一种超高性能钢纤维混凝土管约束再生块体混凝土柱制造技术

本发明专利技术公开了一种超高性能钢纤维混凝土管约束再生块体混凝土柱。其采用超高性能纤维混凝土(UHPFRC)管来约束由再生混凝土块和新拌混凝土制成的混合混凝土。UHPFRC管内放置衬子，以防止浇筑时对UHPFRC管造成损伤。新拌混凝土中，可以根据需要配置钢筋。根据不同的结构设计要求，UHPFRC管可以只起环向约束的作用，也可以同时承受竖向荷载，复合柱端部采用相应的不同约束。与传统钢管混凝土相比，UHPFRC与新拌混凝土的界面力学性能更好，结构整体性佳，该复合柱具有更好的耐久性和耐火性，能很好的抵御地震、冲击、爆炸等灾害。此外，采用再生混凝土块部分替代新拌混凝土，经济效益高，具有可持续发展价值。该复合柱施工方便，工序简单，造价低。

【技术实现步骤摘要】
一种超高性能钢纤维混凝土管约束再生块体混凝土柱
本专利技术涉及建筑材料及结构工程领域，具体涉及一种超高性能钢纤维混凝土管约束再生块体混凝土柱。
技术介绍
混凝土因其较低的成本和良好的力学性能，成为了使用最广泛的人造建筑材料。目前全球每年的混凝土使用量超过了100亿吨，预计到2050年将增至180亿吨，其中，中国消耗了全球所有混凝土产量的50％以上。但是，混凝土产业对环境具有严重的影响，每年释放超过16亿吨的二氧化碳，占每年全球人类活动二氧化碳排放量的7％。大多数混凝土产品是由普通强度的钢筋混凝土制成，由于材料劣化及钢筋锈蚀，使得建筑设计寿命仅为50年。因此，建筑行业仍然需要新的建筑材料和结构体系，从而向更安全，更绿色，更耐用和可持续的方向发展。这对于中国的可持续发展来说尤其迫切，因为低质量的建筑材料和技术，导致大多数建筑的使用寿命只有30年左右。钢管混凝土柱已被广泛应用，特别是在中国，在高层建筑、桥梁和工厂等大跨度结构中，由于钢管对混凝土的约束作用，使得钢管混凝土柱比传统的钢筋混凝土柱具有更高的承载能力，延展性和耐久性。然而，钢管混凝土构件存在一些问题：(1)混凝土和钢材具有不同的模量和热膨胀系数，导致两者的不协调变形，且经常在界面处破坏，这对结构完整性是有害的。而且，这些缺陷隐藏在管内，很难测量和监测；(2)钢材的高强度性能通常没有被充分利用；(3)钢管容易被腐蚀和锈蚀，特别是在苛刻条件下环境(例如化工厂，海上平台，核电站)，其耐火性不如混凝土。额外的保护措施会增加成本和结构复杂性。在钢管混凝土中，可以用拆除的旧混凝土块(尺寸为50-300mm)部分替代新拌混凝土。生产再生骨料(5-40mm)以替代新混凝土中的天然骨料，需要破碎，筛分和洗涤。而生产再生混凝土块只需要粗粉碎，这降低了40-60％的能源消耗，并且再生混凝土块的替代率(RR)为33％时，可节省约30％的水泥用量，钢管混凝土的极限荷载和有效刚度却分别下降5-15％和7-14％，而延性和初始刚度变化不大。这些新的钢管混凝土已被成功地应用于中国的实际项目中，并获得少量专利并发布了设计指南。尽管这种新型混凝土回收技术具有巨大的可持续性效益，但上述三种钢管混凝土的缺点仍然存在。
技术实现思路
为了克服上述问题，本专利技术提供了一种全新类型的复合柱，采用超高性能钢纤维混凝土(UHPFRC)管来替代钢管，用以约束由再生混凝土块和新拌混凝土制成的混合混凝土。该复合柱具有优异的强度，延展性，耐久性和可持续性。超高性能钢纤维混凝土UHPFRC是一种相对较新的纤维增强水泥基材料，其将高强度钢/聚合物纤维随机分布于致密的高强砂浆中，具有优异的抗渗透性，侵蚀性，耐腐蚀性和耐火性。UHPFRC的典型强度压缩超过150MPa。由于纤维的桥联作用，其拉伸和弯曲强度可分别达到12MPa和40MPa，断裂韧性达到40kJ/m2，使其具有与金属一样的韧性。此外，其密度、模量和热膨胀系数非常接近普通强度的混凝土。这将大大提高UHPFRC管与约束混凝土之间的变形协调性。与传统钢管混凝土相比，这种混合混凝土填充UHPFRC管柱具有更高的耐久性和耐火性，同时充分利用了UHPFRC的高强度，韧性和延展性，能够很好地抵御地震，冲击和爆炸等灾害，以及用再生混凝土块部分代替新拌混凝土，具有可持续发展的意义。本专利技术所采用的具体技术方案如下：一种超高性能钢纤维混凝土管约束再生块体混凝土柱，其包括UHPFRC管、再生混凝土块和新拌混凝土；所述UHPFRC管作为混凝土柱的外部环向约束，再生混凝土块和新拌混凝土按比例均匀混合后，浇筑填充于UHPFRC管内，UHPFRC管作为永久模板与内部的混凝土连接成一体。作为优选，所述UHPFRC管内的混凝土中配制有钢筋。作为优选，所述UHPFRC管内的混合混凝土中，再生混凝土块的质量比不超过40％，优选为25％～35％；优选的，再生混凝土块的块体表面应无污染并清洗干净，特征尺寸不大于所述混凝土柱横截面短边方向尺寸的1/3。当横截面为多边形时，横截面短边指横截面最短的边；当横截面为圆形时，横截面短边可等价于直径。作为优选，制造所述UHPFRC管的混凝土材料由水泥、矿物掺和料、细砂、水、石英粉、减水剂、钢纤维组成，各组分含量按质量份数计算，其比例为：水泥1000-1300份，矿物掺和料100-650份，细砂900-1200份，石英粉100-300份，减水剂30-60份，水150-400份，钢纤维50-300份；所述的矿物掺和料为硅灰，或硅灰与粉煤灰、高炉矿渣的混合物(硅灰中掺入粉煤灰或高炉矿渣中至少一种)；所述的钢纤维中具有异形截面纤维，异形截面纤维包括端钩纤维、波型纤维或螺旋钢纤维中的一种或多种。此种UHPFRC的抗压强度一般超过150Mpa。作为优选，混凝土柱的UHPFRC管内置用于防止浇筑时管体损伤的衬子，所述的衬子采用薄钢管或编织纤维网。进一步的，所述的编织纤维网优选为钢纤维、碳纤维、玄武岩纤维、聚乙烯醇纤维或聚乙烯纤维，所述薄钢管厚度优选为0.8mm-10mm。作为优选，所述UHPFRC管厚度为20mm-120mm。作为优选，所述UHPFRC管的横截面形状为方形、圆形或其它多边形。作为优选，所述混凝土柱的轴压比不超过0.65。作为优选，根据不同的结构设计要求，UHPFRC管端部采用不同的约束方式，UHPFRC管可以只起环向约束的作用，也可以同时承受竖向荷载。具体连接方式包括：当UHPFRC管不承重时，UHPFRC管端部采用柔性连接方式，UHPFRC管与柱两端结点预留10-80mm施工缝，在施工完成后，采用沥青或高弹性橡胶材料灌注封口；当UHPFRC管承重时，采用刚性连接方式，UHPFRC管通过高强摩擦型螺栓与结点连接，或者在结点拼接处采用UHPC砂浆一体化浇筑成型。上述超高性能钢纤维混凝土管约束再生块体混凝土柱，依据GB50010-2010《混凝土结构设计规范》，其正截面抗压承载力为其中，N为轴向压力设计值；为钢筋混凝土构件的稳定系数；fc1为普通混凝土轴心抗压强度设计值；fc2为UHPFRC轴心抗压强度设计值；A1为普通混凝土截面面积；A2为UHPFRC管截面面积；fy'为纵向普通钢筋抗压屈服强度设计值；As'为全部纵向普通钢筋的截面面积。上述超高性能钢纤维混凝土管约束再生块体混凝土柱，相同截面面积条件下，其正截面承载力相对于普通混凝土柱显著提高。表1和表2分别列出了圆形柱和方形柱，在不配筋时，超高性能钢纤维混凝土管约束再生块体混凝土柱与普通混凝土柱的正截面承载力。其中，普通混凝土立方块抗压强度标准值取用30Mpa，UHPFRC立方块抗压强度标准值取用170Mpa，柱的计算长度取用3m。依据《混凝土结构设计规范》GB50010-2010，此处普通混凝土轴心抗压强度设计值为fc1＝14.3MPa；UHPFRC抗压强度标准值按fck＝0.88αc1αc2fcu,k进行折减，fck2＝106.7MPa，依据法国颁布的UHPFRC设计规范NFP18-710,fc＝αccfck/γc，对于UHPFRC材料，γc取用1.3，αcc取用0.85，则其轴心抗压强度设计值为fc2＝69.8MPa。表格中，d为圆形混凝土截面直径；a为方形混凝土截面边长；t为UHPFRC管厚本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超高性能钢纤维混凝土管约束再生块体混凝土柱，其特征在于，包括UHPFRC管、再生混凝土块和新拌混凝土；所述UHPFRC管作为混凝土柱的外部环向约束，再生混凝土块和新拌混凝土按比例均匀混合后，浇筑填充于UHPFRC管内，UHPFRC管作为永久模板与内部的混凝土连接成一体。

【技术特征摘要】
1.一种超高性能钢纤维混凝土管约束再生块体混凝土柱，其特征在于，包括UHPFRC管、再生混凝土块和新拌混凝土；所述UHPFRC管作为混凝土柱的外部环向约束，再生混凝土块和新拌混凝土按比例均匀混合后，浇筑填充于UHPFRC管内，UHPFRC管作为永久模板与内部的混凝土连接成一体。2.根据权利要求1所述的一种超高性能钢纤维混凝土管约束再生块体混凝土柱，其特征在于，所述UHPFRC管内的混凝土中配制有钢筋。3.根据权利要求1所述的一种超高性能钢纤维混凝土管约束再生块体混凝土柱，其特征在于，所述UHPFRC管内的混合混凝土中，再生混凝土块的质量比不超过40％，优选为25％～35％；优选的，再生混凝土块的块体表面应无污染并清洗干净，特征尺寸不大于所述混凝土柱横截面短边方向尺寸的1/3。4.根据权利要求1所述的一种超高性能钢纤维混凝土管约束再生块体混凝土柱，其特征在于，制造所述UHPFRC管的混凝土材料由水泥、矿物掺和料、细砂、水、石英粉、减水剂、钢纤维组成，各组分含量按质量份数计算，其比例为：水泥1000-1300份，矿物掺和料100-650份，细砂900-1200份，石英粉100-300份，减水剂30-60份，水150-400份，钢纤维50-300份；所述的矿物掺和料为硅灰，或硅灰与粉煤灰、高炉矿渣的混合物；所述的钢纤维中具有异形截面纤维，异形截面纤维包括端钩纤维、波型...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨贞军，姚勇，吴建营，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33