无钢筋预应力混凝土及其成型方法与流程

1.本发明涉及土木和交通技术领域，特别是涉及一种无钢筋预应力混凝土及其成型方法。


背景技术：

2.预应力混凝土是在荷载作用前预先受压的一种结构，其预应力是通过张拉高强度钢筋或钢丝的方法产生。张拉方法有两种：1)先张法，即先张拉钢筋，后浇灌混凝土，待混凝土达到规定强度时，放松钢筋两端；2)后张法，即先浇灌混凝土，达到规定强度时，再张拉穿过混凝土内预留孔道中的钢筋，并在两端锚固。由该钢筋张拉产生的预应力状态用以减小或抵消外部荷载所引起的拉应力，即借助于混凝土较高的抗压强度来弥补其抗拉强度的不足，达到推迟受拉区混凝土开裂破坏的目的；且，由于对混凝土提前施加了预应力，大大推迟了裂缝的出现，在使用荷载作用下，构件不会出现裂缝，或使裂缝推迟出现，因此提高了构件的刚度，增加了混凝土的耐久性，节省材料用量和截面尺寸，有利于减少碳排放。
3.但是，上述的普通预应力混凝土也存在以下缺陷：其一是其施工需要张拉钢筋，施工工艺复杂，且需要专门的张拉机具才能施工，其开工费用较大，对构件数量少的工程来讲其成本较高；其二是在高温条件下，施加预应力后的钢筋强度会明显下降，导致其耐火极限降低，因此在建筑消防上存在安全隐患。


技术实现要素：

4.本发明的主要目的在于，提供一种无钢筋预应力混凝土及其成型方法，所要解决的技术问题是如何在不使用钢筋张拉的情况下即可获得表层具有预应力的无钢筋预应力混凝土，使其既能提高建筑的抗裂性和耐久性，又不增加新的投入，降低了施工成本，同时也不会带来消防隐患，从而更加适于实用。
5.本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种无钢筋预应力混凝土，其包括：
6.基层，为砂浆、混凝土或者净浆浇筑件；所述基层的变形值为s1；
7.预应力层，设置于基层的表面并完全覆盖所述基层；所述预应力层为砂浆、混凝土或者净浆浇筑件，其中不包括钢筋；所述预应力层的变形值为s2；其中s1＜s2。
8.本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
9.优选的，前述的无钢筋预应力混凝土，其中所述基层收缩，所述预应力层膨胀。
10.优选的，前述的无钢筋预应力混凝土，其中所述基层收缩，所述预应力层收缩，所述基层的收缩大于所述预应力层的收缩。
11.优选的，前述的无钢筋预应力混凝土，其中所述基层膨胀，所述预应力层膨胀，所述基层的膨胀小于所述预应力层的膨胀。
12.优选的，前述的无钢筋预应力混凝土，其依次包括：预应力层，基层和预应力层。
13.本发明的目的及解决其技术问题还采用以下的技术方案来实现。依据本发明提出
的一种无钢筋预应力混凝土的成型方法，其包括以下步骤：
14.基层成型；以质量百分含量计，所述基层的配方如下：胶凝材料水泥3.5％～65％，水6％～20％，细骨料0.2％～54％，粗骨料0％～43％，减水剂0.09％～1.4％，超细矿物掺合料4％～18％，早强剂0.02％～1.4％，膨胀剂0％～0.7％；减缩剂0％～0.06％；增稠剂0％～0.06％；速凝剂0％～0.06％；所述基层的变形值为s1；
15.预应力层成型；以质量百分含量计，所述基层的配方如下：胶凝材料水泥4.8％～58％，水6％～20％，细骨料0.6％～54％，粗骨料0％～47％，减水剂0.09％～1.4％，掺合料4％～20％，减缩剂0％～2％，膨胀剂0.06％～5％；增稠剂0％～0.06％；速凝剂0％～0.06％；所述预应力层中不包括钢筋，且完全覆盖所述基层；所述预应力层的变形值为s2；其中s1＜s2。
16.本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
17.优选的，前述的成型方法，其包括以下步骤：1)基层成型；2)在基层上浇筑预应力层；3)拆模后，使所述预应力层暴露服役。
18.优选的，前述的成型方法，其包括以下步骤：1)预应力层成型；2)在预应力层上浇筑基层；3)拆模后翻转，使所述预应力层暴露服役。
19.优选的，前述的成型方法，其包括以下步骤：1)预应力层成型；2)在预应力层上浇筑基层；3)在基层上浇筑预应力层；4)拆模后，使所述预应力层暴露服役。
20.优选的，前述的成型方法，其中所述胶凝材料水泥选自通用硅酸盐水泥、特种水泥和气硬性胶凝材料中的至少一种。
21.优选的，前述的成型方法，其中所述减水剂选自聚羧酸减水剂、萘系减水剂、蒽系减水剂、三聚氰胺系减水剂中的至少一种。
22.优选的，前述的成型方法，其中所述掺合料选自粉煤灰、矿渣、石粉、钢渣粉和石灰石粉中的至少一种。
23.优选的，前述的成型方法，其中所述减缩剂为聚醚或聚醇类有机物及其衍生物中的至少一种。
24.优选的，前述的成型方法，其中所述膨胀剂选自硫铝酸钙类膨胀剂、氧化镁基膨胀剂、石灰基膨胀剂和铁粉系膨胀剂中的至少一种。
25.优选的，前述的成型方法，其中所述超细矿物掺合料的比表面积≥500m2/kg，选自超细矿渣、超细水泥、硅灰、超细石灰石粉和超细粉煤灰中的至少一种。
26.优选的，前述的成型方法，其中所述早强剂选自硫酸钠、硫酸钾、氯化钾、氯化钠、硅酸钠、硝酸钠、乙酸钠、三乙醇胺和甲醇中的至少一种。
27.借由上述技术方案，本发明提出一种无钢筋预应力混凝土及其成型方法至少具有下列优点：
28.本发明提出的无钢筋预应力混凝土及其成型方法，其通过控制基层和预应力层配方之间的相互关系，合理调节基层和预应力层各自的变形值，使基层的变形值小于预应力层的变形值，从而在预应力层中产生受压的预应力，也即得到一种表层受压的无钢筋预应力混凝土；其一方面降低了预应力混凝土的制造成本，无需使用钢筋等张拉材料，既节省了张拉钢筋的材料成本，又节省了张拉钢筋的施工费用和人工费用；另一方面，其无需使用钢筋等张拉材料，因此其不会出现由于钢筋强度明显下降而导致的耐火极限降低，极大可能
地避免了建筑消防上存在的安全隐患。本发明技术方案通过合理设置基层混凝土配方以及预应力层混凝土配方，在不使用张拉钢筋的条件下获得了表层受压的预应力层混凝土，其表层预应力水平虽然不及张拉钢筋产生的预应力高，但是将其应用于具有一定预应力要求的应用场合中，既能提高建筑的抗裂性和耐久性，又不增加新的投入，降低了施工成本，同时也不会带来消防隐患，取得了较好的综合效果。
29.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例详细说明如后。
具体实施方式
30.为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合较佳实施例，对依据本发明提出的一种无钢筋预应力混凝土及其成型方法其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。
31.本发明提出一种无钢筋预应力混凝土，其包括：基层，为砂浆、混凝土或者净浆浇筑件；所述基层的变形值为s1；预应力层，设置于基层的表面并完全覆盖所述基层；所述预应力层为砂浆、混凝土或者净浆浇筑件，其中不包括钢筋；所述预应力层的变形值为s2；其中s1＜s2。
32.上述技术方案中不使用张拉钢筋等技术手段，仅通过控制基层和预应力层的变形值，并使基层的变形值小于预应力层的变形值，从而使预应力层中产生一定程度的预应力，从而实现混凝土表层受压，综合性能提升。
33.上述技术方案中，所述变形值是指基层或者预应力层各自的最终尺寸减去初始尺寸的差值。该变形值采用gb/t50082中的接触法或非接触法进行测试。当混凝土是收缩的情况下，其变形值为负数，也称为收缩值；反之，当混凝土是膨胀的情况下，其变形值是正数，也称为膨胀值。预应力层的预应力情况随着基层的配方、预应力层的配方不同分为几种情况。
34.当基层的配方导致所述基层收缩时，s1为负数；而预应力层的配方导致所述预应力层膨胀时，s2为正数，此时预应力层中的预应力由s1和s2的绝对值之和的作用产生。
35.当基层的配方导致所述基层收缩时，s1为负数；而预应力层的配方导致所述预应力层收缩时，s2为负数，该种情况下要求所述基层的收缩大于所述预应力层的收缩，也即s1＜s2，此时预应力层的预应力由s1和s2的绝对值之差的作用产生。
36.当基层的配方导致所述基层膨胀时，s1为正数；而预应力层的配方导致所述预应力层膨胀时，s2为正数，该种情况下要求所述基层的膨胀小于所述预应力层的膨胀，也即s1＜s2，此时预应力层的预应力由s1和s2的绝对值之差的作用产生。
37.上述技术方案中，所述预应力层所受的预应力可以根据下述公式进行计算：
38.预应力＝(s2-s1)
×
e2
39.式中，s1为基层的变形值，s2为预应力层的变形值，s1和s2无单位；e2为预应力层的弹性模量，单位为mpa；预应力的单位也为mpa。
40.本发明所述无钢筋预应力混凝土也可以制造成具有三层混凝土的三明治结构，其依次包括：预应力层，基层和预应力层；所述预应力层设置于基层的表面上对外暴露服役。
41.本发明还提出一种无钢筋预应力混凝土的成型方法，其包括以下步骤：
42.基层成型；以质量百分含量计，所述基层的配方如下：胶凝材料水泥3.5％～65％，水6％～20％，细骨料0.2％～54％，粗骨料0％～43％，减水剂0.09％～1.4％，超细矿物掺合料4％～18％，早强剂0.02％～1.4％，膨胀剂0％～0.7％；减缩剂0％～0.06％；增稠剂0％～0.06％；速凝剂0％～0.06％；所述基层的变形值为s1；
43.预应力层成型；以质量百分含量计，所述基层的配方如下：胶凝材料水泥4.8％～58％，水6％～20％，细骨料0.6％～54％，粗骨料0％～47％，减水剂0.09％～1.4％，掺合料4％～20％，减缩剂0％～2％，膨胀剂0.06％～5％；增稠剂0％～0.06％；速凝剂0％～0.06％；所述预应力层中不包括钢筋，且完全覆盖所述基层；所述预应力层的变形值为s2；其中s1＜s2。
44.根据本发明所述的混凝土的预应力层所受预应力的大小可以根据基层和预应力层的配方具体调整；当预应力层所受的预应力较大时，为避免基层因受拉而发生开裂等缺陷，可以考虑增加基层的厚度或者基层内部配筋进行预防。
45.所述无钢筋预应力混凝土的成型步骤可以是先成型基层后成型预应力层，也可以是先成型预应力层后成型基层；无论采用何种方式成型，均是预应力层对外暴露服役。
46.具体的，当所述无钢筋预应力混凝土为两层结构时，本发明所述的成型方法，其包括以下步骤：1)基层成型；2)在基层上浇筑预应力层；3)拆模后，使所述预应力层暴露服役。或者，本发明所述的成型方法，其包括以下步骤：1)预应力层成型；2)在预应力层上浇筑基层；3)拆模后翻转，使所述预应力层暴露服役。
47.当所述无钢筋预应力混凝土为三层结构时，本发明所述的成型方法，其包括以下步骤：1)预应力层成型；2)在预应力层上浇筑基层；3)在基层上浇筑预应力层；4)拆模后，使所述预应力层暴露服役。
48.所述无钢筋预应力混凝土的成型步骤中还包括基层与预应力层之间进行界面处理的步骤；该设置的目的旨在确保两层之间的结合力牢固，以确保二者可以成为一个牢固的整体。
49.所述界面处理包括在界面处喷洒乳液类界面剂；或者在界面处设置金属纤维使其同时插入基层和预应力层中；所述设置金属纤维时还可以包括基层或者预应力层表面拉毛的步骤。
50.本发明配方中所述胶凝材料水泥包括但不限于通用硅酸盐水泥、特种水泥、气硬性胶凝材料和水硬性胶凝材料中的至少一种，其主要起到胶结作用。
51.本发明配方中所述水为拌合用水，在施工拌合时加入。
52.本发明配方中所述粗骨料、细骨料包括但不限于机制砂、天然河砂、回收骨料和其他任何能够充当水泥基材料骨架类的材料的一种或两种以上的混合物。
53.本发明配方中所述减水剂包括但不限于聚羧酸减水剂、萘系减水剂、蒽系减水剂、三聚氰胺系减水剂中的至少一种。
54.本发明配方中所述掺合料作为一种辅助性胶凝材料，其包括但不限于粉煤灰，矿渣，石粉，钢渣粉，石灰石粉等具有填充效应或火山灰效应的辅助胶凝材料一种或两种以上的混合物。
55.本发明配方中所述减缩剂的作用在于降低水泥石毛细管中水的表面张力，并使得混凝土宏观收缩降低，其选自聚醚或聚醇类有机物及其衍生物的一种或两种以上的混合
物，可以起到调节无钢筋预应力混凝土的收缩/膨胀变形的作用，从而能够通过两层配方的设计，实现控制基层、预应力层的收缩或膨胀的变形程度，然后达到预应力层表层受压的状态，从而制备出一种无钢筋预应力混凝土。
56.本发明配方中所述膨胀剂的作用在于减少混凝土收缩，使混凝土形成膨胀变形，其包括但不限于硫铝酸钙类膨胀剂，氧化镁基膨胀剂，石灰基膨胀剂，铁粉系膨胀剂中的一种或两种以上的混合物，能够起到调节无钢筋预应力混凝土收缩/膨胀变形的作用，能够使预应力层的膨胀大于基层的膨胀，然后达到预应力层表层受压的状态，制备出一种无钢筋预应力混凝土。
57.本发明配方中所述超细矿物掺合料的比表面积超过500m2/kg，其包括但不限于超细矿渣，超细水泥，硅灰、超细石灰石粉，超细粉煤灰一种或两种以上的混合物。在常规技术中，例如，在普通混凝土中，添加超细矿物掺合料主要目的在于提高混凝土的强度，也就是说使用超细矿物掺合料同比例地替代部分水泥可以提高其强度。而本发明中，则是通过在基层混凝土的配方中添加部分超细矿物掺合料，以起到增大基层混凝土收缩的作用，从而控制基层的收缩能够大于预应力层的收缩，或者使基层是收缩而预应力层则是膨胀。从而在预应力层产生预应力。
58.本发明配方中所述早强剂包括但限于硫酸钠，硫酸钾，氯化钾，氯化钠、硅酸钠，硝酸钠，乙酸钠，三乙醇胺，甲醇中的一种或两种以上混合物。所述早强剂主要起到提高基层混凝土的早期强度，从而使基层强度的发展超过预应力层强度的发展。同时，通过早强剂能够在基层混凝土中引入k

，na

离子以增大混凝土的收缩，使基层的收缩能够大于预应力层的收缩，或者使基层是收缩而预应力层则是膨胀。
59.下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不能理解为是对本发明保护范围的限制，该领域的技术人员根据上述本发明的内容对本发明作出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
60.若无特殊说明，以下所涉及的材料、试剂等均为本领域技术人员熟知的市售商品；若无特殊说明，所述方法均为本领域公知的方法。除非另外定义，所使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内的普通技术人员所理解的通常意义。
61.实施例1
62.基层的混凝土配合比：通用硅酸盐水泥：400kg，水：150kg，石子：980kg，砂：680kg，聚羧酸减水剂：4kg，超细粉煤灰：100kg，氯化钠0.4kg。
63.预应力层的混凝土配合比：通用硅酸盐水泥：300kg，水：198kg，石子：1080kg，砂：680kg，聚羧酸减水剂：3kg，粉煤灰：100kg，聚醚减缩剂0.4kg，硫铝酸钙类膨胀剂3kg。
64.成型方法：首先浇筑基层混凝土，然后在基层混凝土表面喷洒丁苯乳液界面剂，然后再浇筑预应力层混凝土；待其硬化脱模后，形成预应力层受压的无钢筋预应力混凝土。
65.经检测，本实施例中基层混凝土的收缩值为450
×
10-6
，预应力层混凝土的收缩值为100
×
10-6
，基层混凝土的收缩值大于预应力层混凝土的收缩值，二者的变形值差值为350
×
10-6
。
66.实施例2
67.基层的混凝土配合比：通用硅酸盐水泥：400kg，水：150kg，石子：980kg，砂：680kg，萘系减水剂：4kg，超细矿渣：100kg，硫酸钠0.4kg。
68.预应力层的混凝土配合比：通用硅酸盐水泥：300kg，水：198kg，石子：1080kg，砂：680kg，萘系减水剂：3kg，矿渣：100kg，聚醇减缩剂1kg，氧化镁基膨胀剂10kg。
69.成型方法：首先浇筑基层混凝土，待基层混凝土终凝后，将基层混凝土表面凿毛，喷洒丙烯酸酯共聚乳液，然后再浇筑预应力层混凝土；待其硬化脱模后，形成预应力层混凝土受压的无钢筋预应力混凝土。
70.经检测，本实施例中基层混凝土的收缩值为450
×
10-6
，预应力层混凝土的膨胀值为75
×
10-6
；基层混凝土收缩，而预应力层混凝土膨胀，二者的变形值差值为525
×
10-6
。
71.实施例3
72.基层的混凝土配合比：通用硅酸盐水泥：400kg，水：150kg，石子：980kg，砂：680kg，蒽系减水剂：4kg，硅灰：100kg，硝酸钠：0.4kg，聚醚减缩剂：0.5kg，铁粉系膨胀剂3kg。
73.预应力层的混凝土配合比：通用硅酸盐水泥：300kg，水：198kg，石子：1080kg，砂：680kg，聚羧酸减水剂：3kg，石粉：100kg，聚醚减缩剂：1kg，铁粉系膨胀剂20kg。
74.成型方法：首先浇筑基层混凝土，然后将钢纤维垂直插入基层混凝土中并露出毛茬，然后再浇筑预应力层混凝土；待其硬化脱模后，形成预应力层受压的无钢筋预应力混凝土。
75.经检测，本实施例中基层混凝土的膨胀值为30
×
10-6
，预应力层混凝土的膨胀值为96
×
10-6
；基层混凝土膨胀，预应力层混凝土也膨胀，但基层混凝土膨胀小于预应力层混凝土膨胀；二者的变形值差值为66
×
10-6
。
76.实施例4
77.基层的混凝土配合比：通用硅酸盐水泥：500kg，水：150kg，砂：880kg，聚羧酸减水剂：4kg，超细石灰石粉：150kg，氯化钾：0.4kg，聚醇减缩剂：0.5kg，石灰基膨胀剂1kg，增稠剂1kg，速凝剂1kg。
78.预应力层的混凝土配合比：通用硅酸盐水泥：450kg，水：198kg，砂：880kg，聚羧酸减水剂：4kg，石灰石粉：200kg，聚醇减缩剂：1kg，氧化镁基膨胀剂11kg，增稠剂1kg，速凝剂1kg。
79.成型方法：采用3d打印成型基层混凝土，然后在打印浆体表面喷洒丁苯乳液界面剂，然后再打印预应力层混凝土；待其硬化后，形成预应力层受压的无钢筋预应力混凝土。
80.经检测，本实施例中基层混凝土的收缩值为580
×
10-6
，预应力层混凝土的收缩值为350
×
10-6
，基层混凝土的收缩大于预应力层混凝土的收缩值，二者的变形值差值为230
×
10-6
。
81.实施例5
82.基层的混凝土配合比：通用硅酸盐水泥：450kg，水：150kg，砂：880kg，聚羧酸减水剂：4kg，超细粉煤灰：150kg，三乙醇胺：0.4kg，聚醚减缩剂：1kg，铁粉系膨胀剂10kg，增稠剂1kg，速凝剂1kg。
83.预应力层的混凝土配合比：通用硅酸盐水泥：450kg，水：198kg，砂：880kg，聚羧酸减水剂：3kg，钢渣粉：100kg，聚醇减缩剂：2kg，石灰基膨胀剂20kg，增稠剂1kg，速凝剂1kg。
84.成型方法：采用3d打印成型基层混凝土，将钢纤维垂直插入基层混凝土中并露出毛茬，然后再打印预应力层混凝土；待其硬化后，形成预应力层受压的无钢筋预应力混凝土。
85.经检测，本实施例中基层混凝土的收缩值为380
×
10-6
，预应力层混凝土的膨胀值为60
×
10-6
；基层混凝土是收缩，而预应力层混凝土是膨胀，二者的变形值差值为440
×
10-6
。
86.实施例6
87.基层的混凝土配合比：通用硅酸盐水泥：465kg，水：130kg，砂：2kg；石子：2kg；聚羧酸减水剂：10kg，超细矿渣：100kg，硫酸钾10kg。
88.预应力层的混凝土配合比：通用硅酸盐水泥：420kg，水：140kg，砂：5kg；石子：5kg；聚羧酸减水剂：10kg，石灰石粉：145kg；聚醚减缩剂：0.01kg；氧化镁基膨胀剂:0.4kg。
89.成型方法：首先浇筑基层混凝土，然后在基层混凝土表面喷洒丁苯乳液界面剂并撒布镀铜钢纤维，然后再浇筑预应力层混凝土；待其硬化脱模后，形成预应力层受压的无钢筋预应力混凝土构件。
90.经检测，本实施例中基层混凝土的收缩值为751
×
10-6
，预应力层混凝土的收缩值为462
×
10-6
，基层混凝土的收缩值大于预应力层混凝土的收缩值；二者的变形值差值为289
×
10-6
。
91.实施例7
92.基层的混凝土配合比：通用硅酸盐水泥：80kg，水：143kg，砂：900kg；石子：700kg；聚羧酸减水剂：2kg，超细粉煤灰：400kg，硫铝酸钙类膨胀剂0.1kg，硅酸钠2kg。
93.预应力层的混凝土配合比：通用硅酸盐水泥：110kg，水：138kg，砂：510kg；石子：1020kg；聚羧酸减水剂：2kg，石灰石粉：300kg；聚醚减缩剂：40kg；铁粉系膨胀剂:100kg；氯化钾剂2kg。
94.成型方法：首先浇筑基层混凝土，然后在基层混凝土表面拉毛并撒布镀铜钢纤维，然后再浇筑预应力层混凝土；待其硬化脱模后，形成预应力层受压的无钢筋预应力混凝土构件。
95.经检测，本实施例中基层混凝土的收缩值为342
×
10-6
，预应力层混凝土的膨胀值为62
×
10-6
，基层混凝土是收缩，而预应力层混凝土是膨胀，二者的变形值差值为404
×
10-6
。
96.上述实施例1至实施例7中所制备的混凝土中，预应力层的变形值s2减去基层的变形值s1的差值均大于0，说明在预应力层内均产生了受压的效果，也即预应力层内均产生了预应力。
97.预应力的具体值可以结合具体实施例中预应力层的弹性模量具体计算。一般混凝土的弹性模量在30gpa左右；若浇筑的材料为砂浆和净浆，则其弹性模量的范围变化较大，具体操作中以实际测量为准。
98.本发明权利要求和/或说明书中的技术特征可以进行组合，其组合方式不限于权利要求中通过引用关系得到的组合。通过权利要求和/或说明书中的技术特征进行组合得到的技术方案，也是本发明的保护范围。
99.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。