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高層建筑中高性能纖維增強水泥基復合材料的應用

時間:2018-10-04 來源:價值工程 作者:馮煥芹 本文字數:4192字
  摘要:隨著經濟的不斷發展, 人口的不斷增長, 城市化進程的顯著提高, 我國的一二線城市為了滿足當地經濟的發展需求, 陸續建成了一批高層建筑和超高層建筑, 如上海的金融環球中心, 金茂大廈等。為了滿足高層建筑的結構要求和方便施工, 對于混凝土的強度、穩定性、耐久性方面提出了更高的要求, 本文主要研究高性能纖維增強水泥基復合材料 (Green High Performance Fiber Reinforced Cementitious Composites, GHPFRCC) 在高層建筑中的應用。
  
  關鍵詞:高層; 混凝土; GHPFRCC;
  
  Application of New Material GHPFRCC in High-rise Building
  
  Abstract:With the continuous development of the economy, the continuous growth of the population, and the remarkable improvement of the urbanization process, China's first-and second-tier cities have successively built a number of high-rise buildings and super high-rise buildings in order to meet the needs of the local economic development, such as Shanghai's financial global center, Jinmao Building, etc In order to meet the requirements of high-rise building structure and convenient for construction, concrete strength, stability and durability has put forward higher requirements, this paper mainly research on high performance fiber reinforced cement composite (Green High Performance Fiber Reinforced Cementitious Composites, GHPFRCC) application in high-rise buildings.
  
  Keyword:high-rise; concrete; GHPFRCC;
  
  0、引言
  
  當今社會, 城市不斷擴張, 人口急劇增加, 高層建筑如飛一般的從一二線城市中拔地而起, 它給人們帶來了更多的使用和利用空間, 同時也豐富了城市的輪廓線。在某種意義上, 一個城市的現代化建設可通過其所建造的高層建筑物體現出來。高層建筑可以豐富我們的事業, 豐富我們的生活, 使我們更好的生活, 使我們更好的生活, 更好的融入這個世界, 高層建筑不僅能解決眾多人口的居住問題和行政、金融、貿易等部門的辦公, 也能滿足人們大型生活娛樂、公共服務的需求。這推動了高層建筑的發展, 而高層建筑涉及安全、管理、能源、環境等深化問題, 建立在一系列的技術支持之上, 要求人類在不斷探索更新新技術的同時, 不斷研發制出更多具有輕質、高強、耐久等優良性能的建筑材料。
  
  圖1 上海的金融環球中心
上海的金融環球中心
  
  圖2 上海的金茂大廈
上海的金茂大廈
  
  1、GHPFRCC的簡介
  
  隨著科技的進步, 人類進入了嶄新的發展階段, 而突如其來的地震通常會對人類帶來不可估量的危害, 嚴重危害人們的生命財產和經濟建設。尤其是工業發達、人口稠密的地區, 大地震給人類帶來了巨大的災難。但是抗震對于我們來說十分重要, 地震來的快, 讓人們防不勝防, 使我們不能更好的生活, 所以我們應該為了防止地震危害, 學習一些地震知識。水災, 地震都無情, 所以我們應該好好的預防。
  
  科學的發展使我們能很好的看清這個世界, 看清這個豐富多彩發展的世界, 使我們可以非常自由自在的生活, 混凝土是建成高樓大廈的一個重要材料, 也是基石, 所以, 對于混凝土材料的選擇十分謹慎。應該注重材料的選材, 材料的配置, 以及材料的原料。
  
  混凝土是目前應用最廣泛、最多的建筑材料, 鋼筋混凝土具有就地取材、耐久、耐火、可塑性好、現澆式或預制式鋼筋混凝土結構的整體性好、剛度大、變形小等優點, 使鋼筋混凝土成為應用最廣泛的建筑材料。但鋼筋混凝土不可避免的存在自重大, 抗裂性能差, 延性差等缺點。為降低其缺點的影響, 文章以高性能新型混凝土GHPFRCC為例, 探討了其在建筑工程領域中的應用。普通的混凝土材料系的組成部分包括粗骨料 (石子) 、細骨料 (砂子) 、膠結材料 (石灰、水泥) 和水。而新型混凝土材料GHPFRCC是在ECC (Engineered Cementitious Composites) 的基礎上使用大摻量粉煤灰代替水泥制成的一種新型材料。利用工業廢料粉煤灰既實現了廢棄物的再利用, 也大大提升了混凝土材料的流動性和混凝土的和易性, 具有減少徐變, 降低水化熱等優點, 通過研究表明摻入粉煤灰的ECC具有不錯的力學性能。
  
  GHPFRCC是一個非常新穎的材料, 混凝土材料, 在美國發明。外國人對于它的研究比較多, 而且應用廣泛。而且對于新興材料的選擇上, 也跟一般的混凝土不一樣, 新興混凝土在結構的延性, 耐久性上都有很好的改良。在使用上, 人們還不認可它們, 所以對于它們的使用不廣泛。
  
  2、ECC的基本性能特點及其應用
  
  纖維增強水泥基復合材料是將水泥加粉煤灰、硅粉或者只用水泥等作為基體, 這種粒徑不大于5mm, 并使用高模量聚乙烯醇纖維 (PVA纖維) 、聚乙烯纖維 (PE纖維) 等增強后制備而成, 具有多點開裂和顯著的應變硬化特征[6].最早的時候, ECC以聚乙烯纖維為增韌材料, 稱為PE-ECC.1997年, Victor C.Li等開始改用PVA纖維用以代替PE纖維, 并研發了性能比PE-ECC材料還要好的PVA-ECC材料。ECC具有很強的變形能力, 易控制裂縫且耐久性好, 抗剪承載力和抗彎承載力均較高, 是一種很好的抗震消能材料, 可以應用于梁柱節點, 對結構的抗震性能有所提高且耐火性好。
  
  ECC因其能改善傳統混凝土的弱點, 具有超強的韌性和獨特的多縫開裂特性, 使其在結構工程領域具有廣闊的應用空間和發展前景。在近十幾年的發展中, ECC已經廣泛應用于實際工程, 美國、日本和歐洲等發達國家和地區, 已經開始大量使用這種材料用于高層建筑、邊坡加固、橋梁面板維修、水壩維修加固、韌性連接板及抗震梁等范疇。
  
  3、GHPFRCC在高層中的應用
  
  GHPFRCC作為一種性能優異的綠色建筑材料, 常溫力學性能已取得一定的研究成果, 高溫后的力學性能尤其是其三軸抗壓性能尚待探明;因其本身出色的韌性和耗能能力, 將其用于加固火損框架柱, 但其抗震性能尚待研究。本文主要內容包括以下幾方面:
  
  (1) 高溫后GHPFRCC三軸受壓力學性能。進行高溫后GHPFRCC三軸受壓力學試驗, 測得高溫后GHPFRCC的圓柱體三軸受壓強度和應變, 得到垂直應力-應變曲線, 分析加載速度、配合比和溫度等因素對GHPFRCC三軸抗壓強度的影響規律。
  
  (2) 完成框架柱耐火性能試驗。進行2根C30框架柱和同樣配筋的2根GHPFRCC框架柱的耐火試驗, 分析框架柱溫度場及破壞變形。
  
  (3) 探明GHPFRCC加固火損框架柱的抗震性能。對4根火損柱中的1根GHPFRCC框架柱和1根C30框架柱進行通長加固。將2根加固后的框架柱、2根未加固的火損柱、2根未受火的框架柱 (共6根) 進行擬靜力試驗, 對比分析GHPFRCC加固火損框架柱、火損框架柱和未受火的框架柱的抗震性能和耗能能力。
  
  采用GHPFRCC加固火損混凝土框架柱和GHPFRCC框架柱各一根, 加固方式為沿柱通長全截面加固。
  
  (1) 根據框架柱耐火性能試驗數據, 綜合分析可得出GHPFRCC柱中表面溫度最高為242℃, 柱角溫度可達358℃, C30柱中表面溫度最高為388℃, 柱角溫度可達456℃。為衡量GHPFRCC的抗震效果, 故以GHPFRCC框架柱為加固標準; (2) 去掉外圍受火損傷的材料, 同時將外部較為松散的石子或混凝土小塊等去掉;為了使柱子和基礎有比較好的整體性, 柱子根部也去除一部分材料, 尺寸為30mm厚, 200mm寬; (3) 用水清洗柱子, 并且用鐵絲刷子輕輕洗刷柱子上的混凝土粉末; (4) 待柱子晾干后粘貼應變片, 連接好后, 用萬用表檢查是否正常, 并用聚丙樹脂保護; (5) 為確保材料的良好流動性, 可采用分段澆筑, 即先澆筑柱和基礎的交接部分, 馬上支柱模板, 柱模板再分兩次澆筑, 在澆筑的時候用錘子等工具敲打模板, 使材料向下流動。澆筑時使用手持式鉆孔機在模板上分段打孔, 發現有水泥漿流出, 說明密實性良好; (6) 養護28天; (7) 為便于觀察實驗現象, 表面畫上白色的50mm×50mm方格網。
  
  由山東建筑大學研究生徐化川的研究結果表明:GHPFRCC具有良好的延性, 達到極限荷載時應變均達到了2%以上, 隨著圍壓的增加, GHPFRCC的抗壓強度得到了較大的提升。圍壓和纖維對壓力對于混凝土的性能起到了主要作用, 控制了構件內部裂縫的發展, 提高了混凝土試塊架構的的抗壓強度。研究表明GHPFRCC加固火損框架柱要比一般的混凝土效果更明顯, 大幅度提高了試件的承載能力、變形能力、耗能能力。
  
  高溫后的GHPFRCC隨著溫度的升高, 試件表面顏色發生了變化, 裂紋增多, 與普通水泥基材料相比, 形態完好, 裂縫較好。與普通混凝土相比, GHPFRCC這種新型材料加入了PVA纖維, 彌補了混凝土抗拉強度低的特點, 這種新型材料不摻入粗骨料, 只有細骨料, 因使用過多的水泥, 所以用粉煤灰代替部分水泥, 這樣可以提高材料的性價比。當今社會, 綠色環保已經成為主流, GHPFRCC混凝土洽洽于這一理念相吻合, 并且GHPFRCC的力學性能遠遠高于普通混凝土。因此GHPFRCC在建筑領域具有更廣泛的應用前景, 將大幅度提高結構的安全儲備。GHPFRCC因為摻入PVA纖維減少了混凝土的自重、增強了混凝土的力學性能, 為高層建筑的結構設計帶來了便利。
  
  GHPFRCC是一種綠色環保無污染的材料, 我相信以后它肯定會有一定的發展空間, 能得到更好的發展, 人們也能好好的接納它。應用會越來越廣, 材料上肯定綠色無污染, 對于纖維, 人們對于它并不陌生, 它對構件耐火上起到了很好的作用, 提高了它的延性。極限承載能力越好, 極限位移越大, 這兩個方面是影響構架的一個重要方面, 對于混凝土而言, 對于構件來說, 這幾個方面決定了它是否優良。
  
  GHPFRCC可以用于加固鋼筋混凝土柱, 還可以用來橋面、路面的修復, 柱端、連梁、梁柱節點等的補強加固, 應用前景十分廣闊。
  
  4、結論與展望
  
  新材料的研究與應用是當前的熱門話題, 隨著人們環保意識的不斷增強, 綠色建筑材料越發受到關注。GHPFRCC作為一種綠色、經濟的新型混凝土材料不斷地得到人們認可。隨著我國建筑基礎建設的不斷增強。GHPFRCC必將成為新世紀的重要建筑工程材料。高層建筑越來越多, 人們對于混凝土材料的要求肯定也會越來越大, 需求量也會很多, 我相信未來一定會很好。
  
  參考文獻
  
  [1]Tetsushi Kanda and Victor C.Li.Interface Property and Apparent Strength of a High Strength Hydrophilic Fiber in Cement Matrix[J].ASCE J.Materials in Civil Engineering, 1998, 10 (1) :5-13.  
  [2]陳文永, 陳小兵, 丁一。ECC高性能纖維增強水泥基材料及其應用[J].2010.
  [3]徐化川。綠色高性能纖維增強水泥基復合材料加固火損框架柱抗震性能試驗研究[J].2016:21.
    馮煥芹.新型GHPFRCC材料在高層建筑中的應用[J].價值工程,2018(32):255-256.
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