一种中空夹层高强钢管约束高强橡胶混凝土组合柱

本发明涉及绿色建筑材料领域，具体涉及一种中空夹层高强钢管约束高强橡胶混凝土组合柱。

背景技术：

1、当前，我国基础设施建设不断向纵深推进，迫切需要新的结构形式以满足复杂工况要求。钢管混凝土作为凭借其优异的抗震性能、较高的承载力等被广泛的在超高层、大跨桥梁中使用。普通钢管混凝土结构屈服强度低，在荷载作用下更易发生局部屈曲。通常，钢材价格的增长速度低于其强度的增加速度，更易以较低的成本获得更高的强度的钢材。同时，钢管混凝土构件的截面面积较大，将消耗更大体积的混凝土。混凝土的消耗将使得二氧化碳的排放和天然骨料的消耗更大，不符合“双碳”政策。另一方面，混凝土强度越高，脆性越明显，破坏过程越突然。而采用橡胶粉对天然骨料取代后，将显著改善其韧性和耗能性能。但由于其组成成分和天然骨料的区别，将对其力学性能和耐久性能产生负面影响，因此，当前橡胶混凝土的应用还处于非主要结构构件中。

技术实现思路

1、为了克服上述问题，本发明提供了一种中空夹层高强钢管约束高强橡胶混凝土组合柱，采用双层高强钢管约束高强橡胶混凝土形成组合柱，确保该组合柱具备承载力和刚度的同时减小截面面积，降低了混凝土的使用量，减轻了结构自重。采用橡胶颗粒对天然骨料进行部分取代能提高普通混凝土的耗能能力、改善普通混凝土的脆性。而且双层高强钢管对橡胶混凝土的约束作用将进一步提高橡胶混凝土力学和耐久性能。该发明的提出还能缓解废旧轮胎堆积带来的环境问题。

2、本发明的目的采用以下技术方案来实现：

3、第一方面，本发明提供一种中空夹层高强钢管约束高强橡胶混凝土组合柱，包括外层高强钢管、内层高强钢管和夹层高强橡胶混凝土。

4、优选地，所述外层高强钢管截面形状为圆形和方形两种，厚度小于30mm，可以根据不同的设计要求而设置。

5、优选地，所述内层高强钢管截面形状为圆形和方形两种，厚度小于30mm，可以根据不同的设计要求而设置。

6、优选地，所述高强橡胶混凝土的抗压强度超过50mpa。

7、优选地，所述高强橡胶混凝土的制备方式包括表面改性处理、优化橡胶粉取代粒径、降低水灰比以及采用辅助胶凝材料。

8、其中，双层高强钢管混凝土将为高强橡胶混凝土提供侧向约束和永久模板，进一步提高其力学和耐久性能。

9、第二方面，本发明提供一种中空夹层高强钢管约束高强橡胶混凝土组合柱的建造方法，包括以下步骤：

10、步骤1：采用naoh溶液或者kmno4溶液对橡胶粉进行改性处理，制备含橡胶粉的细骨料，其中改性橡胶粉取代天然细骨料中1.18-2.36mm的部分，取代率为细骨料体积的5％，；

11、步骤2：固定内层高强钢管和外层高强钢管；

12、步骤3：将含橡胶粉的细骨料、粗骨料、胶凝材料分别倒入强制式搅拌机搅拌均匀；随后加入水、减水剂继续搅拌，得到高强橡胶混凝土；

13、步骤4：将制备得到的高强橡胶混凝土立即倒入外层钢管和内层钢管之间，充分振捣，完成浇筑。

14、优选地，所述步骤1中，naoh溶液或kmno4溶液浓度为1mol/l，浸泡时间不少于45分钟。

15、优选地，所述步骤1中，橡胶粉的粒径区间为1.18-2.36mm，体积取代率不超过5％，为废旧轮胎研磨得到。

16、优选地，所述步骤1中，橡胶粉取代天然细骨料中1.18-2.36mm的粒径区间。

17、优选地，所述步骤2中，内层高强钢管和外层高强钢管的几何中心位置相同。

18、优选地，所述步骤3中，粗骨料为天然碎石，粒径介于4.75-19mm之间，级配良好。

19、优选地，所述步骤3中，胶凝材料为水泥和微硅粉，微硅粉等质量取代水泥，取代率为10％。

20、优选地，所述步骤3中，减水剂为聚羧酸高效减水剂，减水效率为25％。

21、优选地，所述步骤3中，水采用城市自来水。

22、优选地，所述步骤3中，含橡胶粉的细骨料、粗骨料、胶凝材料、水、减水剂的重量比例是168：420：578.28：1194：2.1。

23、本发明的有益效果为：

24、(1)本发明采用双层高强钢管约束高强橡胶混凝土形成组合柱，在确保其具备足够承载能力和刚度的同时，减小了截面面积，较少了混凝土的使用，降低了结构的自重。同时，相比于普通钢材，采用高强钢材将显著提高构件的承载能力和抗侧刚度，并且成本增加较小。同时，双层高强钢管将为高强橡胶混凝土提供更大的约束，使混凝土脆性改善同时强度损失更小。

25、(2)本发明中采用绿色混凝土，有助于减小由于交通运输业繁荣发展带来的废旧轮胎堆积的问题。同时，中空夹层的结构形式将有助于减小混凝土的消耗，减小水泥和天然骨料的使用量，将显著降低二氧化碳的排放和减小天然河砂的进一步消耗。并且为了提高橡胶混凝土的力学性能，采用微硅粉取代水泥作为辅助胶凝材料将进一步降低水泥的消耗。本发明旨在推动橡胶混凝土作为主要承重构件在实际工程中的应用，以缓解全国废旧轮胎堆积给人民健康和生态环境带来的威胁，为推动废旧轮胎绿色健康循环利用提供新的动能。

技术特征：

1.一种中空夹层高强钢管约束高强橡胶混凝土组合柱，其特征在于，包括外层高强钢管、内层高强钢管和夹层高强橡胶混凝土。

2.根据权利要求1所述的一种中空夹层高强钢管约束高强橡胶混凝土组合柱，其特征在于，所述外层高强钢管截面形状为圆形和方形两种，厚度小于30mm；所述内层高强钢管截面形状为圆形和方形两种，厚度小于30mm，可以根据不同的设计要求而设置。

3.根据权利要求1所述的一种中空夹层高强钢管约束高强橡胶混凝土组合柱，其特征在于，所述高强橡胶混凝土的抗压强度超过50mpa。

4.根据权利要求1所述的一种中空夹层高强钢管约束高强橡胶混凝土组合柱，其特征在于，所述高强橡胶混凝土的制备方式包括表面改性处理、优化橡胶粉取代粒径、降低水灰比以及采用辅助胶凝材料。

5.一种权利要求1-4任意之一所述的中空夹层高强钢管约束高强橡胶混凝土组合柱的建造方法，其特征在于，包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的一种中空夹层高强钢管约束高强橡胶混凝土组合柱的建造方法，其特征在于，所述步骤1中，naoh溶液或kmno4溶液浓度为1mol/l，浸泡时间不少于45分钟。

7.根据权利要求5所述的一种中空夹层高强钢管约束高强橡胶混凝土组合柱的建造方法，其特征在于，所述步骤1中，橡胶粉的粒径区间为1.18-2.36mm，体积取代率不超过5％，为废旧轮胎研磨得到。

8.根据权利要求5所述的一种中空夹层高强钢管约束高强橡胶混凝土组合柱的建造方法，其特征在于，所述步骤1中，橡胶粉取代天然细骨料中1.18-2.36mm粒径区段。

9.根据权利要求5所述的一种中空夹层高强钢管约束高强橡胶混凝土组合柱的建造方法，其特征在于，所述步骤3中，粗骨料为天然碎石，粒径介于4.75-19mm之间，级配良好；胶凝材料为水泥和微硅粉，微硅粉等质量取代水泥，取代率为10％；减水剂为聚羧酸高效减水剂，减水效率为25％。

10.根据权利要求5所述的一种中空夹层高强钢管约束高强橡胶混凝土组合柱的建造方法，其特征在于，所述步骤3中，含橡胶粉的细骨料、粗骨料、胶凝材料、水、减水剂的重量比例是168：420：578.28：1194：2.1。

技术总结
本发明涉及绿色建筑材料领域，具体涉及一种中空夹层高强钢管约束高强橡胶混凝土组合柱。该组合柱包括外层高强钢管、夹层高强橡胶混凝土、内层高强钢管三部分组成。所述的高强橡胶混凝土是指通过改性技术、级配优化制备得到抗压强度大于50MPa的高强橡胶混凝土，填充于外层高强钢管和内层高强钢管之间。本发明采用双层高强钢管约束高强橡胶混凝土形成组合柱，确保承载力和刚度的同时减小截面面积，降低混凝土的使用量，减小了结构自重。同时双层钢管对橡胶混凝土提供侧向约束，保证混凝土具有一定耗能能力的同时进一步提高橡胶混凝土力学性能。本发明将有效缓解废旧轮胎堆积带来的环境问题，为推动废旧轮胎绿色健康循环利用提供新的动能。

技术研发人员：任凤鸣,莫金旭,赖勉亨,冯伟光,田时雨,郭绍祖,熊剑荣
受保护的技术使用者：广州大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/11