膨胀剂对钢管混凝土瞬时变形和徐变的影响

祁璐帆，王起才，张戎令，杨 阳，张少华

(兰州交通大学 土木工程学院，甘肃 兰州 730070)

膨胀剂对钢管混凝土瞬时变形和徐变的影响

祁璐帆，王起才，张戎令，杨 阳，张少华

(兰州交通大学 土木工程学院，甘肃 兰州 730070)

钢管混凝土中掺入膨胀剂可以补偿核心混凝土的收缩，防止钢管和混凝土脱粘，并且产生一定的膨胀初应力，从而改善钢管混凝土的受力性能。为了考察膨胀剂掺量对钢管混凝土轴压变形的影响，本文以膨胀剂掺量分别为0，4%，8%的钢管混凝土短柱为研究对象，对钢管混凝土在轴压下的瞬时变形和徐变进行了试验研究。结果表明:膨胀剂会改善钢管混凝土的力学性能，随着膨胀剂掺量的提高，钢管混凝土在轴压下的瞬时变形和徐变相应减小。

钢管混凝土 膨胀剂掺量 瞬时变形 徐变 试验研究

钢管混凝土是在钢管中填充混凝土而形成，属于钢—混凝土组合结构的一种。它利用钢材和混凝土两种材料在受力过程中相互间的组合作用，充分发挥两种材料的优点，可以使混凝土的塑性和韧性大为改善，而且可以避免或延缓钢管发生局部屈曲，从而使钢管混凝土具有承载力高、塑性和韧性好、经济效果好、施工方便等优点［1］。钢管混凝土的技术核心在于钢管对混凝土的有效套箍。为了实现这种有效套箍，通常在钢管核心混凝土中掺入明矾石类膨胀剂，这类膨胀剂通过水化生成铝酸钙结晶(钙矾石)而致膨胀，在适当的限制条件下，钙矾石晶体的生长可以填充混凝土内部的孔隙，提高混凝土内部结构的密实度，并且通过让核心混凝土宏观体积膨胀，补偿核心混凝土的收缩和在核心混凝土内部形成较小自应力，以维系钢管与混凝土密切贴合并且使核心混凝土在受力初期就处于三向受压状态。

在钢管混凝土方面，钟善桐［2］提出了钢管混凝土统一理论，得到了钢管混凝土在各种受力状态下的全过程曲线，比较准确地反映了这种组合构件的组合性能;李悦等［3］通过试验发现钢管膨胀混凝土的承载力比钢管普通混凝土的承载力有所提高;郑舟军等［4］进行了在封闭钢筒里灌装微膨胀混凝土试验，模拟并研究了钢管混凝土桥梁钢管内混凝土的膨胀情况，提出了钢管微膨胀混凝土生长模型;王湛［5］对比了已有的普通混凝土和普通钢管混凝土的徐变结果，进行了部分钢管膨胀混凝土徐变试验，得到了钢管膨胀混凝土的徐变特征;张戎令等［6］研究了膨胀剂掺量和应力比对钢管混凝土徐变性能的影响，应用扫描电镜二次成像观测和能谱分析研究了膨胀剂的作用机理。本文对不同膨胀剂掺量对钢管混凝土瞬时变形和徐变的影响进行试验研究，考察了钢管混凝土工作性能随膨胀剂掺量变化的规律。

1 试验

为了研究钢管混凝土的工作性能随膨胀剂掺量的变化规律，本次试验制作了12根钢管混凝土短柱，其中9根进行瞬时变形试验，另外3根进行轴向受压徐变性能测试。试件参数见表1。

表1 试件参数

试验中核心混凝土的强度等级为C55，其配合比见表2。配制混凝土所用水泥为祁连山水泥厂生产的P．O42.5水泥，其性能指标见表3。

钢管混凝土试件中使用的钢管由Q235钢材制成。混凝土中所掺膨胀剂为UEA-H型膨胀剂，其性能指标见表4。

kg/m3表2 核心混凝土配合比

表3 P．O42.5水泥性能指标

表4 膨胀剂性能指标

制作钢管混凝土试件时，上下底板都采用5 mm厚钢板，盛装混凝土前先将下底板焊死，完成浇筑后，振捣削平，立即封盖并焊接封闭。标养28 d后，进行瞬时变形试验和徐变加载。瞬时变形试验用500 kN的电子万能试验机加载，用百分表读取试件轴向变形。加载方式为分级加载，每级以50 kN为梯度递增，每加一级荷载，停顿2～3 min，以读取轴向压缩变形值。外径140 mm的试件分9级加载，最高荷载为450 kN。外径88 mm的试件分4级加载，最高荷载为200 kN。钢管混凝土的徐变性能测试在弹簧式三杆徐变仪上进行(见图1)，钢管与混凝土同时受力，用千分表读取徐变变形。徐变试验中，应力比为0.33，环境温度维持在20℃。

图1 徐变试验加载

2 试验结果与分析

2.1 钢管混凝土的瞬时变形

在不同加载等级下，测得钢管混凝土的轴向压缩变形，再将其换算为轴向平均应变。根据每级荷载及其相应的钢管混凝土轴向平均应变，绘制荷载—变形曲线，见图2。

由图2(a)和图2(b)可知，对于含钢率为3.9%和6.7%的钢管混凝土试件(外径140 mm)，在分级加载时，膨胀剂掺量为8%的钢管混凝土试件抗压缩变形能力最强，掺量为4%的试件次之，掺量为0的钢管混凝土试件抗压缩变形能力最差。在加载至450 kN时，以不掺膨胀剂的钢管混凝土试件变形为基准，含钢率为3.9%时，内掺4%膨胀剂的钢管混凝土平均应变减小为基准的77.0%，内掺8%膨胀剂的钢管混凝土平均应变减小为基准的72.1%;含钢率为6.7%时，内掺4%膨胀剂的钢管混凝土平均应变减小为基准的77.0%，内掺8%膨胀剂的钢管混凝土平均应变减小为基准的68.0%。

由图2(c)可知，含钢率为11.1%的试件(外径88 mm)也遵循相同的规律。在加载至200 kN时，以不掺膨胀剂的钢管混凝土变形为基准，内掺4%膨胀剂的钢管混凝土平均应变减小为基准的93.7%，内掺8%膨胀剂的钢管混凝土平均应变减小为基准的87.7%。

图2 荷载—变形曲线

通过以上对比可知，含钢率一定，钢管混凝土的抗压缩变形能力随膨胀剂掺量的增加而提高。这是因为膨胀剂的掺入使得核心混凝土产生硫铝酸钙晶体(钙矾石)而膨胀，在外围钢管的适当约束下，钙矾石在膨胀能的作用下被挤入毛细孔，并与纤维状的硅酸钙结晶交织成网状［7］，约束还使得生成的晶体尺寸减小，核心混凝土由此变得更加密实。这种密实作用相应地提高了钢管混凝土的抗压缩变形能力。核心混凝土的微膨胀还会使钢管对混凝土产生紧箍力，有效限制了核心混凝土的横向变形［8］，从而在一定程度上改善了钢管混凝土的受力性能［9］，提高了钢管混凝土的刚度。

2.2 钢管混凝土的徐变

本文观测了含钢率为6.7%的钢管混凝土在轴向压力作用下240 d的徐变变形(养护28 d之后加载)。与瞬时变形的处理方式一致，将测得的徐变变形换算成轴向平均徐变，绘成徐变时程曲线，见图3。

图3 含钢率为6.7%时徐变时程曲线

由图3可知，对于含钢率为6.7%的钢管混凝土试件，在整个持荷过程中，钢管混凝土的徐变在前40 d增加速度比较快，加载40 d后逐渐放缓，120 d后趋于平稳。膨胀剂掺量为8%的钢管混凝土徐变最小，膨胀剂掺量为4%的钢管混凝土次之，不掺膨胀剂的钢管混凝土徐变最大。在持荷240 d时，以不掺膨胀剂的钢管混凝土徐变为基准，内掺4%膨胀剂的钢管混凝土徐变减小为基准的56.4%，内掺8%膨胀剂的钢管混凝土徐变减小为基准的40.1%。这与膨胀剂掺量对钢管混凝土瞬时变形的影响规律类似。由此可见，由于内掺膨胀剂的核心混凝土在约束下变得更加密实，并且膨胀使得核心混凝土获得初始紧箍力，补偿了核心混凝土的塑性收缩、自收缩、徐变收缩等，钢管混凝土的徐变变形明显减小。在工程实际中采用8%的膨胀剂掺量是比较合理的，可以有效地减小钢管混凝土的徐变。

3 结论

1)在钢管的约束下，内掺膨胀剂使得核心混凝土更加密实，对核心混凝土起到补偿收缩作用，加强了钢管对核心混凝土的紧箍效应，从而提高了钢管混凝土的抗压缩变形能力，减小了钢管混凝土在轴压荷载下的徐变。

2)对于含钢率为3.9%，6.7%和11.1%的钢管混凝土试件，当含钢率一定，膨胀剂掺量依次从0，4%，8%递增时，相同荷载下的瞬时变形随之减小。

3)对于含钢率为6.7%的钢管混凝土试件，钢管混凝土的徐变随着膨胀剂掺量的增大而减少。

4)含钢率6.7%的钢管混凝土在养护28 d后加载，钢管混凝土的徐变在前40 d增加速度比较快，加载40 d后逐渐放缓，120 d后趋于平稳。

［1］韩海林，钟善桐．钢管混凝土力学［M］．大连:大连理工大学出版社，1996．

［2］钟善桐．钢管混凝土统一理论:研究与应用［M］．北京:清华大学出版社，2006．

［3］李悦，胡曙光，丁庆军．钢管膨胀混凝土的研究及其应用［J］．山东建材学院学报，2000，14(3):189-192．

［4］郑舟军，沈成武，罗冰．钢管微膨胀混凝土试验与研究［J］．武汉理工大学学报(交通科学与工程版)，2007，31(1):70-72．

［5］王湛．钢管膨胀混凝土的徐变［J］．哈尔滨建筑工程学院学报，1994，27(3):14-17．

［6］张戎令，王起才，马丽娜，等．膨胀剂掺量和应力比对钢管混凝土徐变性能的影响［J］．中南大学学报(自然科学版)，2014，45(7):2416-2423．

［7］杨阳，王起才，张戎令，等．膨胀剂掺量对钢管混凝土轴压性能影响试验研究［J］．铁道建筑，2014(8):120-121．

［8］陈洪涛，钟善桐，张素梅．钢管混凝土中混凝土的三向本构关系［J］．哈尔滨建筑大学学报，2000，33(6):13-16．

［9］查晓雄，钟善桐．用有限元法分析钢管初应力对钢管混凝土轴压构件基本性能的影响［J］．哈尔滨建筑大学学报，1997，30(1):41-49．

［10］顾建忠，刘西拉．轴向荷载作用下钢管混凝土的徐变［J］．中国公路学报，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

国家自然科学基金资助项目(51268032);长江学者和创新团队发展计划项目(IRT1139);兰州交通大学青年科技基金资助项目(2012028)

祁璐帆(1991— )，男，甘肃和政人，硕士研究生。

(责任审编 葛全红)