超细晶钢筋与FRCC材料在防护结构中的应用前景

王志强

摘要： 近年来，随着我国国民经济的迅速发展和对建筑结构质量需求的提高，纤维增强水泥基复合材料(Fiber Reinforced Cementitious Composites，简称FRCC ) 以及超细晶高强钢筋在我国的工程实际中开始得到一定规模应用和一定程度的推广，国内对使用这些新型材料结构的受力性能研究也有所加强。到目前为止，我国关于超细晶钢筋增强FRCC构件受力性能的研究尚相当缺乏，对超细晶钢筋增强FRCC构件的研究也与发达国家存在较大差距，加强对纤维增强水泥基复合材料及超细晶高强钢筋性能及应用研究很有必要。本文就超细晶钢筋及FRCC在人防工程结构中的应用展开了相关研究，通过技术经济分析表明超细晶钢筋及FRCC新型材料有很好的应用前景。

关键词：超细晶钢筋，FRCC，防护工程，应用前景

Abstract: in recent years, with the rapid development of China''s national economy and the structure quality demand increase, Fiber Reinforced cement base composite materials (Fiber Reinforced Cementitious couldn''t be examined hereinafter referred to as the FRCC) and super fine grain in our country of high strength steel in engineering practice began to get certain scale applications and a certain degree of promotion, domestic to use these new materials structure of the force performance study also has been improved. So far, our country about super fine grain reinforced enhance FRCC component force performance is still quite lack, for the fine grain reinforced enhance FRCC component research also has a large gap with developed countries, to strengthen the fiber reinforced cement base composite materials and super fine grain high strength reinforced performance and application research is necessary. This paper is super fine grain reinforced and FRCC in the application of civil air defense projects structure on the related research, through the technical and economic analysis shows that the super fine grain reinforced and FRCC new materials have a good application prospect.

Keywords: super fine grain reinforced, FRCC, protection engineering, the application prospect

中图分类号：O434.19文献标识码：A文章编号：

1 材料研究

1.1 超细晶超强钢筋

1997年4月，在日本科技厅的支持下日本开始了“新世纪结构材料（超级钢材料）”为期10年的研究计划，提出将现有钢材使用寿命翻番和强度翻番为目标的新一代钢材，称其为“超级钢”并在国家组织下开展研究[1]。之后韩国在1998年启动了“21世纪结构钢的研究计划”，我国在1998年10月启动了“新一代钢铁材料”的国家重大基础研究计划（973），计划将占我国钢产量60 %以上的碳素钢、低合金钢和合金结构钢的强度和寿命提高1倍。东亚三国相差不到一年，设立相同目标的研究项目带动了欧美各国钢铁界竞相参与和重视。2001年，欧盟启动了“超细晶粒钢开发”计划。2002年，美国在钢铁研究指南中公布了2个超细晶粒钢开发项目[2-3]。按照现在的认识，“新一代钢铁材料”的特征是超细晶、高洁净和高均匀（高均质），其研发目标是在制造成本基本不增加，少用合金资源和能源，塑性和韧性基本不降低条件下强度翻番和使用寿命翻番。它的核心理论和技术是实现钢材的超细晶（或超细组织）。

超细晶钢，就是利用超细晶化发展细晶强化的强韧化作用，进而提高钢材的屈服强度。照晶粒度标准的评级，1～3级晶粒度（直径250～125μm）为粗晶，4～6级（直径88～44μm）为中等晶粒，7～8级（直径31～22μm）为细晶。若纯铁在铁素体晶粒尺寸为20μm时，普通钢材的屈服强度ReL是200MPa级，若细化在5μm以下，ReL就能翻番；具有低碳贝氏体或针状铁素体的钢材若显微组织细化至2μm以下，强度就能翻番。因此超细晶钢是将目前细晶钢的基体组织细化至微米数量级[4]。

钢铁结构材料约占钢铁材料的90 %，强韧化是结构材料的基本发展方向。钢铁材料提高强度的途径主要有4条：

（1）通过合金元素和间隙元素原子溶解于基体组织产生固溶强化，它是点缺陷的强化作用；

（2） 通过加工变形增加位错密度造成钢材承载时位错运动困难（位错强化），它是线缺陷的强化作用；

（3） 通过晶粒细化使位错穿过晶界受阻产生细晶强化，它是面缺陷的强化作用；

（4） 通过第二相（一般为Mx（C. N）y析出相或弥散相）使位错发生弓弯（奥罗万机制）和受阻产生析出强化，它是体缺陷的强化作用。

在以上这4种强化作用中，细晶强化在普通结构钢中强化效果最明显，也是唯一的强度与韧性同时增加的机制。其他3种强化机制表现为强度增加，塑性（有时韧性）下降。发展超细晶钢，就是利用超细晶化发展细晶强化的强韧化作用。目前我国已冶炼、轧制出了超细耐候钢和800MPa超细晶粒钢，并利用Q235钢进行了一轮工业性轧制实验，成功生产出抗拉强度为510～535MPa 和屈服强度为390～410MPa的超细晶粒。这种钢筋不但具有较高的抗拉强度，而且，保持了普通低碳钢的屈服台阶，大流变，较大的延伸率，如图1所示。

图1 超细晶高强钢筋与普通钢筋的应力应变曲线

1.2 纤维增强水泥基复合材料

聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料(PVA Fiber Reinforced Cementitious Composites，简称PFRCC )的研究是基于工程用水泥基复合材料ECC(Engineered Cementitious Composite)。ECC理论研究始于1992年，最早是由美国密歇根大学的Victor C. Li等人开展这方面的研究，用聚乙烯纤维(Polyethylene，简称PE)增强。1997年Li和Kanda等开始将PVA用于ECC，制成了PVA纤维增强水泥基复合材料。PVA纤维亲水、无毒、环保。其成本是等体积高弹模PE纤维的1/ 8且明显低于钢纤维，高强高弹PVA纤维的抗拉强度和弹性模量都高于聚丙烯( Polypropylene，简称PP) 纤维。目前国内外主要研究都集中在PVA-ECC，国外主要以美国和日本为主，并已走出试验室，在实际工程中得到应用。

纤维增强水泥基复合材料主要有三种：HPRC、FRCC和ECC。

（1） 高性能高强混凝土

High Performance Reinforced Concrete，简称HPRC，已是一种技术较为成熟的结构材料，它通过渗加高效减水剂以降低水灰比从而达到提高混凝土强度的目的。在一般情况下，混凝土强度等级从C30提高到C60，HPRC还具有良好的耐腐蚀性、耐候性和耐久性，可是结构的使用周期更长。

（2）纤维增强水泥基复合材料

Fiber Reinforced Cementitious Composites，简称FRCC，主要优点是抗拉强度高、极限延伸率较大、有韧性，纤维的存在从微观机制上改良了基体的力学性能。这种改良作用取决于两个方面的影响：一是纤维的弹性模量；二是纤维的掺加方式。这是目前已普遍应用与工程且较为成熟的增强水泥基材料。

（4）工程水泥基复合材料

Engineered Cementitious Composite，简称ECC，通常是以水泥或者以水泥加填料或粒径不大于5mm的细集料作为基体，用纤维做增强材料。ECC的特点是具有超高韧性，其拉应变值大于3%，且饱和状态的多点开裂。微观结构的优化处理使ECC的纤维体积含量低于2%～3%。

国内研究开展的较晚，青岛理工大学、东南大学及同济大学等也先后开展了这方面的研究，并且针对ECC价格较高的缺点，进行了相应的调整。例如降低纤维掺量，放宽所用的砂的粒径要求，采用1.18mm或3mm的砂作为原材料，虽然极限拉应变有所降低，但仍然体现出应变硬化的特征。

青岛理工大学的田砾、赵铁军等[5-6]人用水泥、粉煤灰、硅灰、PVA纤维及1.18mm的砂，按表1中配合制备了应变硬化水泥基复合材料(SHCC)，这实际上也是一种ECC，只是名称不同及为降低成本所用的砂(1.18mm)较粗而已。并通过四点弯曲试验及CONHARD软件，采用逆向分析法，模拟变形和裂缝开展，反复迭代和修正，最终获得了多线性应力-应变曲线。另外他们[7]还用最大粒径不超过80μm的磨细石英砂及水泥硅灰等作为基材，比较了PVA纤维掺量分别为0、0.75%及1.5%时40mm×40mm×160mm 标准试件的弯曲韧性，结果表明随着纤维掺量增大，PVA-SHCC的弯曲韧性增大趋势明显。

同济大学的王晓刚等[8]用水泥、粉煤灰、PVA纤维及最大粒径为2.5mm的河砂制备了PVA-ECC，并用不同试验方法测定了ECC的断裂能，证明四点弯曲试验是较为合适的方法，纤维掺量增大能提高ECC断裂能，但掺量过大由于分散不均匀的易发生纤维结团现象，对性能造成不利影响。

东南大学的姜国庆等[9]采用最大粒径为3mm连续级配的天然砂为细骨料续级配的天然砂作为细骨料， 制备出具有高延性、多缝开裂的超高性能工程水泥基复合材料， 所取得的指标达到国外的采用平均粒径为100μm磨细石英砂的ECC性能，却具有制备方法、技术更易于掌控，性价比高的优点。

2 构件研究

2.1 研究方法

（1）研究对象：梁、板、柱（复合材料强度等级C100,钢筋强度等级S500）。

（2）解决高性能结构构件的计算问题。

（3）试验验证。

2.2 高性能混凝土梁受弯性能分析

（1）基本假定

水泥基材料开裂后随变形的增加仍能承担拉应力；构件正截面在梁弯曲后仍保持为一平面；两种材料能够共同工作。

（2）C100强度数值分析

1）回归方程y =1.032747+0.439912x

图2 混凝土强度等级

对材料强度和弹模的研究是为了后续计算。现行规范中可查混凝土等级仅为C80，钢筋等级为RB400，如图2所示。

2）强度及弹模编制成EXCEL，如表1和表2所示：

表1 混凝土强度和模量

表2 钢筋强度和模量

3 结构研究

3.1 人防工程结构设计的特点

（1）目标可靠指标可适当降低

（2）应考虑结构的动力响应

（3）結构允许进入塑性阶段工作

（4）材料强度可以提高

（5）应重视人防结构的构造要求

3.2 人防工程结构设计的一般原则

（1）甲类防空地下室结构应能承受常规武器爆炸动荷载和核武器爆炸动荷载的分别作用，乙类防空地下室结构应能承受常规武器爆炸动荷载的作用。对常规武器爆炸动荷载和核武器爆炸动荷载，设计时均按一次作用。

（2）防空地下室的结构设计，应根据防护要求和受力情况做到结构各个部位抗力相协调。

（3）防空地下室结构在常规武器爆炸动荷载或核武器爆炸动荷载作用下，其动力分析均可采用等效静荷载法。

（4）防空地下室结构在常规武器爆炸动荷载或核武器爆炸动荷载作用下，应验算结构承载力；对结构变形、裂缝开展以及地基承载力与地基变形可不进行验算。

3.3 人防工程结构荷载特点

（1）人防荷载的作用时间：很短，1秒钟左右；

（2）人防荷载的作用次数：一次（整个结构寿命期内一次）；

（3）人防荷载的性质：突加快卸的瞬时动力荷载；

（4）人防荷载的分布：同时、均匀、满布；

（5）人防荷载的分项系数：分项系数=1。

4 实验验证

4.1 工程实例

（1）工程概况

本工程为一层地下车库，层高5m，柱距8.4m，顶部覆土0.8m，按甲类人防工程设计，平面图和剖面图分别如图3和图4所示。

图3 人防工程平面图

图4 人防工程剖面图

（2）设计规范

人防地下室设计规范（GB50038-2005）和混凝土结构设计规范（GB50010-2002）

（3）设计参数

防空地下室类别：甲类；防核武器抗力级别：6级；防常规武器抗力级别：6级；重要性系数：1.0；（4）单元荷载 ；300mm顶板自重 ：25× 0.30=7.50 kN/m2 800mm覆土自重 ：20× 0.80=16.0 kN/m2；核武器等效静荷载标准值： 65kN/m2常规武器等效静荷载标准值 ：34kN/m2。

（5）调整系数，如表3所示。

表3 材料调整系数表

材料种类 材料强度综合调整系数 弹性模量调整系数

钢材 HRB335 1.35 1.0

UGS500 1.35 1.0

混凝土 C40 1.5 1.2

C100 1.5 1.2

6、梁柱平面配筋简图，如图5所示。

梁截面500x1000柱截面600x600材料C40/HRB335。

梁截面500x700柱截面500x500材料 FRCC100/UTC500

图5 人防梁柱配筋简图

7、应力及变形情况，如图6所示。

图6 结构应力及变形图

8、材料用量比较

（1）梁

①使用新材料混凝土用量每延米减少0.15m3，减幅达40%。

②使用新材料钢筋用量每延米减少0.76kg，减幅达5.4%。

（2）柱

①使用新材料混凝土用量每延米减少0.11m3，减幅达30.6%。

②使用新材料钢筋用量每延米减少0.27kg，减幅达17.2%

5 研究结论

（1）在相同人防荷载作用下，使用超细晶高强钢筋与FRCC材料可以起到减小构件截面、在整体上降低钢筋用量的作用，材性的提高可以带来承载力的提高。

（2）在实际工程中，超细晶高强钢筋与FRCC材料可以使防护结构具有良好的耐久性、抗爆性、抗裂性及耐高温性能，可以减少人防工程在和平时期的维护费用，进一步提高战时防护能力，有效保障人民生命安全，有较好的应用前景。

参考文献

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[9] 姜国庆， 刘小泉， 孙 伟等.高性能特种水泥基复合材料的关键技术与力学行为研究，建筑技术，2007，38 (3)：228-230.

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。