再生混凝土在钢管混凝土结构中的应用.doc

研究生课程论文再生混凝土在钢管混凝土结构中的应用课程名称 钢-混凝土组合结构 姓 名 侯鹏飞 学 号 1200204011 专 业 结构工程 任课教师 张惠华 开课时间 2013.2 教师评阅意见：论文成绩评阅日期课程论文提交时间： 2013 年 7 月 10 日再生混凝土在钢管混凝土结构中的应用【摘要】再生混凝土技术作为发展生态、绿色混凝土，实现建筑、资源、环境可持续发展的主要措施之一，正日益受到人们的重视。然而，由于再生混凝土结构性能较普通混凝土结构有不同程度的降低，阻碍了再生混凝土在结构工程中应用。将再生混凝土应用于组合结构中，形成钢- 再生混凝土组合结构，可以弥补再生混凝土结构性能的不足，还具有十分重要的保护环境的意义。本文探讨了再生混凝土在钢管混凝土结构中应用的可能性。结果表明，再生混凝土应用于钢管混凝土结构中是完全可行的，这为再生混凝土应用于结构工程中提供了广阔的前景。【关键词】再生混凝土，钢管混凝土结构，组合结构，钢管再生混凝土结构1引言大规模新建期的房屋大多建于二战以后，标准低，质量差.随着经济的发展，人们对于居住要求的提高一级土地资源的稀缺，大量房屋被拆除，由此产生大量的废旧混凝土.另一方面，强烈自然灾害尤其是强烈地震，造成大量房屋倒塌，由此也产生了大量废弃混凝土。这些废旧的混凝土不仅带来占地问题，而且产生环境污染问题。回收利用这些废旧混凝土已成为学术界和工程界关注的热点问题之一。有关学者提出了再生混凝土技术，实现了废旧混凝土的有效利用，减轻了环境污染问题，同时减轻了由于开采矿石带来的环境破坏问题，节约了天然矿产资源。但是由于再生混凝土的强度，弹性模量等性能相对普通混凝土均有所降低，在一定程度上制约了再生混凝土在工程中运用和推广。为了弥补再生混凝土存在的缺陷，有学者提出将再生混凝土填入到钢管中。利用钢管与再生混凝土的相互作用，弥补了各自性能上的不足，形成一种新的结构形式-钢管再生混凝土。一方面再生混凝土可以增强钢管壁的稳定性。一方面钢管的约束效应作用弥补了再生混凝土的力学性能，耐久性能，变形性能较低的缺陷。这种新型的组合结构形式为废弃混凝土再利用体用了一种新的途径为了是这种新的结构形式能够运用于实际工程，国内外学则进行了深入的研究，取得了一定成果。国内外关于钢管再生混凝土力学性能的研究起步较晚，国外在这一方面研究还很少见报道。在国内，福州大学较早开始进行这方面的研究工作，进行了一系列相关实验研究和理论研究，取得了一定成果。再生混凝土通常是指利用再生骨料部分或全部替代天然骨料配制而成的新混凝土。再生混凝土技术可以实现对废弃混凝土的回收利用，恢复其部分原有性能，形成新的建材产品，从而既减少了填埋和简单堆放的废弃混凝土的数量，又使有限的资源得以再利用，同时还解决了部分环保问题，具有显著的环境、经济和社会效益。因此，从环境保护与资源有效利用的角度来讲，再生混凝土技术是有益的而且必要的。基于这一点，再生混凝土技术通常被认为是发展生态绿色混凝土，实现建筑资源环境可持续发展的主要措施之一。然而，由于再生混凝土的力学性能、耐久性能、变形性能等性能低于普通混凝土，使得再生混凝土结构性能较普通混凝土结构有不同程度的降低，这成了再生混凝土在结构工程中应用的最大障碍。众所周知，组合结构能使钢材和混凝土两种不同性质的材料扬长避短，各自发挥其特长，具有一系列的优点。如果将再生混凝土应用于组合结构中，既可以使结构具有组合结构的优点，弥补再生混凝土的不足，又具有重要的生态意义。因而，这将为再生混凝土应用于结构工程中提供广阔的前景。为此，本文对再生混凝土应用于钢管混凝土结构中的可能性进行了初步探讨。2 钢管混凝土2.1 基本原理钢管混凝土是指在薄板钢管之内混凝土填充混凝土而成的组合结构材料。作为一种混凝土与钢管形成的组合结构材料，钢管混凝土的基本原理如下：(1)借助于内填的混凝土可以增强钢管壁的稳定性；(2)借助于钢管对核心混凝土的套箍（约束）作用，使核心混凝土处于三向受压状态，从而使核心混凝土具有很高的抗压强度和变形能力。2.2 基本特点三向受压的混凝土的抗压强度大大提高，同时塑性增大，在工作性质上起了质的变化，由原来的脆性材料转变为塑性材料，这一转变也决定了钢管混凝土的基本性质和特点，其基本特点为：(1)承载力大大提高；(2)具有良好的塑性和抗震性能；(3)经济效果显著。2.3 基本优点钢管混凝土的除具有一般套箍混凝土的强度高，重量轻，塑性好，耐疲劳，耐冲击等优点外，还具有以下一些在施工工艺方面的优点：(1)钢管本身就是耐测压的模板。因而浇灌混凝土时，可省去支模、拆模的工和料，并可适应先进的泵灌混凝土工艺；(2)钢管本身就是钢筋。它兼有纵向钢筋（受拉和受压）和横向箍筋的作用。制作钢管远比制作钢筋骨架省工省料，而且便于浇灌混凝土；(3)钢筋本身又是劲性承重骨架。在施工阶段可起劲性钢骨架的作用，其焊接工作量远比一般型钢骨架少，从而简化施工安装工艺，节省脚手架，缩短工期，减少施工用地。在寒冷地区，可以冬季安装空钢管骨架，开春后再浇灌混凝土，钢管施工不受季节的限制。3 再生混凝土在钢管混凝土结构中的应用再生骨料的物理性能 再生骨料孔隙率高且密度小，这有利于减轻结构构件自重,因其孔隙率大,还具有消音和保温的优点。再生骨料的颗粒棱角多,表面粗糙,成份中包含着相当数量的硬化水泥砂浆,砂浆体中水泥石本身孔隙率较大,且在破碎过程中其内部往往会产生大量具有一定尺寸的裂纹,因此与天然骨料相比,再生骨料的吸水率和吸水速率大得多.吸水率高则必然导致失水后混凝土干缩增大,徐变增大,因此配制再生混凝土时,应综合考虑骨料、水泥品种、配合比、养护方法和条件,减小再生混凝土的收缩.再生骨料的工作性能 一般认为,在用水量相同的情况下,与基体混凝土相比,再生混凝土的坍落度减小,流动性变差,但粘聚性和保水性增强.如果原混凝土强度越低,新拌再生混凝土和易性越差2.主要原因是再生骨料表面粗糙,孔隙多,吸水率大,使得再生混凝土流动性差,坍落度变小.同时,由于骨料表面粗糙,增大了再生混凝土拌合物的摩擦阻力,使再生混凝土的保水性和粘聚性增强。对于普通混凝土而言,水灰比是影响其抗压强度的最主要因素。一般来说,混凝土的抗压强度与水灰比成反比关系,水灰比越低,抗压强度越高。对于再生混凝土而言,情况不完全相同钢管再生混凝土的研究发展在目前来看极其的有限，钢管再生混凝土轴压短柱力学性能能试验 采用直焊缝圆钢管再生混凝土进行了研究，结论表明：1.钢管再生混凝土与钢管混凝土轴压短柱的荷载-变形关系曲线相类似，纤维模型法同样适用于钢管再生混凝土。2.钢管再生混凝土的强度承载力低于钢管混凝土的强度承载力，并且随着骨料取代率的增加而有降低的趋势，这主要是因为随着骨料取代率的增加，再生混凝土的强度逐渐低于普通混凝土。在确定钢材与核心再生混凝土本构关系模型的基础上，采用数值方法对钢管再生混凝土轴心受压，纯弯曲和压弯构件的荷载-变形全过程曲线进行模拟，对此类构件的力学性能进行研究，理论分析结果与试验结果非常吻合。在参数分析结果的基础上，提出钢管再生混凝土压弯构件承载力的简化计算公式。为了考察钢管再生混凝土构件在一次加载下的静力性能，通过试验研究，同时进行了钢管普通混凝土试件的对比实验，研究结果表明：钢管再生混凝土试件与相应钢管普通混凝土试件的荷载变形曲线类似，但钢管再生混凝土试件的承载力和刚度均低于相应钢管再生混凝土试件。这主要是因为再生混凝土的强度和弹性模量均低于相同配合比的普通混凝土。 目前对钢管再生混凝土的研究内容主要包括方钢管再生混凝土一次加载下的静力性能，长期荷载作用下的力学性能以及往复荷载作用下的滞回性能。 钢管再生混凝土的设计计算问题是钢管混凝土发展面临的又一重要课题，找到一种更加合理的计算方法是目前亟待解决的一个问题，目前用的最多的是纤维模型法和有限元法。 由于钢管再生混凝土的研究开展的较晚，并且其内部约束机理复杂程度高，有关方钢管再生混凝土方面的理论还不够成熟，存在许多不足之处。目前，我国关于钢管普通混凝土结构的研究，特别在构件的性能和理论研究方面处于国际领先水平，已建立了成熟的分析和计算理论。 但是，关于钢管再生混凝土的研究还比较少。已有的试验结果表明，再生混凝土的泊松比与普通混凝土相当，可以发挥钢管对核心混凝土的套箍（约束）作用。再生混凝土的弹性模量较低，收缩、徐变较大。然而，随着高性能再生混凝土技术的发展，再生混凝土的各项性能得到了大幅度改善，已研制出C60以上的高性能再生混凝土。因此，再生混凝土作为钢管混凝土的核心混凝土是完全可能的。将再生混凝土应用于钢管混凝土结构可克服再生混凝土诸多力学性能的不足，开辟了再生混凝土在结构工程中大范围使用的新前景。在钢管的约束下，再生混凝土的弹性模型、强度、塑性和韧性性能可得到不同程度的改善。Konno 等、杨有福对钢管再生混凝土轴压短柱、纯弯构件和压弯（偏压）构件的试验结果均表明，钢管再生混凝土构件与钢管普通混凝土构件的力学性能类似。然而，由于再生混凝土的强度和弹性模量低于相同配合比的普通混凝土，钢管再生混凝土构件的承载力、轴压短柱弹性模量和纯弯构件刚度均低于相应的钢管普通混凝土构件。由此可以推知，核心混凝土强度相同的钢管再生混凝土与钢管普通混凝土，其各种力学性能应该会更接近。另外，根据韩林海等11的试验结果，核心混凝土在养护成型和使用阶段均处于密闭状态，收缩变形主要是化学收缩及自收缩，同时核心混凝土沿纵向收缩受到钢管的限制，使得核心混凝土的收缩变形大大减小。由此可知，若用再生混凝土作为钢管混凝土的核心混凝土，其收缩较大的性能可得到明显改善。当然，以上结论是基于钢管再生混凝土基本构件在较简单荷载作用下的试验结果之上的。由于再生混凝土收缩、徐变、导热系数、脆性较普通混凝土大，而其弹性模量较普通混凝土小，这使得钢管再生混凝土的工作机理与钢管普通混凝土有所差异。例如，Virdi 和Dowling12、Roeder 等13的试验表明，收缩越大，钢管和核心混凝土之间的粘结强度越小，而再生混凝土的收缩较普通混凝土大，这将会降低钢管再生混凝土的粘结强度。再生混凝土的弹性模量较普通混凝土大，这将增大钢管再生混凝土的徐变。黄运标14的试验结果表明，再生混凝土耐火性能优于普通混凝土，这有利于以再生混凝土为核心混凝土的钢管混凝土构件的耐久性能。由此，更深入地研究钢管再生混凝土的工作机理，包括核心再生混凝土的收缩、徐变以及与钢管之间的粘结性能，钢管再生混凝土节点、框架以及结构体系在各种复杂荷载作用下的力学性能，如滞回性能、长期性能、耐火性能、耐久性能、