CN105821832A - 一种防冻拔粘结弱化的自愈合混凝土桩 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种防冻拔粘结弱化的自愈合混凝土桩，为了提高钢筋与混凝土之间的粘结性能，在钢筋上缠绕通过条状聚丙烯织物串联在一起的钢制胶囊串。本发明能显著改善混凝土的抗拉和抗剪强度，而且能大大增强混凝土的韧性，进而提高其抗震性能；可以显著的增大钢筋与混凝土的临界粘结应力，由于聚丙烯自身很好的塑性和韧性及对温度的适应性，在冻融过程中能对钢筋与混凝土之间的冻拔剥离和劣化有极强的抵抗能力；由于钢制胶囊在混凝土中的位置和取向随机分布，则各个方向的裂缝都有钢制胶囊破裂对其进行修复愈合。由于桩中的混凝土采用自密实混凝土，可以避免混凝土中的钢制胶囊在振捣过程中破裂。

Description

一种防冻拔粘结弱化的自愈合混凝土桩

技术领域

本发明属于防冻拔破坏技术领域，具体的说是一种防冻拔粘结弱化的自愈合混凝土桩。

背景技术

在寒冷地区，由于土体冻结产生的膨胀变形受到桩基础的限制，故在桩基础表面将产生切向冻胀力。随着季节冻融层冻结深度的加大，桩周的切向冻胀力会逐渐变大。当桩基埋入的深度较深或者采用扩底桩时，在切向冻胀力的作用下，混凝土开裂，桩基内部的钢筋与混凝土产生粘结滑移。

目前，主要采用的方法是在桩侧换填非冻胀性材料，一般采用粗砂、卵石、炉渣等非冻胀粗颗粒材料。但是，这种方法会对土体产生扰动，影响桩基的稳定性。

另一种方法是在桩侧设置隔热保温层或埋设电热丝保持土体温度减轻土体冻结程度，通过减少冻深来减小切向冻胀力。由于这种方法施工复杂，成本较高，应用受到极大制约，且从长期营运角度，并不是一种经济适用且耐久的桩基。

还有一种方法是减小桩截面的尺寸或增大钢筋的直径。减小桩截面的尺寸可以减小桩周的切向冻胀力，增大钢筋的直径可以增大钢筋与混凝土的临界粘结应力。但是减小桩截面的尺寸会降低桩的临界承载力；增大钢筋的直径提高了成本，并且有可能出现超筋的情况；因此，这种方法也不实用。

更值得关注的是，上述方法均没有考虑冻融过程中，混凝土与钢筋之间较大的力学性能差异更为显著，表现在冻拔过程中混凝土与钢筋之间粘结性能的劣化，甚至出现两者之间的脱落，对桩基础的长期运营是极为恶劣的潜在危害。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种防冻拔粘结弱化的自愈合混凝土桩。

本发明所采用的技术方案是：一种防冻拔粘结弱化的自愈合混凝土桩，其特征在于：在混凝土搅拌的过程中，放入钢制胶囊，待搅拌均匀后浇入事先准备的混凝土桩模型中；同时为了提高钢与混凝土之间的粘结性能，在钢筋上缠绕通过条状聚丙烯织物串联在一起的钢制胶囊串。

作为优选，所述钢制胶囊由钢制胶囊壁、结构胶、环状陶瓷组成；所述钢制胶囊壁内部充填有结构胶，所述环状陶瓷设置在所述钢制胶囊的中部。

作为优选，所述钢制胶囊壁由低温高韧性高强度钢材制作而成，厚度为1～2mm；所述环状陶瓷的壁厚为0.2～0.3mm，高度为2～2.5mm，内径与钢制胶囊壁的内径大小一样，设置在所述钢制胶囊壁中部凹槽内。

作为优选，所述钢制胶囊壁表面设置有凹凸立体花纹。

作为优选，所述钢制胶囊的长度为18～23mm，直径为5～8mm，体积掺量为10～15％。

作为优选，所述条状聚丙烯织物由单丝纤维编织而成，厚度0.1mm，宽度为2～4mm，缠绕在钢筋上的密度是1m长度范围内串联35～40个钢制胶囊。

作为优选，所述混凝土采用自密实混凝土，能避免振捣过程中钢制胶囊的破裂。

作为优选，所述钢制胶囊的体积掺量ρ_f的计算公式为：

${\mathrm{\ρ}}_f=\frac{f_{ft}{d}_f}{{\mathrm{\α}}_t{f}_t{l}_f}$

式中，f_ft为钢制胶囊混凝土的配制抗拉强度；f_t为基体混凝土抗拉强度、l_f/d_f为钢制胶囊的长径比；α_t为经验系数。

本发明的优点是：

1、由于钢制胶囊壁的材料为低温高韧性高强度钢材，掺入混凝土后不仅能显著改善混凝土的抗拉和抗剪强度，而且能大大增强混凝土的韧性，进而提高其抗震性能。由于钢制胶囊壁的表面设置有凹凸立体花纹，掺入混凝土后能增强胶囊自身与混凝土的结合能力。由于钢制胶囊中部的陶瓷是脆性材料，厚度适当，能及时破损，内部结构胶体即时流出修补裂纹。陶瓷材料自身性能稳定，对温度适应性好，不会因混凝土中水泥的水化热而提前熔融失效。

2、钢筋上缠绕有钢制胶囊串，相当于增大了钢筋与混凝土的接触面积，可以显著的提高钢筋与混凝土的粘结性能。由于条状聚丙烯织物强度高，韧性好，与混凝土及钢筋均有较好的结合性能，可以显著的增大钢筋与混凝土的临界粘结应力，由于聚丙烯自身很好的塑性和韧性及对温度的适应性，在冻融过程中能对钢筋与混凝土之间的冻拔剥离和劣化有极强的抵抗能力。

3、由于钢制胶囊在混凝土中的位置和取向随机分布，则各个方向的裂缝都有钢制胶囊破裂对其进行修复愈合。由于桩中的混凝土采用自密实混凝土，可以避免混凝土中的钢制胶囊在振捣过程中破裂。

附图说明

图1为本发明实施例的桩截面中钢制胶囊的分布图；

图2为本发明实施例的钢制胶囊串在钢筋上的分布图；

图3为本发明实施例的条状聚丙烯织物示意图；

图4为本发明实施例的钢制胶囊与条状聚丙烯织物的连接结构图；

图5为本发明实施例的钢制胶囊的结构图；

图6为本发明实施例的钢制胶囊壁沿a-a的横剖面；

图7为本发明实施例的环状陶瓷与钢制胶囊壁的相对位置图。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

请见图1-图7，本发明提供的一种防冻拔粘结弱化的自愈合混凝土桩，在混凝土2搅拌的过程中，放入钢制胶囊1，待搅拌均匀后浇入事先准备的混凝土桩模型中；同时为了提高钢筋3与混凝土2之间的粘结性能，在钢筋3上缠绕通过条状聚丙烯织物4串联在一起的钢制胶囊1串。

当作用在桩基础表面的切向冻胀力足够大时，桩体的局部将被拉断，即混凝土2开裂和钢筋3与混凝土2之间握裹力劣化甚至丧失而产生滑移。为了提高钢筋3与混凝土2之间的粘结性能，在钢筋2上缠绕钢制胶囊串。条状聚丙烯织物5的厚度(t)和宽度(b)不能太大，同时也不能太小，否则对提高粘结性能无显著效果。综上，条状聚丙烯织物5由单丝纤维编织而成，厚度0.1mm，宽度为2～4mm，缠绕在钢筋3上的密度约1m长度范围内串联35～40个钢制胶囊1。

本实施例的钢制胶囊1由钢制胶囊壁5、结构胶6、环状陶瓷7组成；钢制胶囊壁5内部充填有结构胶6，环状陶瓷7设置在钢制胶囊1的中部。为了保证钢制胶囊1有一定的刚度，并且在掺入混凝土后可以提高其强度和韧性，钢制胶囊壁5的材料采用低温高韧性高强度钢材，并且厚度取为1～2mm。为了使钢制胶囊1在混凝土产生裂缝后能及时破裂，环状陶瓷7的壁厚为0.2～0.3mm，高度为2～2.5mm，内径与钢制胶囊壁6的内径大小一样，设置在钢制胶囊壁5中部凹槽内。为了改善钢制胶囊1与混凝土2的粘结性能，在其表面设置有凹凸立体花纹8。为了保证愈合后的混凝土裂缝不再开裂，钢制胶囊内部的修复胶黏剂必须具有较高的粘结强度，且胶粘剂固化后本身强度好，故修复胶黏剂采用结构胶6。

钢制胶囊1的长度(l_f)和直径(d_f)不能太小，否则其内部的体积过小，将影响其愈合性能；但也不能太大，因为钢制胶囊1太长不仅难以在混凝土中分散均匀，而且会在搅拌过程中容易破裂，影响钢制胶囊1作用的发挥。本实施例的钢制胶囊1的长度取为18～23mm，直径为5～8mm，体积掺量为10～15％。

本实施例的混凝土2采用自密实混凝土，可以避免振捣过程中钢制胶囊1的破裂。由于水灰比和水泥强度等级对混凝土2的抗压强度影响较大；钢制胶囊1的体积率和长径比、水泥强度等级对混凝土2的抗拉强度影响较大；砂率和用水量对混凝土2的和易性影响较大。所以，以抗压强度与水灰比、水泥强度的关系确定水灰比；以抗拉强度与水灰比、钢制胶囊体积率的关系确定钢制胶囊体积率；然后根据和易性的要求确定砂率和用水量，得到计算配合比，最后根据施工条件进行调整，得到施工配合比。

本实施例的自密实混凝土配合比的设计过程如下：

(1)首先按结构强度要求选择水泥，按水泥实际强度f_ce和统计标准差确定配制强度f_fcu。然后根据配制强度f_fcu与水灰比W/C、水泥实际强度f_ce的关系确定水灰比。由于它们之间的关系已有经验公式为：f_fcu＝α₁f_ce(C/W-β₁)，则水灰比的计算公式如下：

$W/C=\frac{{\mathrm{\α}}_1{f}_{ce}}{f_{fcu}+{\mathrm{\α}}_1{\mathrm{\β}}_1{f}_{ce}}$

式中，α₁和β₁为经验系数，α₁＝0.46，β₁＝0.07。

(2)利用钢制胶囊混凝土的配制抗拉强度f_ft与基体混凝土抗拉强度f_t、钢制胶囊的体积率ρ_f、长径比l_f/d_f的关系确定钢制胶囊的体积掺量。由于配制抗拉强度f_ft随着基体混凝土抗拉强度f_t、钢制胶囊的体积掺量ρ_f和长径比l_f/d_f的增大而增大，故假定它们的关系为：

f_ft＝α_tf_tρ_fl_f/d_f

则钢制胶囊的体积掺量为：

${\mathrm{\ρ}}_f=\frac{f_{ft}{d}_f}{{\mathrm{\α}}_t{f}_t{l}_f}$

式中，α_t为经验系数，α_t＝0.45。

(3)在初步确定水灰比和钢制胶囊的体积掺量后，根据和易性的要求确定砂率和用水量，得到计算配合比。

(4)在计算配合比的基础上，通过试验并结合施工现场的条件调整计算配合比，得到最终的施工配合比。

本实施例在混凝土2搅拌的过程中，放入钢制胶囊1，待搅拌均匀后，则钢制胶囊1在混凝土2中的位置分布均匀，钢制胶囊1的取向则是随机的。

尽管本说明书较多地使用了钢制胶囊1、自密实混凝土2、钢筋3、条状聚丙烯织物4、钢制胶囊壁5、结构胶6、环状陶瓷7和凹凸立体花纹8等术语，但并不排除使用其他术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便的描述本发明的本质，把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种防冻拔粘结弱化的自愈合混凝土桩，其特征在于：在混凝土(2)搅拌的过程中，放入钢制胶囊(1)，待搅拌均匀后浇入事先准备的混凝土桩模型中；同时为了提高钢筋(3)与混凝土(2)之间的粘结性能，在钢筋(3)上缠绕通过条状聚丙烯织物(4)串联在一起的钢制胶囊(1)串。

2.根据权利要求1所述的防冻拔粘结弱化的自愈合混凝土桩，其特征在于：所述钢制胶囊(1)由钢制胶囊壁(5)、结构胶(6)、环状陶瓷(7)组成；所述钢制胶囊壁(5)内部充填有结构胶(6)，所述环状陶瓷(7)设置在所述钢制胶囊(1)的中部。

3.根据权利要求2所述的防冻拔粘结弱化的自愈合混凝土桩，其特征在于：所述钢制胶囊壁(5)由低温高韧性高强度钢材制作而成，厚度为1～2mm；所述环状陶瓷(6)的壁厚为0.2～0.3mm，高度为2～2.5mm，内径与钢制胶囊壁(5)的内径大小一样，设置在所述钢制胶囊壁(5)中部凹槽内。

4.根据权利要求2或3所述的防冻拔粘结弱化的自愈合混凝土桩，其特征在于：所述钢制胶囊壁(5)表面设置有凹凸立体花纹(8)。

5.根据权利要求1所述的防冻拔粘结弱化的自愈合混凝土桩，其特征在于：所述钢制胶囊(1)的长度为18～23mm，直径为5～8mm，体积掺量为10～15％。

6.根据权利要求1所述的防冻拔粘结弱化的自愈合混凝土桩，其特征在于：所述条状聚丙烯织物(4)由单丝纤维编织而成，厚度0.1mm，宽度为2～4mm，缠绕在钢筋上的密度是1m长度范围内串联35～40个钢制胶囊(1)。

7.根据权利要求1所述的防冻拔粘结弱化的自愈合混凝土桩，其特征在于：所述混凝土(2)采用自密实混凝土，能避免振捣过程中钢制胶囊(1)的破裂。

8.根据权利要求1、2、3、5、6或7所述的防冻拔粘结弱化的自愈合混凝土桩，其特征在于：所述钢制胶囊(1)的体积掺量ρ_f的计算公式为：

${\mathrm{\ρ}}_f=\frac{f_{ft}{d}_f}{{\mathrm{\α}}_t{f}_t{l}_f}$

式中，f_ft为钢制胶囊混凝土的配制抗拉强度；f_t为基体混凝土抗拉强度、l_f/d_f为钢制胶囊的长径比；α_t为经验系数。