Frp管碱激发矿渣基海水珊瑚骨料混凝土柱及制备方法
阅读说明：本技术 Frp管碱激发矿渣基海水珊瑚骨料混凝土柱及制备方法 (FRP (fiber reinforced plastic) tube alkali-activated slag-based seawater coral aggregate concrete column and preparation method thereof ) 是由 张白 朱虹 李方正 王强 董志强 于 2021-09-26 设计创作，主要内容包括：本发明提出了一种FRP管碱激发矿渣基海水珊瑚骨料混凝土柱及制备方法,该混凝土柱包括外层的FRP管、内嵌FRP箍筋和FRP纵筋,FRP管内填充碱激发矿渣基海水珊瑚骨料混凝土。碱激发矿渣基海水珊瑚骨料混凝土充分利用远海岛礁地区特有的海水和废弃的珊瑚作为原材料,以浆体结构致密、耐久性良好的碱激发矿渣浆体作为胶凝材料来改善传统珊瑚骨料混凝土强度低、耐久性不足等瓶颈问题。同时采用耐腐蚀的FRP管约束混凝土,使珊瑚骨料混凝土处于三向受力状态,能有效提高珊瑚骨料混凝土构件的承载能力、延性以及抗震性能。本发明通过采用高耐久的碱激发胶凝材料与耐腐蚀的FRP“强强结合”,实现了资源有效利用及具备绿色环保等优点。(The invention provides an FRP (fiber reinforced plastic) tube alkali-activated slag-based seawater coral aggregate concrete column and a preparation method thereof. The alkali-activated slag-based seawater coral aggregate concrete fully utilizes specific seawater and waste coral in the offshore island region as raw materials, and alkali-activated slag slurry with a compact slurry structure and good durability is used as a cementing material to improve the bottleneck problems of low strength, insufficient durability and the like of the traditional coral aggregate concrete. Meanwhile, the anti-corrosion FRP pipe is adopted to restrain the concrete, so that the coral aggregate concrete is in a three-dimensional stress state, and the bearing capacity, the ductility and the anti-seismic performance of the coral aggregate concrete member can be effectively improved. The invention realizes the effective utilization of resources and has the advantages of environmental protection and the like by adopting the strong combination of the high-durability alkali-activated cementing material and the corrosion-resistant FRP.)
技术领域
本发明属于海洋建筑工程材料技术领域，具体涉及一种FRP管碱激发矿渣基海水珊瑚骨料混凝土柱及制备方法。
背景技术
珊瑚骨料混凝土是一种充分利用海水、海砂或珊瑚礁砂、珊瑚粗骨料等海洋资源制备而成的新型海工混凝土，它不仅能缓解远海岛礁地区传统建筑材料匮乏问题，同时还可避免因天气变化或运输对海工项目进度带来的不利影响，适宜用于远海岛礁地区工程基础设施建设。
然而，珊瑚骨料有着轻质多孔、筒压强度低、内部缺陷多、吸水率高等特性，致使制备出的水泥基珊瑚骨料混凝土普遍存在着孔隙率高、强度低、弹模小、抗渗性及耐久性不足等瓶颈问题。目前常用的方法是通过降低水胶比、增加胶凝材料用量、添加矿物掺合料和纤维等来改善珊瑚骨料混凝土的力学和耐久性能，但研究发现这些常规方法的改善效果并不明显，致使珊瑚骨料混凝土在海洋工程基础设施建设中推广应用受到极大限制。同时，海水和珊瑚骨料中高的氯盐含量容易造成结构内部筋材发生锈蚀膨胀，严重影响到海工混凝土及其结构的承载能力、耐久性和服役寿命。尽管工程界提出采用添加阻锈剂以及涂层钢筋处理等防锈措施，但对于缺少机械和物资的远海岛礁工程，过于复杂的工序处理和昂贵的成本并不现实。
此外，传统珊瑚骨料混凝土以水泥作为胶凝材料，水泥在生产过程中会引起能耗和环境问题，不利于绿色低碳发展。
面对日益增多的海洋工程基础设施建设，有必要合理利用海洋资源发展新型海工混凝土材料来优化资源管理和降低建设成本，研发出一种原料属地化、低成本、高环保、高强度、高耐久的新型配筋混凝土结构。
发明内容
本发明的目的在于提供一种FRP管碱激发矿渣基海水珊瑚骨料混凝土柱及制备方法，以解决远海岛礁工程建设中取材不便、承载力不足以及耐久性差等瓶颈问题，同时具备低碳高效、绿色环保的优点。
一种FRP管碱激发矿渣基海水珊瑚骨料混凝土柱，包括：
FRP管；
FRP筋笼，内嵌于所述FRP管内，包括沿FRP管轴向分布的若干FRP纵筋，相邻所述FRP纵筋是通过FRP箍筋连接；
碱激发矿渣基海水珊瑚骨料混凝土，填充于所述FRP管和FRP筋笼形成的空间内。
优选地，所述FRP管为缠绕管，截面为矩形或圆形；所述FRP箍筋为方形或螺旋形，相邻FRP箍筋之间的间距不小于50mm；所述的FRP纵筋的直径为8-16mm。
优选地，所述FRP箍筋与FRP纵筋之间采用耐腐蚀的扎带连接。
优选地，所述FRP管为BFRP、CFRP、GFRP或AFRP的一种或多种；所述FRP箍筋为BFRP、CFRP、GFRP或AFRP的一种或多种；所述FRP纵筋为BFRP、CFRP、GFRP或AFRP的一种或多种。
优选地，所述碱激发矿渣基海水珊瑚骨料混凝土由矿渣、碱性激发剂、珊瑚骨料及海水混合得到；其中，珊瑚骨料为珊瑚礁砂和珊瑚礁石的混合物；碱激发剂的原料包括Na2SiO3粉末和片状NaOH。
优选地，所述矿渣为S95粒化高炉矿渣微粉；所述碱性激发剂由粉末状Na2SiO3、片状NaOH及海水混合配制而成；其中碱性激发剂的模数为1.2-1.6，碱掺量为4-8%。
优选地，激发矿渣基海水珊瑚骨料混凝土中各组分在每立方混凝土中配比：矿渣450-550 kg；珊瑚礁砂650-850 kg；珊瑚礁石550-700 kg；Na2SiO3粉末45-90 kg；片状NaOH15-30 kg及海水220-330 kg。
优选地，所述珊瑚骨料来源于港口疏浚、自然风化和渠道挖掘所产生的废弃珊瑚骨料，所述海水源于天然海水，水胶比宜为0.55-0.65。
一种FRP管碱激发矿渣基海水珊瑚骨料混凝土柱的制备方法，包括如下步骤：
（1）准备FRP管及FRP筋笼：
通过FRP纵筋绑扎相邻的FRP箍筋，至所有FRP箍筋绑扎完毕以形成FRP筋笼，然后将FRP筋笼套设在FRP管内备用；
（2）制备碱性激发剂：
将Na2SiO3粉末倒入总用水量一半的海水中搅拌，后加入片状NaOH至混合溶液中并持续搅拌，至Na2SiO3粉末和NaOH完全溶解，将制成的碱发剂溶液密封并冷却以备用；
（3）制备碱激发矿渣基海水珊瑚骨料混凝土：
将称量好的珊瑚礁砂和珊瑚礁石置于搅拌机中，干拌1~3min使珊瑚礁砂和珊瑚礁石混合均匀，而后倒入总用水量一半的海水，搅拌2~4min以预湿珊瑚骨料；
然后将矿渣倒入混合物中，搅拌1~3min使混合物充分分散；
最后，将步骤（2）中配制的碱激发剂溶液倒入混合物中，继续搅拌2~4min，即制得碱激发矿渣基海水珊瑚骨料混凝土；
（4）浇筑FRP管碱激发矿渣基海水珊瑚骨料混凝土柱
将步骤（3）中制备的碱激发矿渣基海水珊瑚骨料混凝土填充于步骤（1）中的FRP管内，养护完成后即制得FRP管碱激发矿渣基海水珊瑚骨料混凝土柱。
与现有技术相比，本发明的优点为：
（1）本发明中制备的FRP管碱激发矿渣基海水珊瑚骨料混凝土柱，就地取材，充分利用了海水和废弃的珊瑚骨料等远海岛礁地区特有资源，不仅缓减海岛地区传统建筑材料短缺问题，还避免了因运输或天气变化对项目进度造成的不利影响，极大地降低工程造价和建造工期。此外，制备混凝土所用珊瑚骨料可以从自然风化、航道开挖、港口疏浚等产生的废旧珊瑚碎屑中获得，不会破坏珊瑚礁的自然生态环境，在一定程度上还可降低废旧珊瑚碎屑对稀缺岛屿空间的占用。
（2）本发明中FRP管中所填充的混凝土是采用高强、高耐久的碱激发矿渣胶凝材料代替传统的水泥基材料，有效地降低了能源消耗以及在水泥生产过程中的CO2排放，实现了绿色环保及可持续发展的目的。同时，碱激发胶凝材料浆体结构致密、有着固定氯离子能力，这种特性增强了传统珊瑚骨料混凝土的抗海水侵蚀能力，进而有效地提高了海工混凝土及其结构的服役性和耐久性能。
（3）本发明中所用混凝土是以浆体致密的碱激发可矿渣浆体作为胶凝材料，这能有效填充珊瑚骨料表面孔隙，从而可达到改善骨料-浆体界面微观结构的目的。这种改善的界面微观结构延缓了荷载过程中裂缝的发展和传播，能有效增强珊瑚骨料混凝土的抗压和抗拉强度。同时，这些增强的特性还能提高FRP管材以及FRP筋材与珊瑚骨料混凝土间的粘结性能，从而有效地增强FRP与珊瑚混凝土的协调变形能力。
（4）本发明中采用FRP管约束珊瑚骨料混凝土，能有效地缓减珊瑚骨料本身脆性大、强度低等缺点，同时FRP管内嵌入FRP筋笼能极大地增强珊瑚骨料混凝土及其构件的承载和变形能力。
（5）本发明中采用耐腐蚀FRP代替传统的钢筋，能有效避免氯离子侵蚀引起钢管及钢筋的锈蚀膨胀问题；同时，碱激发胶凝材料本身也具备良好的耐侵蚀和抗渗能力，这两者耐腐蚀材料的“强强联合”，将极大地提高海工混凝土构件的耐久性及服役寿命，适宜用于高温、高湿、高盐的海洋环境。
附图说明
图1为碱激发矿渣基海水珊瑚骨料混凝土的制备流程图；
图2是本发明中FRP管碱激发矿渣基海水珊瑚骨料混凝土圆形柱截面示意图。
图3是本发明中FRP管碱激发矿渣基海水珊瑚骨料混凝土方形柱截面示意图。
其中，1-FRP管，2-FRP箍筋，3-FRP纵筋，4-碱激发矿渣基海水珊瑚骨料混凝土。
具体实施方式
下面将结合示意图对本发明进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。
如图2~3所示的FRP管碱激发矿渣基海水珊瑚骨料混凝土柱，由外层FRP管1，内部埋设FRP箍筋2和FRP纵筋3，以及FRP管1内填充的碱激发矿渣基海水珊瑚骨料混凝土4组成。
其中，FRP管1的截面可为矩型或圆型缠绕管，纤维层厚度5mm； FRP箍筋2形状为方形或螺旋箍筋，间距大于或等于50mm；FRP纵筋3直径为8-16mm，FRP箍筋2与FRP纵筋3采用耐腐蚀的扎带制备成FRP筋笼；FRP管1、FRP箍筋2与FRP纵筋3可为BFRP、CFRP、GFRP或AFRP的一种或多种。
其中，碱激发矿渣基海水珊瑚骨料混凝土4是由S95粒化高炉矿渣、碱性激发剂、珊瑚礁砂和珊瑚礁石，与海水混合制备而成。所用的碱性激发剂是由粉末状速溶Na2SiO3（59.6wt% SiO2和21.6 wt% Na2O）、片状NaOH、与海水混合配制而成，使得激发剂模数（SiO2/Na2O）为1.2，碱掺量（Na2O含量与胶凝材料用量之比）为6%；所用的珊瑚骨料来源于港口疏浚、自然风化和渠道挖掘所产生的废弃珊瑚骨料，珊瑚礁砂为细砂，粗骨料粒径为5-25mm天然原状或经破碎的珊瑚礁石，其体积砂率为55%；所用的海水是根据规范人工配制而成，水胶比为0.60。
如图1所示， FRP管碱激发矿渣基海水珊瑚骨料混凝土柱的制备方法，主要包括如下步骤：
（1）准备FRP管及FRP筋笼
本发明中的FRP管1截面形状可为方形或圆形，其中方形FRP管内嵌的FRP箍筋宜为矩形箍筋，圆形FRP管内嵌的FRP箍筋宜为螺旋箍筋；按照设计要求绑扎好FRP筋笼，然后置于FRP管1内，备用。其中，FRP管碱激发矿渣基海水珊瑚骨料混凝土柱的尺寸等可根据实际工程中需求灵活设计。
（2）配制碱性激发剂溶液
本发明在制备碱激发矿渣基海水珊瑚骨料混凝土时所用的碱性激发剂配制过程如下：首先将速溶Na2SiO3粉末倒入总用水量一半的海水中搅拌约2min，后缓慢加入片状NaOH至混合溶液中，边搅拌边缓慢倒入片状NaOH是为了避免NaOH在容器中沉淀结块，而后搅拌约3min使Na2SiO3粉末和NaOH颗粒完全溶解，最后将混合好的碱发剂溶液密封冷却24h后备用。
（3）制备碱激发矿渣基海水珊瑚骨料混凝土
本发明所用碱激发矿渣基海水珊瑚骨料混凝土中各原料在每立方混凝土中配比如下：矿渣粉550 kg、珊瑚礁砂841 kg、珊瑚粗骨料577 kg、Na2SiO3粉末58.5kg、片状NaOH21.6 kg和海水300 kg，制备的碱激发矿渣基海水珊瑚骨料混凝土28天强度可达C40等级。
其中，碱激发矿渣基海水珊瑚骨料混凝土的制备流程如下：首先，将称量好的珊瑚礁砂和珊瑚礁石置于搅拌机中，干拌1.5~3min使骨料均匀，而后倒入总用水量一半的海水，搅拌大约3min使珊瑚骨料的实现预湿条件；然后将矿渣微粉倒入混合料中，拌合大约2min使混合物充分分散；最后，倒入步骤（2）中配制的碱激发剂溶液，继续搅拌大约3min，即得到碱激发矿渣基海水珊瑚骨料混凝土。
（4）浇筑FRP管碱激发矿渣基海水珊瑚骨料混凝土柱
将步骤（3）中制备好的碱激发矿渣基海水珊瑚骨料混凝土填充于步骤（1）中的FRP管，养护完成后即得到FRP管碱激发矿渣基海水珊瑚骨料混凝土柱。
综上，本发明具有以下优点：
（1） FRP管内所填充的碱激发海水珊瑚骨料混凝土合理利用远海岛礁地区特有的海洋资源，即海水及废弃的珊瑚骨料，其不仅可缓解远海岛礁地区传统建筑资源匮乏的问题，还可避免因运输或天气变化对项目进度所带来的工期延误。
（2）该混凝土的制备是通过采用浆体结构致密、高耐久的碱激发胶凝材料替代传统水泥基材料来实现，可有效地改善珊瑚骨料与浆体的微观界面结构，进而达到提高珊瑚骨料混凝土强度、抗渗性及耐久性能的目的。
（3）碱激发胶凝材料所用原材料是源于工业固废物矿渣，能有效地降低在水泥生产过程中的能源消耗和温室气体排放，实现了节能减排、绿色环保的可持续发展。
（4）采用耐腐蚀的FRP管约束混凝土，不仅避免传统钢筋锈蚀膨胀问题，还使珊瑚骨料混凝土处于三向受力状态，能极大地提高珊瑚骨料混凝土构件的承载能力、延性以及抗震性能。
（5）通过采用高耐久的碱激发胶凝材料与耐腐蚀的FRP管“强强结合”，进而制备出一种原料属地化、低成本、高环保、高强度、高耐久的FRP管碱激发矿渣基海水珊瑚骨料混凝土柱。
上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。
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