淺析再生混凝土的研究歷史及現(xiàn)狀

侯 敏

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031)

0 前 言

已有研究分析表明，較少學(xué)者關(guān)注再生混凝的構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)性能。國內(nèi)外已經(jīng)有一些科研人員對于再生混凝土梁、柱結(jié)構(gòu)的疲勞載荷與靜力載荷作用進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。同時(shí)在實(shí)驗(yàn)后，分析研究了再生混凝土和鋼筋間粘結(jié)強(qiáng)度。在這樣的研究之下，科研人員拓展地研究和分析了再生混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)及框架結(jié)構(gòu)抗震性能。

1 再生混凝土研究現(xiàn)狀

1.1 再生混凝土梁

Yagishita等[1]進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明再生混凝土梁的荷載-變形關(guān)系曲線與普通混凝土梁基本一致。Andrzej[2]等進(jìn)行了再生混凝土梁的受彎力學(xué)性能試驗(yàn)，結(jié)果表明：再生混凝土正常使用及極限狀態(tài)下的撓度比普通混凝土大。

沈宏波[3]完成了再生混凝土梁受彎性能和受剪性能的驗(yàn)證性試驗(yàn)。結(jié)果表明：隨著再生粗集料取代率的提高，再生混凝土梁的跨中撓度增大，再生混凝土梁的延性增加，但梁的開裂荷載、屈服荷載和極限荷載均有降低趨勢。

1.2 再生鋼筋混凝土柱

再生鋼筋混凝土柱的研究國內(nèi)外較少。已有的研究結(jié)果表明隨著再生混凝土取代率的提高對短柱的受力過程、裂縫發(fā)展和破壞形態(tài)產(chǎn)生明顯影響。

1.3 再生混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)和框架結(jié)構(gòu)

Corinaldesi[4]在前些年初步完成對再生混凝土節(jié)點(diǎn)部分的研究，特別是對梁柱節(jié)點(diǎn)之間能耗更予以了重點(diǎn)關(guān)注。結(jié)果證實(shí)：和天然骨料的混凝土相比，再生混凝土節(jié)點(diǎn)之間能耗稍低，但通過增加粉煤灰等添加材料可以提高其延性和耗能能力。再生混凝土框架結(jié)構(gòu)的研究，目前僅限于肖建莊課題組。通過不同再生粗集料取代率制作了四榀再生混凝土框架，進(jìn)行低周反復(fù)加載試驗(yàn)。

1.4 再生混凝土組合結(jié)構(gòu)

鋼管混凝土由于受力方面優(yōu)勢極為顯著，因此，在研究業(yè)界與施工方得到越來越多的重視，研究和應(yīng)用也越來越多。

Kommo[5]及何東，王清遠(yuǎn)等[6]也開始研究鋼管再生混凝土力學(xué)特性。經(jīng)過一系列的試驗(yàn)及理論論證，可以得知：鋼管再生混凝土的力學(xué)性能和鋼管普通混凝土性質(zhì)相似，均有較好的延性，不過伴隨取代率之變化，極限承載力以及剛度同樣會(huì)出現(xiàn)變化。

2 纖維復(fù)合材料FRP加固研究現(xiàn)狀

2.1 FRP的研究現(xiàn)狀

近些年，一種新結(jié)構(gòu)加固技術(shù)被推廣，主要是用纖維片材加固的修復(fù)技術(shù)。建筑工程中，采取纖維增強(qiáng)材料很有必要。因?yàn)槠渚哂幸韵绿攸c(diǎn)：質(zhì)輕、易于施工、耐用性能好于鋼筋混凝土、耐腐蝕性高、電和熱性能好、疲勞性能好。不過其自身也有許多的缺點(diǎn)：費(fèi)用高、層間剪切強(qiáng)度較低、彈性模量低、容易出現(xiàn)老化現(xiàn)象、耐溫性不高、長期強(qiáng)度不高及有預(yù)應(yīng)力時(shí)具有大橫向應(yīng)力。

纖維增強(qiáng)聚合物的構(gòu)成一般為纖維片材和纖維膠。碳纖維具有極大的抗拉強(qiáng)度，和普通鋼材比，抗拉強(qiáng)度為后者的十倍。普通鋼材在彈性模量上和它相似。碳纖維的彈性模量處于380～640 GPa，普通碳纖維彈性模量處于230 GPa上下。

2.2 FRP加固混凝土結(jié)構(gòu)的研究

美國在FRP研究上也是始于20世紀(jì)60年代，主要聚焦于GFRP研究部分。隨后在小尺寸的FRP預(yù)應(yīng)力梁的研究方面獲得了很大進(jìn)展，學(xué)者與研究人員在進(jìn)行GFRP筋開發(fā)研究上獲得了成功[7]。日本緊隨美國之后開始該領(lǐng)域的探索。對FRP的研究比較系統(tǒng)化、全面化，20世紀(jì)70年代開始研究FRP的應(yīng)用，開發(fā)研究了FRP筋、FRP絞線、片材及板材等。在1993年，為了應(yīng)用于工程實(shí)際，日本制定了全球第一部FRP規(guī)范，同時(shí)把FRP片材應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)，將其作為一種抗震材料投入使用。在歐洲，德國大學(xué)對GFRP預(yù)應(yīng)力筋進(jìn)行了重點(diǎn)的研究，嘗試應(yīng)用于德奧橋梁中，并加強(qiáng)了GFRP預(yù)應(yīng)力筋的使用。也是在1986年，世界首個(gè)后張預(yù)應(yīng)力懸索FRP橋梁建成于德國。同時(shí)在歐洲其他的國家，F(xiàn)RP不僅僅應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)，在維修加固受損結(jié)構(gòu)和古建筑上也有很多的應(yīng)用，同時(shí)對于安全性能也有了很大提升。我國對于FRP的研究相對晚，在1997年才開始展開研究碳纖維布增強(qiáng)鋼筋。不過現(xiàn)在，國內(nèi)的很多學(xué)者在CFRP材料上已經(jīng)有了深入的研究，比較系統(tǒng)的認(rèn)識了其性能及設(shè)計(jì)方法。進(jìn)入21世紀(jì)，我國制定了《碳纖維片材加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS146—2003)，使得技術(shù)從規(guī)程編制角度得到了飛躍。

劉濤等[8]認(rèn)為植筋加固可對固柱吸收能力的能量和延性予以高度提升，并且優(yōu)于碳纖維增強(qiáng)材料橫向約束包覆。Sheikh[9]發(fā)現(xiàn)碳纖維增強(qiáng)材料和玻璃纖維增強(qiáng)材料加固軸壓比、配筋率不一樣的短柱時(shí)，纖維增強(qiáng)材料加固具有更佳的抗震性，具體表現(xiàn)是承載力、耗散力和延性得到很好的提升。此外文獻(xiàn)[10]得出在混凝土纖維增強(qiáng)材料加固后，其抗震性能得到很好的改善。

3 纖維再生混凝土的研究現(xiàn)狀

3.1 纖維再生混凝土的發(fā)展

目前已有的研究表明，最早的纖維混凝土研究中，是在混凝土中添加鋼纖維，使得混凝土的抗拉強(qiáng)度得到提升。在Romualdi[11]纖維間距理論與復(fù)合材料混合的理論獲得業(yè)界認(rèn)可和大規(guī)模的采用后，很大程度上提高了科研人員對纖維混凝土的研究熱情，加快了纖維混凝土的進(jìn)步與推廣。近幾年來，在建筑施工時(shí)普遍用到的纖維混凝土有礦棉混凝土、聚乙烯混凝土、聚丙烯絲混凝土、鋼纖維混凝土。不過已有大量研究表明，對于普通的天然纖維，因?yàn)槠鋸?qiáng)度、耐久性均不夠優(yōu)異，致使這種纖維混凝土僅僅能作為次要構(gòu)件。關(guān)于玻璃纖維來的研究發(fā)現(xiàn)，因?yàn)槠鋸椥阅Ａ颗c強(qiáng)度不高，耐腐蝕一般，易受到酸性腐蝕，將造成混凝土強(qiáng)度逐漸降低，并不能應(yīng)用于主要的結(jié)構(gòu)中。國內(nèi)外研究中用到的鋼纖維由高溫高速熔抽制而成，力學(xué)性能較為穩(wěn)定持久，具有很好的韌性，所以在實(shí)際應(yīng)用中得到廣泛推廣。

3.2 纖維再生混凝土及其加固研究

摻入復(fù)合纖維材料至再生混凝土里，對界面之間的粘結(jié)力予以盡可能提升，達(dá)到提升力學(xué)性能的目的。故于混凝土在拓展工程領(lǐng)域的應(yīng)用來講，研究纖維再生混凝土意義重大，這對于其后期的應(yīng)用提供科學(xué)有效的參考價(jià)值，同時(shí)也能夠提供有力保障。目前，國內(nèi)并沒有給予纖維絲增強(qiáng)再生混凝土這個(gè)課題較高的關(guān)注。所以通過對纖維絲增強(qiáng)再生混凝土的基本性能的研究，對玄武巖纖維在再生混凝土里的性能增強(qiáng)作用予以了拓展研究，可為以后再生混凝土的大范圍實(shí)際的應(yīng)用提供思路和理論支持。

4 鋼管混凝土的研究現(xiàn)狀

4.1 鋼管混凝土的發(fā)展

研究所用到的鋼管混凝土其主要的受力特點(diǎn)是，由鋼管和填充里面的混凝土一起來承擔(dān)外界的載荷。它的成功發(fā)展正是基于將兩者的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合到一起。因?yàn)橥怃摴苋菀资艿礁g或火災(zāi)影響，所以鋼管混凝土結(jié)構(gòu)必須要加固修復(fù)之后，性能才可達(dá)到設(shè)計(jì)要求。用FRP約束后，可對承載力與形變力予以明顯提升，還能夠免受外部環(huán)境影響。所以，越來越多的相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者開始對FRP鋼管混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。

在最開始，鋼管混凝土在大跨度柱和橋墩中得到了應(yīng)用，此時(shí)鋼管和混凝土間的粘結(jié)性能并不在考慮范圍內(nèi)。另外，受到荷載時(shí)，二者的作用力從整體上于結(jié)構(gòu)力學(xué)的影響也未被關(guān)注。最近幾年來，伴隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及對工程結(jié)構(gòu)質(zhì)量要求的全面的提升，工程中大量應(yīng)用鋼管混凝土，因?yàn)槠渚哂袕?qiáng)度高、質(zhì)量輕，抗疲勞性和抗沖擊能力優(yōu)良等特點(diǎn)。在此基礎(chǔ)之上，國內(nèi)開始出臺相關(guān)法規(guī)和政策的制定，制定了更多鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的規(guī)范。

在鋼管混凝土受到廣泛關(guān)注的同時(shí)，因?yàn)橥獠凯h(huán)境的因素，越來越多的鋼管構(gòu)件要采取加固修復(fù)方式來提升其承載能力，繼而滿足新的使用要求。以上因素都促使了一種新的結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生，即纖維布約束鋼管混凝土。結(jié)合鋼管混凝土與FRP兩者的綜合特性，最大限度地利用纖維布強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，能夠很好地提高鋼管混凝土構(gòu)件的承載力。纖維布約束鋼管混凝土優(yōu)點(diǎn)有：①高強(qiáng)度和高承載力。在鋼管的約束下，核心混凝土于縱向上的開裂明顯下降；另外，由于核心混凝土對外部鋼管的作用，延緩了其早期的屈曲破壞；此外，纖維布環(huán)向約束，能夠使核心混凝土具有更高的抗壓強(qiáng)度，提升構(gòu)件的承載力；②優(yōu)良的韌性與較強(qiáng)的抗沖擊能力。整體塑性變形能力、韌性提高；③制作快捷，不需要花費(fèi)很長的時(shí)間。因?yàn)殇摴艿募s束作用，在進(jìn)行制作的時(shí)候，不需要額外的支模和拆模，施工方便簡捷；④經(jīng)濟(jì)效益高，因?yàn)槔w維布能讓鋼管混凝土里面的鋼管直徑、厚度均得到降低。另外，因?yàn)槔w維布具有較好的耐腐性，使得構(gòu)件投入使用后不需要頻繁維護(hù)，基于此，工程更為青睞纖維布加固鋼管混凝土。

4.2 鋼管再生混凝土的加固研究

正如前面所講的那樣，鋼管混凝土對鋼管和混凝土兩種材料之特性予以了綜合，具備了更為優(yōu)秀的力學(xué)性能，在高層及跨度大的橋梁結(jié)構(gòu)上應(yīng)用的很廣泛。不過在當(dāng)今社會(huì)，自然資源日益枯竭以及混凝土廢渣日漸增多，使得人們?nèi)諠u關(guān)注再生混凝土這一產(chǎn)品。因?yàn)樵偕炷晾锩娴脑偕橇嫌信f砂漿，所以和天然骨料混凝土比，再生混凝土密度要低大約7%[12]；在SEM下可以發(fā)現(xiàn)再生骨料與新水泥在界面過渡位置包含很多的孔洞，這些孔洞的存在使結(jié)構(gòu)密實(shí)性大大降低，因此，使再生混凝土抗壓強(qiáng)度低于普通混凝土。由此可以得出，因?yàn)樵偕炷帘绕胀ǖ幕炷亮W(xué)性能差，因此，鋼管再生混凝土構(gòu)件各項(xiàng)性能并不能和普通的鋼管混凝土相媲美。

鋼管混凝土使兩者的優(yōu)勢均得到施展。由于鋼管的約束，使核心再生混凝土在橫向變形降低，對于再生混凝土力學(xué)特性提升很有利。在國內(nèi)外的學(xué)者，如文獻(xiàn)[13]通過分析鋼管再生混凝土構(gòu)件力學(xué)性能，得出結(jié)論表明，鋼管再生混凝土和鋼管混凝土兩者變形特性較為一致，不過在剛度與極限承載力上卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如鋼管普通混凝土高。W Y Tam等[14]通過研究不同再生集料替代率的圓截面或方截面鋼管再生混凝土柱，得到結(jié)果表明，參照國內(nèi)現(xiàn)在通用的《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50936—2014)，可合理計(jì)算鋼管再生類結(jié)構(gòu)所對應(yīng)的之極限承載力。肖建莊等[15]研究得出以下結(jié)論：鋼管中部鼓曲破壞是主要的破壞形式，與此同時(shí)，核心再生混凝土產(chǎn)生剪切破壞，另外再生集料替代率對橫向變形系數(shù)影響較小，不對應(yīng)變峰值產(chǎn)生提高作用，進(jìn)而提高其變形能力。

在缺點(diǎn)方面，鋼管再生混凝土表現(xiàn)的主要是承載力與剛度普遍不高，通過參照前面提到的纖維布約束的方式，可借助外包纖維布對混凝土之剛度與極限承載力予以提升。由于世界上人口的爆炸性增長與不可再生的資源面臨消失，因此，環(huán)保組織大力的倡導(dǎo)低碳、環(huán)保且可持續(xù)發(fā)展。基于此，強(qiáng)化研究纖維布加固鋼管類型的再生混凝土，并對其予以拓展分析十分必要，這對于社會(huì)發(fā)展和工程方面材料的進(jìn)步，均有一個(gè)促進(jìn)作用。再生混凝土在未來如果能夠得到推廣與使用，對于利用建筑垃圾的問題十分有意義，不過再生混凝土抗壓強(qiáng)度很差的現(xiàn)實(shí)，致使其還不能在當(dāng)下得到進(jìn)一步的推廣與應(yīng)用。利用鋼管良好的力學(xué)性能，能夠讓鋼管再生混凝土抗壓性能得到了進(jìn)一步提升。不過和鋼管普通混凝土來對比發(fā)現(xiàn)，在剛度與極限承載力依然不足，在大型建筑與結(jié)構(gòu)上應(yīng)用還是很難實(shí)現(xiàn)。因此，通過充分利用纖維布的優(yōu)點(diǎn)，得到了用纖維布約束鋼管再生混凝土，其變形能力和剛度、極限承載力均有一個(gè)明顯的提升，大大地解決了當(dāng)下在再生混凝土無法大規(guī)模使用的難題。

5 結(jié) 語

由于FRP加固、鋼管混凝土、纖維混凝土的結(jié)構(gòu)已經(jīng)得到了越來越多的研究，因此，在大型建筑、高層結(jié)構(gòu)和大跨度結(jié)構(gòu)上，人們也能夠經(jīng)常看得到它們的身影，而且目前效果良好。把纖維增強(qiáng)技術(shù)與鋼管約束共同使用，能夠最大程度上優(yōu)化混凝土力學(xué)特性。

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