祁璐帆，王起才，張戎令，楊 陽，張少華

(蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

膨脹劑對(duì)鋼管混凝土瞬時(shí)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(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

鋼管混凝土中摻入膨脹劑可以補(bǔ)償核心混凝土的收縮，防止鋼管和混凝土脫粘，并且產(chǎn)生一定的膨脹初應(yīng)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(duì)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(duì)象，對(duì)鋼管混凝土在軸壓下的瞬時(shí)變形和徐變進(jìn)行了試驗(yàn)研究。結(jié)果表明:膨脹劑會(huì)改善鋼管混凝土的力學(xué)性能，隨著膨脹劑摻量的提高，鋼管混凝土在軸壓下的瞬時(shí)變形和徐變相應(yīng)減小。

鋼管混凝土 膨脹劑摻量 瞬時(shí)變形 徐變 試驗(yàn)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(jié)構(gòu)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(fā)揮兩種材料的優(yōu)點(diǎn)，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(fā)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(jīng)濟(jì)效果好、施工方便等優(yōu)點(diǎn)［1］。鋼管混凝土的技術(shù)核心在于鋼管對(duì)混凝土的有效套箍。為了實(shí)現(xiàn)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(jié)晶(鈣礬石)而致膨脹，在適當(dāng)?shù)南拗茥l件下，鈣礬石晶體的生長(zhǎng)可以填充混凝土內(nèi)部的孔隙，提高混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的密實(shí)度，并且通過讓核心混凝土宏觀體積膨脹，補(bǔ)償核心混凝土的收縮和在核心混凝土內(nèi)部形成較小自應(yīng)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(tài)。

在鋼管混凝土方面，鐘善桐［2］提出了鋼管混凝土統(tǒng)一理論，得到了鋼管混凝土在各種受力狀態(tài)下的全過程曲線，比較準(zhǔn)確地反映了這種組合構(gòu)件的組合性能;李悅等［3］通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)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(jìn)行了在封閉鋼筒里灌裝微膨脹混凝土試驗(yàn)，模擬并研究了鋼管混凝土橋梁鋼管內(nèi)混凝土的膨脹情況，提出了鋼管微膨脹混凝土生長(zhǎng)模型;王湛［5］對(duì)比了已有的普通混凝土和普通鋼管混凝土的徐變結(jié)果，進(jìn)行了部分鋼管膨脹混凝土徐變?cè)囼?yàn)，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(yīng)力比對(duì)鋼管混凝土徐變性能的影響，應(yīng)用掃描電鏡二次成像觀測(cè)和能譜分析研究了膨脹劑的作用機(jī)理。本文對(duì)不同膨脹劑摻量對(duì)鋼管混凝土瞬時(shí)變形和徐變的影響進(jìn)行試驗(yàn)研究，考察了鋼管混凝土工作性能隨膨脹劑摻量變化的規(guī)律。

1 試驗(yàn)

為了研究鋼管混凝土的工作性能隨膨脹劑摻量的變化規(guī)律，本次試驗(yàn)制作了12根鋼管混凝土短柱，其中9根進(jìn)行瞬時(shí)變形試驗(yàn)，另外3根進(jìn)行軸向受壓徐變性能測(cè)試。試件參數(shù)見表1。

表1 試件參數(shù)

試驗(yàn)中核心混凝土的強(qiáng)度等級(jí)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(chǎn)的P．O42.5水泥，其性能指標(biāo)見表3。

鋼管混凝土試件中使用的鋼管由Q235鋼材制成?；炷林兴鶕脚蛎泟閁EA-H型膨脹劑，其性能指標(biāo)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(biāo)

表4 膨脹劑性能指標(biāo)

制作鋼管混凝土試件時(shí)，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(biāo)養(yǎng)28 d后，進(jìn)行瞬時(shí)變形試驗(yàn)和徐變加載。瞬時(shí)變形試驗(yàn)用500 kN的電子萬能試驗(yàn)機(jī)加載，用百分表讀取試件軸向變形。加載方式為分級(jí)加載，每級(jí)以50 kN為梯度遞增，每加一級(jí)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(jí)加載，最高荷載為450 kN。外徑88 mm的試件分4級(jí)加載，最高荷載為200 kN。鋼管混凝土的徐變性能測(cè)試在彈簧式三桿徐變儀上進(jìn)行(見圖1)，鋼管與混凝土同時(shí)受力，用千分表讀取徐變變形。徐變?cè)囼?yàn)中，應(yīng)力比為0.33，環(huán)境溫度維持在20℃。

圖1 徐變?cè)囼?yàn)加載

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 鋼管混凝土的瞬時(shí)變形

在不同加載等級(jí)下，測(cè)得鋼管混凝土的軸向壓縮變形，再將其換算為軸向平均應(yīng)變。根據(jù)每級(jí)荷載及其相應(yīng)的鋼管混凝土軸向平均應(yīng)變，繪制荷載—變形曲線，見圖2。

由圖2(a)和圖2(b)可知，對(duì)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(jí)加載時(shí)，膨脹劑摻量為8%的鋼管混凝土試件抗壓縮變形能力最強(qiáng)，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(shí)，以不摻膨脹劑的鋼管混凝土試件變形為基準(zhǔn)，含鋼率為3.9%時(shí)，內(nèi)摻4%膨脹劑的鋼管混凝土平均應(yīng)變減小為基準(zhǔn)的77.0%，內(nèi)摻8%膨脹劑的鋼管混凝土平均應(yīng)變減小為基準(zhǔn)的72.1%;含鋼率為6.7%時(shí)，內(nèi)摻4%膨脹劑的鋼管混凝土平均應(yīng)變減小為基準(zhǔn)的77.0%，內(nèi)摻8%膨脹劑的鋼管混凝土平均應(yīng)變減小為基準(zhǔn)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(guī)律。在加載至200 kN時(shí)，以不摻膨脹劑的鋼管混凝土變形為基準(zhǔn)，內(nèi)摻4%膨脹劑的鋼管混凝土平均應(yīng)變減小為基準(zhǔn)的93.7%，內(nèi)摻8%膨脹劑的鋼管混凝土平均應(yīng)變減小為基準(zhǔn)的87.7%。

圖2 荷載—變形曲線

通過以上對(duì)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?yàn)榕蛎泟┑膿饺胧沟煤诵幕炷廉a(chǎn)生硫鋁酸鈣晶體(鈣礬石)而膨脹，在外圍鋼管的適當(dāng)約束下，鈣礬石在膨脹能的作用下被擠入毛細(xì)孔，并與纖維狀的硅酸鈣結(jié)晶交織成網(wǎng)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(shí)。這種密實(shí)作用相應(yīng)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(huì)使鋼管對(duì)混凝土產(chǎn)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(cè)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(yǎng)護(hù)28 d之后加載)。與瞬時(shí)變形的處理方式一致，將測(cè)得的徐變變形換算成軸向平均徐變，繪成徐變時(shí)程曲線，見圖3。

圖3 含鋼率為6.7%時(shí)徐變時(shí)程曲線

由圖3可知，對(duì)于含鋼率為6.7%的鋼管混凝土試件，在整個(gè)持荷過程中，鋼管混凝土的徐變?cè)谇?0 d增加速度比較快，加載40 d后逐漸放緩，120 d后趨于平穩(wěn)。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(shí)，以不摻膨脹劑的鋼管混凝土徐變?yōu)榛鶞?zhǔn)，內(nèi)摻4%膨脹劑的鋼管混凝土徐變減小為基準(zhǔn)的56.4%，內(nèi)摻8%膨脹劑的鋼管混凝土徐變減小為基準(zhǔn)的40.1%。這與膨脹劑摻量對(duì)鋼管混凝土瞬時(shí)變形的影響規(guī)律類似。由此可見，由于內(nèi)摻膨脹劑的核心混凝土在約束下變得更加密實(shí)，并且膨脹使得核心混凝土獲得初始緊箍力，補(bǔ)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(shí)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(jié)論

1)在鋼管的約束下，內(nèi)摻膨脹劑使得核心混凝土更加密實(shí)，對(duì)核心混凝土起到補(bǔ)償收縮作用，加強(qiáng)了鋼管對(duì)核心混凝土的緊箍效應(yīng)，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(duì)于含鋼率為3.9%，6.7%和11.1%的鋼管混凝土試件，當(dāng)含鋼率一定，膨脹劑摻量依次從0，4%，8%遞增時(shí)，相同荷載下的瞬時(shí)變形隨之減小。

3)對(duì)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(yǎng)護(hù)28 d后加載，鋼管混凝土的徐變?cè)谇?0 d增加速度比較快，加載40 d后逐漸放緩，120 d后趨于平穩(wěn)。

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

［2］鐘善桐．鋼管混凝土統(tǒng)一理論:研究與應(yīng)用［M］．北京:清華大學(xué)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(yīng)用［J］．山東建材學(xué)院學(xué)報(bào)，2000，14(3):189-192．

［4］鄭舟軍，沈成武，羅冰．鋼管微膨脹混凝土試驗(yàn)與研究［J］．武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(交通科學(xué)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(xué)院學(xué)報(bào)，1994，27(3):14-17．

［6］張戎令，王起才，馬麗娜，等．膨脹劑摻量和應(yīng)力比對(duì)鋼管混凝土徐變性能的影響［J］．中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2014，45(7):2416-2423．

［7］楊陽，王起才，張戎令，等．膨脹劑摻量對(duì)鋼管混凝土軸壓性能影響試驗(yàn)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(gòu)關(guān)系［J］．哈爾濱建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，33(6):13-16．

［9］查曉雄，鐘善桐．用有限元法分析鋼管初應(yīng)力對(duì)鋼管混凝土軸壓構(gòu)件基本性能的影響［J］．哈爾濱建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，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(xué)報(bào)，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(xué)基金資助項(xiàng)目(51268032);長(zhǎng)江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(IRT1139);蘭州交通大學(xué)青年科技基金資助項(xiàng)目(2012028)

祁璐帆(1991— )，男，甘肅和政人，碩士研究生。

(責(zé)任審編 葛全紅)