CN107178179A - 一种rpc外筒内填微膨胀混凝土组合柱 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及建筑、桥梁及港口工程领域，一种RPC外筒内填微膨胀混凝土组合柱，包括外围的RPC外筒以及核心区的微膨胀混凝土柱，所述RPC外筒将核心区的微膨胀混凝土柱包裹，所述微膨胀混凝土柱中配有纵向钢筋及普通箍筋。本发明通过外围RPC外筒的约束，限制了核心混凝土的横向位移，提高了组合柱整体的刚度，还提高了组合柱的抗火与耐久性能；微膨胀混凝土的应用不仅同样增强了组合柱的耐久性能，通过自身体积膨胀还使组合柱内部产生预应力，提高了组合柱的轴向极限承载能力。这种RPC与微膨胀混凝土的组合使用方式，使组合柱具有优越的耐高温和耐腐蚀性能，因此RPC外筒内填微膨胀混凝土组合柱可运用于海洋、高温高湿热等恶劣环境中作为承重构件。
Description
技术领域
本发明涉及一种RPC外筒内填微膨胀混凝土组合柱，属于建筑、桥梁及港口工程领域。
背景技术
在现代工程结构的发展中，人们不断地利用“组合”的概念来实现结构形式的突破。混凝土的三向受压强度试验表明，侧向压应力的作用可以有效地阻止混凝土在轴向压力作用下所产生的侧向变形和内部微裂缝的发展，从而使混凝土的抗压强度有较大的提高。因此，如用延性好的材料对混凝土柱进行外包，可对核心混凝土形成三维约束，提高混凝土的强度、弹性模量，改善混凝土的塑性、韧性，从而提高混凝土柱的极限承载力。
钢管约束和FRP(Fiber Reinforced Plastics)约束混凝土组合柱是目前使用较多的柱体组合形式，可使混凝土柱的抗压承载能力大大提高，但同时也存在一定的问题。钢管约束混凝土柱暴露在外侧的钢管往往会遇到大气、海洋、工业生产中的酸碱盐等环境，容易引起钢管外表面的腐蚀，从而导致钢管壁厚变薄，钢管截面面积减小，屈服强度和极限强度降低，使组合柱的整体力学性能下降。而对于FRP约束而言，FRP的耐火耐高温性差，其胶粘剂多属环氧类有机物，高温容易分解或软化，造成FRP强度和刚度的降低；另外由于FRP易燃，因而FRP约束的组合柱目前只能被用于桥梁结构或不需要防火设计的建筑结构中。
活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete，以下简称RPC)是继高强、高性能混凝土之后，出现的一种力学性能、耐久性能都非常优越的新型建筑材料。RPC的抗压强度可达 120-300MPa，其对应的抗拉强度可达18-40MPa。就RPC的延性而言，其相对普通混凝土有较大幅度的提高，一方面是因为RPC剔除了粗集料，内部结构更加均匀；另一方面是因为RPC添加了钢纤维等材料，从而获得所需要的高韧性和延性。另外，由于RPC组成材料与普通混凝土类似，但更加致密高强，从而具有非常好的抗腐蚀能力、较好的高温稳定性和良好的抗火性能。因此，如利用RPC替代钢管和FRP对普通混凝土柱进行外包约束，克服钢管易受腐蚀和FRP约束方式耐火性能极差的缺点，提出一种力学性能、耐久性能都非常优越的组合柱构件，正是本发明的出发点所在。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服上述问题，提供一种利用超高性能的RPC作为外筒进行约束的具有优越力学性能、耐久性能的混凝土组合柱结构。
为了实现上述目的，本发明提供一种RPC外筒内填微膨胀混凝土组合柱。组合柱由两种不同的混凝土组合而成，核心区混凝土采用微膨胀混凝土，外围则由RPC浇筑而成的外包薄壁套筒包裹。这种组合方式有以下优点：1、由于外围有高韧性的RPC外筒约束，限制了核心混凝土在竖向荷载作用下的产生的横向位移，提高了构件的整体刚度；2、RPC外筒的内部结构极为密实，空隙率与多余水分也都较少，具有优越的抗火性能，可减缓核心区微膨胀混凝土高温爆裂的发生；3、核心区使用的微膨胀混凝土在凝结硬化过程中，自身体积膨胀可以产生内压力，使得RPC外筒产生环向拉应力，从而使组合柱产生一定的预应力，提高组合柱的轴向极限承载力；4、RPC作为外筒约束柱构件的方式相对RPC柱而言大大降低了成本，同时现代建筑的竖向构件若只用RPC进行浇筑会使得性能过高，造成材料的浪费，而RPC外筒约束的方式已完全满足力学性能上的要求。综上，RPC外筒内填微膨胀混凝土组合柱会具有优越的力学性能、耐久性能及高性价比。
所述RPC外筒的原材料组成包括硅酸盐水泥、石英砂、镀铜超细钢纤维、矿物掺和料和高性能减水型外加剂。所述钢纤维的掺入量为外筒体积的2％，钢纤维的掺入可提高RPC的韧性及抗火性能。所述矿物掺和料通常有硅粉、粉煤灰、矿粉和偏高岭土等，矿物掺和料可以减少水泥用量，提高组分的细度和反应活性，同时可以改善RPC的内部结构，从而改善其基本性能。所述RPC外筒的制作，首先将称量好的拌合物倒入混凝土搅拌机，干拌3分钟；然后在搅拌过程中缓慢加入称量好的水，湿拌6分钟；再均匀撒入钢纤维，钢纤维占总体积的掺量为2％，搅拌6分钟出料，将拌合物注入模具，振捣，并养护28天。
所述微膨胀混凝土的原材料组成包括硅酸盐水泥、天然河砂、最大粒径为25mm的连续级配碎石、粉煤灰、膨胀剂和高效减水剂。所述微膨胀混凝土柱的配筋按照《混凝土结构设计规范》进行设计。在RPC外筒养护28天后，把外筒内表面冲洗干净，涂刷适当厚度的界面粘结剂，支立钢筋骨架，利用自落式大搅拌车往外筒内浇筑微膨胀混凝土，并进行振捣。
所述RPC外筒内填微膨胀混凝土组合柱的保护层厚度即为最外层钢筋外边缘到微膨胀混凝土柱表面的距离与RPC外筒的厚度之和，应不小于《混凝土结构设计规范》里按照环境、构件类别所取的保护层厚度值之余，为保证钢筋与微膨胀混凝土的粘结力，最外层钢筋外边缘到微膨胀混凝土柱表面的距离应不小于10mm。所述RPC外筒的厚度以不小于10mm且不小于组合柱横截面半径的1/10为宜。
所述RPC外筒内填微膨胀混凝土组合柱的截面选自圆形、矩形或正方形的一种。所述核心区的微膨胀混凝土柱的截面同样也选自圆形、矩形或正方形的一种。
所述内填微膨胀混凝土的应用具有以下优点：1、微膨胀混凝土可使外围的RPC外筒产生拉应力，而自身获得压应力，当这种膨胀性能受到约束时，即引起应力重分布或内力重分布，从而产生预应力，提高组合柱的抗压能力；2、微膨胀混凝土的微膨胀应用还可以有效地提高两种混凝土之间的界面粘结力；3、可利用膨胀来补偿混凝土的干缩，减免裂缝的产生与发展，提高混凝土的耐久性。
本发明的有益效果是：在实际工程中使用RPC外筒内填微膨胀混凝土组合柱，通过外围 RPC外包薄壁套筒的约束，限制了核心混凝土的横向位移，提高了组合柱整体的刚度；并且对核心混凝土起到保护作用，产生较好的抗火和耐久性能。而微膨胀混凝土的使用不仅增强了组合柱的耐久性，通过自身体积膨胀还使组合柱内部产生预应力，提高了组合柱的轴向极限承载能力。这种RPC与微膨胀混凝土的组合使用方式，使组合柱具有优越的耐高温和耐腐蚀性能，因此RPC外筒内填微膨胀混凝土组合柱可运用于海洋、高温高湿热等恶劣环境中作为承重构件。
附图说明
图1是本发明横向截面示意图。
图2是本发明纵向截面大样图。
图中：1-RPC外筒，2-微膨胀混凝土柱，3-纵向钢筋，4-普通箍筋。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种RPC外筒内填微膨胀混凝土组合柱，包括外围的RPC外筒1和核心区的微膨胀混凝土柱2，所述的RPC外筒1将微膨胀混凝土柱2包裹，所述RPC外筒的厚度以不小于10mm且不小于组合柱横截面半径的1/10为宜。所述RPC外筒内填微膨胀混凝土组合柱的截面选自圆形、矩形或正方形中的一种，所述核心区的微膨胀混凝土柱2的截面同样也选自圆形、矩形或正方形中的一种。
如图1和图2所示，在靠近核心区的微膨胀混凝土柱2的周边安放有均匀分布的纵向钢筋3，并贯穿于微膨胀混凝土柱2的顶部至底部，用于增强构件的抗弯能力。再从外侧围绕着纵向钢筋3沿微膨胀混凝土柱2顶部至底部按相同间距水平绑扎普通箍筋4，普通箍筋4直径不应小于纵向钢筋3最大直径的四分之一且不应小于6mm；箍筋间距不应大于400mm 及构件截面的短边尺寸，且不应大于15倍纵向钢筋3的最小直径。由于外围有一定厚度的 RPC外筒1，所以在考虑钢筋保护层厚度时，应把RPC外筒1的厚度也计算进去。所以组合柱的保护层厚度应为即为最外层钢筋外边缘到微膨胀混凝土柱表面的距离与RPC外筒的厚度之和，要求其不小于《混凝土结构设计规范》里按照环境、构件类别所取的保护层厚度值之余，为保证钢筋与微膨胀混凝土的粘结力，最外层钢筋外边缘到微膨胀混凝土柱表面的距离应不小于10mm。
下面列举本发明的一个优选实施例。如图1和图2所示，实施例是一个横截面外径为 250mm、核心区内径为225mm、高为1000mm、保护层厚度为22.5mm的圆柱形RPC外筒内填微膨胀混凝土组合柱构件，组合柱的纵向受力筋配置8根Φ12的钢筋，箍筋采用6mm的普通箍筋，普通箍筋间距为40mm。RPC外筒的浇筑，首先将称量好的拌合物倒入混凝土搅拌机，干拌3分钟；然后在搅拌过程中缓慢加入称量好的水，湿拌6分钟；再均匀撒入钢纤维，钢纤维总的体积的掺量为2％，搅拌6分钟出料，将拌合物注入模具；微膨胀混凝土柱的浇筑则不需掺入钢纤维。构件分两次浇筑完成，先浇筑外围的强度等级为C120的RPC外筒，在实验室内养护28天后，拆去外筒内的模板，再浇筑核心区的强度等级为C50的微膨胀混凝土。为增大两种混凝土间的粘结力，可把养护好的RPC外筒内表面冲洗干净，再涂刷适当厚度的界面粘结剂，然后浇筑微膨胀混凝土。为保证混凝土的密实度，避免出现空洞等缺陷，浇筑速度不宜太快，振捣时快插慢拔，插入点沿管平面呈三角形分布，插入时应超过前段已浇混凝土高度的三分之二，振捣时间不少于30s。组合柱较RPC柱构件节约了材料，降低了造价，且具有较高的承载力与较好的抗火性能和耐久性能，是一种高性价比的新型组合柱构件。
以上所述仅为本发明的一个优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，直接或间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (5)
1.一种RPC外筒内填微膨胀混凝土组合柱，其特征在于：包括RPC外筒(1)，微膨胀混凝土柱(2)，纵向钢筋(3)和普通箍筋(4)。
2.根据权利要求1所述的一种RPC外筒内填微膨胀混凝土组合柱，其特征在于：所述RPC外筒是用活性粉末混凝土浇筑而成的外包薄壁套筒，并掺入了占外筒体积2％的钢纤维。所述RPC外筒的厚度以不小于10mm且不小于组合柱横截面半径的1/10为宜。
3.根据权利要求1所述的一种RPC外筒内填微膨胀混凝土组合柱，其特征在于：所述RPC外筒内填微膨胀混凝土组合柱核心区内填充的是微膨胀混凝土，浇筑微膨胀混凝土前应在养护好的RPC外筒内表面涂刷适当厚度的界面粘结剂。
4.根据权利要求1所述的一种RPC外筒内填微膨胀混凝土组合柱，其特征在于：所述的RPC外筒内填微膨胀混凝土组合柱的截面选自圆形、矩形或正方形中的一种，所述核心区的微膨胀混凝土柱的截面同样也选自圆形、矩形或正方形中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种RPC外筒内填微膨胀混凝土组合柱，其特征在于：所述RPC外筒内填微膨胀混凝土组合柱的保护层厚度即为最外层钢筋外边缘到微膨胀混凝土柱表面的距离与RPC外筒的厚度之和，应不小于《混凝土结构设计规范》里按照环境、构件类别所取的保护层厚度值之余，为保证钢筋与微膨胀混凝土的粘结力，最外层钢筋外边缘到微膨胀混凝土柱表面的距离应不小于10mm。
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