高层建筑中高性能纤维增强水泥基复合材料的应用

　　摘要：随着经济的不断发展， 人口的不断增长， 城市化进程的显着提高， 我国的一二线城市为了满足当地经济的发展需求， 陆续建成了一批高层建筑和超高层建筑， 如上海的金融环球中心， 金茂大厦等。为了满足高层建筑的结构要求和方便施工， 对于混凝土的强度、稳定性、耐久性方面提出了更高的要求， 本文主要研究高性能纤维增强水泥基复合材料 （Green High Performance Fiber Reinforced Cementitious Composites, GHPFRCC） 在高层建筑中的应用。

　　

　　关键词：高层； 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

　　

　　当今社会， 城市不断扩张， 人口急剧增加， 高层建筑如飞一般的从一二线城市中拔地而起， 它给人们带来了更多的使用和利用空间， 同时也丰富了城市的轮廓线。在某种意义上， 一个城市的现代化建设可通过其所建造的高层建筑物体现出来。高层建筑可以丰富我们的事业， 丰富我们的生活， 使我们更好的生活， 使我们更好的生活， 更好的融入这个世界， 高层建筑不仅能解决众多人口的居住问题和行政、金融、贸易等部门的办公， 也能满足人们大型生活娱乐、公共服务的需求。这推动了高层建筑的发展， 而高层建筑涉及安全、管理、能源、环境等深化问题， 建立在一系列的技术支持之上， 要求人类在不断探索更新新技术的同时， 不断研发制出更多具有轻质、高强、耐久等优良性能的建筑材料。

　　

　　图1 上海的金融环球中心

　　

　　图2 上海的金茂大厦

　　

　　1、GHPFRCC的简介

　　

　　随着科技的进步， 人类进入了崭新的发展阶段， 而突如其来的地震通常会对人类带来不可估量的危害， 严重危害人们的生命财产和经济建设。尤其是工业发达、人口稠密的地区， 大地震给人类带来了巨大的灾难。但是抗震对于我们来说十分重要， 地震来的快， 让人们防不胜防， 使我们不能更好的生活， 所以我们应该为了防止地震危害， 学习一些地震知识。水灾， 地震都无情， 所以我们应该好好的预防。

　　

　　科学的发展使我们能很好的看清这个世界， 看清这个丰富多彩发展的世界， 使我们可以非常自由自在的生活， 混凝土是建成高楼大厦的一个重要材料， 也是基石， 所以， 对于混凝土材料的选择十分谨慎。应该注重材料的选材， 材料的配置， 以及材料的原料。

　　

　　混凝土是目前应用最广泛、最多的建筑材料， 钢筋混凝土具有就地取材、耐久、耐火、可塑性好、现浇式或预制式钢筋混凝土结构的整体性好、刚度大、变形小等优点， 使钢筋混凝土成为应用最广泛的建筑材料。但钢筋混凝土不可避免的存在自重大， 抗裂性能差， 延性差等缺点。为降低其缺点的影响， 文章以高性能新型混凝土GHPFRCC为例， 探讨了其在建筑工程领域中的应用。普通的混凝土材料系的组成部分包括粗骨料 （石子） 、细骨料 （砂子） 、胶结材料 （石灰、水泥） 和水。而新型混凝土材料GHPFRCC是在ECC （Engineered Cementitious Composites） 的基础上使用大掺量粉煤灰代替水泥制成的一种新型材料。利用工业废料粉煤灰既实现了废弃物的再利用， 也大大提升了混凝土材料的流动性和混凝土的和易性， 具有减少徐变， 降低水化热等优点， 通过研究表明掺入粉煤灰的ECC具有不错的力学性能。

　　

　　GHPFRCC是一个非常新颖的材料， 混凝土材料， 在美国发明。外国人对于它的研究比较多， 而且应用广泛。而且对于新兴材料的选择上， 也跟一般的混凝土不一样， 新兴混凝土在结构的延性， 耐久性上都有很好的改良。在使用上， 人们还不认可它们， 所以对于它们的使用不广泛。

　　

　　2、ECC的基本性能特点及其应用

　　

　　纤维增强水泥基复合材料是将水泥加粉煤灰、硅粉或者只用水泥等作为基体， 这种粒径不大于5mm, 并使用高模量聚乙烯醇纤维 （PVA纤维） 、聚乙烯纤维 （PE纤维） 等增强后制备而成， 具有多点开裂和显着的应变硬化特征[6].最早的时候， ECC以聚乙烯纤维为增韧材料， 称为PE-ECC.1997年， Victor C.Li等开始改用PVA纤维用以代替PE纤维， 并研发了性能比PE-ECC材料还要好的PVA-ECC材料。ECC具有很强的变形能力， 易控制裂缝且耐久性好， 抗剪承载力和抗弯承载力均较高， 是一种很好的抗震消能材料， 可以应用于梁柱节点， 对结构的抗震性能有所提高且耐火性好。

　　

　　ECC因其能改善传统混凝土的弱点， 具有超强的韧性和独特的多缝开裂特性， 使其在结构工程领域具有广阔的应用空间和发展前景。在近十几年的发展中， ECC已经广泛应用于实际工程， 美国、日本和欧洲等发达国家和地区， 已经开始大量使用这种材料用于高层建筑、边坡加固、桥梁面板维修、水坝维修加固、韧性连接板及抗震梁等范畴。

　　

　　3、GHPFRCC在高层中的应用

　　

　　GHPFRCC作为一种性能优异的绿色建筑材料， 常温力学性能已取得一定的研究成果， 高温后的力学性能尤其是其三轴抗压性能尚待探明；因其本身出色的韧性和耗能能力， 将其用于加固火损框架柱， 但其抗震性能尚待研究。本文主要内容包括以下几方面：

　　

　　（1） 高温后GHPFRCC三轴受压力学性能。进行高温后GHPFRCC三轴受压力学试验， 测得高温后GHPFRCC的圆柱体三轴受压强度和应变， 得到垂直应力-应变曲线， 分析加载速度、配合比和温度等因素对GHPFRCC三轴抗压强度的影响规律。

　　

　　（2） 完成框架柱耐火性能试验。进行2根C30框架柱和同样配筋的2根GHPFRCC框架柱的耐火试验， 分析框架柱温度场及破坏变形。

　　

　　（3） 探明GHPFRCC加固火损框架柱的抗震性能。对4根火损柱中的1根GHPFRCC框架柱和1根C30框架柱进行通长加固。将2根加固后的框架柱、2根未加固的火损柱、2根未受火的框架柱 （共6根） 进行拟静力试验， 对比分析GHPFRCC加固火损框架柱、火损框架柱和未受火的框架柱的抗震性能和耗能能力。

　　

　　采用GHPFRCC加固火损混凝土框架柱和GHPFRCC框架柱各一根， 加固方式为沿柱通长全截面加固。

　　

　　（1） 根据框架柱耐火性能试验数据， 综合分析可得出GHPFRCC柱中表面温度最高为242℃， 柱角温度可达358℃， C30柱中表面温度最高为388℃， 柱角温度可达456℃。为衡量GHPFRCC的抗震效果， 故以GHPFRCC框架柱为加固标准； （2） 去掉外围受火损伤的材料， 同时将外部较为松散的石子或混凝土小块等去掉；为了使柱子和基础有比较好的整体性， 柱子根部也去除一部分材料， 尺寸为30mm厚， 200mm宽； （3） 用水清洗柱子， 并且用铁丝刷子轻轻洗刷柱子上的混凝土粉末； （4） 待柱子晾干后粘贴应变片， 连接好后， 用万用表检查是否正常， 并用聚丙树脂保护； （5） 为确保材料的良好流动性， 可采用分段浇筑， 即先浇筑柱和基础的交接部分， 马上支柱模板， 柱模板再分两次浇筑， 在浇筑的时候用锤子等工具敲打模板， 使材料向下流动。浇筑时使用手持式钻孔机在模板上分段打孔， 发现有水泥浆流出， 说明密实性良好； （6） 养护28天； （7） 为便于观察实验现象， 表面画上白色的50mm×50mm方格网。

　　

　　由山东建筑大学研究生徐化川的研究结果表明：GHPFRCC具有良好的延性， 达到极限荷载时应变均达到了2%以上， 随着围压的增加， GHPFRCC的抗压强度得到了较大的提升。围压和纤维对压力对于混凝土的性能起到了主要作用， 控制了构件内部裂缝的发展， 提高了混凝土试块架构的的抗压强度。研究表明GHPFRCC加固火损框架柱要比一般的混凝土效果更明显， 大幅度提高了试件的承载能力、变形能力、耗能能力。

　　

　　高温后的GHPFRCC随着温度的升高， 试件表面颜色发生了变化， 裂纹增多， 与普通水泥基材料相比， 形态完好， 裂缝较好。与普通混凝土相比， GHPFRCC这种新型材料加入了PVA纤维， 弥补了混凝土抗拉强度低的特点， 这种新型材料不掺入粗骨料， 只有细骨料， 因使用过多的水泥， 所以用粉煤灰代替部分水泥， 这样可以提高材料的性价比。当今社会， 绿色环保已经成为主流， GHPFRCC混凝土洽洽于这一理念相吻合， 并且GHPFRCC的力学性能远远高于普通混凝土。因此GHPFRCC在建筑领域具有更广泛的应用前景， 将大幅度提高结构的安全储备。GHPFRCC因为掺入PVA纤维减少了混凝土的自重、增强了混凝土的力学性能， 为高层建筑的结构设计带来了便利。

　　

　　GHPFRCC是一种绿色环保无污染的材料， 我相信以后它肯定会有一定的发展空间， 能得到更好的发展， 人们也能好好的接纳它。应用会越来越广， 材料上肯定绿色无污染， 对于纤维， 人们对于它并不陌生， 它对构件耐火上起到了很好的作用， 提高了它的延性。极限承载能力越好， 极限位移越大， 这两个方面是影响构架的一个重要方面， 对于混凝土而言， 对于构件来说， 这几个方面决定了它是否优良。

　　

　　GHPFRCC可以用于加固钢筋混凝土柱， 还可以用来桥面、路面的修复， 柱端、连梁、梁柱节点等的补强加固， 应用前景十分广阔。

　　

　　4、结论与展望

　　

　　新材料的研究与应用是当前的热门话题， 随着人们环保意识的不断增强， 绿色建筑材料越发受到关注。GHPFRCC作为一种绿色、经济的新型混凝土材料不断地得到人们认可。随着我国建筑基础建设的不断增强。GHPFRCC必将成为新世纪的重要建筑工程材料。高层建筑越来越多， 人们对于混凝土材料的要求肯定也会越来越大， 需求量也会很多， 我相信未来一定会很好。

　　

　　参考文献

　　

　　[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]陈文永， 陈小兵， 丁一。ECC高性能纤维增强水泥基材料及其应用[J].2010.

　　[3]徐化川。绿色高性能纤维增强水泥基复合材料加固火损框架柱抗震性能试验研究[J].2016:21.