一种以海水与非金材料为主材的岛礁工程建筑结构技术的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于建筑业技术领域,涉及一种以海水与非金材料为主材的岛礁工程建筑 结构技术。
【背景技术】
[0002] 目前我国正在大力开发南海建设,各岛礁处于填海扩大、亟待建设的关键发展时 期。而海洋岛礁的特殊环境,使得普通混凝土在岛礁建设中面临着诸多问题,较为突出的 有:一、海洋环境下对钢筋混凝土中钢筋的腐蚀,使得建筑物使用寿命大大减小。二、普通混 凝土制备过程中需要大量的石子,远海运输大量石子会大大增加建造成本,同时延长建设 周期。三、钢筋混凝土中的钢筋需要在施工现场进行制作,消耗大量人力物力。上述问题制 约了我国南海地区重要战略地位的发挥,延缓了南海地区的发展。
[0003] 在海洋岛礁地区广泛使用的以海水为粗集料的混凝土(海水集料混凝土出自程 华"吸水树脂混凝土的制备及方法",专利号为201210345029. 4的一种新型材料),由于其 弹性模量低,受力后变形过大,且制备材料为海水,无法与钢筋配合使用,导致目前该材料 无法应用于建筑物中。本发明将海水集料混凝土与非金材料相结合,利用非金材料良好的 耐久性及力学性能,弥补海水集料混凝土变形过大的缺陷。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种以海水与非金材料为主材的岛礁工程建筑结构技术, 解决了现有海岛建设中钢筋混凝土结构的构件易被腐蚀,造价成本高,使用年限低,安全性 低的问题。
[0005] 本发明所采用的技术方案是由梁、板、柱三部分结构构件组成;
[0006] 梁的组成包括非金筋材、海水集料混凝土和纤维网格,其中纤维网格和非金筋材 与海水集料混凝土混在一起,非金筋材为CFRP、BFRP、GFRP纤维材料;
[0007] 板由复合纤维筋材或FRP型材和海水集料混凝土结合,其中复合纤维筋材由碳纤 维及玻璃纤维组成,两者用量比例为1 : 9,碳纤维缠绕角度为45°,宽度为1倍筋材直径, 缠绕间距为0. 4倍筋材直径;
[0008] 柱模内放置FRP筋材作为竖向纤维筋,形成柱体骨架,在FRP筋材骨架外围放置 FRP纤维网,以增强柱体稳定性和承载力。
[0009] 进一步,所述纤维网格宽度为梁截面尺寸的3/4为宜,布置位置为梁高1/5处,网 格孔洞大小3~5cm,网格直径为2mm〇
[0010] 进一步,所述梁的制备方法为首先将非金筋材至于模具当中,按照要求留置保护 层厚度30cm的空间,随后浇入海水集料混凝土至指定高度,立即放入纤维网格,随后立即 继续浇筑混凝土,整个过程无需振捣,3天后待其产生强度,7天后拆除模具。
[0011] 本发明的有益效果是无需淡水资源,海洋岛礁工程可以就地取材。结构中不使用 钢筋,同时非金纤维材料具有优良的耐久性能,可以满足建筑物长期使用的安全要求。
【附图说明】
[0012] 图1为梁构件的结构;
[0013]图2为复合纤维筋材的板构件结构;
[0014] 图3是柱构件的结构;
[0015] 图4是梁构件抗压测试结果示意图。
【具体实施方式】
[0016] 下面结合【具体实施方式】对本发明进行详细说明。
[0017] 本发明将非金材料与海水集料混凝土结合,形成了适用于岛礁工程建设的非金材 料海水集料混凝土结构体系。结构体系由梁、板、柱三部分结构构件组成。
[0018] 1.如图1所示为梁构建的结构。梁1属于非金材料海水集料混凝土结构中重要的 受弯构件。梁1的组成包括非金筋材2、非金的纤维网格3和海水集料混凝土 4。非金筋材 2和纤维网格3可选用CFRP、BFRP、GFRP等力学性能优良的纤维材料制成。对于使用在梁1 内的纤维网格3而言,宽度为梁1截面尺寸的3/4为宜,布置位置为梁1高1/5处,网格孔 洞大小3~5cm,网格直径为2mm,其与海水集料混凝土 4结合的方式如图1所示。梁1的 制备方法为首先将非金筋材2至于模具当中,按照要求留置保护层厚度30cm的空间,随后 浇入海水集料混凝土 4至指定高度,立即放入纤维网格3,随后立即继续浇筑混凝土,整个 过程无需振捣,3d(天)后待其产生强度,7d后方可拆除模具。
[0019] 2.板属于非金材料和海水集料混凝土受弯构件,但其设计方法和形式并没有钢筋 混凝土楼板那么多种类型。具体楼板类型有如下两种:
[0020] (1)非金材料为复合纤维筋材。如图2所示,由于板构件受剪切力较大,因此需要 对纤维筋材进行剪切强度上的加固,因此研制了新型的FRP筋材-复合纤维筋材,其由碳纤 维5及玻璃纤维6组成,两者用量比例为1 : 9。碳纤维5缠绕角度为45°,宽度为1倍筋 材直径,缠绕间距为0. 4倍筋材直径。制成的复合纤维筋材极限抗拉强度为1400MPa,弹性 模量为l〇〇GPa,垂直剪切强度30MPa(成本比CFRP筋低,剪切性能比GFRP、BFRP筋材均高)。
[0021] 其与海水集料混凝土结合方式为在楼板模具中放置事先制作好的复合纤维筋,按 照双层双向布置,具体间距及筋材直径参见国家规范要求。随后制备海水集料混凝土,按照 C30强度制备,完成后浇入模具当中,无需振捣。
[0022] (2)非金材料为FRP型材。将型材置于楼板模版中,按照海水集料混凝土保护层厚 度为50mm~70mm放置,随后饶筑海水集料混凝土,养护28d后形成非金型材海水集料混凝 土楼板,板内无需配置筋材,楼板厚度范围为200cm~300cm。基本可以满足岛礁工程简易 构筑物的使用要求。海水集料混凝土楼板与FRP型材结合方法较现有的钢筋混凝土技术更 加灵活。但是,采用FRP型材与海水集料混凝土结合组成楼板具有特殊的要求,因为型材只 能单向布置,要求楼板为单向板,无法使用双向板。
[0023] 3.柱属于非金材料海水集料混凝土结构中唯一的受压构件,由于非金材料海水集 料混凝土结构体系在受压时,与钢筋混凝土具有相同的力学规律,即混凝土发挥主要承压 作用。但由于海水集料混凝土弹性模量低及其内部特殊的孔洞结构,使得常规的布筋方式 无法满足柱构件承载力要求。非金材料海水集料混凝土柱
主要利用的非金材料为纤维网和 纤维筋。利用纤维网对柱身包裹,可以提高海水集料混凝土柱的稳定性,增加承压能力。具 体方法如图3所示:柱模内放置FRP筋材作为竖向纤维筋7,形成柱体骨架(此处与钢筋混 凝土柱构造相同),在FRP筋材骨架外围放置FRP纤维网8,以增强柱体稳定性和承载力,竖 向纤维筋7之间用匝筋9牢固。柱体内纵向FRP筋材配筋面积的计算方法与钢筋混凝土相 同,而外围FRP网格根据柱体尺寸可通体布置,也可选择柱体受力较大的位置布置网格。
[0024] 本发明利用非金筋材与海水集料混凝土制成了梁构件,其中筋材均使用非金筋材 中性能优良的BFRP筋材,极限抗拉强度1300MPa,弹性模量50GPa,匝筋等均在生产时制备 好,避免了在现场人工加工。海水集料混凝土为立方体标准抗压强度30Mpa,通过500kn液 压伺服试验机的弯曲加载,得到数据如图4所示。其中初始裂缝出现时,荷载为76kN,随后 裂缝逐渐发展,裂缝条数增加,当加载至149kN时,主筋进入屈服阶段。随着跨中挠度的急 剧增长,在荷载达到196kN时,跨中挠度达到101mm,且梁破坏。通过数据显示,非金材料海 水集料混凝土梁具备良好的承压性能。从破坏形态看,受压区的海水集料混凝土被压碎,符 合受弯构件正常使用极限状态下的破坏形态。
[0025] 本发明利用非金型材与海水集料混凝土制成板构件。根据实际使用要求,设计了 3块250cmX100cm,厚度为200mm的非金型材海水集料混凝土楼板。非金型材界面尺寸为 100mmX80mm,壁厚10mm,型材间距100mm,该截面尺寸型材的极限抗拉强度为2100Mpa,弹 性模量58Gpa。通过500kN的液压伺服试验进行加载,所得试验结果如下表1所示:
[0026]表1
[0027]
[0028] 根据试验结果显示,非金型材海水集料混凝土具有较高的稳定性,跨中挠度符合 国家规范要求。
[0029] 按照本发明制成的非金材料海水集料混凝土柱试件。选用的BFRP筋材,1300MPa, 弹性模量50GPa及BFRP网格,极限抗拉强度llOOMpa,弹性模量46Gpa。海水集料混凝土强 度为30Mpa。制作直径300mm,高度750mm的短柱6根,柱内配置纵向受力BFRP筋材4根, 箍筋间距150mm,网格孔洞大小30mm,沿柱体通体布置。利用500kN液压伺服试验万能试验 机进行试验。测得轴心受压抗压强度为42. 76Mpa,符合安全性,稳定性的要求。
[0030] 本发明的优点还在于:
[0031] 1.本发明无需淡水资源,对于海洋岛礁工程来说可以就地取材,节约能源,节约成 本,缩短了施工周期。
[0032] 2.本发明无粗集料。此优点是本结构类型与普通钢筋混凝土结构所不具备的,无 粗集料使得本结构类型在原材料运输上节约了建造成本,并保护了生态环境。
[0033] 3.本发明采用纤维材料,主要发挥其在结构体系中的力学作用。由于纤维材料具 有高强度、高耐久性等优点,其在结构体系中是结构所受荷载的主要承担者。同时,非金材 料在生产制备时可以根据设计要求变化形状,使其有多种形态,如网格、型材、筋材等,非金 材料的使用扩大了海水集料混凝土的使用范围,弥补了海水集料混凝土变形过大的缺陷。
[0034] 4.本发明使用的两种主要材料都有很高的耐久性,有非金材料海水集料混凝土 结构构件组成的建筑结构在承载力、耐久性方面具备与普通钢筋混凝土结构相同的力学性 能,可以满足建筑物长期使用下的安全性、耐久性。
[0035] 以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已,并非对本发明作任何形式上的限 制,凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改,等同变化与修饰,均 属于本发明技术方案的范围内。
【主权项】
1. 一种以海水与非金材料为主材的岛礁工程建筑结构技术,其特征在于:由梁、板、柱 三部分结构构件组成; 梁的组成包括非金筋材、海水集料混凝土和纤维网格,其中纤维网格和非金筋材与海 水集料混凝土混在一起,非金筋材为CFRP、BFRP、GFRP纤维材料; 板由复合纤维筋材或FRP型材和海水集料混凝土结合,其中复合纤维筋材由碳纤维及 玻璃纤维组成,两者用量比例为1 : 9,碳纤维缠绕角度为45°,宽度为1倍筋材直径,缠绕 间距为0. 4倍筋材直径; 柱模内放置FRP筋材作为竖向纤维筋,形成柱体骨架,在FRP筋材骨架外围放置FRP纤 维网,以增强柱体稳定性和承载力。2. 按照权利要求1所述一种以海水与非金材料为主材的岛礁工程建筑结构技术,其特 征在于:所述纤维网格宽度为梁截面尺寸的3/4为宜,布置位置为梁高1/5处,网格孔洞大 小3~5cm,网格直径为2_。3. 按照权利要求1所述一种以海水与非金材料为主材的岛礁工程建筑结构技术,其 特征在于:所述梁的制备方法为首先将非金筋材至于模具当中,按照要求留置保护层厚度 30cm的空间,随后浇入海水集料混凝土至指定高度,立即放入纤维网格,随后立即继续浇筑 混凝土,整个过程无需振捣,3天后待其产生强度,7天后拆除模具。
【专利摘要】本发明公开了以海水与非金材料为主材的岛礁工程建筑结构技术,梁的组成包括非金筋材、海水集料混凝土和纤维网格,非金筋材为CFRP、BFRP、GFRP纤维材料;板由复合纤维筋材或FRP型材和海水集料混凝土结合,其中复合纤维筋材由碳纤维及玻璃纤维组成,两者用量比例为1∶9,碳纤维缠绕角度为45°,宽度为1倍筋材直径,缠绕间距为0.4倍筋材直径;柱模内放置FRP筋材作为竖向纤维筋,形成柱体骨架,在FRP筋材骨架外围放置FRP纤维网,以增强柱体稳定性和承载力。本发明的有益效果是无需淡水资源,结构中不使用钢筋,同时非金纤维材料具有优良的耐久性能,可以满足建筑物长期使用的安全要求。
【IPC分类】E02B1/00, E04C2/26, E04C3/29, E04C3/36
【公开号】CN104895240
【申请号】CN201510263780
【发明人】程华, 朱国华, 周凌, 曹梓煜
【申请人】程华
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年5月22日