本发明属于建材领域，特别涉及一种预约束块材混凝土单元及其制备方法。
背景技术：
1、在建设工程中，建筑结构、桥梁、隧道经常采用混凝土结构。这需要用到大量的石、砂、水泥材料。据统计，我国建设用石占混凝土质量近1/2，其使用遍及建筑、交通和铁路等众多行业。据测算，现全国每年仅建设用石量约为40多亿吨，是消耗自然资源最大的材料。目前合乎钢筋混凝土结构所要求的天然砂石已经难以满足工程需要，在实际工程中大量使用机制砂和机制石，通常采用振动给料机、颚式破碎机、制砂机、振动筛和胶带传输机等设备对天然石进行加工，把天然石块粉碎成小粒径石子或砂。在这个过程需要消耗较高的电力、运输、人工，而且产生许多粉尘。这对我们资源和环境带来较大的压力。如何在混凝土结构中减少水泥、小粒径砂、石的应用，对我国工程建设和节能环保有着重要意义。
2、我国每年旧有建筑物或构筑物拆除产生废旧混凝土至少2亿吨，其中绝大部分未经任何处理直接弃置填埋，占用、污染了大量土地。为了解决混凝土使用带来的环境问题，有采用废旧混凝土制备再生骨料及其衍生产品的做法，而再生骨料的制备通常需要经过多次破碎和筛分，过程繁琐，能耗较大，利用效率偏低，加之再生骨料必须与水泥拌合才能形成再生骨料混凝土，水泥用量高。在混凝土结构中适当利用旧有混凝土并适当减少水泥、小粒径砂、石的应用，有着重要意义。
技术实现思路
1、本发明的目的是提供一种预约束块材混凝土单元及其制备方法，解决了混凝土结构中使用过多水泥、小粒径砂、石的问题，并解决了块材与混凝土协同受力的问题。本发明通过混凝土内置预约束块材，有效减少水泥、小粒径砂、石用量，减少水化热、减少粉尘；通过约束笼提升块材和混凝土的连接和受力，实现预约束块材混凝土的力学性能。本技术具有性能可靠、构造简单、施工快捷、绿色环保等优势。
2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案。
3、一种预约束块材混凝土单元，包括预约束块材和混凝土；预约束块材包括块材和约束笼；块材内置在约束笼中；约束笼包括笼架和约束笼孔洞；混凝土包裹预约束块材；约束笼孔洞处有混凝土，使约束笼内的混凝土和约束笼外的混凝土连接为一体。
4、优选的，块材为石块、钢筋混凝土块、混凝土块或水泥砂浆块；约束笼在端部封闭；约束笼孔洞的尺寸小于该处块材的尺寸；笼架包括侧壁架和端部封闭件；端部封闭件为侧壁架延伸形成或为专用的端部封闭件；专用的端部封闭件与侧壁架连接为一体。
5、优选的，约束笼为约束筋笼或网格笼；约束筋笼的笼架由约束筋组成；约束筋为钢筋或钢丝或frp筋；网格笼的笼架由金属网或带孔洞的钢板组成。
6、优选的，约束筋包括纵向筋、横向筋和/或斜向筋；约束筋笼的端部封闭件由纵向筋或斜向筋在端部固定连接或弯折形成或为独立的端部封闭件；独立的端部封闭件与纵向筋或斜向筋固定连接。
7、优选的，笼架有多个子空间；子空间相互独立，内放置有块材。
8、优选的，子空间是笼架被块材隔离件分割形成；块材隔离件为钢筋网片或带孔钢板组成，与侧壁架固定连接；钢筋网片的空隙小于块材的尺寸；带孔钢板的孔洞尺寸小于块材的尺寸；块材隔离件纵向和/或横向和/或竖向布置。
9、优选的，预约束块材有多个；预约束块材之间设置定位件；定位件连接预约束块材。
10、优选的，预约束块材与钢筋和/或钢骨和/或钢管、混凝土组合，形成预约束块材混凝土构件。
11、优选的，块材的粒径为60mm～1500mm；同一个约束笼内的块材粒径较块材粒径平均值的差异不大于35％；块材有多块，填充于约束笼内，填充高度不高于约束笼；块材之间相互分离或者局部接触；块材和约束笼的体积比为3％～95％；预约束块材和混凝土的体积比为3％～300％；笼架体积与约束笼体积的比为0.01％～4％。
12、优选的，混凝土的原料组成为水、水泥、石子、砂、混凝土外加剂、混凝土掺合料，各原料按照重量份数计为水100～200份，水泥100～500份，石子800～1200份，砂550～950份，混凝土掺和料，0～500份；混凝土外加剂：0～80份；混凝土的塌落度不小于80mm；混凝土的扩展度不小于300mm，不大于750mm。
13、优选的，石子粒径不大于60mm；石子为卵石或碎石；砂的细度模数为3.1～3.5的粗砂、2.3～2.8的中砂或/和1.8～2.2细砂；外加剂为减水剂，减水剂的份量为1～20；减水剂的减水率不少于10％；混凝土掺合料为粉煤灰、矿渣、硅灰或/和火山灰；粉煤灰的份量为5～200份；矿渣的份量为5～150份；硅灰的份量为5～180份；火山灰的份量为5～180份。
14、优选的，混凝土的原料包含纤维；纤维为钢纤维、无机纤维或有机纤维；纤维的用量按照体积率计算为0.35％～1.5％。
15、优选的，预约束块材混凝土单元的抗压强度验算方法，具体步骤如下：
16、步骤1，确定块材几何尺寸、强度及在约束笼中的布置；确定约束笼的布置；确定混凝土强度参数；确定预约束块材混凝土单元的横截面面积，确定块材(1)的横截面面积；
17、步骤2，可按照下式进行验算：
18、σ≤f
19、
20、式中：
21、f——预约束块材混凝土单元的抗压强度；
22、σ——预约束块材混凝土单元的压应力；
23、fc1——块材抗压强度；
24、fc2——混凝土抗压强度；
25、a——预约束块材混凝土单元的横截面面积；
26、aa1——块材横截面面积；
27、aa2——混凝土横截面面积；
28、α1——预约束块材混凝土单元强度折减系数，考虑块材、混凝土、约束笼等因素确定，0.3～1.0；
29、公式中的强度参数按照现有国家标准取值或通过实验取值，几何参数按照实际尺寸或名义尺寸取值，重复步骤1～步骤2，将抗压强度与结构依据实际工况荷载计算所得的最大压应力进行对比，大于最大压应力即可。
30、优选的，预约束块材混凝土单元的制备方法，步骤如下：
31、步骤一、准备约束笼、块材的原材料、混凝土的原材料；
32、步骤二、加工约束笼；把块材的原料分割为预定大小的块材；去除块材表面浮尘，并按粒径对块材进行分类；把块材放入约束笼，形成预约束块材；
33、步骤三、把混凝土的原材料：水、水泥、石子、砂、混凝土外加剂、混凝土掺和料搅拌为一体，形成混凝土拌合物；
34、步骤四，把混凝土拌合物与预约束块材浇筑在一起，混凝土拌合物包裹预约束块材，并填充预约束块材之间间隙，形成预约束块材混凝土拌合物；进行养护。
35、与现有技术相比本发明具有以下特点和有益效果。
36、1、通过对块材进行预约束，有效控制块材的接触方式，块材之间有一定距离或者局部接触，使得混凝土充分填充块材，与预约束块材形成预约束块材混凝土，有效减少质量缺陷，提升施工质量，确保结构安全。
37、2、通过约束筋设置以及降低块材的接触面积，现有块材之间为随机接触，接触面积可能大于50％，采用本技术可使得块材接触面积可以少于块材相邻面积的20％，甚至块材之间有一定距离，使得接触面积为0，提高块材与填充混凝土结合的强度和延性。
38、3、由于块材的天然特性，块材预约束混凝土相对于普通混凝土其收缩徐变较小，避免了普通混凝土在大体积施工时容易产生裂缝的缺陷。块材可大大减少水泥的用量，施工过程中减低水化热，对于大体积混凝土，水化热将导致混凝土开裂，导致混凝土抗压等力学性能下降，降低柱、梁等构件的使用年限。
39、4、施工工艺简单，施工现场只需控制混凝土的填充量或连接，操作简单，设备用量少，现场质量易于控制。预约束块材混凝土构件可全部或部分在工厂预制或现场施工，施工效率高，工期短。
40、5、预约束块材混凝土采用块材做原料，相对于人工机制砂石，减少了块材的破碎及可以有效减少制作粗骨料的能耗、减少环境污染减少相应的粉尘和噪音。
41、6、预约束块材混凝土采用混凝土块或钢筋混凝土块做原料，可以重复再利用废旧混凝土。
1.一种预约束块材混凝土单元，其特征在于：所述预约束块材混凝土单元包括预约束块材(5)和混凝土(3)；所述预约束块材(5)包括块材(1)和约束笼(2)；所述块材(1)内置在约束笼(2)中；所述约束笼(2)包括笼架(2.1)和约束笼孔洞(2.2)；所述混凝土(3)包裹预约束块材(5)：所述约束笼孔洞(2.2)处有混凝土(3)，使约束笼(2)内的混凝土(3)和约束笼(2)外的混凝土(3)连接为一体。
2.根据权利要求1所述的预约束块材混凝土单元，其特征在于：所述块材(1)为石块、钢筋混凝土块、混凝土块或水泥砂浆块；所述约束笼(2)在端部封闭；所述约束笼孔洞(2.2)的尺寸小于该处块材(1)的尺寸。
3.根据权利要求1所述的预约束块材混凝土单元，其特征在于：所述笼架(2.1)包括侧壁架(2.1.1)和端部封闭件(2.1.2)；所述端部封闭件(2.1.2)为侧壁架(2.1.1)延伸形成或为专用的端部封闭件(2.1.2)；所述专用的端部封闭件(2.1.2)与所述侧壁架(2.1.1)连接为一体。
4.根据权利要求1所述的预约束块材混凝土单元，其特征在于：所述约束笼(2)为约束筋笼或网格笼；所述约束筋笼的笼架(2.1)由约束筋(4)组成；所述约束筋(4)为钢筋或钢丝或frp筋；所述网格笼的笼架(2.1)由金属网或带孔洞的钢板组成。
5.根据权利要求4所述的预约束块材混凝土单元，其特征在于：所述约束筋(4)包括纵向筋(4.1)、横向筋(4.2)和/或斜向筋(4.3)；所述约束筋笼的端部封闭件(2.1.2)由纵向筋(4.1)或斜向筋(4.3)在端部固定连接或弯折形成或为独立的端部封闭件(2.1.2)；所述独立的端部封闭件(2.1.2)与纵向筋(4.1)或斜向筋(4.3)固定连接。
6.根据权利要求1所述的预约束块材混凝土单元，其特征在于：所述笼架(2.1)有多个子空间；所述子空间相互独立，内放置有块材(1)。
7.根据权利要求6所述的预约束块材混凝土单元，其特征在于：所述子空间是笼架(2.1)被块材隔离件(6)分割形成；所述块材隔离件(6)为钢筋网片或带孔钢板组成，与侧壁架(2.1.1)固定连接；所述钢筋网片的空隙小于块材(1)的尺寸；所述带孔钢板的孔洞尺寸小于块材(1)的尺寸；所述块材隔离件(6)纵向和/或横向和/或竖向布置。
8.根据权利要求1所述的预约束块材混凝土单元，其特征在于：所述预约束块材(5)有多个；所述预约束块材(5)之间设置定位件(7)；所述定位件(7)连接预约束块材(5)。
9.根据权利要求1所述的预约束块材混凝土单元，其特征在于：所述预约束块材(5)与钢筋和/或钢骨和/或钢管、混凝土(3)组合，形成预约束块材混凝土构件。
10.根据权利要求1所述的预约束块材混凝土单元，其特征在于：所述块材(1)的粒径为60mm～1500mm；同一个约束笼(2)内的块材(1)粒径较块材(1)粒径平均值的差异不大于35％；所述块材(1)有多块，填充于约束笼(2)内，填充高度不高于约束笼(2)；所述块材(1)之间相互分离或者局部接触；所述块材(1)和约束笼(2)的体积比为3％～95％；所述预约束块材(5)和混凝土(3)的体积比为3％～300％；所述笼架(2.1)体积与约束笼(2)体积的比为0.01％～4％。
11.根据权利要求1所述的预约束块材混凝土单元，其特征在于：所述混凝土(3)的原料组成为水、水泥、石子、砂、混凝土外加剂、混凝土掺合料，各原料按照重量份数计为水100～200份，水泥100～500份，石子800～1200份，砂550～950份，混凝土掺和料，0～500份；混凝土外加剂：0～80份；所述混凝土(3)的塌落度不小于80mm；所述混凝土(3)的扩展度不小于300mm，不大于750mm。
12.根据权利要求11所述的预约束块材混凝土单元，其特征在于：所述石子粒径不大于60mm；所述石子为卵石或碎石；所述砂的细度模数为3.1～3.5的粗砂、2.3～2.8的中砂或/和1.8～2.2细砂；所述外加剂为减水剂，减水剂的份量为1～20；所述减水剂的减水率不少于10％；混凝土掺合料为粉煤灰、矿渣、硅灰或/和火山灰；所述粉煤灰的份量为5～200份；所述矿渣的份量为5～150份；所述硅灰的份量为5～180份；所述火山灰的份量为5～180份。
13.根据权利要求1所述的预约束块材混凝土单元，其特征在于：所述混凝土(3)的原料包含纤维；所述纤维为钢纤维、无机纤维或有机纤维；所述纤维的用量按照混凝土(3)体积率计算为0.35％～1.5％。
14.根据权利要求1至13中任意一项所述的预约束块材混凝土单元的抗压强度验算方法，其特征在于，具体步骤如下：
15.根据权利要求1-13中任意一项所述的预约束块材混凝土单元的制备方法，其特征在于：步骤如下：
