[发明专利]一种超高性能钢纤维混凝土管约束再生块体混凝土柱

说明书

本发明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。

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

为了克服上述问题，本发明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。

本发明所采用的具体技术方案如下：