型钢高性能再生混凝土组合结构概念体系初探.pdf

第 3 8卷第 1 期 2 0 1 2年 2月 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 5 7 型钢高性能再生混凝土组合结构概念体系初探 曾 磊 长江大学城市建设学院， 湖北 荆州4 3 4 0 2 3 摘要 天然骨料资源的匮乏以及废弃混凝土的处理已成为亟待解决的问题 ， 本文提出了一种新型组合结构体系， 以克服目前再生混凝土仅用于次要结构和非承重结构的缺陷， 对相关问题进行了评述， 分析其特点及具有的优越 性和应用前景， 并提出了需要研究解决的问题， 为其在中、 高烈度地震区结构工程中的应用提供理论依据， 促进其 推广应用。 关键词 型钢混凝土结构 ； 再生混凝土； 组合结构 中图分类号 T U 5 2 8 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 1 9 3 3 2 0 1 2 0 1 0 5 7 0 3 S t u d y o n s t e e l r e i n f o r c e d r e c y c l e d a g g r e g a t e c o n c r e t e s t r uc t ur e s c o nc e ot s y s t e m Z ENG Le i S c h o o l o f U r b a n C o n s t r u c t i o n ， Y a n g t z e U n i v e r s i t y ， J i n g z h o u 4 3 4 0 2 3 ， C h i n a Ab s t r a c t L a c k o f n a t u r a l a g g r e g a t e r s o u r e e s a n d t r e a t me n t o f w a s t e c o n c r e t e h a s b e c o me a s e r i o u s p r o b l e m t o b e s o l v e d ． A n e w typ e of c o mp o s i t e s t ruc t u r e s y s t e m w a s p r o p o s e d t o o v e r c o me t h e s h o r t c o mi n g t h a t r e c y c l e d c o n c r e t e u s e d o n l y f o r s e c o n d a r y a n d n o n - l o a d ．． b e a r i n g s t ruc t u r e ．R e l a t e d i s s u e s we r e r e v i e w e d ； i t s c h a r a c t e r i s t i c s ， t h e a d v ant a g e s a n d p r o s pec t s w e r e a n aly z e d ， wh i c h p r o v i d e s a t h e o ret i c a l b a s i s for i t s a p p l i c a t i o n i n me d i u m an d h i g h i n t e n s i t y e a r t h q u a k e z o n e ． Ke y wo r d s s t e e l r e i n f o r c e d c o n c r e t e s t ruc t u r e ； r e c y c l e d a g g r e g a t e c o n c r e t e ； c o mp o s i t e s t r u c t u r e 0 引 言 再生骨料混凝土 R e c y c l e d A g g r e g a t e C o n c r e t e ， R A C 是利用废弃混凝土破碎加工而成的再生骨料 ， 部分或全部取代天然骨料配制而成的一种新型混凝 土 ， 简称再生混凝 土 J 。再生} 昆凝土技术的发展为 废弃混凝土的循环再利用提供了一条可持续发展的 道路 ， 一方面可以解决大量废弃混凝土处理困难 以 及由此造成的生态环境 日益恶化等问题 ； 另一方面， 可以减少建筑业对天然骨料的消耗， 缓解天然骨料 日益匮乏的压力并降低大量开采砂石对生态环境 的 破坏 。 随着环境保护和可持续 发展的要求 ， 再生混凝 土技术已成为国内外关注 的热点和前沿问题之一。 国际材料 与结构研究实验联合会 R I L E M 已召开 了5次关于废弃混凝土再利用 的专题 国际会议 ， 国 内也于 2 0 0 8年 7月在上海召开了首届全 国再生混 凝土研究与应用学术交 流会 。2 0 0 7年 中国科技部 收稿 日期 2 0 1 0 - 0 8 - 0 6 作者简介 曾磊 1 9 7 9一 ， 男 ， 湖北 洪湖人 ， 博士 ， 副教 授 ， 主要从 事工程结构及其抗震研究。 基金项目 湖北省教育厅科研项目 Q 2 0 0 9 1 2 0 8 ； 长江大学科研发展 基金项 目 2 0 0 8 0 2 0 4 E ma i l z e n g l e i 2 8 1 2 6． c o m 亦将“ 建筑垃圾再生产品的研究开发” 列入 了国家 科技支撑计划 ， 再生建材的研究被置于重要的研究 课题之列。2 0 0 8年四川汶川大地震发生后 ， 住房和 城乡建设部迅速制定并发布了 地震灾区建筑垃圾 处理技术导则 试行 ， 导则中明确指出 利用废弃 建筑混凝土和废弃砖石生产粗细骨料 ， 用于生产相 应强度等级的混凝土 ， 是一种适用于灾后重建的建 筑垃圾资源化利用方式。 国外有关再生混凝 土的研究应用与发展很快 ， 取得了一系列 的成果。 日本、 澳大利亚和中国香港 等国家和地区， 由于国土面积和资源的相对匮乏， 特 别重视废弃混凝土的再生利用， 目前 日本废弃混凝 土的利用率已达到了 8 5 ％ ， 中国香港和澳大利亚则 达到了 5 0 ％。我 国在再生混凝 土方 面的研究则起 步相对较晚， 废弃混凝土的综合高效利用率尚不到 5 ％ 。随着我国城市化进程 的加快以及 已有建筑物 的老化拆除 ， 天然骨料资源匮乏 以及废弃混凝土的 处理将成为亟待解决的问题， 因此， 废弃混凝土的再 生利用对于贯彻我国可持续发展战略具有非常显著 的社会效益、 经济效益和环保效益。 新型混凝土材料的使用必须根据其在结构体系 中的应用研究进展情况合理使用， 国内外研究表明， 再生混凝土能够满足实 际工程 的需要 ， 但其力学性 能 、 耐久性能均劣于普通混凝土 ， 使用再生混凝土的 5 8 四川建筑科学研究 第 3 8卷 钢筋混凝土结构力学性能较普通钢筋混凝土结构有 一 定程度的降低， 目前仅应用于次要结构或非承重 结构， 这将成为再生混凝土在中、 高烈度地震区结构 工程中应用的一个障碍， 将其用于含 钢量较大的型 钢混凝土结构则能够实现再生混凝土与钢材的优化 组合， 成为其大量推广应用的有效途径。 1 型钢高性能再生混凝土组合结构 型钢混凝土结构体系的研究相对比较成熟， 已 被广泛应用于各类大跨及超高层建筑。例如， 上海 环球金融中心底部采用了 8根巨型高含钢量的型钢 混凝土组合柱； 北京 C C T V大楼也在底部采用了型 钢混凝土组合柱。据统计- 1 】 ， 我国共有3 3 栋超高层 建筑局部或全部采用了S R C组合结构， 占全部超高 层建筑的一半以上。 型钢高性能再生混凝土组合结构是新型高技术 再生混凝 土在 型 钢 混凝 土 S t e e l R e i n f o r c e d C o n c r e t e ，S R C 结构 中的应用 。其 中， 型钢混凝 土结构 是钢与混凝土组合结构 的一种主要形式， 具有承载 能力高、 刚度大及抗震性能好等优点， 已越来越多地 应用于大跨结构和地震区的高层建筑以及超高层建 筑 。高性能再生混凝土 H i g h P e r f o r m a n c e R e c y c l e d A g g r e g a t e C o n c r e t e ，H P R A C 是采 用再 生骨料 R e c y c l e d A g g r e g a t e ，R A 配制的高性能混凝土 H P C ， 具有普通 H P C的优良力学性能和耐久性能， 特别是 与型钢之间的粘结性能优异 ， 同时还 与我 国的环境 生态保护政策和可持续发展战略紧密地结合 ， 是混 凝土的发展方向。将高性能再生混凝土应用于型钢 混凝土组合结构中， 型钢混凝土结构中配置 的型钢 骨架及周边箍筋对混凝土起到强约束作用， 使其处 于不同程度的三向受压状态 ， 再生混凝 土的力学性 能得到较大的改善， 长期荷载作用下再 生混凝土的 收缩和徐变亦将受到较强抑制。形成的新型结构体 系既具有组合结构 的优点， 又能弥补再生混凝土应 用于普通钢筋混凝土结构后在力学性能 、 耐久性能 上的不足 ， 将为再生混凝土应用于结构工程提供广 阔的前景。 如前所述， 型钢混凝土结构为现代大跨、 高层、 超高层建筑结构体系的一种 主要形式 ， 在我国已被 广泛应用。将再生混凝土从改善其与型钢之间粘结 性能的角度进行高性能化， 并将其用于型钢混凝土 结构中形成新的结构体系 ， 能有效改善再生混凝土 的力学性能缺陷， 同时， 合理有效地实现废弃混凝土 在工程结构中的再利用。使用再生混凝土的钢筋混 凝土结构 目前仅用于一些次要结构或非承重结构， 而我国又是一个地震多发 、 历史上遭受地震灾害最 为严重的国家之一 ， 因此 ， 深人研究型钢高性能再生 混凝土结构的力学性能和设计计算方法对于再生混 凝土在结构工程中的大量推广运用 ， 贯彻我国可持 续发展战略具有深远的现实意义。 2 相关领域国内外研究现状 2 ． 1 再生混凝土生产工艺及基本性能 在生产工艺方面 ， 日本、 中国台湾等国家和地 区 开发了破碎和处理废弃混凝土的设备及生产工艺， 并得到了广泛的应用 ； 国内史巍等 J 、 李惠强 J 、 肖 建庄 等也在 总结 国内外再生骨料加工工艺 的基 础上提出了建议 的再生骨料生产工艺。国内外再生 骨料生产工艺的区别在于， 国内学者考虑了我国劳 动力成本相对较低的实际情况， 采用人工法对废弃 混凝土进行分选 。 由于再生骨料与普通骨料 的较大差异， 国内外 学者在再生混凝土 的配合 比设计 、 基本力学性能及 耐久性等方面进行了大量的研究。上述研究成果定 性地描绘了再生骨料及再生混凝 土的基本性能 ， 但 由于再生骨料性能的复杂性 ， 仍有许 多方面 的研究 未达成共识 。有关再生骨料混凝土的应力一应变全 曲线的研究很少， 尤其是有关其本构模型方面的研 究成果极少 。国内外学者在再生混凝土与钢筋之间 的粘结性能方面做了一定的工作， 但对其与型钢之 间的粘结性能的研究则甚少。 2 ． 2 再生混凝土高性能化 基于再生骨料 的物理和力学性能较 天然骨料 差 ， 许多研究人员通过不 同的途径对再生骨料进行 改性研究 ， 但多以提高抗压强度和耐久性能为 目的， 而对于再生混凝土粘结性 能优化 的研究则 未见报 道。 S h i C o n g K o u 等 采用粉煤灰取代部分水泥， 使得再生混凝土的力学性能能与天然骨料混凝土相 当， 并能降低干缩， 提高抗氯离子侵蚀能力； 邱怀中 等l 6 分别用聚合物溶液和 M S 高效防水剂对再生骨 料表面进行处理， 结果表明处理后 ， 再生骨料的孔隙 率、 吸水率降低 ， 再生混凝土的拌合物的流动性明显 提高 ， 而粘聚J 陛和保水性降低 ， 聚合物溶液处理对再 生混凝土的强度影响很小 ， 但高效防水剂处理使再 生混凝土的强度明显降低； 杜婷等 曾将水泥外掺 超细矿物质 如粉煤灰 、 硅粉 和高效抗渗剂 K i m粉 与水按比例调成浆液对再生骨料进行浸泡和干燥处 理 ， 结果表明处理后 ， 再生骨料的强度能得到一定程 度的提高， 但只有经 K im粉浆液处理后的再生骨料 配制的再生混凝土强度得到了明显提高。 2 ． 3再生混凝土结构应用 目前 ， 再生混凝土在结构工程中的应用大多见 于钢筋混凝土结构并有用于次要和非承重结构的实 际工程应用， 但其在其他结构体 系中的应用则较为 少见 ， 仅有用于钢管混凝土结构的报道 。 曾 磊 型钢高性能再生混凝土组合结构概念体系初探 5 9 肖建庄等 进行了采用再生混凝土的钢筋混 凝土结构性能的研究 ， 对不同再生骨料掺量 的 6榀 钢筋混凝土框架进行 了抗震性能试验研究 ， 结果表 明 ， 再生混凝土框架为“ 强柱弱梁” 的破坏类 型， 其 最大水平承载能力较天然骨料混凝土框架低 ， 但其 耗能能力没有明显降低， 具有良 好的抗震性能， 并编 制了上海市地方标准 再生混凝土应用技术规程 。 杨有福和韩林 海等 对钢管再生混凝 土组合 柱的性能进行 了研究 ， 结果表明， 钢管再生混凝土组 合柱与钢管普通骨料混凝土组合柱具有相同的破坏 模式 ， 但其工作机理和设计方法与钢管普通混凝 土 存在一些差异 。 在结构 工程实践方 面 ， 德 国的达姆 施塔 特在 1 9 9 8年完全采用再生混凝土建成 了一栋 6层带有 停车场的办公楼； 2 0 0 4年 9月 2 1日在 上海市建筑 科学研究 院萃庄科技发展园区内建成的生态建筑示 范楼， 其再生材料使用率达到6 0 ％； 同济大学再生 混凝土课题组还用再生骨料混凝土在嘉定 区江桥镇 建起了一幢 7 0 0 m 的二层小楼 ， 该楼的梁和柱都采 用再生骨料混凝土 ， 且墙体采用 了再生骨料混凝土 砌块砖。应用结果表明， 使用再生混凝土的建筑具 有超低能耗和很好的经济指标。 目前不管是在再生混凝土基本性能、 再生混凝 土高性能化、 再生混凝土结构工程理论及实际应用 都取得了一定的成果， 但是 由于再生混凝土的力学 性能和耐久性能均劣于普通混凝土， 使用再生混凝 土的钢筋混凝土结构力学性能较普通钢筋混凝土结 构有一定程度的降低 ， 因此 ， 还只能用于一些次要结 构或非承重结构 ， 将其用于含钢量较大的型钢混凝 土结构则成为其大量推广应用的有效途径。关于再 生混凝土与型钢之间粘结性 能的研究还未见报道 ， 作者认为 ， 研究型钢与再生混凝 土之间的粘结滑移 机理和主要影响因素， 继而从改善二者之间共 同工 作能力的角度对再生混凝土进行高性能化是型钢高 性能再生混凝土结构体系应用 的前提 ， 也是切实可 行的。由于再生混凝土材料性能的复杂性 ， 不同再 生骨料取代率、 混凝土等级、 配钢率、 配箍率下的型钢 商陛能再生混凝土框架梁柱节点及其组合结构在竖 向和水平荷载作用下的受力特点， 截面应力和应变分 布、 裂缝开展、 破坏形态、 变形特征、 延性性能以及计 算理论与设计方法也是工程应用亟待解决的问题。 3 有待研究解决的问题 3 ． 1 型钢与再生混凝土的粘结滑移机理和影响因 素 研究改进型钢与混凝土之间粘结应力与粘结滑 移分布规律的测试技术 、 手段和方法， 采用拉拔、 推 出试验对型钢与再生混凝土之间粘结应力及 内部滑 移的分布规律进行量测， 并 同时采用声发射技术对 粘结滑移的内裂缝形成和发展进行追踪 ， 搞清楚型 钢再生混凝 土结构 的粘结滑移机理和主要影 响因 素。 3 ． 2 再生混凝土高性能化 对型钢与再生混凝土的粘结滑移机理和影响因 素进行分析和研究， 从物理化学、 力学等多方位对如 何改善粘结性能进行综合分析， 从提高结构耐久性 及型钢与再生混凝土之间粘结性能的角度研究再生 混凝土的高性能化技术手段 ， 提出适用于型钢混凝 土结构的高性能再生混凝土的配制方法。 3 ． 3 型钢高性能再生混凝土结构力学性能及设计 计算理论 由于再生混凝土的物理、 力学等方面的性能与 普通混凝土有所不同， 且配制上各组分的比例有其 特点， 因此， 型钢高性能再生混凝土框架梁、 柱 考 虑轴压 比变化 、 节点及其组合结构在竖 向和水平 荷载作用下的受力特点 ， 截面应力和应变分布、 裂缝 开展 、 破坏形态、 变形特征、 延性性能 以及计算理论 与设计方法也是工程应用亟待解决的问题。通过型 钢高性能再生混凝土框架梁、 柱、 节点及其组合结构 的单调和反复加载试验， 了解型钢高性能再生混凝 土结构的受力性能， 提出其破坏机理及相应 的计算 理论和设计方法 ， 为其在 中、 高烈度地震区结构工程 中的应用提供理论依据 ， 促进其推广应用。 参 考 文 献 [ 1 ] 刘维亚． 型钢混凝土结构在我国高层建筑的应用[ J ] ．哈尔滨 工业大学学报 ， 2 0 0 5 ， 3 7 2 1 8 - 2 1 ． [ 2 ] 史巍， 侯景鹏． 再生混凝土技术及其配合比设计方法[ J ] ． 建 筑技术开发 ， 2 0 0 1 ， 2 8 8 1 8 - 2 0 ． [ 3 ] 李惠强， 杜婷， 吴贤国． 混凝土资源再生骨料技术经济可行 性与发展研究[ J ] ． 土木工程学报 工程管理分册， 2 0 0 2 ， 1 1 3 6 _ 4 O． [ 4 ] 肖建庄 ， 孙振平， 等． 废弃混凝土破碎再生工艺研究[ J ] ． 建筑 技术 ， 2 0 0 5 2 1 4 1 ． 1 4 5 ． [ 5 ] S h i C o n g K o u ， C h i S u n P o o n ， D i x o n C h a n ．I n fl u e n c e o f fl y a s h a s c e me n t r e p l a c e me n t o n t h e p r o p e r t i e s o f r e c y c l e d a g g r e g a t e C o n c r e t e [ J ] ． J o u rna l o f M a t e ri a l i n C i v i l E n g i n e e ri n g ， A S C E ， 2 0 0 7 ， 1 9 9 7 0 9 - 7 1 7 ． [ 6 ] 邱怀中， 何雄伟， 万惠文， 等． 改善再生混凝土工作性能的研究 [ J ] ． 武汉理工大学学报， 2 0 0 3 ， 2 5 1 2 3 4 - 3 7 ． [ 7 ] 杜婷． 高性能再生混凝土微观结构及性能试验研究[ D ] ． 武 汉 华 中科技大学 ， 2 0 0 6 ． [ 8 ] 孙跃东， 肖建庄， 等． 再生混凝土框架抗震性能的试验研究 [ J ] ． 土木工程学报， 2 0 0 6 ， 3 9 5 9 - 1 5 ． [ 9 ] 杨有福． 钢管再生混凝土构件力学性能和设计方法若干问题 的探讨[ J ] ． 工业建筑， 2 0 0 6 ， 3 6 1 1 I - 5 ．