
混凝土結構誕生以來在材料方面的發展主要表現在混凝土強度的不斷提高、混凝土性能的不斷改善、輕質混凝土和無砂混凝土的應用以及FRP筋的應用等方面。
20世紀60年代初,美國混凝土的平均抗壓強度為28N/mm2,70年代提高到42N/mm2。
1964年,用高效減水劑配制普通工藝的高強混凝土在日本首先興起,到70年代末,日本的工地上已能獲得抗壓強度為80~90N/mm2的高強混凝土。1976年起,北美也開始采用高效減水劑配制高強混凝土,1990年以后,美國和加拿大的工地上已能獲得60~100N/mm2,最高可達120N/mm2的高強混凝土。在試驗室中,混凝土的抗壓強度甚至可做到300N/mm2。
20世紀90年代以前,我國大量采用的混凝土抗壓強度僅為15~20N/mm2。隨著經濟的發展和科技的進步,高強混凝土得以在工程實踐中應用。在鐵道系統,鐵路部門用50~60N/mm2的混凝土生產橋梁、軌枕以及電氣化鐵路的接觸網支柱。在公路橋梁方面,混凝土的抗壓強度達到80N/mm2。1988年,在沈陽建成的18層遼寧省工業技術交流館中首次應用60N/mm-的混凝土建造高層建筑的柱子。1990年8月在上海海倫賓館、9月在上海新新美發廳工程上成功進行了泵送混凝土的工程實踐。在一些基礎設施工程中,如混凝土的輸水管,也有過用抗壓強度為60N/mm'混凝土的報道。目前,我國的土木工程結構,尤其是超高層混凝土房屋結構,應用抗壓強度為60N/mm2的混凝土已相當普遍。
為提高混凝土的抗拉強度,改善混凝土的抗裂、抗沖擊、抗疲勞、抗磨等性能,在普通混凝土中摻入各種纖維(如鋼纖維、合成纖維、玻璃纖維和碳纖維等)而形成的纖維混凝土已在工程中得到廣泛應用。其中以鋼纖維混凝土的技術最為成熟,應用最為廣泛。美國、日本和我國都相繼編制了鋼纖維混凝土結構的施工設計規程或規范。
以改善混凝土工作性能、降低泌水離析、改善混凝土微觀結構、增加混凝土抗酸堿腐蝕為目標的研發工作也在進行中。另外,在混凝土中添加智能修復材料和智能傳感材料,使得混凝土具有損傷修復、損傷愈合和損傷預警功能的研究工作已引起各國學者高度重視,其中,混凝土結構中的光纖傳感技術已在工程中應用。
為克服混凝土自重大的缺點,經國內外學者的努力,由膠結料、多孔粗骨料、多孔或密實細骨料與水拌制而成的輕質混凝土(干容重一般不大于18kN/m2)得到很大的發展。國外用于承重結構的輕質混凝土的抗壓強度為30~60N/mm2,其容重為14~18kN/m2。國內輕質混凝土的抗壓強度為20~40N/mm2,其容重為12~18kN/m2。1976年建成的美國芝加哥Water Tower廣場大廈的樓板采用了抗壓強度為35N/mm2的輕骨料混凝土。美國休士敦52層高210m的貝殼廣場大廈則全部由輕質混凝土建造。當對混凝土的強度要求不是很高時,可以采用普通粗骨料制成的無砂大孔混凝土,其容重為16~19kN/m3。
混凝土結構中鋼筋的銹蝕是影響結構壽命的重要因素之一。盡管世界各國的學者多年來作出了很大的努力,但是這一問題一直沒有得到很好解決。在北美,冬天需要用鹽來解凍,因此,公路橋梁和公共車庫中鋼材的腐蝕情況尤為嚴重。據1992年的統計結果顯示,修復加拿大當時所有混凝土車庫結構的費用在40億~50億加元之間;修復美國所有高速公路橋梁的費用約為500億美元。在歐洲,由于鋼材的腐蝕每年約損失100億英鎊。用FRP筋代替混凝土中的鋼筋將是一種有效解決銹蝕問題的方法。
FRP是一種由纖維加筋、樹脂母體和一些添加料制成的復合材料。根據纖維的種類,它FRP是一種由纖維加筋、樹脂母體和一些添加料制成的復合材料。根據纖維的種類,它可分為碳纖維增強塑料(CFRP,carbon fiber reinforced plastics)、芳香酊聚酰胺纖維增強塑料(AFRP,aramid fiber reinforced plastics)和玻璃纖維增強塑料(GFRP,glass fiber reinforced plastics)。FRP具有強度高、質量輕、抗腐蝕、低松弛、易加工等諸多優良的特性,是鋼筋的良好替代物,用作預應力筋時優勢尤其明顯。
早在20世紀70年代,德國 Stuttgart大學的Rehm教授的研究成果就表明含有玻璃纖維的復合材料筋可以用于預應力混凝土結構。1992年,FIP的一個工作委員會起草了FRP的設計指南。1993年,作為國家級的研究成果,《FRP混凝土建筑結構設計指南》和《FRP預應力混凝土構件設計指南》在日本出版。1996年加拿大的公路橋梁規范(Canadian Highway Bridge Design Code,CHDBC)也將FRP的內容列入其中。同年,美國的ACI440出版了FRP混凝土結構研究現狀的分析報告,ASCE也成立了專門的委員會準備有關FRP的標準。
1980年,作為試驗,在德國的Muster建造了一座短跨的人行橋梁。1986年,世界上第一座GFRP預應力混凝土公路橋梁在歐洲的Dusseldorf建成并投入使用。1988年,GFRP預應力體系在Berlin的一座兩跨橋梁中得以應用;法國Mairie dlvry地鐵車站的改建工程也大量應用了GFRP預應力筋;日本首次在一座7m寬、5.6m跨度的橋梁中應用了CFRP預應力筋。
1991年,歐洲Leverkussen建成一座三跨公路橋梁,1.1m厚的橋面板中布置了27根 GFRP預應力筋;日本則首次將FRP預應力體系應用于房屋建筑。1992年,奧地利的Notsch橋投入使用,該橋的橋面板中用了41根GFRP預應力筋。1993年,加拿大首次在Calgary建成了一座CFRP預應力混凝土公路橋,隨后又建造了多個FRP混凝土和預應力混凝土結構工程。我國學者對FRP混凝土結構也進行了多年的研究,目前,FRP混凝土結構在我國也有一定的應用。
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