浅析再生混凝土的研究历史及现状

2020-01-01侯敏

四川建材 2020年11期

侯敏

(中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都 610031)

0 前言

已有研究分析表明，较少学者关注再生混凝的构件和结构的各项性能。国内外已经有一些科研人员对于再生混凝土梁、柱结构的疲劳载荷与静力载荷作用进行了实验研究。同时在实验后，分析研究了再生混凝土和钢筋间粘结强度。在这样的研究之下，科研人员拓展地研究和分析了再生混凝土梁柱节点及框架结构抗震性能。

1 再生混凝土研究现状

1.1 再生混凝土梁

Yagishita等[1]进行了试验研究，结果表明再生混凝土梁的荷载-变形关系曲线与普通混凝土梁基本一致。Andrzej[2]等进行了再生混凝土梁的受弯力学性能试验，结果表明：再生混凝土正常使用及极限状态下的挠度比普通混凝土大。

沈宏波[3]完成了再生混凝土梁受弯性能和受剪性能的验证性试验。结果表明：随着再生粗集料取代率的提高，再生混凝土梁的跨中挠度增大，再生混凝土梁的延性增加，但梁的开裂荷载、屈服荷载和极限荷载均有降低趋势。

1.2 再生钢筋混凝土柱

再生钢筋混凝土柱的研究国内外较少。已有的研究结果表明随着再生混凝土取代率的提高对短柱的受力过程、裂缝发展和破坏形态产生明显影响。

1.3 再生混凝土梁柱节点和框架结构

Corinaldesi[4]在前些年初步完成对再生混凝土节点部分的研究，特别是对梁柱节点之间能耗更予以了重点关注。结果证实：和天然骨料的混凝土相比，再生混凝土节点之间能耗稍低，但通过增加粉煤灰等添加材料可以提高其延性和耗能能力。再生混凝土框架结构的研究，目前仅限于肖建庄课题组。通过不同再生粗集料取代率制作了四榀再生混凝土框架，进行低周反复加载试验。

1.4 再生混凝土组合结构

钢管混凝土由于受力方面优势极为显著，因此，在研究业界与施工方得到越来越多的重视，研究和应用也越来越多。

Kommo[5]及何东，王清远等[6]也开始研究钢管再生混凝土力学特性。经过一系列的试验及理论论证，可以得知：钢管再生混凝土的力学性能和钢管普通混凝土性质相似，均有较好的延性，不过伴随取代率之变化，极限承载力以及刚度同样会出现变化。

2 纤维复合材料FRP加固研究现状

2.1 FRP的研究现状

近些年，一种新结构加固技术被推广，主要是用纤维片材加固的修复技术。建筑工程中，采取纤维增强材料很有必要。因为其具有以下特点：质轻、易于施工、耐用性能好于钢筋混凝土、耐腐蚀性高、电和热性能好、疲劳性能好。不过其自身也有许多的缺点：费用高、层间剪切强度较低、弹性模量低、容易出现老化现象、耐温性不高、长期强度不高及有预应力时具有大横向应力。

纤维增强聚合物的构成一般为纤维片材和纤维胶。碳纤维具有极大的抗拉强度，和普通钢材比，抗拉强度为后者的十倍。普通钢材在弹性模量上和它相似。碳纤维的弹性模量处于380～640 GPa，普通碳纤维弹性模量处于230 GPa上下。

2.2 FRP加固混凝土结构的研究

美国在FRP研究上也是始于20世纪60年代，主要聚焦于GFRP研究部分。随后在小尺寸的FRP预应力梁的研究方面获得了很大进展，学者与研究人员在进行GFRP筋开发研究上获得了成功[7]。日本紧随美国之后开始该领域的探索。对FRP的研究比较系统化、全面化，20世纪70年代开始研究FRP的应用，开发研究了FRP筋、FRP绞线、片材及板材等。在1993年，为了应用于工程实际，日本制定了全球第一部FRP规范，同时把FRP片材应用于现实，将其作为一种抗震材料投入使用。在欧洲，德国大学对GFRP预应力筋进行了重点的研究，尝试应用于德奥桥梁中，并加强了GFRP预应力筋的使用。也是在1986年，世界首个后张预应力悬索FRP桥梁建成于德国。同时在欧洲其他的国家，FRP不仅仅应用于桥梁结构，在维修加固受损结构和古建筑上也有很多的应用，同时对于安全性能也有了很大提升。我国对于FRP的研究相对晚，在1997年才开始展开研究碳纤维布增强钢筋。不过现在，国内的很多学者在CFRP材料上已经有了深入的研究，比较系统的认识了其性能及设计方法。进入21世纪，我国制定了《碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程》(CECS146—2003)，使得技术从规程编制角度得到了飞跃。

刘涛等[8]认为植筋加固可对固柱吸收能力的能量和延性予以高度提升，并且优于碳纤维增强材料横向约束包覆。Sheikh[9]发现碳纤维增强材料和玻璃纤维增强材料加固轴压比、配筋率不一样的短柱时，纤维增强材料加固具有更佳的抗震性，具体表现是承载力、耗散力和延性得到很好的提升。此外文献[10]得出在混凝土纤维增强材料加固后，其抗震性能得到很好的改善。

3 纤维再生混凝土的研究现状

3.1 纤维再生混凝土的发展

目前已有的研究表明，最早的纤维混凝土研究中，是在混凝土中添加钢纤维，使得混凝土的抗拉强度得到提升。在Romualdi[11]纤维间距理论与复合材料混合的理论获得业界认可和大规模的采用后，很大程度上提高了科研人员对纤维混凝土的研究热情，加快了纤维混凝土的进步与推广。近几年来，在建筑施工时普遍用到的纤维混凝土有矿棉混凝土、聚乙烯混凝土、聚丙烯丝混凝土、钢纤维混凝土。不过已有大量研究表明，对于普通的天然纤维，因为其强度、耐久性均不够优异，致使这种纤维混凝土仅仅能作为次要构件。关于玻璃纤维来的研究发现，因为其弹性模量与强度不高，耐腐蚀一般，易受到酸性腐蚀，将造成混凝土强度逐渐降低，并不能应用于主要的结构中。国内外研究中用到的钢纤维由高温高速熔抽制而成，力学性能较为稳定持久，具有很好的韧性，所以在实际应用中得到广泛推广。

3.2 纤维再生混凝土及其加固研究

掺入复合纤维材料至再生混凝土里，对界面之间的粘结力予以尽可能提升，达到提升力学性能的目的。故于混凝土在拓展工程领域的应用来讲，研究纤维再生混凝土意义重大，这对于其后期的应用提供科学有效的参考价值，同时也能够提供有力保障。目前，国内并没有给予纤维丝增强再生混凝土这个课题较高的关注。所以通过对纤维丝增强再生混凝土的基本性能的研究，对玄武岩纤维在再生混凝土里的性能增强作用予以了拓展研究，可为以后再生混凝土的大范围实际的应用提供思路和理论支持。

4 钢管混凝土的研究现状

4.1 钢管混凝土的发展

研究所用到的钢管混凝土其主要的受力特点是，由钢管和填充里面的混凝土一起来承担外界的载荷。它的成功发展正是基于将两者的优点结合到一起。因为外钢管容易受到腐蚀或火灾影响，所以钢管混凝土结构必须要加固修复之后，性能才可达到设计要求。用FRP约束后，可对承载力与形变力予以明显提升，还能够免受外部环境影响。所以，越来越多的相关领域学者开始对FRP钢管混凝土结构进行了研究。

在最开始，钢管混凝土在大跨度柱和桥墩中得到了应用，此时钢管和混凝土间的粘结性能并不在考虑范围内。另外，受到荷载时，二者的作用力从整体上于结构力学的影响也未被关注。最近几年来，伴随着国内经济发展以及对工程结构质量要求的全面的提升，工程中大量应用钢管混凝土，因为其具有强度高、质量轻，抗疲劳性和抗冲击能力优良等特点。在此基础之上，国内开始出台相关法规和政策的制定，制定了更多钢管混凝土结构设计的规范。

在钢管混凝土受到广泛关注的同时，因为外部环境的因素，越来越多的钢管构件要采取加固修复方式来提升其承载能力，继而满足新的使用要求。以上因素都促使了一种新的结构的产生，即纤维布约束钢管混凝土。结合钢管混凝土与FRP两者的综合特性，最大限度地利用纤维布强度高等优点，能够很好地提高钢管混凝土构件的承载力。纤维布约束钢管混凝土优点有：①高强度和高承载力。在钢管的约束下，核心混凝土于纵向上的开裂明显下降；另外，由于核心混凝土对外部钢管的作用，延缓了其早期的屈曲破坏；此外，纤维布环向约束，能够使核心混凝土具有更高的抗压强度，提升构件的承载力；②优良的韧性与较强的抗冲击能力。整体塑性变形能力、韧性提高；③制作快捷，不需要花费很长的时间。因为钢管的约束作用，在进行制作的时候，不需要额外的支模和拆模，施工方便简捷；④经济效益高，因为纤维布能让钢管混凝土里面的钢管直径、厚度均得到降低。另外，因为纤维布具有较好的耐腐性，使得构件投入使用后不需要频繁维护，基于此，工程更为青睐纤维布加固钢管混凝土。

4.2 钢管再生混凝土的加固研究

正如前面所讲的那样，钢管混凝土对钢管和混凝土两种材料之特性予以了综合，具备了更为优秀的力学性能，在高层及跨度大的桥梁结构上应用的很广泛。不过在当今社会，自然资源日益枯竭以及混凝土废渣日渐增多，使得人们日渐关注再生混凝土这一产品。因为再生混凝土里面的再生骨料有旧砂浆，所以和天然骨料混凝土比，再生混凝土密度要低大约7%[12]；在SEM下可以发现再生骨料与新水泥在界面过渡位置包含很多的孔洞，这些孔洞的存在使结构密实性大大降低，因此，使再生混凝土抗压强度低于普通混凝土。由此可以得出，因为再生混凝土比普通的混凝土力学性能差，因此，钢管再生混凝土构件各项性能并不能和普通的钢管混凝土相媲美。

钢管混凝土使两者的优势均得到施展。由于钢管的约束，使核心再生混凝土在横向变形降低，对于再生混凝土力学特性提升很有利。在国内外的学者，如文献[13]通过分析钢管再生混凝土构件力学性能，得出结论表明，钢管再生混凝土和钢管混凝土两者变形特性较为一致，不过在刚度与极限承载力上却远远不如钢管普通混凝土高。W Y Tam等[14]通过研究不同再生集料替代率的圆截面或方截面钢管再生混凝土柱，得到结果表明，参照国内现在通用的《钢管混凝土结构设计规范》(GB50936—2014)，可合理计算钢管再生类结构所对应的之极限承载力。肖建庄等[15]研究得出以下结论：钢管中部鼓曲破坏是主要的破坏形式，与此同时，核心再生混凝土产生剪切破坏，另外再生集料替代率对横向变形系数影响较小，不对应变峰值产生提高作用，进而提高其变形能力。

在缺点方面，钢管再生混凝土表现的主要是承载力与刚度普遍不高，通过参照前面提到的纤维布约束的方式，可借助外包纤维布对混凝土之刚度与极限承载力予以提升。由于世界上人口的爆炸性增长与不可再生的资源面临消失，因此，环保组织大力的倡导低碳、环保且可持续发展。基于此，强化研究纤维布加固钢管类型的再生混凝土，并对其予以拓展分析十分必要，这对于社会发展和工程方面材料的进步，均有一个促进作用。再生混凝土在未来如果能够得到推广与使用，对于利用建筑垃圾的问题十分有意义，不过再生混凝土抗压强度很差的现实，致使其还不能在当下得到进一步的推广与应用。利用钢管良好的力学性能，能够让钢管再生混凝土抗压性能得到了进一步提升。不过和钢管普通混凝土来对比发现，在刚度与极限承载力依然不足，在大型建筑与结构上应用还是很难实现。因此，通过充分利用纤维布的优点，得到了用纤维布约束钢管再生混凝土，其变形能力和刚度、极限承载力均有一个明显的提升，大大地解决了当下在再生混凝土无法大规模使用的难题。