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UHPC加固混凝土结构方法概述

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  摘 要 UHPC是一种新型水泥基材料,具有耐久性高、强度高、韧性好等优点,特别适合用于混凝土结构加固。根据加固目的的不同,UHPC加固可分为耐久性加固、承载能力加固和抗震加固,均可取得较好的效果。
  关键词 UHPC;加固;技术
  概述
  高度发达的基础设施对于社会的繁荣和经济的发展是十分重要的,而且许多基础设施都是属于钢筋混凝土结构。在中国,大量的钢筋混凝土结构已经服役几十年了,经受显著增加的活载和环境荷载(冻融和盐腐蚀)的影响,在性能上出现了退化;或各类设计规范修订升级,已建结构要满足现行规范的设计要求必须进行加固改造。目前超高性能混凝土是研究的热门,本文将探讨将其应用加固的方法。
  超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete,简称UHPC),一般需掺入钢纤维或其他高强聚合物纤维,也被称为超高性能纤维增强混凝土(Ultra-High Performance Fiber Reinforced Concrete,简称UHPFRC),包括活性粉末混凝土(RPC)。国外对超高性能混凝土的定义是抗压强度超过150MPa,抗拉强度超过5MPa的新型水泥基材料。它具有优异的韧性和断裂能,使得混凝土结构在超载环境下或地震中具有更优异的结构可靠性。UHPC具有高耐久性,密实度高,氯离子和硫酸盐渗透几乎为零,其抗腐蚀性能为混凝土结构在恶劣环境中提供了保护,极大限度地提高混凝土结构的使用寿命,减少维修费用[1]。在开裂情况下,UHPC内部存在大量未开化颗粒,使得其具有自修复功能。由以上优点,我们可以判断UHPC特别适合做加固修补材料,学术界和工程界也都对其用于加固做了许多的研究,目前在实际工程中也有应用。
  1 超高性能混凝土用于加固的可行性
  UHPC具有优异的力学性能和优异的耐久性能,为充分发挥UHPC的这些优势,在加固工程中,可以将其应用于混凝土结构中暴露在极端恶劣环境中(比如除冰盐或海洋环境下)的部分或承受极端力作用(如冲击荷载、集中力或疲劳荷载)的部位。浇筑完的UHPC具有快速获得高强度的特性,环境空气养护下的UHPC可以在1天和2天内分别获得80MPa和100MPa的抗压强度,这可以有效保证高效施工和快速施工。Lee[2]的研究表明,和其他类型的混凝土相比,RPC具有较高的动模量值、较高的黏结强度承载力以及出色的黏结耐久性,在抗压和抗弯加固中显示出良好的修补和改造潜力。
  在已建结构的基础上再浇一层修复层,为保证新旧两种材料的适应性,一般要求两种材料具有相近的力学性能。UHPC弹性模量比普通混凝土大将近60%,不过其改善的抗拉性能可以抵消这部分的增量,且UHPC具有显著的应变硬化,比普通混凝土的最大弹性变形大了好几倍。UHPC具有很低的水灰比,其变形主要是自收缩,这部分值可以等效于普通混凝土的干燥收缩值。因此具有应变硬化特性的UHPC是密度、高抗拉强度和显著变形能力的极好折中,适合于已建混凝土结构的修补或新组合结构。
  2 UHPC加固的研究和实际工程
  国外最早开始进行对UHPC的研究并将其用于工程实践,根据其耐久性能好、强度高、韧性好等优点,尝试将其用于普通混凝土结构加固,针对不同的加固目标,对结构的不同部位进行不同形式的加固,取得了良好的效果。国内近些年来也开展了一些UHPC的加固研究,目前主要是试验室研究,真正用于实际工程较少。
  党祺[3]对3块足尺箱梁顶板局部模型进行UHPC加固试验研究,在其中2块顶板的上部浇筑一层UHPC,分别对其作用正/负弯矩,对其开裂强度和承载能力进行分析,和未加固试件进行对比,发现正负弯矩下加固有效提高了试件整体的刚度,破坏前较好的延性和明显变形。
  刘超等[4]提出在桥面板顶部浇筑一层UHPC铺层,与原结构一起受力,以沪嘉高速公路蕴藻浜大桥加固项目为背景,进行了理论和试验研究,发现在车辆荷载作用下,桥面板的横向应变和竖向挠度均降低了约60%,应力也有所下降,说明采用UHPC层加固可有效改善桥面板受力。
  In-Yeong Koo等[5]研究了外包UHPC加固钢筋混凝土柱的抗震性能。试验获得良好的加固效果,UHPC层越厚,加固效果越好,配置箍筋比没有配置箍筋的效果更好。
  3 结束语
  UHPC用于混凝土加固主要是三个方面,一是耐久性修复,就是在受恶劣环境影响的结构部位现浇或粘贴一层UHPC薄层,利用UHPC的密实性和低渗透率,有效阻止有害物质侵入结构,腐蚀内部结构钢筋;二是承載能力加固,目前研究较多是梁结构,在弯矩最大处承受拉应力的一侧浇筑UHPC层,可以有效延迟混凝土结构的开裂,即便开裂也可以得到较好的延性性能;三是抗震加固,一般是针对墩柱、墙等结构,在其中一面或多面浇筑UHPC或在塑性铰位置处外包UHPC,可以取得良好的延性和有效提高结构的承载力。
  参考文献
  [1] 张政刚.综述超高性能混凝土应用[J].装饰装修天地,2017,(12):251.
  [2] Lee M G,Wang Y C,Chiu C T. A preliminary study of reactive powder concrete as a new repair material[J].Construction & Building Materials,2007,21(1):182-189.
  [3] 党祺.UHPC加固损伤板受弯性能的研究[D].长沙:湖南大学,2016.
  [4] 刘超,马汝杰,王俊颜,等.超高性能混凝土薄层加固法在槽形梁桥中的应用[J].桥梁建设,2017,(05):115-119.
  [5] In-Yeong Koo,Sung-Gul Hong.Strengthening RC columns with Ultra High Performance Concrete[C].The 2016 Structures Congress,Jeju Island,Korea,Aug.28-Sep.1,2016:28.
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