一种内贴cfrp的铝合金复合海水混凝土柱
阅读说明：本技术 一种内贴cfrp的铝合金复合海水混凝土柱 (Aluminum alloy composite seawater concrete column internally pasted with CFRP ) 是由 陈宗平 徐炜圣 庞云升 覃伟恒 周济 于 2021-08-10 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种内贴CFRP的铝合金复合海水混凝土柱,属于海洋建筑工程结构技术领域。本发明的内贴CFRP的铝合金复合海水混凝土柱由海水混凝土、铝合金管以及CFRP布组成；所述CFRP布粘贴于铝合金管内壁形成CFRP-铝合金复合管,所述海水混凝土填充于CFRP-铝合金复合管内。本发明的复合柱利用铝合金管和CFRP作为外部结构,通过对内部混凝土的约束作用,可显著提高复合柱结构的耐腐蚀性能、承载力、抗震能力等使用性能。(The invention discloses an aluminum alloy composite seawater concrete column internally adhered with CFRP, belonging to the technical field of ocean building engineering structures. The aluminum alloy composite seawater concrete column internally adhered with the CFRP is composed of seawater concrete, an aluminum alloy pipe and CFRP cloth; the CFRP cloth is adhered to the inner wall of the aluminum alloy pipe to form a CFRP-aluminum alloy composite pipe, and the seawater concrete is filled in the CFRP-aluminum alloy composite pipe. The composite column provided by the invention uses the aluminum alloy pipe and the CFRP as external structures, and can remarkably improve the service performances of the composite column structure, such as corrosion resistance, bearing capacity, shock resistance and the like, through the constraint effect on internal concrete.)
技术领域
本发明涉及海洋建筑工程结构技术领域，具体涉及一种内贴CFRP的铝合金复合海水混凝土柱。
背景技术
目前钢管混凝土这类组合结构由于其良好的力学和抗震性能在土木工程中已被广泛应用，但由于钢管易受腐蚀，导致其在后期维护花费的成本较大，故在海水等环境下使用钢管混凝土存在局限性。近年来，采用碳纤维复材(CFRP)提高钢结构的可靠性越来越受到研究者的关注。在现有研究中，主要是利用CFRP材料的高弹模和优异的抗拉强度性来改善钢构件的屈曲和屈曲后性能。但大部分研究都是对CFRP加固普通钢结构的研究，也有学者利用CFRP材料的耐腐蚀性和高强度来增强钢管，期望可以起到防止锈蚀和提高承载力的作用。目前采用CFRP增强的方式来提高结构力学性能均为外部粘贴CFRP。但外部粘贴的CFRP只受结构表面传来的力，还易受工艺误差影响而更早断裂失效，不能完全发挥其优势。
申请号为CN202020702475.6的中国专利于2021年1月1日公开了一种加强复合型铝合金管结构，包括铝管层和PE塑料内层，但其PE塑料内层由多层材料复合套接而成，工序比较复杂；申请号为CN202020295440.5的中国专利于2021年1月22日公开了一种铝合金用耐腐蚀复合结构，是采用内环钢管外端连接铝合金管，需要开槽和嵌入两层隔离层。以上公开的现有技术均存在工艺较复杂，制作成本高的问题。
随着我国沿海城市的飞速发展和众多大型建设项目的启动，砂矿作为重要的建筑原料，需求量直线上升，每年消耗建筑用砂超过2.6亿吨(约为1.3亿立方米)，而内陆的河砂资源的枯竭和限采，导致供砂远不能满足市场建筑用砂的需求，供需矛盾越来越激烈。而我国有着漫长的海岸线和广阔的浅海，蕴藏着丰富海砂资源。如果能用海砂充当建筑用细骨料代替河砂，就能有效缓解河砂及土地资源的短缺问题，同时节约大量的工程建设成本。虽然海砂储量丰富，在物理特性上也与河砂很相似，但由于长年浸泡在海水中导致未经处理的海砂其本身的氯盐及硫酸盐含量会比其他的砂石高，故将海水海砂混凝土应用到钢管混凝土结构中所面临的难点之一就是钢管的腐蚀问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决以上现有技术存在的问题，提供一种内贴CFRP的铝合金复合海水混凝土柱，本发明的组合柱材料易得，制作方法简单，成本低，能有效地提高混凝土柱的力学性能和耐用性。
为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种内贴CFRP的铝合金复合海水混凝土柱，由海水混凝土、铝合金管以及CFRP布组成；所述CFRP布粘贴于铝合金管内壁形成CFRP-铝合金复合管，所述海水混凝土填充于CFRP-铝合金复合管内。
进一步的，所述海水混凝土的组分配比如下：水泥480-490kg/m3，砂530-540kg/m3，石1200-1400kg/m3，海水190-210kg/m3；将以上各组分搅拌混合均匀后制得海水混凝土。
进一步的，所述砂为海砂，具体为细度模数2.71的中砂；所述石为粒径5～31mm的碎石。
进一步的，所述CFRP布是由单向连续碳纤维编织而成，具有强度高，密度小，厚度薄等特点，且基本不增加构件自重及截面尺寸。
本发明还提供所述的一种内贴CFRP的铝合金复合海水混凝土柱的制作方法，包括如下步骤：
(1)根据铝合金管的内径计算内壁面积，设计横向、纵向搭接长度后，将CFRP布裁剪成能缠绕铝合金管内壁一周的尺寸，或者将裁好的若干段CFRP布拼贴成完整且能缠绕铝合金管内壁一周的CFRP布；
(2)用酒精对铝合金管的内壁进行擦拭清洁，清除灰尘以及附着的杂质，保持铝合金管内壁洁净，不影响后续过程中结构胶的粘结性能，保证CFRP粘贴更牢固；
(3)在铝合金管内壁及CFRP布的两面均匀涂上结构胶，并将CFRP布缠绕至一根直径小于铝合金管直径的钢管上；
(4)将缠有CFRP布的钢管放入铝合金管内，将CFRP布与铝合金管两端对齐固定，同时在钢管后方放置一根钢筋，缓慢转动钢筋使其带动钢管向前滚动同时让CFRP布从钢管上脱离而粘贴至铝合金管内壁，CFRP布粘贴完毕，再次滚动钢筋绕铝合金管内壁一周以排出气泡，保证CFRP布与内壁贴合紧密，得到CFRP-铝合金复合管；
(5)待结构胶凝固后，将海水混凝土注入CFRP-铝合金复合管内，养护后，得到内贴CFRP的铝合金复合海水混凝土柱。
进一步的，所述结构胶为碳纤维浸渍胶。
经本发明研究发现，与碳钢相比，铝合金具有如下优势：(1)外观优美，碳钢受腐蚀后表面有棕红色的明显锈迹，而铝合金为灰白色的外观，且铝合金在空气中会生成Al2O3·3H2O氧化膜来阻隔大气腐蚀，不会对外观颜色造成影响；(2)质量轻，相同体积下铝合金重量远轻于碳钢，在实际工程中可以显著减少结构自重；(3)材料回收利用率高等优点。但目前实际工程中对于铝合金管混凝土的使用比较少，主要是因铝合金的弹性模量约为普通碳钢的三分之一，故铝合金管的强度和延性都比钢管稍差。
本发明采用CFRP布增强铝合金圆管混凝土柱内壁，一方面可以弥补铝合金弹性模量较低的问题，增强对核心混凝土的约束，且由于CFRP受到混凝土和管壁的挤压，撕裂后剩余部分并未完全失效，可以更好发挥CFRP增强的功效，和铝合金管的协同作用也得到提高；另一方面利用CFRP布的高强度提高其承载能力，同时不影响铝合金管的外观，还可以提高在海水环境中铝合金结构的耐用性，在海洋工程、大跨结构、桥梁等领域有极佳应用前景。
本发明至少包括以下有益效果：
1、本发明采用的CFRP布是经碳纤维丝编制成型的，具有质量轻，抗拉强度高，耐腐蚀性强、耐久性好的优点；同以往的增强方法相比，本发明采用内贴CFRP的铝合金管，结合CFRP的优点，结构更简单，工序也更加简化，铝合金管的整体外观不会有改变。
2、本发明的内贴CFRP铝合金复合海水混凝土柱结构，利用铝合金管和CFRP作为外部结构，通过对内部混凝土的约束作用，显著提高复合柱结构的以下使用性能：提高结构的耐腐蚀性能；提高结构的承载力；增强结构延性等抗震能力；提高结构对核心混凝土的约束。本发明的内贴CFRP铝合金复合海水混凝土柱结构综合了两种材料的优点，有效的增强结构力学性能和防止其老化等问题。
3、本发明的内贴CFRP铝合金复合海水混凝土柱不仅可以减少浇筑过程中淡水和内陆河砂的使用，以CFRP隔绝部分化学物质对铝合金管的腐蚀，同时能保证铝合金外部保持美观的情况下，提高其承载能力，利用铝合金本身的耐腐蚀性更好地运用于海洋工程中，且比起相同尺寸的钢管混凝土其结构自重显著减少，对实际工程应用有积极意义。
4、本发明采用的海水混凝土以碎石、海砂分别作为混凝土粗、细集料，以海水作为拌养用水，均可就地取材，降低生产运输的时间和经济成本；同时本发明的CFRP-铝合金复合管能够很好的解决海水海砂等出现的腐蚀问题。
附图说明
图1为本发明的一种内贴CFRP的铝合金复合海水混凝土柱的结构示意图；
图2为本发明中的铝合金管内壁粘贴CFRP布的施工工艺图；
图3为本发明的内贴CFRP的铝合金复合海水混凝土柱试件的剖开图。
具体实施方式
下面结合附图及具体的实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
一种内贴CFRP的铝合金复合海水混凝土柱，如图1所示，由海水混凝土、铝合金管以及CFRP布组成；所述CFRP布粘贴于铝合金管内壁形成CFRP-铝合金复合管，所述海水混凝土填充于CFRP-铝合金复合管内。
本实施例的海水混凝土的组分配比如下：水泥强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥487kg/m3，砂533kg/m3，石1245kg/m3，海水201kg/m3；所述砂为海砂，具体为细度模数2.71的中砂；所述石为粒径5～31mm的碎石；将以上各组分搅拌混合均匀后制得海水混凝土，所述海水混凝土强度等级为C40。
本实施例的铝合金圆管的高度为600mm，直径为150mm，壁厚为3mm。
本实施例的CFRP布是由单向连续碳纤维编织而成的碳纤维布，所述碳纤维布抗拉强度为3667.5MPa，弹性模量为240GPa；所述CFRP布规格为宽度300mm，将其裁剪拼接为规格520mm×600mm。
所述的内贴CFRP的铝合金复合海水混凝土柱的制作方法，包括如下步骤：
(1)根据铝合金管的内径计算内壁面积，再按照《GB50608-2020纤维增强复合材料工程应用技术标准》设计横向、纵向搭接长度后，将裁好的几段CFRP布拼贴成完整且能缠绕铝合金管内壁一周的CFRP布；
(2)用酒精对铝合金管的内壁进行擦拭清洁，清除灰尘以及附着的杂质，保持铝合金管内壁洁净，保证CFRP粘贴更牢固；
(3)在铝合金管内壁及CFRP布的两面均匀涂上结构胶，并将CFRP布缠绕至一根直径小于铝合金管内径的钢管上，所述钢管的直径约为铝合金管内径的1/5；所述结构胶为碳纤维浸渍胶HM-180C3P，具体是由碳纤维浸渍胶HM-180C3P的A胶与B胶以质量比为2：1混合而成。
(4)如图2所示，将缠有CFRP布的钢管放入铝合金管内，将CFRP布与铝合金管两端对齐固定，同时在钢管后方放置一根钢筋，缓慢转动钢筋使其带动钢管向前滚动同时让CFRP布从钢管上脱离而粘贴至铝合金管内壁，CFRP布粘贴完毕，再次滚动钢筋绕铝合金管内壁一周以排出气泡，保证CFRP布与内壁贴合紧密，得到CFRP-铝合金复合管；
(5)待结构胶凝固后，将海水混凝土注入CFRP-铝合金复合管内，养护28天后，得到内贴CFRP的铝合金复合海水混凝土柱。
实施例2
本实施例的内贴CFRP的铝合金复合海水混凝土柱的制作方法与实施例1相同，其中的海水混凝土的组分配比如下：水泥强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥480kg/m3，砂530kg/m3，石1200kg/m3，海水190kg/m3。所述砂为海砂，具体为细度模数2.71的中砂；所述石为粒径5～31mm的碎石；将以上各组分搅拌混合均匀后制得海水混凝土。
实施例3
本实施例的内贴CFRP的铝合金复合海水混凝土柱的制作方法与实施例1相同，其中的海水混凝土的组分配比如下：水泥强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥490kg/m3，砂540kg/m3，石1400kg/m3，海水210kg/m3。所述砂为海砂，具体为细度模数2.71的中砂；所述石为粒径5～31mm的碎石；将以上各组分搅拌混合均匀后制得海水混凝土。
效果验证
为了进一步说明本发明的内贴CFRP的铝合金复合海水混凝土柱具有高承载力等力学性能特点，将实施例1制得的内贴CFRP的铝合金复合海水混凝土柱试件进行轴压试验，轴压试验参考GB50936-2014《钢管混凝土结构技术规范》进行；同时设置其他试验组(在实施例1的基础上改变粘贴CFRP布的层数)，每试验组做三批试件，取平均值，并记录数据如表1所示：
表1
注：表1中的试件的混凝土强度为C40，高度H为600mm，外径D为150mm，壁厚t为3mm；表1中的试件编号说明：CFAT为铝合金管混凝土，后接两个序号，第一个序号为铝合金管内壁粘贴CFRP布层数，第第个序号为铝合金管外壁粘贴CFRP布层数；例如CFAT10(实施例1)，其中的-1-0为内壁粘贴1层CFRP布，外壁粘贴0层CFRP布。
根据表1可知，与CFAT00相比，增加CFRP布层数相同的情况下，CFAT01和CFAT10对承载力的提升分别为18％和23.4％，CFAT02和CFAT11的提升分别为28.7％和35.7％；同时CFAT10的轴压承载力比CFAT01的高4.5％，CFAT11的轴压承载力比CFAT02高5.5％。可以看出，铝合金管的内壁粘贴CFRP布比外壁粘贴CFRP布的承载力提升效果更明显。
由于铝合金的弹性模量仅为普通碳钢的1/3，相同规格铝合金的承载力理论上应仅为碳钢的67％左右。经试验，规格为400×131×3.5mm(高×直径×壁厚)无CFRP布的圆钢管混凝土轴压承载力为1293kN，外贴1层CFRP布的圆钢管混凝土轴压承载力为1348kN，为统一尺寸变量将其换算为极限应力为95.9MPa和100.1MPa；本发明中CFAT00的极限应力为68.2MPa，仅为无CFRP布钢管混凝土的70％，而CFAT10的极限应力达89.0MPa，在本身铝合金管重量明显小于钢管的情况下，仅在铝合金管的内壁增加一层CFRP布便可让构件极限应力达到钢管混凝土的92.8％，提升效果十分显著。
本发明还对试件做了耐海水腐蚀测试，具体操作如下：采用长宽高为143cm×91cm×37cm的塑料储水盆装入20cm高的海水，将5个试件完全浸泡在其中，180天后取出，进行轴压试验，得到数据如下表2所示，轴压承载力下降幅度为3％到7％。
表2
由表2数据对比可知，未贴CFRP布的试件受腐蚀影响最严重，而贴有同样层数的CFRP试件中，CFAT10外部没有CFRP布阻隔外界的海水，与CFAT01相比，其与海水接触的面积更大，受海水中离子电化学腐蚀情况略比CFAT01明显。但本身铝合金有很好的抗大气腐蚀能力，表面腐蚀程度也比钢管轻微许多。且由于内贴CFRP对其轴压承载力的增强，在受到腐蚀后承载力的下降幅度仍略低于CFAT01。而CFAT11内外均有CFRP布，承载力下降幅度和防腐蚀效果均为这些试件中的最佳，但由于CFRP布本身成本较高，在结构力学性能满足一般设计要求的情况下应减少CFRP布的用量。
本发明在做耐海水腐蚀测试时还设置了对照组，对照组是在实施例1的基础上，将铝合金管更换为钢管加工得到的混凝土柱，所述钢管的强度为Q345；最终对照组的轴压承载力下降率为8.8％。
可知，相对于高强钢管，本发明选择使用铝合金管，不仅重量轻，运输及加工方便，可显著降低成本，而且耐腐蚀性能更好，可有效延长混凝土柱的使用寿命。
如图3所示，为实施例1制得的内贴CFRP的铝合金复合海水混凝土柱试件在轴压试验结束后立即对其进行破坏段剖开。结果发现虽然浇筑前CFRP布贴于铝合金管内壁，但在试验破坏后CFRP布已基本上和铝合金管内壁脱粘；此时CFRP布与海水混凝土的粘合更好，除去破坏撕裂的部分，剩余部分仍与海水混凝土黏在一起；CFRP布最后与铝合金管脱粘而仍与混凝土粘结是因为结构胶对CFRP布的粘结力小于混凝土对CFRP布的粘结力；在对铝合金管混凝土进行轴压试验时，铝合金管先出现鼓曲，使得内部混凝土与管壁产生空隙失去外侧压力，而后混凝土压溃破坏，内贴CFRP布可以起到延缓混凝土压溃的发生，提升结构延性；这也说明了内贴CFRP布比普通外贴CFRP布的方式更有创新性和实用性。
综上，本发明的内贴CFRP铝合金复合海水混凝土柱结构兼顾了铝合金和CFRP的优点，有效提高了铝合金管海水混凝土柱的承载力指标以及耐久性，延长了铝合金圆管海水混凝土柱的使用寿命。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限制本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。
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