膨脹劑摻量和含鋼率對鋼管混凝土徐變性能的影響

張戎令，王起才，馬麗娜，龍廣成，葛 勇，楊 陽

（1.蘭州交通大學 土木工程學院，甘肅 蘭州 730070；2.中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075）

鋼管混凝土技術將鋼材強度高和延性大的特點與混凝土的高抗壓性進行復合，組成鋼混結構，同時發揮兩者的受力優點，是一種有效的材料復合技術.因此，在高層房屋結構、多層工業廠房、高架輸電塔和大跨橋梁工程等結構中得以大量應用.混凝土在長期荷載作用下，其變形隨時間而不斷增長的現象稱為徐變.在實際結構中，徐變引起結構變形和內力重分布等突出問題，直接影響到結構的長期使用性能和設計壽命.因此，徐變效應對鋼管混凝土組合結構受力行為的影響引起了工程界的普遍關注.關于混凝土收縮徐變，張戎令等［1－5］研究了側向約束、應力比及復配外加劑對鋼管混凝土收縮徐變性能的影響；肖建莊等［6］試驗研究了不同再生粗骨料取代率下再生混凝土的收縮與徐變規律；也有學者從不同摻和料、計算模型和計算方法方面研究了混凝土徐變機理，并建立了結構徐變的有限元模型［7－10］.在解釋徐變理論方面［11］，主要有黏彈性理論、滲出理論、黏性流動理論、內力平衡理論及微裂縫理論等；鐘善桐［12］根據試驗結構計算出了軸壓短柱徐變變形的經驗公式；王元豐［13］建立了鋼管混凝土軸心受壓構件以及變應力作用下高性能混凝土的徐變模型；韓林海等［14］采用齡期調整的有效彈性模量法，對鋼管混凝土軸壓構件的徐變特性進行了理論研究.

由于鋼管混凝土為組合結構，為防止混凝土收縮，與鋼管脫黏，需在核心混凝土中添加膨脹劑.目前關于膨脹劑摻量和含鋼率對鋼管混凝土徐變性能的影響及其內在聯系的研究較少.

本文重點分析膨脹劑摻量（質量分數，文中涉及的摻量、水膠比等除特別注明外均為質量分數或質量比）和含鋼率（面積分數，鋼管與混凝土的截面面積比）對鋼管混凝土徐變性能的影響，并通過掃描電鏡對不同膨脹劑摻量的鋼管混凝土的水化程度和礦物組成進行對比，分析膨脹劑對鋼管混凝土徐變影響的機理.同時采用2種計算方式，分析了含鋼率對鋼管混凝土徐變性能影響的原因.

1 試驗

1.1 原材料

水泥：天山P·O 42.5 低堿硅酸鹽水泥；粉煤灰：瑪納斯電廠產Ⅰ級F 類；S95礦粉：雁池新型建材產；細骨料：兵團建設集團沙場的天然砂，細度模數為2.9；粗骨料：鑫寶礦山開發中心破碎玄武巖，5～20mm連續級配；拌和水：自來水.試驗前將所有原材料的性能進行了實測，以便準確分析膨脹劑摻量在原材料一定的情況下，對鋼管混凝土徐變性能的影響規律.水泥、拌和水、粉煤灰、礦粉和粗細骨料各項性能指標實測值見表1～4.減水劑和引氣劑：北京建筑工程研究院產AN 4000聚羧酸減水劑和AN 1引氣劑；膨脹劑：UEA－H 型.摻外加劑混凝土的各項實測指標見表5，6.

表1 低堿硅酸鹽水泥性能指標Table 1 Performance indexes of low alkalinity silicate cement

表2 拌和水水質分析Table 2 Water quality analysis

1.2 變化參數及試驗方法

鋼管混凝土中鋼管直徑分別為88，140，219mm，其中直徑為140mm 的鋼管長度有350，500mm 兩種，壁厚分別為1.3，2.2，3.0mm；其余直徑的鋼管長度為500mm，壁厚為2.0mm；混凝土水膠比為0.3，膨脹劑P1，P2 和P3 摻量分別為4%，8%和12%.鋼管混凝土配合比詳見表7.

表3 礦渣粉和粉煤灰性能指標Table 3 Performance indexes of slag and fly ash

表4 粗細骨料性能指標Table 4 Performance indexes of gravel and medium sand

表5 摻引氣劑和聚羧酸減水劑的混凝土性能指標Table 5 Performance indexes of concrete with air entraining agent and polycarboxylic water－reducer

表7 膨脹劑摻量不同時鋼管混凝土配合比Table 7 Mix proportion with different expanding agent contents of CFST kg／m3

根據GB／T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》測得混凝土的徐變度（徐變度計算公式見式（1））.試件標準養護28d后采用彈簧式三桿徐變儀進行加載，鋼管與混凝土同時受荷，施加的長期荷載為235.3kN.用千分表測量鋼管混凝土的徐變變形量，試驗溫度為（20±1）℃.

式中：Ct為加載t時間后的混凝土徐變度，MPa－1；δ為徐變應力，MPa；ΔLt為加載t 時間后的總變形值，mm；ΔL0為加載時測得的初始變形值，mm；Lb為測量標距，mm；εt為同齡期的收縮值，mm／m.

試驗裝置示意圖見圖1.

2 試驗結果與分析

2.1 膨脹劑摻量對鋼管混凝土徐變度的影響

含鋼率α 分別為3.8%，6.6%和9.2%時膨脹劑摻量對鋼管混凝土徐變度的影響規律如圖2所示.

圖1 試驗裝置示意圖Fig.1 Sketch map of test equipment

圖2 膨脹劑摻量對鋼管混凝土徐變度的影響Fig.2 Influence of expanding agent contents on creep degree of CFST

由圖2可見，在含鋼率一定的情況下，隨著膨脹劑摻量的增加，鋼管混凝土的徐變度有所減小.當膨脹劑摻量為4%時，徐變度最大；膨脹劑摻量為8%時，徐變度次之；膨脹劑摻量為12%時，徐變度最小.膨脹劑摻量8%與12%的鋼管混凝土徐變度相差不大，兩者較為接近.這說明在鋼管混凝土結構中，不能一味地依靠增加膨脹劑摻量來補償鋼管混凝土的收縮效果.在實際結構工程中應根據當地材料和泵送要求等選擇膨脹劑的最優摻量.

2.2 含鋼率對鋼管混凝土徐變度的影響

文獻［13］認為在相同應力級別下，鋼管混凝土的徐變度不隨含鋼率的增大而減小.但文獻［12］認為在相同應力級別下，鋼管混凝土的徐變度隨含鋼率的增大而減小；在一定的應力級別下，鋼管混凝土的應力隨含鋼率的增大而增加，致使結構徐變度增大，同時鋼管對混凝土的約束作用亦增大，又使得結構徐變度減小.在這兩種情況共同作用下，鋼管混凝土徐變度的增減作用互相影響，因此單在同一應力級別下研究含鋼率與鋼管混凝土徐變度的關系，可能不具有可比性［13］.為此，本文進行了相同荷載下含鋼率與鋼管混凝土徐變度關系的研究.

相同荷載（235.3kN）下含鋼率對鋼管混凝土徐變度的影響規律如圖3所示.

由圖3可見，增大含鋼率，鋼管混凝土的徐變度有所減小.這是因為增大含鋼率后，鋼管可以較多承擔外部荷載，使鋼管混凝土中核心混凝土受力減小，進而使鋼管混凝土徐變度減小.由圖3還可見，膨脹劑摻量為4%的鋼管混凝土徐變度總體高于膨脹劑摻量為12%的鋼管混凝土.綜合分析徐變度的變化趨勢后認為，膨脹劑摻量和含鋼率共同影響鋼管混凝土的徐變性能，在膨脹劑摻量不同的情況下，含鋼率對鋼管混凝土徐變度的影響并不相同.

3 機理分析

3.1 膨脹劑摻量對鋼管混凝土徐變性能的影響機理

采用膨脹劑摻量分別為4%，8%和12%的水泥漿在水膠比一定的條件下成型，標準養護28d后，將試樣經抽真空和噴金處理，在掃描電鏡（SEM）下觀測剖斷面形貌，見圖4.

圖3 含鋼率對鋼管混凝土徐變度的影響Fig.3 Influence of steel ratios on creep degree of CFST

由圖4可見，當膨脹劑摻量為4%時，水泥凈漿中的鈣礬石（AFt）呈短細小針狀，雜亂分布，水泥石整體結構較為疏松；當膨脹劑摻量為8%時，AFt為細針狀，簇生于水泥石成型時的殘留氣泡、水泥漿體中的毛細孔、接觸處的孔穴及水泥漿體的微裂紋中，水泥石整體結構較為致密；當膨脹劑摻量為12%時，大量花狀或棒狀AFt簇生于孔隙中，水泥石整體結構密實.這是由于膨脹劑的主要成分為明礬石和石膏，在水泥水化過程中，膨脹劑反應生成鈣礬石所需的CaSO4由膨脹劑自身帶入，反應中所需的氫氧化鈣（CH）由C3S 和C2S 水化反應生成，水化反應的加速進行使水泥強度和膨脹發展相對較協調，形成大量鈣礬石.膨脹劑一方面通過生成的鈣礬石微膨脹起到補償收縮的作用；另一方面通過鈣礬石填充于結構孔隙中，使水泥石更加密實.前文研究表明，鋼管混凝土的徐變度隨著膨脹劑摻量的增加而減小.這是由于膨脹劑摻量的增加，提高了核心混凝土的密實性，混凝土越密實，鋼管套箍效應越好，混凝土三向受力越明顯，進而加強了鋼管和混凝土的界面黏結力，使內力傳遞更加均勻，提高了結構剛度，有效地減小了鋼管混凝土的徐變度.由圖4還可看出，膨脹劑摻量為8%和12%時水泥凈漿的致密程度相差不大，這也印證了膨脹劑摻量為8%，12%時鋼管混凝土徐變度較為接近的結論.

圖4 不同膨脹劑摻量下水泥凈漿28d齡期時的SEM 照片Fig.4 SEM photos of cement paste with different expanding agent contents at 28dage

3.2 不同膨脹劑摻量的水泥凈漿成分分析

提取水泥凈漿水化產物，用射線能量色散譜儀（EDS）進行能譜分析，其EDS圖譜見圖5，不同膨脹劑摻量下水泥凈漿中元素組成見表8.

由圖5和表8可以看出，由于膨脹水泥石中含有鈣礬石類的膨脹材料，因此在基體中S元素和Al元素的含量隨著膨脹劑摻量的增加而增加；在膨脹水泥石中Si元素的質量分數隨著膨脹劑摻量的增加而增加，Ca元素的質量分數則隨著膨脹劑摻量的增加而降低.原因可能是膨脹劑中含有較高比例的Si元素，膨脹劑摻量高，水泥石中Si元素含量就高，有利于生成C－S－H 凝膠［15］，提高結構致密程度.

圖5 不同膨脹劑摻量的水泥凈漿能譜成分分析譜Fig.5 Power spectral analysis of cement paste with diferent expanding agent contents

表8 不同膨脹劑摻量下水泥凈漿中元素組成Table 8 Element compositions（by mass）of cement paste with different expanding agent contents %

3.3 含鋼率對鋼管混凝土徐變性能的影響機理

在膨脹劑摻量為4%，8%和12%的情況下，研究了含鋼率（直徑相同，壁厚不同；直徑和壁厚均不同2種形式）為3.8%，4.1%，6.6%，9.2% 和10.8%在相同荷載下對鋼管混凝土徐變度的影響.為節省篇幅本文以鋼管直徑相同、壁厚不同為例，淺析含鋼率對鋼管混凝土徐變性能的影響機理.目前較為常用的2種鋼管混凝土受力計算方法有：方法Ⅰ，考慮鋼管對混凝土的套箍作用，將鋼管混凝土按照組合結構進行受力特性計算，即按照組合彈性模量［16］進行計算；方法Ⅱ，按照鋼筋混凝土結構設計理論，采用疊加法得到換算剛度［16］，將鋼管換算成混凝土來計算鋼管混凝土的力學特性.本文亦采用這2種計算方法進行對比說明，詳見表9.

由表9可以看出，按照組合結構計算方法（方法Ⅰ）計算鋼管混凝土受壓力學特性時，考慮了套箍效應，致使在相同荷載作用下，盡管加載應力相同，但鋼管混凝土組合結構的抗壓強度還是隨著含鋼率的增加而增加，因此應力比隨著含鋼率的增加而減小；按照彈性模量比換算截面計算方法（方法Ⅱ）計算鋼管混凝土受壓力學特性時，雖然在相同荷載作用下將鋼管換算成混凝土，使混凝土抗壓強度相同，但其加載應力隨著含鋼率的增加而降低，因此應力比也隨著含鋼率的增加而降低.由此可知，無論采用哪種計算方法，由于同直徑的鋼管混凝土鋼材含鋼率隨著壁厚的增加而增加，因此在相同荷載下，混凝土受到的荷載隨含鋼率的增加而減小，故造成鋼管混凝土在相同荷載下的徐變度隨含鋼率的增加而減小的主要原因有兩方面：一是相同荷載下，混凝土應力隨著含鋼率的增加減小；二是隨著壁厚的增加鋼管對混凝土的約束增加，限制了混凝土的變形.

表9 鋼管混凝土受力計算方法對比Table 9 Comparison of different calculation method of loading stress of CFST

4 結論

（1）鋼管混凝土在含鋼率、配合比等一定的情況下，徐變度隨著膨脹劑摻量的增加而減小.但鋼管混凝土徐變度未隨著膨脹劑摻量的增加成比例減小.因此實際應用時應選擇適當的膨脹劑摻量.

（2）膨脹劑的主要成分是明礬石和石膏，兩者反應生成鈣礬石.鈣礬石一方面通過微膨脹補償水泥石收縮；另一方面填充在孔隙中，使水泥石更加密實.

（3）在原材料、配合比及荷載等一定的情況下，鋼管混凝土徐變度隨含鋼率的增加而減小.主要原因為：等荷載下混凝土應力隨著含鋼率的增加而減小；隨著壁厚的增加，鋼管對混凝土的約束增加，限制了混凝土的變形.

［1］張戎令，王起才，馬麗娜.微膨脹和側向約束共同作用下混凝土徐變性能和孔結構的關系［J］.硅酸鹽學報，2015，43（5）：585－592.ZHANG Rongling，WANG Qicai，MA Lina.Relations between pore structure and creep characteristics of concrete under micro－expanding and lateral restraints［J］.Journal of the Chinese Ceramic Society，2015，43（5）：585－592.（in Chinese）

［2］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.ZHANG Rongling，WANG Qicai，MA Lina，et al.Effect of interaction between expanding agent proportion and stress ratio on creep characteristics of concrete filed steel tube［J］.Journal of Central South University：Science and Technology，2014，45（7）：2416－2423.（in Chinese）

［3］張戎令，王起才，葛勇，等.膨脹劑摻量對鋼管混凝土徐變性能的影響［J］.公路交通科技，2014，31（11）：66－71.ZHANG Rongling，WANG Qicai，GE Yong，et al.Effect of expanding agent content on creep characteristics of CFST［J］.Journal of Highway and Transportation Research and Development，2014，31（11）：66－71.（in Chinese）

［4］張戎令，楊陽，王起才，等.鋼管微膨脹混凝土氣孔結構改變對徐變的影響［J］.硅酸鹽通報，2014，33（6）：1514－1519.ZHANG Rongling，YANG Yang，WANG Qicai，et al.Effect of pore structures on the creep characteristics of micro－expanded concrete filled steel tube［J］.Bulletin of the Chinese Ceramic Society，2014，33（6）：1514－1519.（in Chinese）

［5］張戎令，王起才，馬麗娜，等.復配外加劑體系對高性能混凝土收縮性能的影響［J］.硅酸鹽通報，2013，32（11）：2194－2199，2205.ZHANG Rongling，WANG Qicai，MA Lina，et al.Compound admixture system effect on high performance concrete shrinkage performance［J］.Bulletin of the Chinese Ceramic Society，2013，32（11）：2194－2199，2205.（in Chinese）

［6］肖建莊，許向東，范玉輝.再生混凝土收縮徐變試驗及徐變神經網絡預測［J］.建筑材料學報，2013，16（5）：752－757.XIAO Jianzhuang，XU Xiangdong，FAN Yuhui.Skrinkage and creep of recycled aggregate concrete and their prediction by ANN method［J］.Journal of Building Materials，2013，16（5）：752－757.（in Chinese）

［7］黃國興，惠榮炎，王秀軍.混凝土徐變與收縮［M］.北京：中國電力出版社，2012：7－37，66－72.HUANG Guoxing，HUI Rongyan，WANG Xiujun.Creep and shrink of concrete［M］.Beijing：China Electric Power Press，2012：7－37，66－72.（in Chinese）

［8］ZHAO Qingxin，SUN Wei，MIAO Changwen，et al.Effect of ground granulated blast－furnace slag proportion on creep characteristics of concrete［J］.Journal of the Chinese Ceramic Society，2009，37（10）：1760－1766.

［9］趙慶新，孫偉，繆昌文.粉煤灰摻量和水膠比對高性能混凝土徐變性能的影響及其機理［J］.土木工程學報，2009，42（12）：76－82.ZHAO Qingxin，SUN Wei，MIAO Changwen.Effect and mechanism of interaction between fly ash proportion and water binder ratio on the creep charocteristics of high performance concrete［J］.China Civil Eng J，2009，42（12）：76－82.（in Chinese）

［10］武文杰，王元豐，馬伊碩.考慮幾何非線性及施工的鋼管混凝土拱橋徐變［J］.西南交通大學學報，2013，48（4）：645－650.WU Wenjie，WANG Yuanfeng，MA Yishuo.Creep of concrete－filled steel tube arch bridge considering geometric nonlinearity and construction［J］.Journal of Southwest Jiaotong University，2013，48（4）：645－650.（in Chinese）

［11］NEVILLE A M，DILGER W H，BROOKS J J.Creep of plain and structural concrete［M］.New York：Construction Press，1983：42－51.

［12］鐘善桐.鋼管混凝土結構［M］.3版.北京：清華大學出版社，2003：34－63.ZHONG Shantong.Concrete－filled steel tube structure［M］.3rd ed.Beijing：Tsinghua University Press，2003：34－63.（in Chinese）

［13］王元豐.鋼管混凝土徐變［M］.北京：科學出版社，2006：28－82.WANG Yuanfeng.Concrete－filled steel tube creep［M］.Beijing：Science Press，2006：28－82.（in Chinese）

［14］韓林海，楊有福，劉威.長期荷載作用對矩形鋼管混凝土軸心受壓柱力學性能的影響研究［J］.土木工程學報，2004，37（3）：12－18.HAN Linhai，YANG Youfu，LIU Wei.The behavior of concrete filled steel tubular columns with rectangular section under of long term Loading［J］.China Civil Eng J，2004，37（3）：12－18.（in Chinese）

［15］胡曙光，丁慶軍.鋼管混凝土［M］.北京：人民交通出版社，2007：75－82.HU Shuguang，DING Qingjun.Steel tube confined concrete［M］.Beijing：China Communications Press，2007：75－82.（in Chinese）

［16］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，2006：36－45.ZHONG Shantong.Unified theory of concrete filled steel tube—Research and application［M］.Beijing：Tsinghua University Press，2006：36－45.（in Chinese）