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。技术实现要素：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：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管厚度；为钢筋混凝土构件的稳定系数；A为柱总截面面积，A＝A1+A2，其中，对于圆形柱A2＝π(dt+t2)，对于方形柱A1＝a2，A2＝4(at+t2)；N1为超高性能钢纤维混凝土管约束再生块体混凝土柱正截面可承受荷载值，N2为普通混凝土柱正截面可承受荷载值，η为N1与N2的比值，η＝N1/N2。表1圆形柱正截面可承受荷载表2方形柱正截面可承受荷载上述表格计算参数表明，在具有相同截面面积时，超高性能钢纤维混凝土管约束再生块体混凝土柱相比于普通混凝土柱，具有较大的承载力优势，且UHPFRC厚度越大，复合柱中普通混凝土部分尺寸越小时，优势越明显。当采用相同的荷载设计值时，超高性能钢纤维混凝土管约束再生块体混凝土柱相比于普通混凝土柱，可以采用更小的截面积尺寸。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，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(MCC)。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。附图说明图1为圆形截面无钢筋笼复合柱示意简图，其中，a为水平剖面图，b为立面剖面图；图2为方形截面配筋复合柱示意简图，其中，a为水平剖面图，b为立面剖面图；图3为圆形截面无钢筋笼复合柱立体剖面图；图4为方形截面配筋复合柱立体剖面图。图5是本发明中所采用的一种矩形截面螺旋钢纤维结构示意简图；其中a)为主视图，b)为轴测图；图6中，(a)是单根螺旋钢纤维在C30砂浆中，经XCT扫描后，得到的试件内部形态；(b)是单根螺旋钢纤维从C30砂浆中拔出后的试件，经XCT扫描，得到的试件内部所留下来的通道形态；图7(a)是单根螺旋钢纤维在UHPC砂浆中，经XCT扫描后，得到的试件内部形态；(b)是单根螺旋钢纤维从UHPC砂浆中拔出后的试件，经XCT扫描，得到的试件内部所留下来的通道形态。具体实施方式下面结合具体实施例，对本发明做进一步的详细说明，但不局限于此。下述实施方案中，如无特殊说明，所述试剂和材料均为公知的，可通过商业途径获取。实施例1本实施例中，超高性能钢纤维混凝土管约束再生块体混凝土柱如图1和3所示。该混凝土柱为复合柱，由UHPFRC管、再生混凝土块和新拌混凝土组成。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得到混合混凝土，将其浇筑填充于UHPFRC管内，UHPFRC管作为永久模板与内部的混凝土连接成一体。形成复合柱。本实施例中，所采用的具体原材料如下所述：再生混凝土块由拆除旧有建筑物，除去保护层与钢筋后的废旧混凝土块，经过破碎、清洗、分级后得到，其特征尺寸为60mm-120mm。新拌混凝土由硅酸盐水泥、粗骨料、细骨料和水混合搅拌得到，其中：水泥为硅酸盐水泥；粗骨料采用粒径为5mm-15mm卵石；细骨料采用河沙，为级配良好的中砂；水为工业用水。新拌普通混凝土的配合比(质量比)如下表3所示。表3普通混凝土配合比本实施例的超高性能钢纤维混凝土管(UHPFRC管)采用圆管，横截面直径为300mm，高1200mm，UHPFRC管壁厚为30mm，旧混凝土块体粒径为60mm-120mm，对柱体的取代率为25％，即再生混凝土块在混合混凝土中的质量比为25％。本实施例中的UHPFRC管，其UHPFRC混凝土原料组分包括水泥、硅灰、细砂、水、石英粉、高效减水剂、钢纤维。UHPFRC管采用中，所采用的钢纤维为直线钢纤维，直径为0.2mm，长度为12mm，长径比为60，抗拉强度为2700Mpa。所采用水泥为普通硅酸盐水泥。硅灰的比表面积为22m2/g，其中SiO2含量≥90％，细砂粒径范围为0.1mm-0.5mm，石英粉粒径为5μm-50μm，SiO2含量≥95％。高效减水剂为聚羧酸高效粉末减水剂，减水效率≥30％。水为工业用水。UHPFRC中各组分质量比如下表4所示。表4UHPFRC配合比本实施例的超高性能钢纤维混凝土管约束再生块体混凝土柱具体制造过程为：预先按上述表4的组分，拌和UHPFRC，然后浇筑好UHPFRC管，在标准条件养护28d。随后将UHPFRC管作为浇筑侧面模板，底部面用木模板密封。在UHPFRC内部放置厚度为0.8mm的环箍薄钢片，环箍薄钢片以外径略小于UHPFRC管内径的薄钢管形式，紧贴UHPFRC管内侧面，作为衬子，以防止浇筑时对UHPFRC管造成损伤。向UHPFRC中放入旧混凝土块体，再将新拌好的普通混凝土倒入UHPFRC管中，两种混凝土均需进行准确量值，使得旧混凝土块体在混合混凝土中的质量比为25％。混凝土注入完毕后，使用震动棒充分振捣，使旧混凝土块体与新拌普通混凝土均匀混合，分布并填充满柱体内部。标准条件下，养护28d，即可达到结构设计强度。如表1和表2的计算所示，在具有相同截面面积时，本实施例的超高性能钢纤维混凝土管约束再生块体混凝土柱，相比于普通混凝土柱，具有较大的承载力优势。而且UHPFRC管相比于传统钢管混凝土，又具有更好的耐久性和耐火性。另外，再生混凝土块的使用，又使得该混凝土柱具有经济效益和环境效益。实施例2本实施例相对于实施例1而言，其区别仅在于将UHPFRC管换成方管，并在UHPFRC管内置钢筋笼，其他的做法均相同。混凝土柱结构如图2和4所示。具体而言，本实施例的方形截面UHPFRC管，其横截面尺寸为300mm×300mm，高1200mm，UHPFRC管壁厚为30mm，旧混凝土块体粒径为60mm-120mm，对柱体的取代率也为25％。柱体内的钢筋，纵向筋选用HRB335级钢筋，直径为14mm，共计12根，箍筋采用HRB335级钢筋，直径为10mm，间距为100mm。本实施例中的UHPFRC管和普通混凝土的配合比分别如表3和表4所示，与实施例1相同，原料也保持一致。本实施例的超高性能钢纤维混凝土管约束再生块体混凝土柱具体制造过程为：预先按上述表4的组分，浇筑好UHPFRC管，在标准条件养护28d。随后将UHPFRC管作为浇筑侧面模板，底部面用木模板密封。在UHPFRC内部放置4片220mm×580mm×0.8mm的薄钢片，薄钢片紧贴UHPFRC管内侧面，作为衬子，以防止浇筑时对UHPFRC管造成损伤。然后，将绑扎好的钢筋笼，置于UHPFRC管体内。向UHPFRC中放入旧混凝土块体，再将新拌好的普通混凝土倒入UHPFRC管中，两种混凝土均需进行准确量值，使得旧混凝土块体在混合混凝土中的质量比为25％。混凝土注入完毕后，使用震动棒充分振捣，使旧混凝土块体与新拌普通混凝土均匀混合，分布并填充满柱体内部。标准条件下，养护28d，即可达到结构设计强度。本实施例相对于实施例1而言，由于在内部放置了钢筋笼，进一步加强了混凝土的强度。实施例3本实施例相对于实施例1或2而言，其区别在于对UHPFRC的混凝土组成进行改进，设计了一种螺旋钢纤维混凝土，旨在提升传统钢纤维混凝土的力学性能，以及更进一步地提高UHPFRC的韧性和变形性能，使得钢纤维能更充分发挥其桥联作用的力学特性，加强UHPFRC管的性能。①螺旋钢纤维混凝土的制备：本实施例中，UHPFRC管的混凝土原料组分依然为水泥、硅灰、细砂、水、石英粉、高效减水剂、钢纤维，但钢纤维含有螺旋钢纤维。钢纤维可以是直线钢纤维和螺旋钢纤维的混合，也可以完全是螺旋钢纤维。螺旋钢纤维作为一种异形截面钢纤维，结构如图5所示。与圆形截面的直线型钢纤维相比，螺旋钢纤维与混凝土基体之间具有较强的机械咬合力，从而具有更强的界面粘结性能。螺旋钢纤维与常规的端钩钢纤维相比，虽然二者同属异形钢纤维，然而，在超高性能混凝土基体中，螺旋钢纤维的拉拔曲线更加饱满，拉拔力硬化现象明显，能提供更好的变形能力和韧性。下面本实施例将设计3组不同组分比例的混凝土材料，编号为1-1、1-2、1-3，用于展示该种加强型UHPFRC的具体制备。3组UHPFRC混凝土材料的组分均为水泥、硅灰、细砂、水、石英粉、高效减水剂和钢纤维。原材料参数如下：直线钢纤维，直径为0.2mm，长度为12mm，长径比为60，抗拉强度为2700Mpa。如图5所示，螺旋钢纤维截面为矩形且矩形截面为0.53mm×0.37mm，等效直径为0.5mm，扭转螺距为10mm，抗拉强度为2500Mpa。所采用水泥为普通硅酸盐水泥。硅灰的比表面积为22m2/g，其中SiO2含量≥90％，细砂粒径范围为0.1mm-0.5mm，石英粉粒径为5μm-50μm，SiO2含量≥95％。高效减水剂为聚羧酸高效粉末减水剂，减水效率≥30％。水为工业用水。每组混凝土中各组分质量如下表5所示，按各组分的质量比的份数给出。表5螺旋钢纤维超高性能混凝土材料的配合比本实施例中，螺旋钢纤维混凝土的制备过程如下：1)将表5所述质量分数的水泥、硅灰、细砂、水、石英粉、高效减水剂、钢纤维称重备用；2)将按表5所述质量分数称重后的水泥、硅灰、细砂、石英粉、高效减水剂加入搅拌机中，慢速干拌2min，混合均匀；3)在2)步骤所得的干拌物中，加入约所称重总量一半的水，中速搅拌约4min，再加入剩余的水，中速搅拌约5min，得到搅拌均匀的新拌混凝土砂浆，即超高性能混凝土(UHPC)，以此作为基体具有较高的强度，能对纤维提供足够的锚固力，有利于发挥钢纤维的力学优势；4)向步骤(3)所得的新拌混凝土砂浆中，先加入直线钢纤维，中速搅拌约2min，混合均匀(当组分中没有直线钢纤维时，可跳过该步骤)。再加入螺旋钢纤维，中速搅拌约4min，得到搅拌均匀的螺旋钢纤维超高性能混凝土拌合物，即得到混凝土成品。上述三组螺旋钢纤维超高性能混凝土中，螺旋钢纤维与混凝土基体的粘结力与直线钢纤维相比，粘结力得到了显著提升。该种混凝土的拉伸强度高于传统钢纤维混凝土。而且由于螺旋钢纤维在从基体拔出时，具有“解螺旋”的过程，可以极大提高传统钢纤维混凝土的变形能力。而且该制备方法，先将水泥、硅灰、细砂、石英粉、高效减水剂混合均匀，利于减水剂发挥作用，提高固体颗粒表面活化能，提高减水效果。分两批加入水后，再分批加入钢纤维，搅拌均匀。最终得到的成品，纤维分布均匀，流动性好，有利于材料成型及工程应用。②螺旋钢纤维混凝土的性能测试：下面通过单根螺旋钢纤维在其基体中的拔出实验说明本实施例中的螺旋钢纤维与超高性能混凝土(UHPC)之间的耦合效果。单根螺旋钢纤维在其基体中的拔出实验可用于测试单根螺旋钢纤维与基体之间的粘结性能，所采用的实验方法，按《钢纤维混凝土试验方法》(CECS13:89)进行。试验采用的螺旋钢纤维超高性能混凝土材料基体，其组分包括水泥、硅灰、细砂、水、石英粉、高效减水剂。共设置三组试验，每组试验中各组分质量如下表6所示，按各组分的质量比的份数给出。实验中每个试件所埋设的单根钢纤维的埋置长度，也在表6中给出。每组产品有6个平行试样。表6螺旋钢纤维超高性能混凝土材料基体的配合比本试验中，螺旋钢纤维混凝土的制备过程如下：1)将表6所述质量分数的水泥、硅灰、细砂、水、石英粉、高效减水剂、钢纤维称重备用；2)将按表6所述质量分数称重后的水泥、硅灰、细砂、石英粉、高效减水剂加入搅拌机中，慢速干拌2min，混合均匀；3)在2)步骤所得的干拌物中，加入约所称重总量一半的水，中速搅拌约4min，再加入剩余的水，中速搅拌约5min，得到搅拌均匀的新拌超高性能混凝土(UHPC)砂浆，即本试验中的螺旋钢纤维混凝土的基体；将拌制好的砂浆倒入专用模具中，并在模具中预先埋置好单根螺旋钢纤维，制成拔出实验试件。本实施例中，共浇筑3组产品，每组6个平行试件，螺旋钢纤维的埋置深度分别为15mm、20mm、25mm。测得3组试样的平均力学性能如下表7所示。表7不同试样的平均力学性能编号平均拉拔力/N解螺旋拉拔力/N拉拔能/N.mm2-1191.5199.128732-2193.3203.339052-3184.41934582由此表明，在超高性能混凝土基体中，螺旋钢纤维需要通过“解螺旋”方式进行拉拔，因此对于混凝土而言能提供更好的变形能力和韧性。另外，本实施例中还针对上述UHPC砂浆基体，经XCT扫描观察螺旋钢纤维拔出前后的试件内部形态。同时作为比较，以C30砂浆为基体，以相同方法进行单根螺旋钢纤的拔出实验，并经XCT扫描观察螺旋钢纤维拔出前后的试件内部形态。螺旋钢纤维在从C30砂浆和UHPC砂浆中拔出后的试件，经过XCT扫描后的图像，分别如图6和7所示。从图6中可以看出，螺旋钢纤维从普通混凝土(C30)中拔出后，基本保持了原来的形状，基体拔出通道被破坏。而如图7所示，螺旋钢纤维从UHPC基体中拔出后，呈现了解螺旋的形态，基体拔出后的通道，基本完整的保持了原螺旋钢纤维的形状。因此本发明的螺旋钢纤维超高性能混凝土，与传统钢纤维混凝土材料相比，其基体能对纤维提供足够的锚固力，发挥钢纤维的力学优势，两者相辅相成。因此，按照①中的方法制备得到螺旋钢纤维混凝土，由于螺旋钢纤维在从基体拔出时，具有“解螺旋”的过程，可以极大提高材料的变形能力及韧性。③螺旋钢纤维混凝土管约束的再生块体混凝土柱制造：按照①中的方法制备得到螺旋钢纤维混凝土后，用于浇筑成圆形、方形或其他多边形管，养护成型，即可替换实施例1或实施例2中的由常规直线钢纤维制成的UHPFRC管，按照实施例1或实施例2中记载的方法制造可螺旋钢纤维混凝土管约束的再生块体混凝土柱。由于螺旋钢纤维混凝土相对于普通的UHPFRC管具有更好的力学性能，因此整体的混凝土柱性能也将得到大大得提升。以上实施例，仅为说明所作举例，并非对实施方式的任何限定。在实际的实施过程中，操作人员在上述的说明基础上，可以做出许多变化，由此而引申出的变化仍在本发明创造权利要求的保护范围内。当前第1页1 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