混凝土结构的新发展—组合混凝土结构

混凝土结构的新发展—组合混凝土结构

马蔚

南通幸福建设集团股份有限公司江苏省南通市226300

摘要：随着社会经济的发展，我国对混凝土的需求不断增加。本文首次提出组合混凝土结构的基本概念，其基本思想是在不同的层次上（材料、构件、结构）组合不同种类的混凝土，对混凝土材料以及结构进行优化设计，从而使其性能提升，更好满足安全性、适用性和耐久性，实现可持续性。围绕这一创新思路，针对组合混凝土梁、柱、板以及框架结构等，对组合混凝土结构的设计与施工原理进行了阐述。最后对组合混凝土结构存在的科学问题及其发展趋势，包括界面设计、3Ｄ打印施工与可持续性评价进行了分析与展望。

关键词：组合混凝土结构；界面性能；优化设计；3Ｄ打印；可持续性

引言

建筑业是我国经济支柱产业之一，混凝土作为建筑业的主要结构材料，用量在近20年快速增加，2015年我国商品混凝土用量已达16亿ｍ3，跃居世界第一。混凝土的制备会排放大量ＣＯ2，能耗总量大。考虑资源、能源和生态协调发展，混凝土材料和结构迫切需要可持续发展和创新，以应对建筑业下一个100年的需求和应用。

1组合混凝土结构基本概念

近年来，随着对混凝土材料研究的不断深入，诞生了一系列由特殊材料组成的、具有特殊功能的水泥基材料。其中，随着纤维混凝土与ＥＣＣ这类具有高延性的水泥基材料的出现，逐渐克服了普通混凝土受拉性能较差的缺点。钢纤维混凝土拉伸延性达0。5％～1。0％；经特殊设计的聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料（ＰＶＡ－ＥＣＣ）抗拉强度约为3ＭＰａ～7ＭＰａ，拉伸极限应变约为2％～4％。

2.1组合混凝土材料

2.1.1组合骨料混凝土

合适的骨料组合，可使混凝土在使用功能上得以提升。例如，为降低大坝混凝土因碱硅酸反应而产生的膨胀，由组合骨料混凝土建造的结构，可从力学性能和功能上，实现优化结构的目的，形成组合混凝土结构，也可实现对绿色环保材料的应用与推广。

2.1.2组合功能材料混凝土

传统的混凝土防护涂料仅在混凝土表面形成隔离膜，随着时间的增加，涂料的附着力会降低，缩短了防护寿命。为提高混凝土的防护寿命，产生了外渗表面强化与修复材料的混凝土组合形式。外渗型防护剂等活性材料，利用混凝土具有可渗透性的特点，渗入内部并与内部组分发生复杂的化学反应生成新的物质，自适应地与混凝土结合在一起，从而强化表面以及阻止外界的有害物质进入混凝土。这种组合方式，对新建混凝土结构的加强以及旧混凝土建筑的修补与加固都适用。

2.2组合混凝土构件

2.2.1组合混凝土梁

预制梁段由于受力与耐久性考虑，采用较低的再生粗骨料取代率。抗弯试验中，预制段为普通混凝土，后浇段为再生粗骨料取代率为100％的再生混凝土；抗剪试验中，预制段取代率为70％，后浇段为100％。结果表明，再生混凝土叠合梁截面的形状与梁的力学性能无明显相关，叠合面未发生对承载力和变形不利的破坏，连接完好。

2.2.2组合混凝土柱

外部形成口字型，采用力学性能相对较好的混凝土，并配置钢筋进行加强，可以在工厂预制保证其质量，内部可浇筑相对较差的材料并利用口字型外壳作为模板，同时外壳也会对内部混凝土产生一定的约束作用，提高内部混凝土的力学性能。由于约束作用，内部和外部混凝土间的界面性能也得到加强。组合柱的形式可以改善再生混凝土的力学性能，起到施工改性的作用。

2.2.3组合混凝土板

根据构件截面上受力情况的不同，以一定参数为指标（如纤维体积分数、再生粗骨料取代率），组合力学性能合适的混凝土，可以显著提升构件的性能，如在受压区浇筑弹性模量较大的混凝土，中性轴区域浇筑性能略差的混凝土，受拉区浇筑延性好的混凝土，其中中性轴区域可采用全再生混凝土，受拉区可采用普通或掺有再生粉体的ＥＣＣ，这样可达到构件受力性能最优化，降低成本。

2.3组合混凝土结构

2.3.1组合混凝土超长结构

混凝土收缩徐变所致开裂问题会严重影响建筑物的使用性能及耐久性能。超长屋面与地下室结构需要严格的裂缝控制，考虑到防水要求，这些超长结构通常不设永久伸缩缝。因此，采用掺加膨胀剂的补偿收缩混凝土，用膨胀加强带取代后浇带，不仅能够解决超长混凝土结构的收缩裂缝问题，实现结构的连续浇筑，而且具有施工方便，周期短，结构整体性较好等优点。

2.3.2组合混凝土框架结构

（1）利用ＵＨＤＣＣ优异的拉伸延性和耗能能力提升关键部位的抗震性能。在框架制作中采用ＵＨＤＣＣ浇筑框架的区域（包括底层柱脚和一层框架节点区域），即地震易损部位。为了验证无筋建造和组合混凝土结构的理念，区域没有配置纵向和横向钢筋。（2）框架非关键部位采用普通钢筋混凝土预制。3）采用工作性能良好的高强度聚合物砂浆完成预制拼装。除ＵＨＤＣＣ组合混凝土框架外，还制作了一个几何尺寸完全相同的钢筋混凝土框架试件。

3组合混凝土结构问题与趋势

3.1组合混凝土结构设计

（1）计算方法普通混凝土结构在截面上、构件上可看作均匀单一的材料，因此可以采用结构力学、材料力学以及混凝土结构理论进行设计。而组合混凝土结构由于在各层次（材料、构件、结构）上进行了组合，材料的参数均有较为显著的不同，需要重新建立本构关系，并对计算方法进行改进。可以运用弹塑性力学的理论，通过有限元等方法进行计算设计。（2）设计理念组合混凝土结构的设计理念是一种精细化、一体化的设计过程，需要考虑力学性能的设计与使用功能结合，做到结构－功能一体化设计；在设计时，同时需要考虑施工的过程，相对于一般的混凝土结构，组合混凝土结构的施工过程对组合构件、结构的力学性能有更大的影响。

3.2组合混凝土结构施工

随着新型施工技术发展，组合混凝土结构的形式将会更加优化。近年来诞生了一系列新型的施工技术，包括有3Ｄ打印施工技术和可拆装施工技术等。3Ｄ打印技术，是一种增材建造技术，它通过将材料逐层叠加的方式完成实体部件的制造。与传统的去除材料加工技术（减材制造）不同，3Ｄ打印没有剪裁过程，因此不会产生边角料，从而使原材料的使用率增加。目前运用较多的方法为挤压法以及铺层法，前者是利用机械喷嘴将“油墨”材料挤压喷出，循环往复成型；后者则是将“油墨”材料一层一层地堆叠成型。随着超高延性水泥基材料的出现，无筋建筑的3Ｄ打印成为了可能。

3.3组合混凝土结构可持续性评价

（1）组合混凝土结构的结构性能评价。经过合理的设计以及施工，可以达到现行混凝土结构的标准，并能得到优化的效果。（2）组合混凝土结构的生态环境评价。组合混凝土结构，在材料使用方面，可以根据需求广泛地应用再生材料技术（再生混凝土、再生纤维等）以及绿色环保的材料（地聚合物、海水、海砂等）；在施工方面，预制装配式施工等新型的施工工艺，对环境负荷小，结合可拆装技术，还能使构件循环使用。

结语

综上所述，组合混凝土结构的基本思想，可以通过在不同的层次上（材料、构件、结构）组合不同种类的混凝土加以实现，是混凝土材料与结构发展的一次新飞跃。利用组合混凝土结构的概念和原理，对新混凝土材料与结构进行优化设计，对旧混凝土材料与结构加固增强，对施工技术进行创新，从而使混凝土结构性能提升，满足安全性、适用性、耐久性，实现可持续性。

参考文献

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