膨脹劑對鋼管混凝土瞬時變形和徐變的影響

祁璐帆，王起才，張戎令，楊 陽，張少華

(蘭州交通大學 土木工程學院，甘肅 蘭州 730070)

膨脹劑對鋼管混凝土瞬時變形和徐變的影響

祁璐帆，王起才，張戎令，楊 陽，張少華

(蘭州交通大學 土木工程學院，甘肅 蘭州 730070)

鋼管混凝土中摻入膨脹劑可以補償核心混凝土的收縮，防止鋼管和混凝土脫粘，并且產生一定的膨脹初應力，從而改善鋼管混凝土的受力性能。為了考察膨脹劑摻量對鋼管混凝土軸壓變形的影響，本文以膨脹劑摻量分別為0，4%，8%的鋼管混凝土短柱為研究對象，對鋼管混凝土在軸壓下的瞬時變形和徐變進行了試驗研究。結果表明:膨脹劑會改善鋼管混凝土的力學性能，隨著膨脹劑摻量的提高，鋼管混凝土在軸壓下的瞬時變形和徐變相應減小。

鋼管混凝土 膨脹劑摻量 瞬時變形 徐變 試驗研究

鋼管混凝土是在鋼管中填充混凝土而形成，屬于鋼—混凝土組合結構的一種。它利用鋼材和混凝土兩種材料在受力過程中相互間的組合作用，充分發揮兩種材料的優點，可以使混凝土的塑性和韌性大為改善，而且可以避免或延緩鋼管發生局部屈曲，從而使鋼管混凝土具有承載力高、塑性和韌性好、經濟效果好、施工方便等優點［1］。鋼管混凝土的技術核心在于鋼管對混凝土的有效套箍。為了實現這種有效套箍，通常在鋼管核心混凝土中摻入明礬石類膨脹劑，這類膨脹劑通過水化生成鋁酸鈣結晶(鈣礬石)而致膨脹，在適當的限制條件下，鈣礬石晶體的生長可以填充混凝土內部的孔隙，提高混凝土內部結構的密實度，并且通過讓核心混凝土宏觀體積膨脹，補償核心混凝土的收縮和在核心混凝土內部形成較小自應力，以維系鋼管與混凝土密切貼合并且使核心混凝土在受力初期就處于三向受壓狀態。

在鋼管混凝土方面，鐘善桐［2］提出了鋼管混凝土統一理論，得到了鋼管混凝土在各種受力狀態下的全過程曲線，比較準確地反映了這種組合構件的組合性能;李悅等［3］通過試驗發現鋼管膨脹混凝土的承載力比鋼管普通混凝土的承載力有所提高;鄭舟軍等［4］進行了在封閉鋼筒里灌裝微膨脹混凝土試驗，模擬并研究了鋼管混凝土橋梁鋼管內混凝土的膨脹情況，提出了鋼管微膨脹混凝土生長模型;王湛［5］對比了已有的普通混凝土和普通鋼管混凝土的徐變結果，進行了部分鋼管膨脹混凝土徐變試驗，得到了鋼管膨脹混凝土的徐變特征;張戎令等［6］研究了膨脹劑摻量和應力比對鋼管混凝土徐變性能的影響，應用掃描電鏡二次成像觀測和能譜分析研究了膨脹劑的作用機理。本文對不同膨脹劑摻量對鋼管混凝土瞬時變形和徐變的影響進行試驗研究，考察了鋼管混凝土工作性能隨膨脹劑摻量變化的規律。

1 試驗

為了研究鋼管混凝土的工作性能隨膨脹劑摻量的變化規律，本次試驗制作了12根鋼管混凝土短柱，其中9根進行瞬時變形試驗，另外3根進行軸向受壓徐變性能測試。試件參數見表1。

表1 試件參數

試驗中核心混凝土的強度等級為C55，其配合比見表2。配制混凝土所用水泥為祁連山水泥廠生產的P．O42.5水泥，其性能指標見表3。

鋼管混凝土試件中使用的鋼管由Q235鋼材制成。混凝土中所摻膨脹劑為UEA-H型膨脹劑，其性能指標見表4。

kg/m3表2 核心混凝土配合比

表3 P．O42.5水泥性能指標

表4 膨脹劑性能指標

制作鋼管混凝土試件時，上下底板都采用5 mm厚鋼板，盛裝混凝土前先將下底板焊死，完成澆筑后，振搗削平，立即封蓋并焊接封閉。標養28 d后，進行瞬時變形試驗和徐變加載。瞬時變形試驗用500 kN的電子萬能試驗機加載，用百分表讀取試件軸向變形。加載方式為分級加載，每級以50 kN為梯度遞增，每加一級荷載，停頓2～3 min，以讀取軸向壓縮變形值。外徑140 mm的試件分9級加載，最高荷載為450 kN。外徑88 mm的試件分4級加載，最高荷載為200 kN。鋼管混凝土的徐變性能測試在彈簧式三桿徐變儀上進行(見圖1)，鋼管與混凝土同時受力，用千分表讀取徐變變形。徐變試驗中，應力比為0.33，環境溫度維持在20℃。

圖1 徐變試驗加載

2 試驗結果與分析

2.1 鋼管混凝土的瞬時變形

在不同加載等級下，測得鋼管混凝土的軸向壓縮變形，再將其換算為軸向平均應變。根據每級荷載及其相應的鋼管混凝土軸向平均應變，繪制荷載—變形曲線，見圖2。

由圖2(a)和圖2(b)可知，對于含鋼率為3.9%和6.7%的鋼管混凝土試件(外徑140 mm)，在分級加載時，膨脹劑摻量為8%的鋼管混凝土試件抗壓縮變形能力最強，摻量為4%的試件次之，摻量為0的鋼管混凝土試件抗壓縮變形能力最差。在加載至450 kN時，以不摻膨脹劑的鋼管混凝土試件變形為基準，含鋼率為3.9%時，內摻4%膨脹劑的鋼管混凝土平均應變減小為基準的77.0%，內摻8%膨脹劑的鋼管混凝土平均應變減小為基準的72.1%;含鋼率為6.7%時，內摻4%膨脹劑的鋼管混凝土平均應變減小為基準的77.0%，內摻8%膨脹劑的鋼管混凝土平均應變減小為基準的68.0%。

由圖2(c)可知，含鋼率為11.1%的試件(外徑88 mm)也遵循相同的規律。在加載至200 kN時，以不摻膨脹劑的鋼管混凝土變形為基準，內摻4%膨脹劑的鋼管混凝土平均應變減小為基準的93.7%，內摻8%膨脹劑的鋼管混凝土平均應變減小為基準的87.7%。

圖2 荷載—變形曲線

通過以上對比可知，含鋼率一定，鋼管混凝土的抗壓縮變形能力隨膨脹劑摻量的增加而提高。這是因為膨脹劑的摻入使得核心混凝土產生硫鋁酸鈣晶體(鈣礬石)而膨脹，在外圍鋼管的適當約束下，鈣礬石在膨脹能的作用下被擠入毛細孔，并與纖維狀的硅酸鈣結晶交織成網狀［7］，約束還使得生成的晶體尺寸減小，核心混凝土由此變得更加密實。這種密實作用相應地提高了鋼管混凝土的抗壓縮變形能力。核心混凝土的微膨脹還會使鋼管對混凝土產生緊箍力，有效限制了核心混凝土的橫向變形［8］，從而在一定程度上改善了鋼管混凝土的受力性能［9］，提高了鋼管混凝土的剛度。

2.2 鋼管混凝土的徐變

本文觀測了含鋼率為6.7%的鋼管混凝土在軸向壓力作用下240 d的徐變變形(養護28 d之后加載)。與瞬時變形的處理方式一致，將測得的徐變變形換算成軸向平均徐變，繪成徐變時程曲線，見圖3。

圖3 含鋼率為6.7%時徐變時程曲線

由圖3可知，對于含鋼率為6.7%的鋼管混凝土試件，在整個持荷過程中，鋼管混凝土的徐變在前40 d增加速度比較快，加載40 d后逐漸放緩，120 d后趨于平穩。膨脹劑摻量為8%的鋼管混凝土徐變最小，膨脹劑摻量為4%的鋼管混凝土次之，不摻膨脹劑的鋼管混凝土徐變最大。在持荷240 d時，以不摻膨脹劑的鋼管混凝土徐變為基準，內摻4%膨脹劑的鋼管混凝土徐變減小為基準的56.4%，內摻8%膨脹劑的鋼管混凝土徐變減小為基準的40.1%。這與膨脹劑摻量對鋼管混凝土瞬時變形的影響規律類似。由此可見，由于內摻膨脹劑的核心混凝土在約束下變得更加密實，并且膨脹使得核心混凝土獲得初始緊箍力，補償了核心混凝土的塑性收縮、自收縮、徐變收縮等，鋼管混凝土的徐變變形明顯減小。在工程實際中采用8%的膨脹劑摻量是比較合理的，可以有效地減小鋼管混凝土的徐變。

3 結論

1)在鋼管的約束下，內摻膨脹劑使得核心混凝土更加密實，對核心混凝土起到補償收縮作用，加強了鋼管對核心混凝土的緊箍效應，從而提高了鋼管混凝土的抗壓縮變形能力，減小了鋼管混凝土在軸壓荷載下的徐變。

2)對于含鋼率為3.9%，6.7%和11.1%的鋼管混凝土試件，當含鋼率一定，膨脹劑摻量依次從0，4%，8%遞增時，相同荷載下的瞬時變形隨之減小。

3)對于含鋼率為6.7%的鋼管混凝土試件，鋼管混凝土的徐變隨著膨脹劑摻量的增大而減少。

4)含鋼率6.7%的鋼管混凝土在養護28 d后加載，鋼管混凝土的徐變在前40 d增加速度比較快，加載40 d后逐漸放緩，120 d后趨于平穩。

［1］韓海林，鐘善桐．鋼管混凝土力學［M］．大連:大連理工大學出版社，1996．

［2］鐘善桐．鋼管混凝土統一理論:研究與應用［M］．北京:清華大學出版社，2006．

［3］李悅，胡曙光，丁慶軍．鋼管膨脹混凝土的研究及其應用［J］．山東建材學院學報，2000，14(3):189-192．

［4］鄭舟軍，沈成武，羅冰．鋼管微膨脹混凝土試驗與研究［J］．武漢理工大學學報(交通科學與工程版)，2007，31(1):70-72．

［5］王湛．鋼管膨脹混凝土的徐變［J］．哈爾濱建筑工程學院學報，1994，27(3):14-17．

［6］張戎令，王起才，馬麗娜，等．膨脹劑摻量和應力比對鋼管混凝土徐變性能的影響［J］．中南大學學報(自然科學版)，2014，45(7):2416-2423．

［7］楊陽，王起才，張戎令，等．膨脹劑摻量對鋼管混凝土軸壓性能影響試驗研究［J］．鐵道建筑，2014(8):120-121．

［8］陳洪濤，鐘善桐，張素梅．鋼管混凝土中混凝土的三向本構關系［J］．哈爾濱建筑大學學報，2000，33(6):13-16．

［9］查曉雄，鐘善桐．用有限元法分析鋼管初應力對鋼管混凝土軸壓構件基本性能的影響［J］．哈爾濱建筑大學學報，1997，30(1):41-49．

［10］顧建忠，劉西拉．軸向荷載作用下鋼管混凝土的徐變［J］．中國公路學報，2001，14(4):59-62．

Influence of expansive agent on instantaneous deformation and creep of concrete in concrete-filled steel tube

QI Lufan，WANG Qicai，ZHANG Rongling，YANG Yang，ZHANG Shaohua

(School of Civil Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou Gansu 730070，China)

The application of expansive agent helps concrete-filled steel tube overcomes the contraction of core concrete．The attempt has been proven to improve the force-bearing performance of the specimen，as it prevents the occurrence of tube-concrete detachment and generates primary stress on the side．The paper，aiming to study the influence of expansive agent to compression and deformation of steel tube，takes short concrete-filled steel tubes as study objects with the amount of expansive agent standing at 0，4% and 8% respectively．Afterwards，the paper carries out experimental research on the instantaneous deformation and creep of the specimens．The results indicate that expansive agent optimizes the mechanical property of the tubes whose instantaneous deformation and creep have been mitigated by the increase of expansive agents applied．

Concrete-filled steel tube;Amount of expansive agent;Instantaneous deformation;Creep;Experimental study

TU528.59

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．07．39

1003-1995(2015)07-0138-04

2015-02-16;

2015-03-25

國家自然科學基金資助項目(51268032);長江學者和創新團隊發展計劃項目(IRT1139);蘭州交通大學青年科技基金資助項目(2012028)

祁璐帆(1991— )，男，甘肅和政人，碩士研究生。

(責任審編 葛全紅)