板的连接处，采用导电胶粘剂将开孔处的梁永久模板与所述柱永久模板伸出的混杂纤维网格进行粘结，并在拼接处的外侧采用混杂纤维水泥基材料进行封装；步骤s5，先后浇筑柱构件与梁构件的海水海砂混凝土，然后养护；步骤s6，将柱型钢与直流电源的阴极连接，将柱永久模板的碳纤维束与直流电源的阳极连接。10.根据权利要求9所述的海水海砂型钢骨架混凝土结构的制备方法，其特征在于：步骤s3中，采用扁担撑和钢带将梁永久模板固定连接于梁型钢上，并将垫块设于扁担撑与梁型钢之间。

技术总结
本发明提供了一种海水海砂型钢骨架混凝土结构及其制备方法，该结构包括混杂纤维增强水泥基材料制成的永久模板、型钢骨架和海水海砂混凝土；所述永久模板位于所述型钢骨架的外侧，海水海砂混凝土填充在永久模板、型钢骨架构成的空腔内；混杂纤维增强水泥基材料包括位于内层、外层的混杂纤维水泥基材料层和位于中间的混杂纤维网格，混杂纤维网格为碳纤维束、受力纤维束纵横间隔分布编织而成，所述内层、外层的混杂纤维水泥基材料层内含有短切的碳纤维和增强纤维；相邻的永久模板之间的接缝处，两者的纤维网格之间通过导电胶粘剂连接。采用本发明的技术方案，同步提升了型钢混凝土结构的耐久性和抗震性，降低了建设费用，提高了结构的施工效率。了结构的施工效率。了结构的施工效率。


技术研发人员：冯然 侯林兵 朱继华 邢锋 许颖
受保护的技术使用者：深圳大学
技术研发日：2023.04.28
技术公布日：2023/8/13