一种利用FRP筋强化盾构管片的功能梯度材料界面的工艺 【技术领域】
本发明涉及一种利用FRP筋进行强化盾构隧道混凝土管片的功能梯度材料界面的工艺。
背景技术
地下工程隧道的使用环境与大气环境下的工业与民用建筑结构相比，影响结构耐久性的因素更为复杂，往往要受到多种破坏因素的交互作用，因而对盾构隧道混凝土管片(或称盾构管片，或称盾构隧道管片)性能提出了更高的要求。引入功能梯度材料设计原理，对用于盾构隧道混凝土管片的混凝土材料进行分层设计、多次浇筑(层与层之间形成功能梯度材料界面)，可以大幅度优化盾构隧道混凝土管片性能，使得结构耐久性大大增强，有效延长其服役寿命。但是，由于不同性质的功能材料组分在物理、化学等特性上的不同必然会带来复合材料界面层性能的突变，即不同性质材料组分间界面层的连续性、统一性问题，若处理不当，会引发界面的滑移、开裂，从而导致结构的整体失效。因而，必须对盾构隧道混凝土管片的功能梯度材料界面进行有效地强化，以增强其粘结性能、抗剪性能等，确保界面层的稳定性。
纤维增强塑料(FRP)筋是一种性能优越的钢筋替代材料，在土木工程中有着广泛的应用，表现出如下优点：1)比强度高：抗拉强度优于普通钢材，高于同规格钢筋的20％，而且抗疲劳性能好；2)质量轻：为同体积钢筋的1/4；3)耐腐蚀性能强：可抵抗氯离子和低PH值溶液的侵蚀；4)材料结合力强：热膨胀系数与钢材相比更接近水泥，因此与水泥(混凝土)结合握裹力更强；5)可设计性强：弹性模量稳定，热应力下尺寸稳定，折弯等形状可任意热成型；6)安全性能好：不导热、不导电、阻燃抗静电；7)施工方便：可加工成各种不同截面和长度的标准和非标准件，现场绑扎可用非金属拉紧带，操作简单。
目前，将FRP筋应用于地下工程隧道管片，并对盾构隧道混凝土管片的功能梯度材料界面进行强化，在国内专利、文献等均未见报道。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种稳定性好的利用FRP筋强化盾构管片的功能梯度材料界面的工艺，该工艺可以提高盾构管片的耐久性能，进而延长盾构隧道工程的服役寿命。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种利用FRP筋强化盾构管片的功能梯度材料界面的工艺，其特征在于：它包括如下步骤：
1)建立FRP筋锚固强化过渡区：在钢筋混凝土管片钢模中的钢筋笼表面4上铺设并粘贴柔性FRP网格布5，柔性FRP网格布5上按点阵形状分布FRP筋3，形成FRP筋锚固强化过渡区，其中FRP筋3与FRP网格布5相粘接为一整体结构；
2)在钢筋混凝土管片钢模中浇注强度等级大于C50的高性能混凝土至钢筋笼上表面形成钢筋混凝土结构层1；
3)接着在钢筋混凝土结构层1上采用泵送工艺浇筑高抗渗保护层混凝土材料至钢模表面，形成高抗渗保护层2。
所述的FRP筋锚固强化过渡区厚度根据FRP筋3的长度定为20mm～40mm(如厚度为30mm，即FRP筋的长度)。
FRP筋3和柔性FRP网格布5联合构成FRP筋界面锚固强化材料，其制备过程在工厂进行预制并大批量生产，在盾构管片制备过程中可直接使用，以不影响施工进度。FRP筋外表面为螺纹构造，直径10mm～30mm，长度20mm～40mm，FRP筋在网格布上的分布按点阵状分布，两相邻FRP筋之间的间距为：50mm～90mm。
本发明在高抗渗保护层2及钢筋混凝土结构层1之间形成厚度约20～40mm的FRP筋锚固界面强化过渡区，FRP筋上部伸入高抗渗保护层2内，下部按点阵状均匀分布于柔性FRP网格布上，FRP网格布铺设粘贴于钢筋笼上表面。本发明由于引入了FRP筋对功能梯度混凝土材料界面进行强化，利用其与水泥混凝土间较强的粘结力，将不同功能材料有机地连成一个整体，消除了界面弱区，保证了界面层的稳定性、连续性。具体表现出如下优点：
(1)充分保证了保护层材料(高抗渗保护层2)与结构层材料(钢筋混凝土结构层1)之间较强的粘结强度，相比于普通的平滑层状界面粘结强度至少提高一倍，28d粘结强度≥5.0MPa(按劈拉强度实验方法测试)。
(2)通过FRP筋的强化，较好地保证了界面层抗剪性能，按钢纤维混凝土实验方法(CECS13∶89)测试，28d界面抗剪强度≥10.0MPa。
(3)FRP筋界面锚固强化材料在工厂加工预制并大批量生产，在实际混凝土浇筑过程中，不需对FRP筋做特殊处理，相比于其他界面处理方式，有效节省了工序，基本不影响施工进度；结构简单、施工方便。
(4)利用FRP筋与水泥混凝土之间较强的粘结力，将FRP筋设置于管片保护层材料与结构层材料的界面层部位，形成FRP筋锚固强化过渡区，将两种功能材料连接成一个有机的整体。与不经任何处理的平滑层状界面，有效地提升界面的粘结强度、抗剪性能等，解决不同功能梯度混凝土材料在平滑层状界面处产生相对滑移、开裂甚至失稳等问题。从而保证了功能材料界面的稳定性，提高了盾构管片的耐久性能，进而延长盾构隧道工程的服役寿命。
【附图说明】
图1是本发明的盾构管片的功能梯度材料界面示意图。
图2是图1的A部放大图。
图3是本发明的盾构管片的功能梯度材料界面的FRP筋点阵分布及FRP网格布俯视图。
图中：1-钢筋混凝土结构层，2-高抗渗保护层，3-FRP筋，4-钢筋笼表面，5-柔性FRP网格布。
【具体实施方式】
为了更好地理解本发明，下面结合实施例和附图进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1：
如图1、图2、图3所示，一种利用FRP筋强化盾构管片的功能梯度材料界面的工艺，盾构隧道混凝土管片的钢筋混凝土结构层1与高抗渗保护层2相接触面为功能梯度材料界面，它包括如下步骤：
1)建立FRP筋锚固强化过渡区：FRP筋3和柔性FRP网格布5联合构成FRP筋界面锚固强化材料，FRP筋3和柔性FRP网格布5的制备过程在工厂进行预制并大批量生产，在盾构管片制备过程中可直接使用，以不影响施工进度；FRP筋外表面为螺纹构造，直径20mm，长度30mm，FRP筋在网格布上的分布按点阵状分布，两相邻FRP筋之间的间距为：70mm。
混凝土浇注前，在钢筋混凝土管片钢模中的钢筋笼表面4上铺设并粘贴柔性FRP网格布5，柔性FRP网格布5上按点阵形状分布FRP筋3，形成FRP筋锚固强化过渡区，其中FRP筋(3)与FRP网格布(5)相粘接为一整体结构，通过工厂预制生产完成；FRP筋锚固强化过渡区厚度为30mm(即FRP筋的长度)。
2)在钢筋混凝土管片钢模中浇注强度等级大于C50的高性能混凝土至钢筋笼上表面形成钢筋混凝土结构层1，并对其进行振捣及表面整平。
3)接着在钢筋混凝土结构层1上采用泵送工艺均匀浇筑高抗渗保护层混凝土材料至钢模表面，形成高抗渗保护层2，同时进行插捣和表面整平。
所述的强度等级大于C50的高性能混凝土以及所述的高抗渗保护层混凝土材料均采用
现有技术。
所述的强度等级大于C50的高性能混凝土主要由水泥、粉煤灰、砂、石子、高效减水剂、水等原料混合而成，各原料所占重量份数为：水泥1.00份、粉煤灰(I级)0.20～0.30份、砂1.60～1.90份、粒径4.75～9.5mm的小石子1.00～1.30份、粒径4.75～26.5mm的大石子1.60～2.00、高效减水剂0.01～0.02份、水0.30～0.40份。
所述的高抗渗保护层混凝土材料为扩散系数小于3.0×10-13m2/s、抗裂等级达到I级、强度等级在C100～C200之间的高性能细集料混凝土。高性能细集料混凝土主要由水泥、水、强化剂和粒径小于0.63mm的细集料原料混合而成，各原料所占重量份数为：水泥1.00份、水0.16～0.22份、强化剂0.40～0.75份、粒径小于0.63mm的细集料1.00～1.40份。所述的强化剂主要由比表面积大于200000cm2/g的高活性SiO2微粉、比表面积大于4000cm2/g的高活性微矿粉或粉煤灰、混杂纤维和减缩剂原料混合而成，各原料所占重量份数为：比表面积大于200000cm2/g的高活性SiO2微粉1.00份、比表面积大于4000cm2/g的高活性微矿粉或粉煤灰1.50～3.00份、混杂纤维0.01～0.02份、减缩剂0.08～0.15份。
通过实验室试验测试盾构管片的功能梯度材料界面层的粘结强度及抗剪强度，实验结果如表1、表2所示。结果表明，通过FRP筋的强化，功能梯度材料界面的性能得到大幅度改善，28d界面层粘结强度≥5.0MPa(按劈拉强度实验方法测试)；28d界面层抗剪强度≥10.0MPa。且通过现场盾构管片的功能梯度材料界面的成型过程及长期的观测，盾构管片的功能梯度材料界面未发现开裂、滑移等破坏现象。
表1盾构管片的功能梯度材料界面粘结强度测试 项目 粘结强度/MPa 11h 7d 28d FRP筋强化后的界面层 未经强化的界面层 3.50 1.56 5.25 2.51 6.54 3.21
注：11h为蒸养脱模时间。
表2盾构管片的功能梯度材料界面抗剪强度测试 项目 抗剪强度/MPa 11h 7d 28d FRP筋强化后的界面层 未经强化的界面层 5.19 3.56 8.82 5.14 11.25 7.36
头施例2：
如图1、图2、图3所示，一种利用FRP筋强化盾构管片的功能梯度材料界面的工艺，它包括如下步骤：
1)建立FRP筋锚固强化过渡区：FRP筋外表面为螺纹构造，直径10mm，长度20mm，FRP筋在网格布上的分布按点阵状分布，两相邻FRP筋之间的间距为：50mm。
混凝土浇注前，在钢筋混凝土管片钢模中的钢筋笼表面4上铺设并粘贴柔性FRP网格布5，柔性FRP网格布5上按点阵形状分布FRP筋3，形成FRP筋锚固强化过渡区，其中FRP筋(3)与FRP网格布(5)相粘接为一整体结构，通过工厂预制生产完成；FRP筋锚固强化过渡区厚度为20mm(即FRP筋的长度)。
2)在钢筋混凝土管片钢模中浇注强度等级大于C50的高性能混凝土至钢筋笼上表面形成钢筋混凝土结构层1，并对其进行振捣及表面整平。
3)接着在钢筋混凝土结构层1上采用泵送工艺均匀浇筑高抗渗保护层混凝土材料至钢模表面，形成高抗渗保护层2，同时进行插捣和表面整平。
实施例3：
如图1、图2、图3所示，一种利用FRP筋强化盾构管片的功能梯度材料界面的工艺，它包括如下步骤：
1)建立FRP筋锚固强化过渡区：FRP筋外表面为螺纹构造，直径30mm，长度40mm，FRP筋在网格布上的分布按点阵状分布，两相邻FRP筋之间的间距为：90mm。
混凝土浇注前，在钢筋混凝土管片钢模中的钢筋笼表面4上铺设并粘贴柔性FRP网格布5，柔性FRP网格布5上按点阵形状分布FRP筋3，形成FRP筋锚固强化过渡区，其中FRP筋(3)与FRP网格布(5)相粘接为一整体结构，通过工厂预制生产完成；FRP筋锚固强化过渡区厚度为40mm(即FRP筋的长度)。
2)在钢筋混凝土管片钢模中浇注强度等级大于C50的高性能混凝土至钢筋笼上表面形成钢筋混凝土结构层1，并对其进行振捣及表面整平；
3)接着在钢筋混凝土结构层1上采用泵送工艺均匀浇筑高抗渗保护层混凝土材料至钢模表面，形成高抗渗保护层2，同时进行插捣和表面整平。