型鋼活性粉末混凝土組合結(jié)構(gòu)研究綜述

翟建愷 孫一天

(揚(yáng)州大學(xué)建筑科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州225127)

0 引言

普通型鋼混凝土結(jié)構(gòu)一直是現(xiàn)代大跨度、高荷載建筑的主要結(jié)構(gòu)形式，由于型鋼剛度大，可以承受較高的載荷，常用于解決由于建筑物梁柱截面尺寸過大而影響內(nèi)部布局和區(qū)位功能使用的問題。但是隨著時(shí)代的發(fā)展，一方面建筑結(jié)構(gòu)逐漸向超高、超大跨度等方向發(fā)展，型鋼混凝土結(jié)構(gòu)需要尋求新的發(fā)展以滿足更高的承載力要求。另一方面這種結(jié)構(gòu)顯露出越來(lái)越多的問題，如容易產(chǎn)生裂縫，影響構(gòu)件正常使用。還有當(dāng)處于鹽堿地區(qū)和凍融地區(qū)等惡劣環(huán)境下，都對(duì)型鋼混凝土的力學(xué)性能和耐久性提出了更高的要求。

1993年，法國(guó)Bouygues實(shí)驗(yàn)室在高性能混凝土基礎(chǔ)上根據(jù)線性堆積密度模型(Linear Packing Density Model，LPDM)和可壓縮堆積模型(Compressive Packing Model，CPM)[1,2]研制出了活性粉末混凝土，一方面剔除了配制中的粗骨料顆粒，使其顆粒級(jí)配更加合理，優(yōu)化了內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)。另一方面加入了適量的鋼纖維，在混凝土受壓時(shí)起到橋接裂縫的作用。當(dāng)出現(xiàn)較小裂縫時(shí)，高彈性模量的鋼纖維與混凝土基體之間的黏結(jié)力具有一定的阻裂作用[3]。為了改善普通型鋼混凝土的各方面性能，需要研究型鋼活性粉末混凝土組合結(jié)構(gòu)來(lái)滿足現(xiàn)代社會(huì)的建筑需要。

1 RPC的各項(xiàng)性能

1.1 抗壓性能

王志偉[4]在對(duì)RPC的基本力學(xué)性能進(jìn)行研究時(shí)，得出了16組不同 配比FRP200制成100 mm×100 mm×100 mm的立方體在養(yǎng)護(hù)至試驗(yàn)齡期后測(cè)得的抗壓強(qiáng)度值。其抗壓強(qiáng)度達(dá)到130 MPa～160 MPa，一方面是由于內(nèi)部組分密實(shí)，孔隙率小，另外一方面得利于鋼纖維與水泥基體之間的粘結(jié)力。

1.2 抗拉性能

眾所周知，對(duì)于普通混凝土來(lái)說(shuō)，抗拉強(qiáng)度是其最大的短板，通常只有抗壓強(qiáng)度的1/20～1/10，而RPC的抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到20 MPa～50 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過普通混凝土，具有實(shí)用價(jià)值，可以非常方便地制作一些小型的受拉構(gòu)件，不需要加入鋼筋。

1.3 韌性

陳敬衛(wèi)等[5]在研究RPC時(shí)通過實(shí)驗(yàn)得出了其彎曲韌性曲線，與鋼材的曲線類似，具有很高的阻裂能力。試驗(yàn)中測(cè)出的RPC材料斷裂韌性高達(dá)40 000 J/m2，是普通混凝土的250倍，這主要是因?yàn)殇摾w維彈性模量在40 MPa～60 MPa，遠(yuǎn)大于水泥基體，當(dāng)RPC構(gòu)件受彎時(shí)，鋼纖維首先承擔(dān)了大部分拉力，有效地保護(hù)了構(gòu)件整體穩(wěn)定，提高了韌性。比強(qiáng)度很高[6]，非常適合用于老化大跨度建筑，比如橋梁等的加固和修補(bǔ)。

1.4 抗凍性

孫偉[7]在分析RPC耐久性時(shí)進(jìn)行了RPC基體未摻入鋼纖維和加入鋼纖維的抗凍融對(duì)比實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)表明，F(xiàn)RP基體在未摻入鋼纖維前就表現(xiàn)出很強(qiáng)的抗凍融性能，在連續(xù)凍融循環(huán)700次的條件下，其相對(duì)動(dòng)彈模量?jī)H僅下降不到2%，加入鋼纖維之后，相對(duì)動(dòng)彈模量始終保持不變。綜合兩次實(shí)驗(yàn)，得出RPC具有極強(qiáng)的抗凍性。

1.5 抗碳化

未翠霞和宋少民[8]很早就在研究大摻量粉煤灰活性粉末混凝土耐久性時(shí)，使用加速碳化的方法，進(jìn)行了大摻量粉煤灰活性粉末混凝土與C80普通高強(qiáng)混凝土在養(yǎng)護(hù)后，放置于CO2濃度為60%，溫度20 ℃，濕度70%的碳化箱中28 d后，二者碳化深度的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。結(jié)果普通高強(qiáng)混凝土試樣碳化深度均值為1.37 mm，而大摻量粉煤灰活性粉末混凝土碳化深度為0 mm，可見RPC混凝土具有極強(qiáng)的抗碳化能力。

1.6 抗腐蝕性

葉青等[9]對(duì)活性粉末混凝土耐久性研究中，進(jìn)行了RPC和高強(qiáng)混凝土抗腐蝕性對(duì)比研究實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，不管是在何種侵蝕介質(zhì)中，何種侵蝕方式下，RPC的抗壓強(qiáng)度抗侵蝕系數(shù)都大于高強(qiáng)混凝土，得出RPC具有強(qiáng)抗腐蝕性的結(jié)論。

1.7 抗?jié)B透性

北京交通大學(xué)的安明喆、楊新紅等[10]在2007年就在其對(duì)RPC耐久性的研究中通過NEL法測(cè)定了RPC和HPC的氯離子擴(kuò)散系數(shù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明HPC氯離子擴(kuò)散系數(shù)22.17×10-14m2/s，遠(yuǎn)低于RPC的154.44×10-14m2/s，對(duì)比之下，RPC具有很強(qiáng)的抗?jié)B透能力。

2 現(xiàn)階段工程應(yīng)用

2.1 橋面板鋪裝

袁江林[11]進(jìn)行相關(guān)橋面板鋪裝時(shí)提出了新型鋼纖維RPC復(fù)合鋪裝的鋼混連接形式。只在車道中央和RPC板橫向邊緣設(shè)置栓釘，其余部分均使用粘合劑進(jìn)行連接。此應(yīng)用中主要利用了RPC來(lái)提高頂板剛度，增強(qiáng)正交異性橋面板的抗疲勞性能。相信不久的將來(lái)，非常適合制作大跨度的RPC材料會(huì)在橋梁構(gòu)造方面被越來(lái)越多地開發(fā)和利用。

2.2 機(jī)場(chǎng)飛機(jī)跑道

法國(guó)N.Roux等[12]對(duì)于C30,C80,RPC200進(jìn)行了耐磨性實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明RPC的耐磨系數(shù)僅僅為1.3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過普通混凝土，接近于玻璃的耐磨性。這使得RPC在日本東京國(guó)際機(jī)場(chǎng)D跑道擴(kuò)建項(xiàng)目中得到應(yīng)用，而且RPC軸心抗壓強(qiáng)度可以輕松達(dá)到200 MPa，輕質(zhì)高強(qiáng)，這是對(duì)于RPC耐磨性和超高強(qiáng)性能的綜合工程應(yīng)用。

2.3 提升框架節(jié)點(diǎn)抗震能力

框架結(jié)構(gòu)由于節(jié)點(diǎn)較弱，地震時(shí)容易發(fā)生剪切破壞。正常施工時(shí)，節(jié)點(diǎn)處需要綁扎大量鋼筋達(dá)到加固作用，耗材較大。RPC材料不僅高強(qiáng)，而且它所具有的高斷裂能及韌性使結(jié)構(gòu)構(gòu)件可以吸收更多的地震能[13]，無(wú)疑是用于節(jié)點(diǎn)連接處最好的材料。對(duì)于抗震設(shè)計(jì)越來(lái)越重視的現(xiàn)代社會(huì)，RPC在抗震設(shè)計(jì)方面無(wú)疑會(huì)發(fā)揮越來(lái)越多的作用。

3 RPC在型鋼混凝土結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的探討

型鋼混凝土結(jié)構(gòu)多采用組合框架的形式運(yùn)用于建筑中，傅傳國(guó)、熊學(xué)玉、鄭文忠、王琨等[14-19]進(jìn)行了各種截面形式型鋼混凝土組合框架結(jié)構(gòu)的研究與分析，結(jié)果表明，這種組合框架結(jié)構(gòu)由于耗能能力較強(qiáng)且延性較好，具有良好的抗震性能。RPC作為一種新型混凝土材料，代替普通混凝土，與型鋼組合的梁、柱構(gòu)件方面的研究也越來(lái)越多。卜良桃[21，22]在進(jìn)行外包RPC型鋼梁抗彎性能試驗(yàn)和型鋼外包RPC的界面黏結(jié)性能的實(shí)驗(yàn)研究中，成功推導(dǎo)出外包RPC型鋼梁正截面開裂彎矩、抗彎承載能力和界面極限黏結(jié)力的計(jì)算公式。黎紅兵等[23]則對(duì)型鋼活性粉末混凝土柱軸壓性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究和模擬分析，結(jié)果表明，型鋼與活性粉末混凝土具有良好的協(xié)同工作能力，最終的破壞形態(tài)均以柱端部劈裂破壞為主。這些研究都表明RPC與型鋼的結(jié)合應(yīng)用是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)，這種新型組合結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)將會(huì)被越來(lái)越多地發(fā)掘。

4 型鋼RPC組合結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)

1)高剛度、高承載力的型鋼和高強(qiáng)、高韌性的RPC相結(jié)合，不僅使得新型結(jié)構(gòu)擁有超強(qiáng)承載力，而且由于受拉區(qū)鋼纖維可以協(xié)助型鋼受拉，大大提高了組合結(jié)構(gòu)的阻裂能力。

2)普通型鋼混凝土在惡劣環(huán)境下耐久性會(huì)大大降低，而RPC具有高抗凍性、高抗?jié)B透性和高耐腐蝕性的特點(diǎn)，取代普通混凝土與型鋼相結(jié)合，能夠最大限度地保護(hù)型鋼，大幅提高構(gòu)件的耐久性，減少不必要的加固修復(fù)費(fèi)用。

3)RPC本身就具有超高強(qiáng)的性能和穩(wěn)定性，如果在內(nèi)部適配型鋼，可以相結(jié)合制作高強(qiáng)抗震防災(zāi)的預(yù)制柱，在一些地震多發(fā)區(qū)域有廣泛的應(yīng)用前景。

5 結(jié)語(yǔ)

1)型鋼活性粉末混凝土組合結(jié)構(gòu)可以應(yīng)用于裝配式建筑中，一方面由于型鋼本身剛度很高，方便支模，可以節(jié)約裝配式構(gòu)件澆筑成本，另外一方面由于RPC高強(qiáng)不易破損，十分有利于裝配式構(gòu)件的搭接設(shè)計(jì)。

2)型鋼活性粉末混凝土組合結(jié)構(gòu)可以與預(yù)應(yīng)力技術(shù)結(jié)合，由于RPC內(nèi)部致密，收縮變形小，可以大大減少預(yù)應(yīng)力損失，將這種組合結(jié)構(gòu)抵抗裂縫的能力發(fā)揮到極致。

3)充分發(fā)揮RPC高強(qiáng)性能需要高壓高溫的養(yǎng)護(hù)方式，然而型鋼活性粉末混凝土組合結(jié)構(gòu)在工地上很難達(dá)到這種最優(yōu)養(yǎng)護(hù)條件，可以對(duì)此深入研究工地環(huán)境下這種組合結(jié)構(gòu)的最優(yōu)養(yǎng)護(hù)方式，既保證構(gòu)件達(dá)到較高的預(yù)期強(qiáng)度，又經(jīng)濟(jì)合理。