自密實微膨脹混凝土填充鋼套管加固RC柱的軸壓性能實驗研究

李佳航 姜海波 李軍生 陳振侃 葉嘉政

（1廣東工業大學土木與交通工程學院；2廣州廣明高速公路有限公司)(3廣州交通投資集團有限公司營運分公司)

0 引言

上世紀末建成的鋼筋混凝土（RC）墩柱，部分因腐蝕[1]及碰撞[2]等災害而出現功能退化及損傷。當下，鋼套管法[3]是加固損傷RC墩柱的常用方法之一。Sezen等人[4]的研究表明：相比傳統的增大截面法[5]和包裹FRP法[6]，鋼套管法對RC柱極限荷載、延性和剛度的提升最為顯著。因此，鋼套管法具有深入研究的價值。

鋼套管可以直接通過環氧膠緊密粘貼在RC柱上，也可在鋼套管和RC柱之間預留間隙填充混凝土。自密實微膨脹混凝土[7]同時具備了高流動性、免振搗、自密實和微膨脹的優異工作性能，可充當優異的填充材料，可以提高鋼套管與RC柱間的粘結能力，減少脫空[8]的風險。本試驗在兩者間的間隙澆筑自密實微膨脹混凝土，由里到外形成了“RC柱-自密實微膨脹混凝土-鋼套管”的橫截面形式。損傷RC柱有一定的初始應力，本試驗參考胡瀟等人[9]的做法，采用無粘結后張法，賦予了RC柱初始軸壓力。為減少加固后加固結構相鄰連接構件應力發生變化[10]，本試驗RC柱加固后端部連接截面仍維持原RC柱橫截面。

本試驗共制作了4根試驗柱進行軸壓試驗。探究了自密實微膨脹混凝土填充鋼套管加固RC柱的軸壓性能，為后續對該類加固柱極限承載力計算研究提供實驗基礎。

1 試驗概況

1.1 試件設計

本試驗設計并制作了1根未加固普通鋼筋混凝土柱（未加固RC柱S0）和3根自密實微膨脹混凝土夾層的鋼套管加固RC柱（后文簡稱為加固柱S1～S3）。其中，加固柱的鋼管厚度分別為2.50mm、3.75mm和5.75mm。試驗柱參數匯總如表1所示。

表1 試驗柱參數

試驗柱高度均為600mm，RC柱直徑為200mm，自密實微膨脹混凝土夾層（后文簡稱為填充層）的厚度為75mm，鋼管外徑為325mm。RC柱內布置了6根直徑為8mm的HRB400縱筋，并按每隔120mm等間距布置了直徑為6mm的HRB400箍筋。另外，RC柱混凝土保護層厚度取30mm。試驗柱尺寸及構造如圖1所示。

圖1 試驗柱尺寸及構造

1.2 試驗柱制作

RC柱的制作：①綁扎鋼筋，構成RC柱內部鋼筋籠；②將鋼筋籠放置于混凝土澆筑模板中，澆筑C40商品普通混凝土，養護成型。

加固柱的制作：①待RC柱成型后，在RC柱軸線預留孔道中穿入一根直徑為15.24mm的高強鋼絞線，通過后張法，賦予RC柱80 kN的初始軸壓力；②采用Q235圓鋼管外套RC柱，在新增鋼管與RC柱間填充層澆筑自密實微膨脹混凝土，并養護成型。試驗柱的制作流程如圖2所示。

圖2 試驗柱的制作流程

1.3 材料性能

采用商品C40混凝土澆筑RC柱，并制作150mm×150mm×150mm標準立方體試塊，測試得到標準立方體28天抗壓強度為48MPa。同時，澆筑過程中測試得到其坍落擴展度為160mm。

填充層采用C60自密實微膨脹混凝土。經過反復試配，最終AUA膨脹劑以8%的替代率等量替代水泥，同時加入適量的粉煤灰、硅灰和Sika高效減水劑，配制得到強度達60MPa、工作性能滿足要求的高性能混凝土，其配合比如表2所示。同樣地，制備150mm×150mm×150mm標準立方體試塊。另外，制備100mm×100mm×300mm限制膨脹率試塊，以測量混凝土變形情況。該混凝土材料性能如表3所示。

表2 自密實微膨脹混凝土配合比 （㎏/m3）

表3 自密實微膨脹混凝土材料性能

制備加固柱的過程中采用了Q235鋼管、1860級鋼絞線和HRB400鋼筋三類鋼材。所有鋼材的材料性能如表4所示。

表4 鋼材材料性能

1.4 試驗加載方案

本試驗采用10000kN液壓伺服壓力機進行加載。試驗柱的加載方案均采用0.05mm/s等速率位移加載，直至試驗柱破壞。利用鋼墊板，選擇RC柱兩端截面作為直接受壓區域。加載過程中，采用LVDT位移計測試試驗柱的整體豎向變形情況，同時，在加固柱的鋼管表面中部粘貼應變片，用以監測鋼管的變形情況。試驗裝置和測點布置如圖3所示。

圖3 試驗裝置和測點布置

2 試驗結果

2.1 試驗現象

未加固RC柱：當荷載靠近極限荷載時，混凝土表面出現豎向裂縫且快速發展；達到極限荷載后，荷載迅速下降，混凝土被剝落，鋼筋彎曲，無法承載。

加固柱：3根加固柱試驗現象基本相同，故以加固柱S2為例。當荷載靠近極限荷載時，填充層頂面出現徑向裂縫；達到極限荷載后，荷載緩慢下降，鋼管外鼓。試驗柱的破壞現象如圖4所示。

2.2 極限荷載

將試驗柱S0～S3的極限荷載Pu進行匯總，如表5所示。相比未加固RC柱S0，加固柱S1～S3的極限荷載分別提高了1.20倍、1.45倍和2.51倍，這說明了自密實微膨脹混凝土夾層的鋼套管加固可顯著提高RC柱的極限荷載。相比加固柱S1，加固柱S2～S3的極限荷載分別提高了11.2%和59.5%，即鋼管厚度的增大可顯著提高加固柱的極限荷載，這意味著加固效果的增強。

表5 試驗柱參數

2.3 荷載-位移曲線分析

試驗柱的荷載-位移曲線如圖5所示。由圖可知，未加固RC柱S0的極限荷載、延性和剛度明顯低于加固柱S1～S3。達到極限荷載后，未加固RC柱S0的荷載迅速下降，表現出較大的脆性；而加固柱S1～S3達到極限荷載后，荷載下降緩慢。另外，隨著鋼管厚度的提高，加固柱的極限荷載及延性可進一步提高，表明厚鋼管可發揮更強的約束效果。

圖5 驗柱荷載-位移曲線

2.4 荷載-應變曲線

由前文可知，鋼管的約束作用是提高RC柱軸壓性能的關鍵。為探清加載過程中鋼管的變形情況，繪制加固柱的荷載—應變曲線如圖6所示。鋼管的環向應變均為拉應變，而軸向應變均為壓應變。加載初期，鋼管的環向應變和軸向應變均較小，當荷載靠近極限荷載時，鋼管的環向應變和軸向應變迅速增長，鋼管達到屈服，這體現了鋼管優異的約束作用。

圖6 加固柱荷載-應變曲線

3 結論

本試驗研究了自密實微膨脹混凝土填充鋼套管加固RC柱的軸壓性能。結果表明：自密實微膨脹混凝土夾層的鋼套管加固可顯著提高RC柱的極限荷載、延性和剛度。加固柱加載過程中，當荷載靠近極限荷載時，填充混凝土出現徑向裂縫，鋼管外鼓。對于鋼管厚度分別為2.50mm、3.75mm和5.75mm的加固柱，極限荷載的提高倍數分別可達到1.20倍、1.45倍和2.51倍。另外，相比鋼管厚度為2.50mm的加固柱，鋼管厚度分別為3.75mm和5.75mm的加固柱的極限荷載提高了11.2%和59.5%，即隨著鋼管厚度的提高，加固柱的極限荷載和延性可進一步提高，這表明了厚鋼管的約束作用更強。加固柱軸壓過程中，鋼管的環向應變均為拉應變，而軸向應變均為壓應變；當荷載靠近極限荷載時，鋼管約束作用明顯，隨之鋼管屈服。