鋼管自密實(shí)輕骨料混凝土變形性能試驗(yàn)研究

李書(shū)明，鄭新國(guó)，劉 競(jìng)，謝永江，胡家林，張 旭

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，鐵道建筑研究所，北京 100081； 2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，高速鐵路軌道技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

0 引 言

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)是在薄壁鋼管中填入混凝土而形成的一種組合結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)除了具有強(qiáng)度高、比重輕、延性好、耐疲勞和耐沖擊等優(yōu)異性能外，還具有架設(shè)輕便、施工快速等特點(diǎn)。目前，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)已在橋梁墩柱、建筑物柱等方面得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。

自密實(shí)輕骨料混凝土是采用陶粒配制而成的，具有良好流動(dòng)性和骨料穩(wěn)定性，且密度小于1 950 kg/m3的一類(lèi)混凝土[3]。該混凝土兼具自密實(shí)混凝土和輕骨料混凝土的特性，無(wú)需振搗即可密實(shí)成型，同時(shí)保持了輕骨料混凝土輕質(zhì)高強(qiáng)、隔熱保溫、抗震性好等特點(diǎn)[4]。目前，自密度輕骨料混凝土已在國(guó)內(nèi)外多個(gè)大跨橋梁、高聳建筑中進(jìn)行了應(yīng)用[5-6]。

鋼管自密實(shí)輕骨料混凝土結(jié)合了鋼管混凝土與輕骨料混凝土的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，可以將鋼管混凝土的自重進(jìn)一步降低。力學(xué)性能是鋼管輕骨料混凝土的最主要性能，目前針對(duì)其力學(xué)性能的研究相對(duì)較多。李幗昌等[7]采用合成法對(duì)鋼管輕骨料混凝土力學(xué)性能進(jìn)行全過(guò)程分析，研究了自應(yīng)力鋼管輕骨料混凝土中核心混凝土的本構(gòu)關(guān)系；丁發(fā)興等[8]研究表明，核心輕骨料混凝土由于受到鋼管約束，其縱向應(yīng)力有較大幅度提高，延性得到顯著改善；胡強(qiáng)等[9]設(shè)計(jì)了自密實(shí)輕骨料混凝土并研究了鋼管自密實(shí)輕骨料混凝土柱軸壓性能，結(jié)果表明鋼管自密實(shí)輕骨料混凝土柱的軸心受壓承載力小于鋼管自密實(shí)混凝土，但破壞同樣為延性破壞，鋼管的約束使混凝土平均應(yīng)變遠(yuǎn)大于混凝土的峰值應(yīng)變，變形性能得到顯著提高；雷崇等[10]對(duì)鋼管輕骨料混凝土軸壓中長(zhǎng)柱的荷載-變形曲線進(jìn)行了分析，結(jié)果表明鋼管為輕骨料混凝土提供徑向約束的同時(shí)，縱向應(yīng)力大幅降低，鋼管對(duì)普通混凝土的約束要大于對(duì)輕骨料混凝土的約束。眾所周知，鋼管輕骨料混凝土具有優(yōu)異力學(xué)性能的前提是鋼管與核心輕骨料混凝土之間形成緊密連接，二者協(xié)同受力。然而，由于輕骨料混凝土硬化過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生體積收縮，這直接影響了鋼管與核心輕骨料混凝土之間的密貼性。另外，受溫度變化影響，鋼管與核心輕骨料混凝土的變形是否一致也會(huì)影響二者的密貼性。目前，關(guān)于鋼管輕骨料混凝土的收縮應(yīng)變及溫度應(yīng)變的研究相對(duì)較少。

本文采用頁(yè)巖陶粒配制輕骨料混凝土，并與普通混凝土進(jìn)行對(duì)比，研究了鋼管輕骨料混凝土與鋼管普通混凝土的收縮應(yīng)變、軸壓應(yīng)變變化規(guī)律及溫度-應(yīng)變性能，以期揭示鋼管輕骨料混凝土的變形規(guī)律，為鋼管自密實(shí)輕骨料混凝土的應(yīng)用提供技術(shù)參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

試驗(yàn)所用水泥為金隅P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，其他膠凝材料為Ⅰ級(jí)粉煤灰和比表面積為23 000 m2/kg的硅灰；輕骨料為頁(yè)巖陶粒，粒徑為5～20 mm連續(xù)級(jí)配，陶粒和碎石的主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1；砂為天然中砂，細(xì)度模數(shù)為2.5；減水劑為聚羧酸高性能減水劑，減水率為28%；高分子增稠劑為多糖類(lèi)；水為自來(lái)水。

表1 陶粒和碎石的主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of ceramsite and gravel

1.2 配合比

根據(jù)JGJ/T 12—2019《輕骨料混凝土應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》按照松散體積法設(shè)計(jì)了輕骨料混凝土，通過(guò)調(diào)整減水劑控制混凝土的坍落擴(kuò)展度為600～630 mm，滿(mǎn)足JGJ/T 283—2012《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》的流動(dòng)性要求；通過(guò)高分子增稠劑調(diào)節(jié)自密實(shí)輕骨料混凝土的粘稠度，避免自密實(shí)輕骨料混凝土中陶粒上浮，其摻量為0.1 kg/m3，混凝土含氣量為3.0%～4.0%，用水量為160 kg/m3，三種不同密度混凝土的配合比見(jiàn)表2，骨料體積為1.2 m3。

表2 輕骨料混凝土和普通混凝土的配合比Table 2 Mix proportion of lightweight aggregate concrete /(kg·m-3)

1.3 試驗(yàn)方法

混凝土的抗壓強(qiáng)度和彈性模量按照GB/T 50081—2019《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測(cè)試。

鋼管內(nèi)徑為200 mm、高度為750 mm、壁厚為5 mm，采用鋼弦應(yīng)變計(jì)測(cè)試應(yīng)變，通過(guò)埋入式應(yīng)變計(jì)測(cè)試核心混凝土的應(yīng)變，埋入式應(yīng)變計(jì)沿鋼管橫軸和縱軸方向分別固定在“十字形”鋼筋上，一并埋入混凝土中。采用鋼結(jié)構(gòu)表面應(yīng)變計(jì)測(cè)試鋼管混凝土的應(yīng)變，鋼結(jié)構(gòu)表面應(yīng)變計(jì)對(duì)應(yīng)安裝在鋼管外側(cè)。將自密實(shí)混凝土灌入鋼管中，依靠混凝土良好工作性能實(shí)現(xiàn)自密實(shí)，每個(gè)配比成型2個(gè)鋼管混凝土試件，見(jiàn)圖1。采用長(zhǎng)沙金碼測(cè)控科技股份有限公司生產(chǎn)的JMYJ-2020型多通道電阻應(yīng)變儀采集應(yīng)變數(shù)據(jù)；軸向加載測(cè)試在電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，加載齡期為28 d，加載速率為1 000 N/s，壓盤(pán)直接加載在核心混凝土上，加載至100 kN卸載，重復(fù)加載-卸載兩次，第三個(gè)循環(huán)進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)試，軸壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線的斜率表示混凝土的彈性模量；溫度-應(yīng)變測(cè)試在鼓風(fēng)干燥箱中進(jìn)行，升溫速度為5 ℃/h。試驗(yàn)結(jié)果取兩個(gè)試件的平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同類(lèi)型混凝土的力學(xué)性能

輕骨料混凝土和普通混凝土的抗壓強(qiáng)度及彈性模量如圖2所示。由圖2可以看出，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，輕骨料混凝土和普通混凝土的抗壓強(qiáng)度均逐漸增加；相同齡期時(shí)，隨著粗骨料堆積密度的增加，配制輕骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度和彈性模量均逐漸增大。當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期分別為3 d、7 d、28 d、56 d、90 d時(shí)，500級(jí)陶粒配制輕骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度分別為34.8 MPa、37.7 MPa、39.9 MPa、41.8 MPa和45.7 MPa，28 d彈性模量為22.5 GPa;800級(jí)陶粒配制輕骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度分別為42.1 MPa、52.2 MPa、58.8 MPa、63.3 MPa和65.7 MPa，28 d彈性模量為29.8 GPa;普通混凝土的抗壓強(qiáng)度分別為60.5 MPa、69.8 MPa、76.8 MPa、85.7 MPa和82.5 MPa，28 d彈性模量為41.5 GPa。用500級(jí)陶粒配制的輕骨料混凝土56 d抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到LC40級(jí)，用800級(jí)陶粒配制的輕骨料混凝土56 d抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到LC60級(jí)。與普通混凝土相比，500級(jí)陶粒配制輕骨料混凝土的密度降低28.1%，28 d彈性模量降低45.8%，800級(jí)陶粒配制輕骨料混凝土的密度降低23.1%，28 d彈性模量降低28.2%，這表明與普通混凝土相比，輕骨料混凝土在降低密度的同時(shí)，抗壓強(qiáng)度和彈性模量也有所降低。因此在結(jié)構(gòu)工程中應(yīng)用輕骨料混凝土?xí)r，除了已知利用輕骨料混凝土帶來(lái)的重量降低之外，還需要關(guān)注彈性模量降低帶來(lái)的混凝土結(jié)構(gòu)剛度的變化。

圖2 粗骨料類(lèi)型對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響Fig.2 Effects of coarse aggregate types on mechanical properties of concrete

2.2 不同類(lèi)型鋼管混凝土的收縮應(yīng)變

將與表2相同配比的輕骨料混凝土和普通混凝土填充到鋼管中，制成鋼管輕骨料混凝土和鋼管普通混凝土，鋼管輕骨料混凝土和鋼管普通混凝土的收縮應(yīng)變?nèi)鐖D3所示，其中CS代表鋼管混凝土，CC代表核心混凝土。由圖3可以看出，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，鋼管輕骨料混凝土和鋼管普通混凝土的收縮均逐漸增大，7 d齡期之后收縮趨勢(shì)逐漸放緩。對(duì)同一鋼管混凝土，不同方向的收縮應(yīng)變也不同，沿橫軸方向核心混凝土的收縮應(yīng)變最大，沿縱軸方向核心混凝土的收縮應(yīng)變次之，沿縱軸方向鋼管混凝土的收縮應(yīng)變最小。鋼管混凝土的收縮主要是由核心混凝土的體積收縮導(dǎo)致的，沿橫軸方向的收縮直接影響鋼管與核心混凝土之間的密貼性，這說(shuō)明對(duì)于鋼管混凝土，沿縱軸方向核心混凝土受鋼管的約束較大，在縱軸方向的收縮變形相對(duì)較小。

圖3 不同類(lèi)型鋼管混凝土的收縮應(yīng)變曲線Fig.3 Shrinkage strain curves of different types of concrete-filled steel tube

與鋼管普通混凝土相比，相同齡期鋼管輕骨料混凝土沿不同方向的收縮應(yīng)變均有所減小。在12 d齡期時(shí)，500級(jí)鋼管輕骨料混凝土沿縱軸方向收縮應(yīng)變?yōu)?8.6 με，其核心輕骨料混凝土沿橫軸方向收縮應(yīng)變?yōu)?43.5 με，沿縱軸方向收縮應(yīng)變?yōu)?88.0 με；800級(jí)鋼管輕骨料混凝土沿縱軸方向收縮應(yīng)變?yōu)?8.0 με，其核心輕骨料混凝土沿橫軸方向收縮應(yīng)變?yōu)?02.1 με,沿縱軸方向收縮應(yīng)變?yōu)?54.1 με；鋼管普通混凝土沿縱軸方向收縮應(yīng)變?yōu)?4.5 με，其核心混凝土沿橫軸方向收縮應(yīng)變?yōu)?94.7 με,沿縱軸方向收縮應(yīng)變?yōu)?02.6 με。這主要是因?yàn)轫?yè)巖陶粒為多孔材料，吸附在孔中的水分在水泥水化過(guò)程中不斷釋放出來(lái)，起到了內(nèi)養(yǎng)護(hù)的作用[11]，減小了輕骨料混凝土的干燥收縮。同時(shí)，與普通混凝土相比，輕骨料混凝土的彈性模量相對(duì)較低，相同變形時(shí)產(chǎn)生的收縮應(yīng)力也相對(duì)較低，傳遞至鋼管的縱軸方向收縮應(yīng)力減小，引起鋼管的變形也減小。這表明鋼管輕骨料混凝土的體積穩(wěn)定性高于鋼管普通混凝土，輕骨料混凝土與鋼管間更不容易脫粘，二者的密貼性更好，這有利于輕骨料混凝土與鋼管間協(xié)同受力。

2.3 不同類(lèi)型鋼管混凝土的軸壓應(yīng)力-應(yīng)變

軸向加載力作用在核心混凝土上，鋼管輕骨料混凝土和鋼管普通混凝土的軸壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4所示。由圖4可以看出，承受軸壓荷載時(shí)，彈性受力階段鋼管輕骨料混凝土與鋼管普通混凝土的軸壓應(yīng)力-應(yīng)變變化規(guī)律基本相同。隨著應(yīng)變的增加，鋼管混凝土沿縱軸方向應(yīng)變及其核心混凝土沿縱軸方向的應(yīng)變均呈線性增加，承受相同應(yīng)力時(shí)，鋼管混凝土沿縱軸方向的應(yīng)變小于其核心混凝土沿縱軸方向應(yīng)變，這是加載力直接作用在核心混凝土上，再傳遞至鋼管的緣故，同時(shí)也反映了鋼管與核心混凝土之間良好的密貼性。另外還可以看出，鋼管輕骨料混凝土和鋼管普通混凝土的軸壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線均在其核心混凝土的上方，這說(shuō)明鋼管與混凝土復(fù)合之后形成鋼管混凝土的28 d彈性模量大于其核心混凝土的彈性模量，且核心混凝土的彈性模量越大，鋼管混凝土的彈性模量越大。500級(jí)鋼管輕骨料混凝土的28 d彈性模量為47.2 GPa，對(duì)應(yīng)核心輕骨料混凝土的彈性模量為28.0 GPa；800級(jí)陶粒對(duì)應(yīng)的鋼管輕骨料混凝土的28 d彈性模量為44.9 GPa，對(duì)應(yīng)核心輕骨料混凝土的彈性模量為39.3 GPa；鋼管普通混凝土的28 d彈性模量為55.9 GPa，對(duì)應(yīng)核心普通混凝土的彈性模量為45.8 GPa。

對(duì)比圖1和圖4可知，在鋼管約束狀態(tài)下核心混凝土的彈性模量均大于其非約束狀態(tài)下混凝土的彈性模量；在非約束狀態(tài)下，輕骨料混凝土的彈性模量顯著低于普通混凝土，但在鋼管約束狀態(tài)下這種降低幅度有所減小。相比普通混凝土，非約束狀態(tài)下500級(jí)輕骨料混凝土的28 d彈性模量降低值為45.8%，而鋼管約束狀態(tài)下降低值為38.9%；非約束狀態(tài)下800級(jí)輕骨料混凝土彈性模量降低值為28.2%，而鋼管約束狀態(tài)下降低值為14.2%，這說(shuō)明在鋼管的環(huán)向約束下限制了核心輕骨料混凝土的變形，提高了核心輕骨料混凝土的彈性模量。

圖4 不同鋼管混凝土的軸壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Axial compression-strain curves of different types of concrete-filled steel tube

2.4 不同類(lèi)型鋼管混凝土的溫度應(yīng)變

在升溫條件下，鋼管輕骨料混凝土與鋼管普通混凝土溫度-應(yīng)變曲線如圖5所示。由圖5可以看出，在升溫條件下，鋼管輕骨料混凝土與鋼管普通混凝土的應(yīng)變變化規(guī)律基本相同。隨著溫度的增加，應(yīng)變均呈線性增長(zhǎng)。由擬合曲線的斜率可以看出，鋼管輕骨料混凝土的溫度應(yīng)變與鋼管普通混凝土的溫度應(yīng)變基本相同，且其核心輕骨料混凝土與核心普通混凝土的溫度應(yīng)變也基本相同。另外，還可以看出，對(duì)于同一鋼管混凝土，不同方向的溫度應(yīng)變存在差異，鋼管混凝土沿縱軸方向溫度應(yīng)變略大于其核心混凝土縱軸方向的應(yīng)變，核心混凝土沿橫軸方向的溫度應(yīng)變最小，表明溫度變形下鋼管與核心混凝土的密貼性良好。500級(jí)鋼管輕骨料混凝土沿縱軸方向溫度應(yīng)變?yōu)?.9 με/℃，其核心輕骨料混凝土沿橫軸方向溫度應(yīng)變?yōu)?.7 με/℃，沿縱軸方向溫度應(yīng)變?yōu)?.4 με/℃；800級(jí)鋼管輕骨料混凝土沿縱軸方向溫度應(yīng)變?yōu)?.0 με/℃，其核心輕骨料混凝土沿橫軸方向溫度應(yīng)變?yōu)?.8 με/℃，沿縱軸方向溫度應(yīng)變?yōu)?.1 με/℃；鋼管普通混凝土沿縱軸方向溫度應(yīng)變?yōu)?.2 με/℃，其核心混凝土沿橫軸方向溫度應(yīng)變?yōu)?.8 με/℃，沿縱軸方向溫度應(yīng)變?yōu)?.2 με/℃。可以看出，鋼管與混凝土復(fù)合之后的溫度應(yīng)變均小于其各自的溫度應(yīng)變(鋼材的溫度應(yīng)變?yōu)?2 με/℃，普通混凝土的溫度應(yīng)變?yōu)?～10 με/℃)，體現(xiàn)了鋼管混凝土這種復(fù)合材料的優(yōu)異性能，這說(shuō)明在溫度變化環(huán)境下，鋼管輕骨料混凝土和鋼管普通混凝土均具有良好的尺寸穩(wěn)定性。

圖5 不同類(lèi)型鋼管混凝土的溫度-應(yīng)變曲線Fig.5 Temperature-strain curves of different types of concrete-filled steel tube

3 結(jié) 論

(1)與普通混凝土相比，輕骨料混凝土在密度降低的同時(shí)，抗壓強(qiáng)度和彈性模量也有所降低；隨著輕骨料堆積密度的增加，配制的輕骨料混凝土抗壓強(qiáng)度及彈性模量也逐漸增大。選用500 kg/m3陶粒配制的輕骨料混凝土56 d抗壓強(qiáng)度達(dá)LC40級(jí)，選用800 kg/m3陶粒配制的輕骨料混凝土56 d抗壓強(qiáng)度達(dá)LC60級(jí)。

(2)與鋼管普通混凝土相比，鋼管輕骨料混凝土的收縮應(yīng)變有所降低，鋼管輕骨料混凝土的體積穩(wěn)定性高于鋼管普通混凝土，鋼管與輕骨料混凝土的密貼性更好。

(3)鋼管輕骨料混凝土的軸壓應(yīng)力-應(yīng)變性能與鋼管普通混凝土基本相同，鋼管輕骨料混凝土的彈性模量低于鋼管普通混凝土，但比非鋼管約束狀態(tài)下輕骨料混凝土彈性模量降低幅值有所減小。

(4)鋼管輕骨料混凝土與鋼管普通混凝土的溫度變形規(guī)律基本一致，二者的溫度應(yīng)變均為3.9～4.2 με/℃，核心輕骨料混凝土和核心普通混凝土的溫度應(yīng)變?yōu)?.1～2.4 με/℃，均低于鋼材及普通混凝土的溫度應(yīng)變。