新型GHPFRCC材料在高層建筑中的應(yīng)用

馮煥芹

摘要：隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人口的不斷增長(zhǎng)，城市化進(jìn)程的顯著提高，我國(guó)的一二線(xiàn)城市為了滿(mǎn)足當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的發(fā)展需求，陸續(xù)建成了一批高層建筑和超高層建筑，如上海的金融環(huán)球中心，金茂大廈等。為了滿(mǎn)足高層建筑的結(jié)構(gòu)要求和方便施工，對(duì)于混凝土的強(qiáng)度、穩(wěn)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(qiáng)水泥基復(fù)合材料（Green High Performance Fiber Reinforced Cementitious Composites，GHPFRCC）在高層建筑中的應(yīng)用。

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.

關(guān)鍵詞：高層；混凝土；GHPFRCC

Key words： high-rise；concrete；GHPFRCC

中圖分類(lèi)號(hào)：TU50 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）32-0255-02

0 引言

當(dāng)今社會(huì)，城市不斷擴(kuò)張，人口急劇增加，高層建筑如飛一般的從一二線(xiàn)城市中拔地而起，它給人們帶來(lái)了更多的使用和利用空間，同時(shí)也豐富了城市的輪廓線(xiàn)。在某種意義上，一個(gè)城市的現(xiàn)代化建設(shè)可通過(guò)其所建造的高層建筑物體現(xiàn)出來(lái)。高層建筑可以豐富我們的事業(yè)，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(gè)世界，高層建筑不僅能解決眾多人口的居住問(wèn)題和行政、金融、貿(mào)易等部門(mén)的辦公，也能滿(mǎn)足人們大型生活?yuàn)蕵?lè)、公共服務(wù)的需求。這推動(dòng)了高層建筑的發(fā)展，而高層建筑涉及安全、管理、能源、環(huán)境等深化問(wèn)題，建立在一系列的技術(shù)支持之上，要求人類(lèi)在不斷探索更新新技術(shù)的同時(shí)，不斷研發(fā)制出更多具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐久等優(yōu)良性能的建筑材料。

1 GHPFRCC的簡(jiǎn)介

隨著科技的進(jìn)步，人類(lèi)進(jìn)入了嶄新的發(fā)展階段，而突如其來(lái)的地震通常會(huì)對(duì)人類(lèi)帶來(lái)不可估量的危害，嚴(yán)重危害人們的生命財(cái)產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)建設(shè)。尤其是工業(yè)發(fā)達(dá)、人口稠密的地區(qū)，大地震給人類(lèi)帶來(lái)了巨大的災(zāi)難。但是抗震對(duì)于我們來(lái)說(shuō)十分重要，地震來(lái)的快，讓人們防不勝防，使我們不能更好的生活，所以我們應(yīng)該為了防止地震危害，學(xué)習(xí)一些地震知識(shí)。水災(zāi)，地震都無(wú)情，所以我們應(yīng)該好好的預(yù)防。

科學(xué)的發(fā)展使我們能很好的看清這個(gè)世界，看清這個(gè)豐富多彩發(fā)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(gè)重要材料，也是基石，所以，對(duì)于混凝土材料的選擇十分謹(jǐn)慎。應(yīng)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(yīng)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(xiàn)澆式或預(yù)制式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的整體性好、剛度大、變形小等優(yōu)點(diǎn)，使鋼筋混凝土成為應(yīng)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(diǎn)。為降低其缺點(diǎn)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(lǐng)域中的應(yīng)用。普通的混凝土材料系的組成部分包括粗骨料（石子）、細(xì)骨料（砂子）、膠結(jié)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(chǔ)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(yè)廢料粉煤灰既實(shí)現(xiàn)了廢棄物的再利用，也大大提升了混凝土材料的流動(dòng)性和混凝土的和易性，具有減少徐變，降低水化熱等優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)研究表明摻入粉煤灰的ECC具有不錯(cuò)的力學(xué)性能。

GHPFRCC是一個(gè)非常新穎的材料，混凝土材料，在美國(guó)發(fā)明。外國(guó)人對(duì)于它的研究比較多，而且應(yīng)用廣泛。而且對(duì)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(jié)構(gòu)的延性，耐久性上都有很好的改良。在使用上，人們還不認(rèn)可它們，所以對(duì)于它們的使用不廣泛。

2 ECC的基本性能特點(diǎn)及其應(yīng)用

纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)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(qiáng)后制備而成，具有多點(diǎn)開(kāi)裂和顯著的應(yīng)變硬化特征[6]。最早的時(shí)候，ECC以聚乙烯纖維為增韌材料，稱(chēng)為PE-ECC。1997年，Victor C. Li等開(kāi)始改用PVA纖維用以代替PE纖維，并研發(fā)了性能比PE-ECC材料還要好的PVA-ECC材料。ECC具有很強(qiáng)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(yīng)用于梁柱節(jié)點(diǎn)，對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震性能有所提高且耐火性好。

ECC因其能改善傳統(tǒng)混凝土的弱點(diǎn)，具有超強(qiáng)的韌性和獨(dú)特的多縫開(kāi)裂特性，使其在結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用空間和發(fā)展前景。在近十幾年的發(fā)展中，ECC已經(jīng)廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程，美國(guó)、日本和歐洲等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)，已經(jīng)開(kāi)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(yīng)用

GHPFRCC作為一種性能優(yōu)異的綠色建筑材料，常溫力學(xué)性能已取得一定的研究成果，高溫后的力學(xué)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(nèi)容包括以下幾方面：

①高溫后GHPFRCC三軸受壓力學(xué)性能。進(jìn)行高溫后GHPFRCC三軸受壓力學(xué)試驗(yàn)，測(cè)得高溫后GHPFRCC的圓柱體三軸受壓強(qiáng)度和應(yīng)變，得到垂直應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)，分析加載速度、配合比和溫度等因素對(duì)GHPFRCC三軸抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律。

②完成框架柱耐火性能試驗(yàn)。進(jìn)行2根C30框架柱和同樣配筋的2根GHPFRCC框架柱的耐火試驗(yàn)，分析框架柱溫度場(chǎng)及破壞變形。

③探明GHPFRCC加固火損框架柱的抗震性能。對(duì)4根火損柱中的1根GHPFRCC框架柱和1根C30框架柱進(jìn)行通長(zhǎng)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(jìn)行擬靜力試驗(yàn)，對(duì)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(zhǎng)全截面加固。

①根據(jù)框架柱耐火性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)，綜合分析可得出GHPFRCC柱中表面溫度最高為242℃，柱角溫度可達(dá)358℃，C30柱中表面溫度最高為388℃，柱角溫度可達(dá)456℃。為衡量GHPFRCC的抗震效果，故以GHPFRCC框架柱為加固標(biāo)準(zhǔn)；②去掉外圍受火損傷的材料，同時(shí)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(chǔ)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(yīng)變片，連接好后，用萬(wàn)用表檢查是否正常，并用聚丙樹(shù)脂保護(hù)；⑤為確保材料的良好流動(dòng)性，可采用分段澆筑，即先澆筑柱和基礎(chǔ)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(shí)候用錘子等工具敲打模板，使材料向下流動(dòng)。澆筑時(shí)使用手持式鉆孔機(jī)在模板上分段打孔，發(fā)現(xiàn)有水泥漿流出，說(shuō)明密實(shí)性良好；⑥養(yǎng)護(hù)28天；⑦為便于觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，表面畫(huà)上白色的50mm×50mm方格網(wǎng)。

由山東建筑大學(xué)研究生徐化川的研究結(jié)果表明：GHPFRCC具有良好的延性，達(dá)到極限荷載時(shí)應(yīng)變均達(dá)到了2%以上，隨著圍壓的增加，GHPFRCC的抗壓強(qiáng)度得到了較大的提升。圍壓和纖維對(duì)壓力對(duì)于混凝土的性能起到了主要作用，控制了構(gòu)件內(nèi)部裂縫的發(fā)展，提高了混凝土試塊架構(gòu)的的抗壓強(qiáng)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(fā)生了變化，裂紋增多，與普通水泥基材料相比，形態(tài)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(bǔ)了混凝土抗拉強(qiáng)度低的特點(diǎn)，這種新型材料不摻入粗骨料，只有細(xì)骨料，因使用過(guò)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?xún)r(jià)比。當(dāng)今社會(huì)，綠色環(huán)保已經(jīng)成為主流，GHPFRCC混凝土洽洽于這一理念相吻合，并且GHPFRCC的力學(xué)性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通混凝土。因此GHPFRCC在建筑領(lǐng)域具有更廣泛的應(yīng)用前景，將大幅度提高結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備。GHPFRCC因?yàn)閾饺隤VA纖維減少了混凝土的自重、增強(qiáng)了混凝土的力學(xué)性能，為高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)了便利。

GHPFRCC是一種綠色環(huán)保無(wú)污染的材料，我相信以后它肯定會(huì)有一定的發(fā)展空間，能得到更好的發(fā)展，人們也能好好的接納它。應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣，材料上肯定綠色無(wú)污染，對(duì)于纖維，人們對(duì)于它并不陌生，它對(duì)構(gòu)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(gè)方面是影響構(gòu)架的一個(gè)重要方面，對(duì)于混凝土而言，對(duì)于構(gòu)件來(lái)說(shuō)，這幾個(gè)方面決定了它是否優(yōu)良。

GHPFRCC可以用于加固鋼筋混凝土柱，還可以用來(lái)橋面、路面的修復(fù)，柱端、連梁、梁柱節(jié)點(diǎn)等的補(bǔ)強(qiáng)加固，應(yīng)用前景十分廣闊。

4 結(jié)論與展望

新材料的研究與應(yīng)用是當(dāng)前的熱門(mén)話(huà)題，隨著人們環(huán)保意識(shí)的不斷增強(qiáng)，綠色建筑材料越發(fā)受到關(guān)注。GHPFRCC作為一種綠色、經(jīng)濟(jì)的新型混凝土材料不斷地得到人們認(rèn)可。隨著我國(guó)建筑基礎(chǔ)建設(shè)的不斷增強(qiáng)。GHPFRCC必將成為新世紀(jì)的重要建筑工程材料。高層建筑越來(lái)越多，人們對(duì)于混凝土材料的要求肯定也會(huì)越來(lái)越大，需求量也會(huì)很多，我相信未來(lái)一定會(huì)很好。

參考文獻(xiàn)：

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