混凝土結(jié)構(gòu)的新發(fā)展

混凝土結(jié)構(gòu)的新發(fā)展一組合混凝土結(jié)構(gòu)摘要：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)對(duì)混凝土的需求不斷增加。本文首次提出組合混凝土結(jié)構(gòu)的基本概念，其基本思想是在不同的層次上（材料、構(gòu)件、結(jié)構(gòu)）組合不同種類(lèi)的混凝土，對(duì)混凝土材料以及結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而使其性能提升，更好滿(mǎn)足安全性、適用性和耐久性，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)性。圍繞這一創(chuàng)新思路，針對(duì)組合混凝土梁、柱、板以及框架結(jié)構(gòu)等，對(duì)組合混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與施工原理進(jìn)行了闡述。最后對(duì)組合混凝土結(jié)構(gòu)存在的科學(xué)問(wèn)題及其發(fā)展趨勢(shì)，包括界面設(shè)計(jì)、3D打印施工與可持續(xù)性評(píng)價(jià)進(jìn)行了分析與展望。關(guān)鍵詞：組合混凝土結(jié)構(gòu)；界面性能；優(yōu)化設(shè)計(jì)；3D打??；可持續(xù)性引言建筑業(yè)是我國(guó)經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)之一，混凝土作為建筑業(yè)的主要結(jié)構(gòu)材料，用量在近20年快速增加，2015年我國(guó)商品混凝土用量已達(dá)16億m3,躍居世界第一。混凝土的制備會(huì)排放大量CO2，能耗總量大?？紤]資源、能源和生態(tài)協(xié)調(diào)發(fā)展，混凝土材料和結(jié)構(gòu)迫切需要可持續(xù)發(fā)展和創(chuàng)新，以應(yīng)對(duì)建筑業(yè)下一個(gè)100年的需求和應(yīng)用。1組合混凝土結(jié)構(gòu)基本概念近年來(lái)，隨著對(duì)混凝土材料研究的不斷深入，誕生了一系列由特殊材料組成的、具有特殊功能的水泥基材料。其中，隨著纖維混凝土與ECC這類(lèi)具有高延性的水泥基材料的出現(xiàn)，逐漸克服了普通混凝土受拉性能較差的缺點(diǎn)。鋼纖維混凝土拉伸延性達(dá)0。5%?1。0%；經(jīng)特殊設(shè)計(jì)的聚乙烯醇纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料（PVA-ECC）抗拉強(qiáng)度約為3MPa-7MPa，拉伸極限應(yīng)變約為2%?4%。2.1組合混凝土材料2.1.1組合骨料混凝土合適的骨料組合，可使混凝土在使用功能上得以提升。例如，為降低大壩混凝土因堿硅酸反應(yīng)而產(chǎn)生的膨脹，由組合骨料混凝土建造的結(jié)構(gòu)，可從力學(xué)性能和功能上，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化結(jié)構(gòu)的目的，形成組合混凝土結(jié)構(gòu)，也可實(shí)現(xiàn)對(duì)綠色環(huán)保材料的應(yīng)用與推廣。2.1.2組合功能材料混凝土傳統(tǒng)的混凝土防護(hù)涂料僅在混凝土表面形成隔離膜，隨著時(shí)間的增加，涂料的附著力會(huì)降低，縮短了防護(hù)壽命。為提高混凝土的防護(hù)壽命，產(chǎn)生了外滲表面強(qiáng)化與修復(fù)材料的混凝土組合形式。外滲型防護(hù)劑等活性材料，利用混凝土具有可滲透性的特點(diǎn)，滲入內(nèi)部并與內(nèi)部組分發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)生成新的物質(zhì)，自適應(yīng)地與混凝土結(jié)合在一起，從而強(qiáng)化表面以及阻止外界的有害物質(zhì)進(jìn)入混凝土。這種組合方式，對(duì)新建混凝土結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)以及舊混凝土建筑的修補(bǔ)與加固都適用。2.2組合混凝土構(gòu)件2.2.1組合混凝土梁預(yù)制梁段由于受力與耐久性考慮，采用較低的再生粗骨料取代率?？箯澰囼?yàn)中，預(yù)制段為普通混凝土，后澆段為再生粗骨料取代率為100%的再生混凝土；抗剪試驗(yàn)中，預(yù)制段取代率為70%，后澆段為100%。結(jié)果表明，再生混凝土疊合梁截面的形狀與梁的力學(xué)性能無(wú)明顯相關(guān)，疊合面未發(fā)生對(duì)承載力和變形不利的破壞，連接完好。2.2.2組合混凝土柱外部形成口字型，采用力學(xué)性能相對(duì)較好的混凝土，并配置鋼筋進(jìn)行加強(qiáng)，可以在工廠預(yù)制保證其質(zhì)量，內(nèi)部可澆筑相對(duì)較差的材料并利用口字型外殼作為模板，同時(shí)外殼也會(huì)對(duì)內(nèi)部混凝土產(chǎn)生一定的約束作用，提高內(nèi)部混凝土的力學(xué)性能。由于約束作用，內(nèi)部和外部混凝土間的界面性能也得到加強(qiáng)。組合柱的形式可以改善再生混凝土的力學(xué)性能，起到施工改性的作用。2.2.3組合混凝土板根據(jù)構(gòu)件截面上受力情況的不同，以一定參數(shù)為指標(biāo)（如纖維體積分?jǐn)?shù)、再生粗骨料取代率），組合力學(xué)性能合適的混凝土，可以顯著提升構(gòu)件的性能，如在受壓區(qū)澆筑彈性模量較大的混凝土，中性軸區(qū)域澆筑性能略差的混凝土，受拉區(qū)澆筑延性好的混凝土，其中中性軸區(qū)域可采用全再生混凝土，受拉區(qū)可采用普通或摻有再生粉體的ECC，這樣可達(dá)到構(gòu)件受力性能最優(yōu)化，降低成本。2.3組合混凝土結(jié)構(gòu)2.3.1組合混凝土超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)混凝土收縮徐變所致開(kāi)裂問(wèn)題會(huì)嚴(yán)重影響建筑物的使用性能及耐久性能。超長(zhǎng)屋面與地下室結(jié)構(gòu)需要嚴(yán)格的裂縫控制，考慮到防水要求，這些超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)通常不設(shè)永久伸縮縫。因此，采用摻加膨脹劑的補(bǔ)償收縮混凝土，用膨脹加強(qiáng)帶取代后澆帶，不僅能夠解決超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)的收縮裂縫問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的連續(xù)澆筑，而且具有施工方便，周期短，結(jié)構(gòu)整體性較好等優(yōu)點(diǎn)。2.3.2組合混凝土框架結(jié)構(gòu)（1）利用UHDCC優(yōu)異的拉伸延性和耗能能力提升關(guān)鍵部位的抗震性能。在框架制作中采用UHDCC澆筑框架的區(qū)域（包括底層柱腳和一層框架節(jié)點(diǎn)區(qū)域），即地震易損部位。為了驗(yàn)證無(wú)筋建造和組合混凝土結(jié)構(gòu)的理念，區(qū)域沒(méi)有配置縱向和橫向鋼筋。（2）框架非關(guān)鍵部位采用普通鋼筋混凝土預(yù)制。3）采用工作性能良好的高強(qiáng)度聚合物砂漿完成預(yù)制拼裝。除UHDCC組合混凝土框架外，還制作了一個(gè)幾何尺寸完全相同的鋼筋混凝土框架試件。3組合混凝土結(jié)構(gòu)問(wèn)題與趨勢(shì)3.1組合混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（1）計(jì)算方法普通混凝土結(jié)構(gòu)在截面上、構(gòu)件上可看作均勻單一的材料，因此可以采用結(jié)構(gòu)力學(xué)、材料力學(xué)以及混凝土結(jié)構(gòu)理論進(jìn)行設(shè)計(jì)。而組合混凝土結(jié)構(gòu)由于在各層次（材料、構(gòu)件、結(jié)構(gòu)）上進(jìn)行了組合，材料的參數(shù)均有較為顯著的不同，需要重新建立本構(gòu)關(guān)系，并對(duì)計(jì)算方法進(jìn)行改進(jìn)?？梢赃\(yùn)用彈塑性力學(xué)的理論，通過(guò)有限元等方法進(jìn)行計(jì)算設(shè)計(jì)。（2）設(shè)計(jì)理念組合混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理念是一種精細(xì)化、一體化的設(shè)計(jì)過(guò)程，需要考慮力學(xué)性能的設(shè)計(jì)與使用功能結(jié)合，做到結(jié)構(gòu)一功能一體化設(shè)計(jì)；在設(shè)計(jì)時(shí)，同時(shí)需要考慮施工的過(guò)程，相對(duì)于一般的混凝土結(jié)構(gòu)，組合混凝土結(jié)構(gòu)的施工過(guò)程對(duì)組合構(gòu)件、結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能有更大的影響。3.2組合混凝土結(jié)構(gòu)施工隨著新型施工技術(shù)發(fā)展，組合混凝土結(jié)構(gòu)的形式將會(huì)更加優(yōu)化。近年來(lái)誕生了一系列新型的施工技術(shù)，包括有3D打印施工技術(shù)和可拆裝施工技術(shù)等。3D打印技術(shù)，是一種增材建造技術(shù)，它通過(guò)將材料逐層疊加的方式完成實(shí)體部件的制造。與傳統(tǒng)的去除材料加工技術(shù)（減材制造）不同，3D打印沒(méi)有剪裁過(guò)程，因此不會(huì)產(chǎn)生邊角料，從而使原材料的使用率增加。目前運(yùn)用較多的方法為擠壓法以及鋪層法，前者是利用機(jī)械噴嘴將"油墨〃材料擠壓噴出，循環(huán)往復(fù)成型；后者則是將"油墨〃材料一層一層地堆疊成型。隨著超高延性水泥基材料的出現(xiàn)，無(wú)筋建筑的3D打印成為了可能。3.3組合混凝土結(jié)構(gòu)可持續(xù)性評(píng)價(jià)（1）組合混凝土結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)性能評(píng)價(jià)。經(jīng)過(guò)合理的設(shè)計(jì)以及施工，可以達(dá)到現(xiàn)行混凝土結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)，并能得到優(yōu)化的效果。（2）組合混凝土結(jié)構(gòu)的生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)。組合混凝土結(jié)構(gòu)，在材料使用方面，可以根據(jù)需求廣泛地應(yīng)用再生材料技術(shù)（再生混凝土、再生纖維等）以及綠色環(huán)保的材料（地聚合物、海水、海砂等）；在施工方面，預(yù)制裝配式施工等新型的施工工藝，對(duì)環(huán)境負(fù)荷小，結(jié)合可拆裝技術(shù)，還能使構(gòu)件循環(huán)使用。結(jié)語(yǔ)綜上所述，組合混凝土結(jié)構(gòu)的基本思想，可以通過(guò)在不同的層次上（材料、構(gòu)件、結(jié)構(gòu)）組合不同種類(lèi)的混凝土加以實(shí)現(xiàn)，是混凝土材料與結(jié)構(gòu)發(fā)展的一次新飛躍。利用組合混凝土結(jié)構(gòu)的概念和原理，對(duì)新混凝土材料與結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)舊混凝土材料與結(jié)構(gòu)加固增強(qiáng)，對(duì)施工技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新，從而使混凝土結(jié)構(gòu)性能提升，滿(mǎn)足安全性、適用性、耐久性，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)性。參考文獻(xiàn)［1］ 曾嵐，李麗娟，陳光明，等。GFRP一再生混凝土一鋼管組合柱軸壓力學(xué)性能試驗(yàn)研究［J］。