专家解读
为进一步推广刊登在《建筑结构学报》的优秀科研成果,反映相关研究发展动态和趋势,推动学术交流,《建筑结构学报》微信公众平台开设“专家解读”专栏。在新刊中遴选部分研究方向具有前瞻性和引领性,研究成果具有创新性和实用性,研究方法具有可借鉴意义的优秀成果,由作者介绍研究背景,深入解读其创新成果及研究过程。
同济大学肖建庄教授作为《建筑结构学报》2020年第12期特邀主编,将继续为广大读者深度解读再生混凝土在结构应用中的技术瓶颈和工程难题。
由肖建庄教授作为学术带头人的研究团队,发表在《建筑结构学报》2020年第12期总计7篇文章,分别为《钢筋再生混凝土结构研究进展及其工程应用》《考虑时变可靠度的再生混凝土结构设计》《再生混凝土梁长期加载与卸载后受弯性能试验研究》《钢-PVA混杂纤维高强再生骨料混凝土断裂性能》《不同侧压下再生混凝土与钢筋间黏结性能试验研究与理论分析》《废混凝土骨料和废砖骨料再生混凝土的模型化研究》和《配筋再生混凝土棱柱体徐变试验研究》。从再生混凝土材料质量控制、结构设计方法以及工程质量保障等方面,构建了从材料到结构的成套设计方法。所得部分成果已纳入现行再生混凝土结构设计规程,如DB31/T 1128-2019《再生骨料混凝土技术要求》、DG/TJ08-2018-2020《再生骨料混凝土应用技术标准》和JGJ/T 443-2018《再生混凝土结构技术标准》,为我国建筑业的可持续和高质量发展提供了科技支撑。
再生骨料混凝土结构基本性能
近年来我国建筑固废排放量逐年增加,建筑固废中废混凝土占比较大,实现废混凝土的再生利用是有效处理建筑固废的科学方式,可将传统混凝土结构的生命周期从直链式转变为循环式。
1.
再生混凝土材料性能
1.1 再生骨料性能与标准
采用“模型化再生骨料混凝土”概念,分别制备含有天然骨料、废混凝土骨料和废砖骨料的“模型再生骨料混凝土”,考虑骨料形状(圆形和方形)以及放置方位影响,借助数字图像相关技术,归纳总结了不同类型再生骨料对混凝土裂缝开展以及损伤演化的影响规律和机理。基于此,明确了再生骨料分级分类细则以保障再生混凝土性能,联合主编了上海市标准DB31/T 1128-2019《再生骨料混凝土技术要求》。
1.2 再生混凝土力学性能和耐久性能
精确调控投料顺序、有效用水量和搅拌工艺,优化再生混凝土制备技术,制备的C30、C40和C50等结构再生混凝土,其强度标准差分别降低42.6%、10.4%、23.8%,有效控制了结构再生混凝土的性能波动。提出再生混凝土耐久性提升方法,显著改善了界面过渡区微观结构,减少了再生混凝土内部的有害介质传输通道,提高了再生混凝土的后期强度和耐久性能,联合主编了上海市标准DG/TJ08-2018-2020《再生骨料混凝土应用技术标准》。
1.3 再生混凝土阻尼
针对再生混凝土组成复杂、内含多重界面、阻尼机制复杂等问题,通过材料阻尼性能试验以及数值仿真分析发现,再生混凝土阻尼比随着再生粗骨料取代率的增加而增加,当再生粗骨料的取代率为100%时,阻尼比增加17%。建立的微观分析模型显示,界面过渡区附近孔隙较多,增加的再生粗骨料包含更多的界面区,因而阻尼比提高。
2.
再生混凝土结构行为
2.1 再生混凝土应力-应变曲线
再生混凝土性能与普通混凝土不同,主要体现在性能离散性较大等方面。研究团队完成多种荷载工况下的再生混凝土试件的应力-应变全曲线试验,结合已有试验数据建立了再生混凝土本构曲线数据库;确定了特征指标之间的函数关系,发现再生混凝土峰值应变提高,曲线下降段变陡,在给定应变处的应力服从正态分布,并量化了各性能指标的变异性,提出了再生混凝土单轴受压应力-应变曲线模型。进一步,建立了再生混凝土多轴应力-应变曲线模型。
2.2 再生混凝土结构抗震性能
结合近年来对再生混凝土结构抗震性能的试验研究和现场监测结果,进行了非线性分析,提出了再生混凝土结构设计及非线性分析过程中的关键参数,包括力学参数、本构模型、阻尼比等输入参数,以及轴压比限值和层间位移角限值等控制指标,确定了再生混凝土结构的阻尼比按普通混凝土结构1.1倍取值,轴压比限值按减小0.05取值,为推广再生混凝土结构抗震设计技术提供理论和实践依据,联合主编行业规程JGJ/T443-2018《再生混凝土结构技术标准》。相关成果指导了上海地区12层再生混凝土结构的全过程设计、施工和长期监测,各项结构抗震性能参数均优于标准规定。
2.3 再生混凝土构件时变可靠度
基于对再生混凝土性能离散性和随时间变化规律的研究,合理量化了结构再生混凝土构件性能的“变异性”和“时变性”。考虑再生混凝土强度发展、碳化速率和钢筋锈蚀率等时变因素影响,数值模拟了再生混凝土梁的时变抗弯承载力,提出基于时变可靠度的再生混凝土结构设计方法。预测了再生混凝土结构可靠度指标随服役时间的变化规律,保证了再生混凝土结构在服役期内具有与普通混凝土结构相同的可靠度指标,建议了再生混凝土构件承载力计算公式,用于指导结构用再生混凝土构件的设计和使用。
3.
再生混凝土工程质量
3.1 再生混凝土流变性能与施工技术
针对新拌再生混凝土坍落度损失过快、流动性与稳定性难以调控以及流变性难以预测等难题,通过系列流变性试验,揭示了再生粗(细)骨料含水率、取代率、级配,以及再生微粉来源、需水量比、活性指数等品质特征参数相对于天然骨料和粉煤灰对新拌混凝土静态屈服应力和塑性黏度等流变性能的影响差异。通过专用泵送剂,显著减少再生骨料对自由水的吸附作用,提高了泵送效率,使再生混凝土可应用于高层泵送施工,参与编制了DBJ 61T155-2019《再生骨料泵送混凝土应用技术规程》。
3.2 再生混凝土结构健康监测
通过在再生混凝土高层结构中布置健康监测系统,基于非线性阻尼行为和大数据技术的损伤识别方法,对示范工程进行了健康监测。发现相比普通混凝土结构,再生混凝土结构的整体刚度降低约8.59%,而阻尼比增大21.65%;再生混凝土结构的动力模态参数受环境温度、结构响应幅值等因素的影响;再生混凝土结构在远场地震作用后仍保持完好状态。通过对再生混凝土高层结构的监测,验证了结构设计参数选取的有效性,并证实了在实际荷载和工况条件下,将再生混凝土安全应用于高层建筑结构的可能性。
3.3 再生混凝土工程可持续性评价
建立了闭环与开环相结合的新型生命周期评价(LCA)框架,指导了再生混凝土材料及构件的环境影响评价,实现碳排放与资源消耗的参数化调控;结果显示再生粗骨料混凝土最大碳减排比例约为5%,结合构件再用策略,这一效益可达15%。结合LCA与时变可靠度方法,提出了可持续性作为工程结构基本属性的思想,以表征在可靠性满足的前提下,工程结构对环境的影响在环境系统中的可承受程度。建立了工程结构可持续性量化设计方法,混凝土结构多层级再生策略应用,促进了建筑业可持续发展。
十几年来,研究团队在国内外专家的支持和指导下,初步构建了再生粗骨料混凝土结构设计技术体系;再生粗骨料混凝土的推广应用实现了工程经济、环境、社会效益的同步提升。未来研究将从单一的粗骨料再生原料取代发展为再生粗骨料、细骨料与粉体的共同取代,并探索3D打印技术等新型“再生混凝土油墨”和绿色建造模式,拓宽再生原料应用场景,进一步推动废弃混凝土资源化产品的工程应用,完善再生混凝土结构全生命周期设计理论体系,促进建筑业可持续和高质量发展,为人与自然的和谐共生贡献微薄之力。
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特约供稿专家
同济大学 肖建庄 教授