肖建莊， 張青天， 余江滔， 丁 陶， 李 巖， 沈 軍

(1. 同濟大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092；2. 同濟大學(xué) 先進土木工程材料教育部重點實驗室，上海 200092)

建筑業(yè)是我國經(jīng)濟支柱產(chǎn)業(yè)之一，混凝土作為建筑業(yè)的主要結(jié)構(gòu)材料，用量在近20年快速增加，2015年我國商品混凝土用量已達(dá)16億m3，躍居世界第一[1].混凝土的制備會排放大量CO2，能耗總量大[2].考慮資源、能源和生態(tài)協(xié)調(diào)發(fā)展，混凝土材料和結(jié)構(gòu)迫切需要可持續(xù)發(fā)展和創(chuàng)新，以應(yīng)對建筑業(yè)下一個100年的需求和應(yīng)用.

目前，再生混凝土材料與結(jié)構(gòu)技術(shù)作為混凝土結(jié)構(gòu)可持續(xù)發(fā)展的途徑之一，已有較為成熟的研究[3]，經(jīng)過合理設(shè)計和科學(xué)施工，再生混凝土可以作為結(jié)構(gòu)混凝土用于實際工程中.需要指出的是，無論是普通混凝土還是再生混凝土結(jié)構(gòu)，目前的結(jié)構(gòu)設(shè)計通常僅關(guān)注其受力狀態(tài)，功能主要通過設(shè)置外墻等圍護結(jié)構(gòu)來滿足.整個構(gòu)件與結(jié)構(gòu)通常只采用單一的混凝土材料，常常造成不必要的浪費.

然而，縱觀自然界生物進化過程，為適應(yīng)自然界的變化，各生物不斷優(yōu)化和完善自身的組織結(jié)構(gòu)與性能，其特點突出表現(xiàn)在選用合適的組合與復(fù)合形式，最大限度地減少材料消耗，來滿足自身的功能需求.隨著一系列新型水泥基材料，如海水海砂混凝土、纖維混凝土、輕質(zhì)混凝土、橡膠混凝土和纖維增強型水泥基材料(engineered cementitious composites，ECC)等，以及新型施工方式(3D打印、可拆裝施工等)的出現(xiàn)，完全可以結(jié)合不同水泥基材料的特點，設(shè)計出優(yōu)化的混凝土構(gòu)件與結(jié)構(gòu).基于此，本文提出了“組合混凝土結(jié)構(gòu)”(composite concrete structure)的新概念.

1 組合混凝土結(jié)構(gòu)基本概念

將混凝土和其他材料，如鋼材和纖維增強復(fù)合材料(fiber reinforced polymer，F(xiàn)RP)，組合一起的結(jié)構(gòu)形式已得到深入研究[4-5]，鋼-混凝土組合、FRP-混凝土組合以及FRP-混凝土-鋼組合結(jié)構(gòu)形式已在工程中得以應(yīng)用.這些“組合”將混凝土和其他材料各自的優(yōu)勢充分發(fā)揮了出來.

近年來，隨著對混凝土材料研究的不斷深入，誕生了一系列由特殊材料組成的、具有特殊功能的水泥基材料.其中，隨著纖維混凝土與ECC這類具有高延性的水泥基材料的出現(xiàn)，逐漸克服了普通混凝土受拉性能較差的缺點.鋼纖維混凝土拉伸延性達(dá)0.5%～1.0%；經(jīng)特殊設(shè)計的聚乙烯醇纖維增強水泥基復(fù)合材料(PVA-ECC)抗拉強度約為3 MPa～7 MPa，拉伸極限應(yīng)變約為2%～4%.研究表明[6-7]，新型聚乙烯纖維增強高延性水泥基復(fù)合材料(PE-ECC)的抗壓強度在30 MPa～150 MPa之間，抗拉強度介于5 MPa～20 MPa，是普通混凝土的3～10倍，平均拉伸應(yīng)變達(dá)8%，最大拉伸應(yīng)變達(dá)到12%以上，接近建筑鋼材水平，這使混凝土自身即可通過這些材料的組合滿足各種受力要求.綜合考慮這些特種水泥基材料的特點，根據(jù)性能需求的不同，將其在材料、構(gòu)件以及結(jié)構(gòu)等層次進行組合，可以實現(xiàn)材料和結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化配置，形成“組合混凝土結(jié)構(gòu)”.相對于混凝土與其他材料的組合形式，不同混凝土間的組合更具有相容性，經(jīng)過適當(dāng)處理，不同混凝土間的界面可以達(dá)到良好的整體性[8].混凝土至少可從3個層次上進行組合，分別為：

(1)材料層次：組合不同材料制備混凝土，包括骨料(天然骨料、再生骨料、輕骨料、金屬骨料)、功能性材料以及外加劑等；

(2)構(gòu)件層次：構(gòu)件截面和縱向上的組合.在構(gòu)件截面上組合不同強度或功能混凝土，形成梯度或者分層，組合類型包括強度(高強、低強混凝土)、種類(再生混凝土、海水海砂混凝土)、組分(纖維、橡膠)、功能(防水、抗火、隔音)等；在構(gòu)件縱向上組合不同的混凝土，組合方式包括按受力區(qū)域分段組合(梁塑性鉸區(qū)以及中間段)、按約束情況分段組合(變形轉(zhuǎn)動要求不同的區(qū)域)等；

(3)結(jié)構(gòu)層次：組合不同混凝土構(gòu)件，將最合適的構(gòu)件放在最需要(受力上和功能上)的地方.

凡是符合上述組合特點的結(jié)構(gòu)均可稱為“組合混凝土結(jié)構(gòu)”.其概念與當(dāng)前“組合結(jié)構(gòu)”以及“混合結(jié)構(gòu)”有一定區(qū)別，“組合結(jié)構(gòu)”是指由組合結(jié)構(gòu)構(gòu)件組成的結(jié)構(gòu)，以及由組合結(jié)構(gòu)構(gòu)件與鋼構(gòu)件、鋼筋混凝土構(gòu)件等組成的結(jié)構(gòu)，其中組合結(jié)構(gòu)構(gòu)件是由鋼材或其他非水泥基材料與鋼筋混凝土組合能整體受力的結(jié)構(gòu)構(gòu)件.這種組合是將混凝土以及與混凝土性能相差較大材料(如鋼材、FRP材料)組合，而“組合混凝土結(jié)構(gòu)”的組合均為水泥基材料.“混合結(jié)構(gòu)”是相對于單一結(jié)構(gòu)如鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)而言的概念，是指由多種結(jié)構(gòu)形式組合而成的共同承受水平和豎向作用的建筑結(jié)構(gòu)，其中各結(jié)構(gòu)可構(gòu)成獨立的受力系統(tǒng)，例如鋼框架與鋼筋混凝土核心筒組成的框筒結(jié)構(gòu).“組合混凝土結(jié)構(gòu)”與之區(qū)別在于組合材料的性能相容性，同時，各水泥基材料共同形成受力體系.

2 組合混凝土結(jié)構(gòu)原理

組合混凝土結(jié)構(gòu)中存在著混凝土-混凝土的界面，這與鋼-混凝土界面在性質(zhì)上存在著較大不同.通常認(rèn)為，新老混凝土結(jié)合面黏結(jié)力的主要來源包括范德華力、骨料咬合力、化學(xué)作用力和表面張力.有黏性的水泥漿滲透到老混凝土的表面空隙中，硬化后的新老混凝土相互交錯黏合，包括Ca(OH)2、Aft、C-S-H在內(nèi)的水化產(chǎn)物在老混凝土的孔隙或裂縫中生長，從而形成一定的黏結(jié)強度.從宏觀的角度看，結(jié)合面黏結(jié)力主要受混凝土表面粗糙度的影響，可以通過涂刷界面劑來提高界面的化學(xué)作用.同時，由于混凝土結(jié)構(gòu)本身配筋的存在，穿過疊合面的箍筋會因為銷栓作用而提供額外的界面抗力.傳統(tǒng)鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)疊合面的抗剪性能十分薄弱，通常通過增加剪力鍵來提供結(jié)合面的抗剪強度[9].因此，從某種角度上說，在實際應(yīng)用時，組合混凝土結(jié)構(gòu)在界面抗剪性能上，比鋼-混凝土結(jié)構(gòu)有明顯優(yōu)勢.

目前，國內(nèi)外尚未有針對“組合混凝土結(jié)構(gòu)”的概念與研究，但有一些新穎的構(gòu)件與結(jié)構(gòu)形式，符合本文提出的組合混凝土結(jié)構(gòu)的雛形，現(xiàn)對其進行剖析并對組合混凝土結(jié)構(gòu)的原理進一步闡述.

2.1 組合混凝土材料

2.1.1組合骨料混凝土

合適的骨料組合，可使混凝土在使用功能上得以提升.例如，為降低大壩混凝土因堿硅酸反應(yīng)而產(chǎn)生的膨脹，劉文潮等[10]進行了設(shè)計優(yōu)化，采用組合骨料混凝土(砂巖粗骨料+大理巖細(xì)骨料)比全砂巖骨料混凝土具有更良好的變形性能、熱學(xué)性能以及抗?jié)B性能.嚴(yán)雄風(fēng)等[11]選擇天然沸石、鋼渣和浮石作為原材料形成組合骨料，優(yōu)選出最佳組合，制備出脫氮除磷效果良好的植生混凝土.不僅在使用功能上，合適的骨料組合也可改善混凝土力學(xué)性能.李壇等[12]提出了大粒徑再生骨料(最大粒徑為80 mm)與一般骨料的組合骨料混凝土.由于大粒徑再生骨料尺寸比一般再生骨料(粗骨料4.75 mm～37.5 mm、細(xì)骨料0.075 mm～4.75 mm)粒徑增大，破碎效率得到了顯著提升，同時，采用大粒徑的骨料，可使骨料總表面積減小，從而減少水泥的用量.如圖1a所示，通過立方體與棱柱體試塊的試驗，表明其抗壓強度相比廢混凝土明顯提高.吳波等[13]也提出了更大尺寸的廢混凝土塊體(特征尺寸約50 mm～400 mm)與新混凝土的組合物，如圖1b所示，而使用FRP約束可以顯著提升其性能[14].

由組合骨料混凝土建造的結(jié)構(gòu)，可從力學(xué)性能和功能上，實現(xiàn)優(yōu)化結(jié)構(gòu)的目的，形成組合混凝土結(jié)構(gòu)，也可實現(xiàn)對綠色環(huán)保材料的應(yīng)用與推廣.

a大粒徑再生骨料組合骨料混凝土[12]b大尺度廢混凝土塊體組合骨料混凝土[13]

圖1組合骨料混凝土

Fig.1Compositeaggregateconcrete

2.1.2組合功能材料混凝土

由于材料和施工等問題，混凝土表面會出現(xiàn)開裂、坑洞、蜂窩麻面、粗骨料外露等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響建筑物的使用和安全，尤其是在嚴(yán)酷環(huán)境中的結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出內(nèi)強外弱的現(xiàn)象.因此，混凝土的面層質(zhì)量越來越受到關(guān)注和重視.對于混凝土的表面處理，針對提升表面強度、抗?jié)B性能以及修復(fù)裂縫，目前已有許多表面強化與修復(fù)材料，包括納米SiO2等納米技術(shù)，應(yīng)用于新建和在用混凝土的面層強化以及破損混凝土面層的修復(fù)[15].傳統(tǒng)的混凝土防護涂料僅在混凝土表面形成隔離膜，隨著時間的增加，涂料的附著力會降低，縮短了防護壽命.為提高混凝土的防護壽命，產(chǎn)生了外滲表面強化與修復(fù)材料的混凝土組合形式[16].如圖2所示，外滲型防護劑等活性材料，利用混凝土具有可滲透性的特點，滲入內(nèi)部并與內(nèi)部組分發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)生成新的物質(zhì)，自適應(yīng)地與混凝土結(jié)合在一起，從而強化表面以及阻止外界的有害物質(zhì)進入混凝土.這種組合方式，對新建混凝土結(jié)構(gòu)的加強以及舊混凝土建筑的修補與加固都適用.

外滲表面強化與修復(fù)材料，是從混凝土“外部”的保護，這種思路，提供了一種新的混凝土組合方式，在混凝土“內(nèi)部”保護(配合比、外加劑、摻合料等)基礎(chǔ)上，可以組合各類功能材料對混凝土外表的性能進行提升，這也是一種混凝土組合形式.組合功能性材料，可對結(jié)構(gòu)起到強化加固以及耐久維護的作用，同樣可以形成組合混凝土結(jié)構(gòu).

圖2 混凝土外滲功能材料原理圖Fig.2 The principle diagram of the concretewith exosmosis functional materials

2.2 組合混凝土構(gòu)件

2.2.1組合混凝土梁

根據(jù)梁的受力特點，一般采用的是在截面層次上下組合的形式，作為受壓和受拉區(qū)域轉(zhuǎn)換的交界面，梁的中性軸剛好可以作為組合混凝土構(gòu)件間界面.設(shè)計時疊合面需滿足一定的抗剪承載力要求，主要由新老混凝土間黏結(jié)強度和箍筋配置數(shù)量確定，還與梁的破壞形態(tài)、疊合面沿梁高位置的變化、剪跨比和剪應(yīng)力二次受力影響等因素有關(guān)，疊合梁的受力行為已有較為系統(tǒng)的研究[17].

結(jié)合再生混凝土特點，肖建莊等[18]提出了再生混凝土疊合梁，如圖3a、3b所示，完成了C型疊合梁與U型疊合梁的抗彎與抗剪試驗.預(yù)制梁段由于受力與耐久性考慮，采用較低的再生粗骨料取代率.抗彎試驗中，預(yù)制段為普通混凝土，后澆段為再生粗骨料取代率為100%的再生混凝土；抗剪試驗中，預(yù)制段取代率為70%，后澆段為100%.結(jié)果表明，再生混凝土疊合梁截面的形狀與梁的力學(xué)性能無明顯相關(guān)，疊合面未發(fā)生對承載力和變形不利的破壞，連接完好.

aC型梁預(yù)制段[18]bU型梁預(yù)制段[18]

c ECC-RC組合梁截面[19]圖3 組合混凝土梁Fig.3 Composite concrete beams

ECC與普通混凝土梁的組合試驗表明[19]，與ECC組合可使疊合梁設(shè)計方式更加靈活，甚至可以做到無筋形式；還可以結(jié)合新型的3D打印施工方式，將ECC外殼進行打印，再澆筑構(gòu)件內(nèi)部混凝土.相比于一般混凝土，ECC能夠更好地與增強筋材協(xié)同變形，使得構(gòu)件整體受力效率更高.同時ECC組合梁能在荷載較大時依然保持裂縫寬度在較小的一段范圍內(nèi)，可有效保護梁內(nèi)部鋼筋或FRP筋材不受外部有害介質(zhì)侵蝕，提高梁的耐久性，其具體構(gòu)造如圖3c所示，構(gòu)件外殼受拉區(qū)域采用ECC預(yù)制構(gòu)件，內(nèi)部采用普通鋼筋混凝土.

另外，在構(gòu)件縱向，由于梁端塑性鉸區(qū)域受力情況較梁中段復(fù)雜，可將塑性鉸區(qū)域與梁中段交界面作為組合界面，形成分段梁[20].結(jié)合再生混凝土，根據(jù)受力情況，將梁劃分為一個彎矩控制段和兩個剪力控制段，在彎矩控制段采用再生粗骨料取代率大于30%的再生混凝土，在剪力控制段采用取代率不大于30%的再生混凝土；施工時，在初凝后終凝前，使用振搗棒將分界面兩處分屬不同區(qū)段的混凝土振搗成一體，不形成明顯的薄弱面.這種創(chuàng)新構(gòu)造不僅可以使再生混凝土構(gòu)件力學(xué)性能得以提升，還能拓展再生混凝土的應(yīng)用范圍.

2.2.2組合混凝土柱

組合混凝土柱的一般構(gòu)造為，首先澆筑柱的口型外殼或內(nèi)芯，再澆筑柱的其余部分.這樣根據(jù)混凝土材料的不同，即可形成組合混凝土柱.一般柱的柱芯位置受力較小，因此柱在截面層次上通常采用內(nèi)外組合的方式.外部形成口字型，采用力學(xué)性能相對較好的混凝土，并配置鋼筋進行加強，可以在工廠預(yù)制保證其質(zhì)量，內(nèi)部可澆筑相對較差的材料并利用口字型外殼作為模板，同時外殼也會對內(nèi)部混凝土產(chǎn)生一定的約束作用，提高內(nèi)部混凝土的力學(xué)性能.由于約束作用，內(nèi)部和外部混凝土間的界面性能也得到加強.

結(jié)合柱截面的受力特點，柱芯處采用再生混凝土，肖建莊等[21]完成了半預(yù)制再生混凝土柱的抗震試驗與分析，如圖4a、4b所示，柱的口型外殼采用普通混凝土并配置鋼筋，柱芯采用再生混凝土.試驗結(jié)果表明：普通混凝土柱、再生混凝土柱和半預(yù)制疊合柱，在低周反復(fù)荷載作用下，破壞模式均表現(xiàn)為明顯的彎曲破壞特征，即柱子根部受拉縱筋屈服，受壓區(qū)混凝土壓碎破壞.各類柱的剛度退化趨勢相似，全現(xiàn)澆混凝土柱的初始剛度略高于其他試件.改變芯柱大小會影響柱承載力，而外部預(yù)制或內(nèi)部預(yù)制的施工方式對承載力影響不大，各類柱均具有良好的耗能性能.可以看到，組合柱的形式可以改善再生混凝土的力學(xué)性能，起到施工改性的作用.

如圖4c所示，結(jié)合ECC材料的組合混凝土柱試驗表明[22]，試件在反復(fù)荷載的作用下，出現(xiàn)許多細(xì)密裂縫，平行裂縫帶相互交叉，表現(xiàn)出了明顯的多縫開裂特征；在破壞時，未出現(xiàn)保護層剝落，構(gòu)件完整性良好；ECC對構(gòu)件耗能能力有顯著提升，組合柱各方面指標(biāo)均呈現(xiàn)出良好的抗震性能.

a外部預(yù)制口型柱[21]b內(nèi)部預(yù)制口型柱[21]

c ECC組合混凝土柱[22]圖4 組合混凝土柱Fig.4 Composite concrete columns

2.2.3組合混凝土板

梯度材料的基本概念早在1984年已提出[23]，其設(shè)計原理是根據(jù)構(gòu)件的使用要求，通過連續(xù)改變材料的組成和結(jié)構(gòu)，使材料成為性能和功能均呈連續(xù)平穩(wěn)變化的一種非均質(zhì)復(fù)合材料，從而保證其物理、力學(xué)、化學(xué)甚至生物特性的連續(xù)變化，以適應(yīng)不同環(huán)境特殊功能的要求.將梯度材料的這種原理應(yīng)用在混凝土構(gòu)件中，可形成另一種組合混凝土構(gòu)件的設(shè)計思路.

Shen[24]提出了一種水泥基功能梯度材料，如圖5a所示，采用纖維體積分?jǐn)?shù)作為梯度參數(shù)，試驗結(jié)果顯示，按梯度分布的各層材料之間具有良好的黏結(jié)性能，梯度分布可以很好地減小界面的應(yīng)力與開裂，且分層數(shù)量越多，效果越明顯，這一結(jié)果也被其他學(xué)者證實[25].肖建莊等[26]利用再生粗骨料取代率這一指標(biāo)，在混凝土板截面上將取代率按一定梯度分布，開展了再生混凝土梯度板的試驗研究.如圖5b所示，梯度板在厚度方向上分為了3層，再生粗骨料取代率從上至下分別為50%、100%和0.試驗結(jié)果顯示，不同混凝土層間沒有發(fā)生滑移，仍符合平截面假定.一般再生混凝土的彈性模量隨著再生粗骨料取代率的增加而降低，當(dāng)受壓區(qū)澆筑的混凝土彈性模量較高時，板的剛度會有所提升.

可以看到，根據(jù)構(gòu)件截面上受力情況的不同，以一定參數(shù)為指標(biāo)(如纖維體積分?jǐn)?shù)、再生粗骨料取代率)，組合力學(xué)性能合適的混凝土，可以顯著提升構(gòu)件的性能，如在受壓區(qū)澆筑彈性模量較大的混凝土，中性軸區(qū)域澆筑性能略差的混凝土，受拉區(qū)澆筑延性好的混凝土，其中中性軸區(qū)域可采用全再生混凝土，受拉區(qū)可采用普通或摻有再生粉體的ECC，這樣可達(dá)到構(gòu)件受力性能最優(yōu)化，降低成本.另外，梯度分布是解決組合混凝土構(gòu)件中各混凝土間界面問題的有效方法，為組合混凝土構(gòu)件的設(shè)計提供了新的路徑.

a 纖維梯度板[24]

b 再生骨料梯度板[26]圖5 組合混凝土板Fig.5 Composite concrete slabs

2.3 組合混凝土結(jié)構(gòu)

2.3.1組合混凝土超長結(jié)構(gòu)

混凝土收縮徐變所致開裂問題會嚴(yán)重影響建筑物的使用性能及耐久性能.超長屋面與地下室結(jié)構(gòu)需要嚴(yán)格的裂縫控制，考慮到防水要求，這些超長結(jié)構(gòu)通常不設(shè)永久伸縮縫.因此，采用摻加膨脹劑的補償收縮混凝土，用膨脹加強帶取代后澆帶，不僅能夠解決超長混凝土結(jié)構(gòu)的收縮裂縫問題，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的連續(xù)澆筑，而且具有施工方便，周期短，結(jié)構(gòu)整體性較好等優(yōu)點.

圖6展示了設(shè)置膨脹加強帶后，混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力變化情況[27].未設(shè)置膨脹加強帶的普通混凝土結(jié)構(gòu)，在溫度收縮作用下，其應(yīng)力分布曲線為ABCDE，應(yīng)力由兩端向中部逐漸增大，在B、D兩點處，達(dá)到極限狀態(tài)，裂縫產(chǎn)生；當(dāng)超長結(jié)構(gòu)整體采用小摻量膨脹劑的補償收縮混凝土?xí)r，其收縮應(yīng)力得到一定程度降低，應(yīng)力分布曲線變?yōu)镕GHIJ，在G、I兩點處，應(yīng)力達(dá)到極限狀態(tài)，裂縫產(chǎn)生；當(dāng)整體采用小摻量補償收縮混凝土，并在合理部位G、I處采用大摻量補償收縮混凝土設(shè)置膨脹加強帶時，結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力狀況得到有效改善，應(yīng)力分布曲線變?yōu)镕KLMNPJ.由于加強帶處加大了膨脹劑摻量，化學(xué)膨脹能轉(zhuǎn)化為構(gòu)件預(yù)壓應(yīng)力，很大程度抵消了收縮應(yīng)力，使得應(yīng)力曲線從L、N兩點處重新增長，大大降低了結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力，使其控制在混凝土抗拉強度范圍內(nèi).

可以看到，組合混凝土結(jié)構(gòu)不僅可以在受力上得到優(yōu)化，通過適當(dāng)組合具有不同功能的混凝土，也可有效提升結(jié)構(gòu)的使用性能.

圖6 膨脹加強帶補償收縮應(yīng)力原理圖[27]Fig.6 The principle diagram of the expansionreinforcing band

2.3.2組合混凝土框架結(jié)構(gòu)

在結(jié)構(gòu)層次上選取合適的預(yù)制構(gòu)件，并通過各類節(jié)點將其沿高度方向組合，達(dá)到結(jié)構(gòu)的最優(yōu)設(shè)計，同樣符合組合混凝土結(jié)構(gòu)的概念.余江滔等[28]進行了組合混凝土框架的嘗試，并采用自主研發(fā)的超高延性水泥基復(fù)合材料(ultra-high ductility cementitious composites，UHDCC)完成了無筋建造.組合混凝土框架模型如圖7a所示，主要特點如下：

(1)利用UHDCC優(yōu)異的拉伸延性和耗能能力提升關(guān)鍵部位的抗震性能.在框架制作中采用UHDCC澆筑框架的①區(qū)域(包括底層柱腳和一層框架節(jié)點區(qū)域)，即地震易損部位.為了驗證無筋建造和組合混凝土結(jié)構(gòu)的理念，①區(qū)域沒有配置縱向和橫向鋼筋.

(2)框架非關(guān)鍵部位采用普通鋼筋混凝土預(yù)制.圖7a中的②區(qū)域(主要包括二層梁、板和柱)為普通鋼筋混凝土構(gòu)件，是組合混凝土框架的預(yù)制部分.

(3)采用工作性能良好的高強度聚合物砂漿完成預(yù)制拼裝.如圖7a所示，框架③(深色)部分為UHDCC構(gòu)件與普通鋼筋混凝土構(gòu)件的連接節(jié)點，通過高流動性聚合物砂漿實現(xiàn)二次澆筑和拼裝.

a超高延性水泥基組合混凝土框架b普通鋼筋混凝土框架(對比試件)

圖7組合混凝土框架的振動臺試驗[28]

Fig.7Shakingtabletestsofthecomposite

concreteframestructures

除UHDCC組合混凝土框架外，還制作了一個幾何尺寸完全相同的鋼筋混凝土框架試件(圖7b).兩個框架均按設(shè)防烈度7度(0.15g)、丙類混凝土框架進行設(shè)計，并進行了3種地震波、7度多遇(0.105g)到9度罕遇(1.178g)的模擬地震振動臺試驗.在7度地震作用下，組合混凝土框架的層間位移角(除7度(0.15g)罕遇上海人工波2工況)均小于普通混凝土框架.在7度(0.15g)多遇地震動激勵下，UHDCC組合混凝土框架的層間位移角滿足1/550的要求，而在7度(0.15g)罕遇地震動激勵下，UHDCC組合混凝土框架的層間位移角滿足1/50的要求.此外，UHDCC組合混凝土框架經(jīng)受了8度(0.2g)罕遇、8度(0.3g)罕遇和9度罕遇的地震考驗.結(jié)束試驗時，一層樓面和二層樓面的殘余層間位移角分別為1/299和1/282.試驗結(jié)果說明，在結(jié)構(gòu)層面上適當(dāng)?shù)亟M合不同性能的梁、板、柱、節(jié)點等構(gòu)件可獲得良好的整體結(jié)構(gòu)性能，證明了組合混凝土結(jié)構(gòu)的整體安全性.

3 組合混凝土結(jié)構(gòu)問題與趨勢

3.1 組合混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計

(1)界面設(shè)計

由于組合混凝土結(jié)構(gòu)是各種水泥基材料的組合，因此界面是設(shè)計的關(guān)鍵問題.過去在混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計中，新老混凝土界面僅作為構(gòu)造處理，而在組合混凝土結(jié)構(gòu)中，由于需要保證構(gòu)件的整體性，其設(shè)計的重要性頗為顯著.在設(shè)計時就要考慮不同混凝土間的界面結(jié)構(gòu)、形成過程以及不同混凝土間界面的處理方式.在組合混凝土結(jié)構(gòu)的界面設(shè)計中，建議也采用界面的外部受力作用(S)不大于界面本身的抗力作用(R)的計算理論以達(dá)到定量的設(shè)計，即S≤R.

可以借鑒新老混凝土界面的研究成果[29]，提高組合混凝土結(jié)構(gòu)的界面性能.一般來講，界面粗糙度越大，新舊混凝土黏結(jié)強度越高，但是也有試驗表明過大的粗糙度并不能獲得較高的黏結(jié)剪切強度.因此，需要定量評估黏結(jié)粗糙度[30]和采用膨漿界面劑和聚合物界面劑等[31].采用特殊構(gòu)造的鋼筋(或復(fù)合材料筋)連接也可以有效地加強不同混凝土間的作用.不同混凝土間界面的受力示意圖如圖8所示，影響界面的外部受力作用S特征參數(shù)包括，界面的壓應(yīng)力、界面的剪應(yīng)力以及界面的形狀等，其作用可以通過計算得來；界面本身的抗力作用R的影響因素包括，界面兩側(cè)混凝土的基本性質(zhì)，不同混凝土黏結(jié)時水化機理，界面粗糙度，界面劑的使用情況以及界面處的配筋情況等，其作用與施工方法和材料性質(zhì)相關(guān)，工程設(shè)計時的抗力量化也還存在一定困難.從目前的研究成果來看，其基礎(chǔ)理論研究還有待深入，需進行后續(xù)深入的試驗與分析，以明確組合混凝土結(jié)構(gòu)界面受力和劣化機理.

圖8 混凝土-混凝土界面分析示意圖Fig.8 Schematic diagram of concrete-to- concrete interfaces

(2)計算方法

普通混凝土結(jié)構(gòu)在截面上、構(gòu)件上可看作均勻單一的材料，因此可以采用結(jié)構(gòu)力學(xué)、材料力學(xué)以及混凝土結(jié)構(gòu)理論進行設(shè)計.而組合混凝土結(jié)構(gòu)由于在各層次(材料、構(gòu)件、結(jié)構(gòu))上進行了組合，材料的參數(shù)均有較為顯著的不同，需要重新建立本構(gòu)關(guān)系，并對計算方法進行改進.可以運用彈塑性力學(xué)的理論，通過有限元等方法進行計算設(shè)計.基于柔度法且沿單元長度積分的彈塑性纖維單元[32]，可以模擬截面特性復(fù)雜、參數(shù)沿縱向連續(xù)變化的構(gòu)件，可作為組合混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計的一種方法；不同混凝土間界面的模擬也是計算分析的關(guān)鍵問題.目前各常用的設(shè)計軟件，如PKPM等，在參數(shù)輸入上設(shè)置較為單一，材料的組合無法表達(dá)和體現(xiàn).因此為推廣組合混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計，如何將此計算部分合理簡化并準(zhǔn)確應(yīng)用也是后續(xù)研究的方向.

(3)設(shè)計理念

組合混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計理念是一種精細(xì)化、一體化的設(shè)計過程，需要考慮力學(xué)性能的設(shè)計與使用功能結(jié)合，做到結(jié)構(gòu)-功能一體化設(shè)計；在設(shè)計時，同時需要考慮施工的過程，相對于一般的混凝土結(jié)構(gòu)，組合混凝土結(jié)構(gòu)的施工過程對組合構(gòu)件、結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能有更大的影響，尤其對不同混凝土間的界面形成有著直接影響，因而設(shè)計時也需要做到設(shè)計-施工一體化設(shè)計.因此，組合混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計需要建立一套新的設(shè)計體系，可以結(jié)合BIM(building information modle)[33]等新型技術(shù)，符合可持續(xù)性設(shè)計的新要求.

3.2 組合混凝土結(jié)構(gòu)施工

傳統(tǒng)現(xiàn)澆式施工方式中的新老混凝土澆筑以及高低強混凝土的組合，已經(jīng)包含了組合混凝土結(jié)構(gòu)的雛形.預(yù)制裝配式的施工方式，為組合混凝土結(jié)構(gòu)的施工提供了便利，預(yù)制混凝土構(gòu)件間的連接形式、構(gòu)造細(xì)節(jié)以及施工方式可直接應(yīng)用在組合混凝土結(jié)構(gòu)中，相對于鋼-混凝土以及FRP-混凝土組合構(gòu)件間復(fù)雜的節(jié)點型式，其施工更為簡便.同時，隨著新型施工技術(shù)發(fā)展，組合混凝土結(jié)構(gòu)的形式將會更加優(yōu)化.近年來誕生了一系列新型的施工技術(shù)，包括有3D打印施工技術(shù)和可拆裝施工技術(shù)等.

3D打印技術(shù)，是一種增材建造技術(shù)[34]，它通過將材料逐層疊加的方式完成實體部件的制造，如圖9和圖10所示.與傳統(tǒng)的去除材料加工技術(shù)(減材制造)不同，3D打印沒有剪裁過程，因此不會產(chǎn)生邊角料，從而使原材料的使用率增加.目前運用較多的方法為擠壓法以及鋪層法，前者是利用機械噴嘴將“油墨”材料擠壓噴出，循環(huán)往復(fù)成型；后者則是將“油墨”材料一層一層地堆疊成型.隨著超高延性水泥基材料的出現(xiàn)，無筋建筑的3D打印成為了可能.3D打印這種新型的施工方式可以有效地解決組合混凝土結(jié)構(gòu)施工難的問題，運用不同的“油墨”材料，即不同種類的混凝土，可以很容易的形成組合混凝土結(jié)構(gòu)在材料以及構(gòu)件層次上的組合.

圖9 建筑墻體外輪廓的3D打印過程[34]Fig.9 The process of 3D-printing the outercontour of walls

圖10 3D打印輪廓內(nèi)配筋[34]Fig.10 The reinforcements in 3D-printing

另外，可拆裝技術(shù)[35-36]是將可拆裝設(shè)計(Design for Deconstruction，DfD)的概念引入混凝土中，這樣在混凝土構(gòu)件需要拆除時，可以將可拆裝構(gòu)件再次運用到新建建筑中，從而賦予混凝土構(gòu)件的二次生命.這種方式，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時就考慮到拆卸和再安裝過程，由于可拆裝技術(shù)拆卸時效率高，構(gòu)件的利用率高，因此是對預(yù)制裝配式施工方式的進一步提升.利用這種可拆裝結(jié)構(gòu)思想，可以形成組合混凝土結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)層次上的組合，并能提高混凝土結(jié)構(gòu)的可持續(xù)性.

3.3 組合混凝土結(jié)構(gòu)可持續(xù)性評價

對于混凝土結(jié)構(gòu)的可持續(xù)性定義，肖建莊[37]認(rèn)為：混凝土結(jié)構(gòu)可持續(xù)性是指在從混凝土材料開采與運輸、混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計與建造、混凝土結(jié)構(gòu)使用與維護一直到混凝土結(jié)構(gòu)拆除與資源化的生命周期內(nèi)，混凝土結(jié)構(gòu)在滿足安全性和適用性的前提下，具備資源消耗最小、環(huán)境影響最低、經(jīng)濟和社會因素相協(xié)調(diào)的總能力.

組合混凝土結(jié)構(gòu)在其材料設(shè)計、構(gòu)件設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計以及施工上，均是對混凝土的優(yōu)化處理，其概念完全符合混凝土結(jié)構(gòu)可持續(xù)性的要求，可持續(xù)性評價主要包括以下幾點：

(1)組合混凝土結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)性能評價.根據(jù)前述的一些組合混凝土結(jié)構(gòu)的原理及案例分析，經(jīng)過合理的設(shè)計以及施工，可以達(dá)到現(xiàn)行混凝土結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)，并能得到優(yōu)化的效果.

(2)組合混凝土結(jié)構(gòu)的生態(tài)環(huán)境評價.組合混凝土結(jié)構(gòu)，在材料使用方面，可以根據(jù)需求廣泛地應(yīng)用再生材料技術(shù)(再生混凝土、再生纖維等)以及綠色環(huán)保的材料(地聚合物、海水、海砂等)；在施工方面，預(yù)制裝配式施工等新型的施工工藝，對環(huán)境負(fù)荷小，結(jié)合可拆裝技術(shù)，還能使構(gòu)件循環(huán)使用.

(3)組合混凝土結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟效能評價.組合混凝土結(jié)構(gòu)在材料方面，可以更容易地做到就地取材，減小運費；在施工方面，相對于一般混凝土結(jié)構(gòu)可以縮短工期，減少模板、腳手架等措施費，均表現(xiàn)出良好的經(jīng)濟效益.

綜合上述結(jié)構(gòu)、環(huán)境、經(jīng)濟上的評價，組合混凝土結(jié)構(gòu)相對于一般混凝土結(jié)構(gòu)，具有更好的可持續(xù)性，其具體分析還需結(jié)合結(jié)構(gòu)生命周期LCA(life cycle assessment)、LCC(life cycle cost)等方法[38-39]，對混凝土結(jié)構(gòu)的可持續(xù)性進行更為具體地評價.

4 結(jié)論

(1)組合混凝土結(jié)構(gòu)的基本思想，可以通過在不同的層次上(材料、構(gòu)件、結(jié)構(gòu))組合不同種類的混凝土加以實現(xiàn)，是混凝土材料與結(jié)構(gòu)發(fā)展的一次新飛躍.

(2)利用組合混凝土結(jié)構(gòu)的概念和原理，對新混凝土材料與結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，對舊混凝土材料與結(jié)構(gòu)加固增強，對施工技術(shù)進行創(chuàng)新，從而使混凝土結(jié)構(gòu)性能提升，滿足安全性、適用性、耐久性，實現(xiàn)可持續(xù)性.

(3)不同類型混凝土結(jié)合界面的形成機制、損傷機理與受力過程規(guī)律以及組合混凝土結(jié)構(gòu)界面的設(shè)計與施工方法，將是今后研究的重點.

(4)梯度化以及仿生設(shè)計等新穎的方法也可為組合混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計開拓思路.在再生混凝土材料與結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，組合混凝土結(jié)構(gòu)將會成為實現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)可持續(xù)發(fā)展的又一重要途徑.

參考文獻:

[1] 國家統(tǒng)計局.中國統(tǒng)計年鑒—2015[M].北京:中國統(tǒng)計出版社, 2015.

State Statistics Bureau. China statistical yearbook—2015 [M]. Beijing: China Statistics Press, 2015.

[2] MAGEE L, SCERRI A, JAMES P,etal. Reframing social sustainability reporting: towards an engaged approach[J]. Environment Development & Sustainability, 2013, 15(1):225.

[3] 肖建莊.再生混凝土[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社, 2008.

XIAO Jianzhuang. Recycled concrete [M]. Beijing: China Architecture & Building Press, 2008.

[4] TENG J G, YU T, WONG Y L,etal. Hybrid FRP-concrete-steel tubular columns: concept and behavior[J]. Construction & Building Materials, 2007, 21:846.

[5] 曾嵐，李麗娟，陳光明，等. GFRP-再生混凝土-鋼管組合柱軸壓力學(xué)性能試驗研究[J]. 土木工程學(xué)報,2014,47(增2):21.

ZENG Lan. LI Lijuan, CHEN Guangming,etal. Experimental study on mechanical behavior of GFRP-recycled concrete-steel tubular columns under axial compression[J]. China Civil Engineering Journal,2014,47(S2):21.

[6] 林建輝，余江滔，LI C V.超高韌度水泥基復(fù)合材料經(jīng)亞高溫處理后的性能[J]. 硅酸鹽學(xué)報, 2015, 43(5): 604.

LIN Jianhui, YU Jiangtao, LI C V. Performance of engineered cementitious composites after treated at sub-high temperatures[J]. Journal of the Chinese Ceramic Society, 2015, 43(5): 604.

[7] YU K Q, WANG Y C, YU J T,etal. A strain-hardening cementitious composites with the tensile capacity up to 8% [J]. Construction and Building Materials, 2017, 137: 410.

[8] 王標(biāo)，王凱，王真. 新老混凝土黏結(jié)性能的提高途徑[J]. 建筑技術(shù),2010,41(1):26.

WANG Biao, WANG Kai, WANG Zhen. Method for improving bonding property between new and old concrete[J]. Architectural Technology,2010,41(1):26.

[9] 史曉宇，陳世鳴，裘子豪. 組合板剪切-黏結(jié)機理及承載能力試驗[J]. 同濟大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2012,40(5):666.

SHI Xiaoyu, CHEN Shiming, QIU Zihao. Experimental investigation on shear-bond mechanism and strength of composite with steel profiles[J]. Journal of Tongji University(Natural Science),2012,40(5):666.

[10] 劉文潮，蔡華龍. 淺析不同骨料組合對大壩混凝土性能的影響[J]. 人民長江,2009,40(18):88.

LIU Wenchao, CAI Hualong. Analyses of the influence of different aggregate combination of dam concrete performance[J]. Yangtze River,2009,40(18):88.

[11] 嚴(yán)雄風(fēng)，劉迎云，虢清偉，等. 脫氮除磷植生混凝土組合骨料優(yōu)選研究[J]. 混凝土,2016(1):93.

YAN Xiongfeng, LIU Yingyun, GUO Qingwei,etal. Research of composite aggregate optimization of planting concrete with nitrogen and phosphorus remomal[J]. Concrete,2016(1):93.

[12] LI T, XIAO J Z, ZHU C M,etal. Experimental study on mechanical behaviors of concrete with large-size recycled coarse aggregate[J]. Construction & Building Materials, 2016, 120:321.

[13] WU B, ZHANG S, YANG Y. Compressive behaviors of cubes and cylinders made of normal-strength demolished concrete blocks and high-strength fresh concrete[J]. Construction & Building Materials, 2015, 78:342.

[14] TENG J G, ZHAO J L, YU T,etal. Behavior of FRP-confined compound concrete containing recycled concrete lumps[J]. Journal of Composites for Construction, 2016, 20(1):04015038.

[15] 楊欣美. 混凝土表面強化與修復(fù)材料研究[D].北京:北京建筑大學(xué),2016.

YANG Xinmei. Study on concrete surface hardening and repair materials[D].Beijing: Beijing University of Civil Engineering and Architecture,2016.

[16] 王雨，丁高升，張桂媛. 滲透型混凝土保護劑的應(yīng)用[J]. 新型建筑材料,2008,35(3):69.

WANG Yu, DING Gaosheng, ZHANG Guiyuan. Application of protective agent for permeable concrete[J]. New Building Materials,2008,35(3):69.

[17] 薛偉辰，楊云俊. 混凝土疊合梁受力性能與設(shè)計方法研究進展[J]. 混凝土與水泥制品,2008(1):44.

XUE Weicheng, YANG Yunjun. The research progress of the mechanical performance and the design method of concrete composite beam[J]. China Concrete and Cement Products,2008(1):44.

[18] XIAO J Z, PHAM T L, WANG P J,etal. Behaviors of semi-precast beam made of recycled aggregate concrete[J]. Structural Design of Tall & Special Buildings, 2013, 23(9):692.

[19] HUNG C C, CHEN Y S. Innovative ECC jacketing for retrofitting shear-deficient RC members[J]. Construction & Building Materials, 2016, 111:408.

[20] 肖建莊，林壯斌.一種再生混凝土分段梁及其施工方法. 中國，CN104032892A[P].2014-09-10.

XIAO Jianzhuang, LIN Zhuangbin. A kind of recycled concrete segmented beam and its construction method: China, CN104032892A[P].2014-09-10.

[21] XIAO J Z, HUANG X, SHEN L. Seismic behavior of semi-precast column with recycled aggregate concrete[J]. Construction & Building Materials, 2012, 35(10):988.

[22] WU C, PAN Z F, MENG S P. Seismic behavior of steel reinforced ECC columns under constant axial loading and reversed cyclic lateral loading[J]. Materials and Structures, 2017, 50(1): 1.

[23] KOIZUMI M. FGM activities in Japan[J]. Composites Part B: Engineering, 1997, 28(1): 1.

[24] SHEN B, HUBLER M, PAULINO G H,etal. Functionally-graded fiber-reinforced cement composite: processing, microstructure, and properties[J]. Cement & Concrete Composites, 2008, 30(8):663.

[25] YANG J J, HAI R, DONG Y L,etal. Effects of the component and fiber gradient distributions on the strength of cement-based composite materials[J]. Journal of Wuhan University of Technology—Materials Science, 2003, 18(2):61.

[26] XIAO J Z, SUN C, JIANG X H. Flexural behavior of gradient slabs with recycled aggregate concrete[J]. Structural Concrete, 2015, 16(2):249.

[27] 黃威，潘鉆峰，沈雷鳴，等. 膨脹加強帶在超長混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用[J]. 建筑施工, 2016,38(9):1222.

HUANG Wei, PAN Zuanfeng, SHEN Leiming,etal. Application of expansion reinforcing band to ultra long concrete structure[J]. Building Construction, 2016,38(9):1222.

[28] 余江滔，詹凱利，俞可權(quán)，等. 超高延性混凝土的無筋框架振動臺試驗超高延性混凝土的無筋框架振動臺試驗研究報告[R]. 上海：同濟大學(xué)，2017.

YU Jiangtao, ZHAN Kaili, YU Kequan,etal. Research report of shaking table test on UHDCC frame without steel reinforcement[R]. Shanghai: Tongji University, 2017.

[29] 謝慧才，李庚英，熊光晶. 新老混凝土界面黏結(jié)力形成機理[J]. 硅酸鹽通報,2003,22(3):7.

XIE Huicai, LI Genying, XIONG Guangjing. Experimental study of old and new concrete interface mechanism of paste [J]. Bulletin of the Chinese Ceramic Society, 2003,22(3):7.

[30] 韓菊紅，袁群，張雷順. 新老混凝土黏結(jié)面粗糙度處理實用方法探討[J]. 工業(yè)建筑,2001,31(2):1.

HAN Juhong, YUAN Qun, ZHANG Leishun. Research on practical treating method for the interfacial roughbess of new to old concrete[J]. Industrial Construction,2001,31(2):1.

[31] 潘東芳，喬運峰，夏春，等. 新老混凝土界面處理材料的試驗研究[J]. 混凝土,2006(9):60.

PAN Dongfang, QIAO Yunfeng, XIA Chun,etal. Experimental research on the interfacial agentin bonding of the new-old concrete[J]. Concrete, 2006(9):60.

[32] 聶利英，李建中，范立礎(chǔ). 彈塑性纖維梁柱單元及其單元參數(shù)分析[J]. 工程力學(xué),2004,21(3):15.

NIE Liying, LI Jianzhong, FAN Lichu. Elastic-plastic fiber beam-column element and its parametric analysis[J]. Engineering Mechanics, 2004,21(3):15.

[33] 劉照球，李云貴，呂西林，等. 基于BIM建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計模型集成框架應(yīng)用開發(fā)[J]. 同濟大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2010,38(7):948.

LIU Zhaoqiu, LI Yungui, Lü Xilin,etal. BIM-based integrated information framework for architectural and structural design model[J]. Journal of Tongji University(Natural Science) ,2010,38(7):948.

[34] 馬義和. 3D打印建筑技術(shù)與案例[M].上海:上海科學(xué)技術(shù)出版社, 2016.

MA Yihe. 3D printing architectural technology and application[M]. Shanghai : Shanghai Scientific and Technical Publishers, 2016.

[35] CROWTHER P. Design for disassembly—themes and principles[J]. BDP Environment Design Guide, 2005.

[36] 肖建莊，丁陶，張青天. 一種可拆裝的混凝土構(gòu)件施工方法： 中國，ZL 20150507741[P].2017-08-25.

XIAO Jianzhuang, DING Tao, ZHANG Qingtian. The construction method of a DfD concrete beams：China, ZL 20150507741[P]. 2017-08-25.

[37] 肖建莊.可持續(xù)混凝土結(jié)構(gòu)導(dǎo)論[M]. 北京:科學(xué)出版社，2018.

XIAO Jianzhuang. An introduction to sustainable concrete structures[M]. Beijing: Science Press, 2018.

[38] 顧道金，朱穎心，谷立靜. 中國建筑環(huán)境影響的生命周期評價[J]. 清華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2006,46(12):1953.

GU Daojin, ZHU Yingxin, GU Lijing. Life cycle assessment for China building envirornment impacts[J]. Journal of Tsinghua University(Science and Technology), 2006,46(12):1953.

[39] 崔云華，陳柏昆. 基于生命周期成本分析的多層宿舍經(jīng)濟評價[J]. 青海大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2016,34(4):104.

CUI Yunhua, CHEN Bokun. Economic evaluation of multi-story dormitories using Life Cycle Cost Analysis[J]. Journal of Qinghai University(Natural Science Edition), 2016,34(4):104.