钢筋混凝土圆管涵管壁混凝土强度的试验研究

马运朝， 李修坤， 王双喜

(1.湖北交通职业技术学院， 湖北 武汉 430079； 2.湖北省交通投资集团有限公司)

钢筋混凝土圆管涵一般采用离心悬辊工艺或人工浇捣法制作成型，其中离心悬辊工艺因具有设备简单、生产便利、预制周期短等特点而得到了更为广泛的应用。采用离心悬辊工艺生产时，混凝土可采用一次成型或两次成型的方法进行浇注。一次成型法即为一次性连续投料直至管涵成型；两次成型法需在投料至2/3壁厚时暂停浇筑并采取排水措施，在积水排尽后再继续浇筑。采用离心法制管时，混凝土平均强度相比于人工浇捣管涵会有所提高，但离心作用使混凝土混合料产生离析，导致管涵混凝土强度沿壁厚方向的分布极不均匀，外壁的混凝土强度显著高于内壁，内壁混凝土强度有可能低于人工浇捣的管涵。然而，现行的钢筋混凝土圆管涵计算公式均未考虑离心管涵内外壁混凝土强度的差异，其内外壁混凝土设计强度取为一致，这样便高估了离心管涵内壁的混凝土强度，并且未充分利用离心管涵外壁的混凝土强度。

在中国高等级公路中广为应用的、按现行规范设计的钢筋混凝土圆管涵中，在施工和运营阶段，离心管涵的开裂现象比较普遍。而管涵壁混凝土强度是影响管涵抗裂能力和极限承载能力计算的主要因素，因此合理确定离心管涵管壁混凝土强度显得极为重要。此外，离心管涵可沿壁厚方向将混凝土分为多层，每层混凝土强度均不相同，而现行的诸多混凝土测试方法，如回弹法、超声波法、拔出法和钻芯法等，或测试精度有限、或只能评定离心管涵混凝土的平均强度，均无法准确测量混凝土强度沿管涵壁厚方向的变化。因此，为合理确定离心管涵内外壁混凝土强度的真实取值，该文对不同工艺制作的管涵和管涵切割试块进行试验测试，以期比较采用不同工艺制作时管涵内外壁混凝土强度的差异，并对其合理取值提出建议。

1 试验概况

1.1 试件制作

试件取自6节管涵模型，除管长不同外，模型管涵的制作工艺和参数均与所研究的实际管涵完全一致，可以真实地反映实际管涵的力学性能。模型管涵的管长L=500 mm、内径D=1 250 mm、管壁厚δ=120 mm。模型管涵共6节，根据其制作成型工艺的不同(两次投料离心成型、一次投料离心成型和人工立式浇注成型)分为3组，每组2节，配筋管涵和不配筋的素混凝土管涵各1节。每节管涵均同时制作6个边长为100 mm的混凝土立方体试块，立方体试块采用常规方法制作，非离心成型，混凝土强度按C30配制。配筋管涵的配筋情况如图1所示，均采用双层配筋，纵向钢筋为32φ6，螺旋主筋5圈，直径为φ10，钢筋保护层厚度为20 mm。

图1 配筋管涵截面示意图(单位：cm)

离心成型管的成型过程与相应的延续时间为：投料过程5～7 min，转速为80～110 r/min；初(慢)速过程4～5 min，转速为120～170 r/min；中速过程4～5 min，转速为200～280 r/min；快速过程25～35 min，转速为350～450 r/min。所有管涵以及立方体试块均采用坑式蒸气湿热养护，浇筑成型后静置2 h，然后按以下阶段养护：升温过程至温度为85 ℃，耗时2 h；恒温过程温度85 ℃，持续4 h；降温过程至温度45 ℃，持续45 min。管涵养护达到强度要求以后，使用混凝土切割机分别将6节管涵按图2所示在环向按六等分沿管纵向切割，制作成弧形板式构件用以进行加载试验。无筋弧形板式构件进行弯拉强度试验破坏后，每一试件均从板跨中部位断裂成两块，因而将断裂后的每一块混凝土试件边缘磨平后再做抗压强度试验。

图2 管涵切割位置图(单位：cm)

1.2 试验加载方式及测点布置

为测出管涵内外壁混凝土弯曲抗拉强度，采用如图3、4所示的方法进行试验。图3为管涵内壁受拉的试验装置，图4为管涵外壁受拉的试验装置。弧形板式构件的应变测点布置在试件跨中的顶面和底面。

图3 弯拉试验装置(管内壁受拉)

图4 弯拉试验装置(管外壁受拉)

2 试验结果及分析

2.1 弯拉试验结果及分析

根据试验测得的各试件开裂荷载Pcr，可由式(1)～(3)计算出相应部位混凝土的弯曲抗拉强度ft，其中截面塑性抵抗矩系数γm为考虑截面受拉区混凝土的塑性影响。

(1)

(2)

(3)

式中：l为试验装置中管涵试件两支撑点之间的距离；h为管涵壁厚；b为管涵的截面宽度；γm为截面塑性抵抗矩系数，此处取1.75。

弯拉试验结果列于表1中。为便于比较，表中还

表1 试件的抗拉强度测试结果

列出了混凝土立方体抗压强度为30.59 MPa的两次投料离心管涵试件的结果，并根据混凝土抗拉强度和立方体抗压强度之间的统计关系，换算成混凝土立方体抗压强度34.39 MPa的相应值。

由表1可知：采用不同工艺制作时管涵的内、外壁混凝土抗拉强度均有所不同，可以得到以下结论：

(1) 离心法制管的投料方式对管涵内壁的混凝土抗拉强度影响不明显。离心两次投料时管涵内壁的混凝土抗拉强度比人工浇捣时高8%～11%，而离心一次投料时管涵内壁的混凝土抗拉强度比人工浇捣时低1%～4%。

(2) 离心法制管的投料方式对管涵外壁混凝土抗拉强度的影响较大，但两种投料方式的离心管涵外壁混凝土抗拉强度均高于人工浇捣管涵。离心管涵的外壁混凝土抗拉强度比人工浇捣时高20%～28%。

(3) 钢筋的配置对管涵混凝土抗拉强度的影响不明显。采用离心法制管时，无筋试件的混凝土抗拉强度与配筋试件相差均不超过3%；采用人工浇捣时，无筋试件的混凝土抗拉强度与配筋试件相差均不超过6%。

基于抗拉强度试验结果，该文建议在管内径D=1 250 mm、管壁厚δ=120 mm的管涵结构设计计算中，可按表2中的调整系数对管涵内、外壁混凝土的抗拉强度予以折算。

表2 混凝土抗拉强度调整系数

2.2 抗压试验结果及分析

2.2.1 回弹试验结果及分析

为比较采用不同工艺制作时不同管径的管涵内外壁混凝土强度的差异，采用回弹仪测试了采用不同工艺制作的两种管径管涵内外管壁混凝土的抗压强度，对比结果见表3。

由表3可知：采用不同工艺制作的不同管径的管涵内外壁混凝土抗压强度均有所不同。对比不同工艺制作的管涵内外壁混凝土抗压强度，可以得到以下结论：

(1) 离心法制管的投料方式对管涵内壁的混凝土抗压强度有显著的影响，但对管涵外壁混凝土抗压强度的影响较小。两次投料离心管涵的内壁混凝土抗压强度比一次投料时提高了35%，而两种投料方式的离心管涵外壁混凝土抗压强度相差不超过3%。

(2) 离心管涵的混凝土抗压强度与人工浇捣管涵有较大的差异。相比于采用人工浇捣的制作工艺，两次投料离心管涵的内壁混凝土抗压强度提高了18%，而一次投料离心管涵的内壁混凝土抗压强度降低了13%。离心管涵的外壁混凝土抗压强度比人工浇捣管涵提高了61%～65%。

表3 回弹法测定的混凝土抗压强度值比较

(3) 对比不同管径的管涵内外壁混凝土抗压强度，可以发现：当D>1 250 mm时，管涵内外壁混凝土抗压强度的差异随着管涵内径和壁厚的增加而显著增大。当管涵内径为1 250 mm、壁厚为120 mm时，内外壁混凝土抗压强度分别比立方体抗压强度提高了31%和83%，管涵内外壁混凝土抗压强度相差40%。当管涵内径为2 400 mm、壁厚为240 mm时，相比于立方体抗压强度，管涵内壁混凝土抗压强度降低了39%，而外壁混凝土抗压强度提高了28%，管涵内外壁混凝土抗压强度相差110%。

2.2.2 柱体抗压强度试验结果及分析

在弯拉试验中，无筋弧形板式构件均表现为跨中混凝土劈裂，原构件被均分为两个部分。劈裂后形成的两个混凝土试块的长宽高之比大约为30∶12∶50，其高宽比与棱柱体试块较为接近，可认为其抗压强度与棱柱体抗压强度相当。因此，对受拉劈裂后的混凝土构件进行打磨并开展了轴心受压性能试验。试验测得的抗压强度与回弹法试验数据的比较列于表4，其中回弹法棱柱体强度推定值fc1是由回弹法测得的管涵内外壁混凝土抗压强度平均值乘以0.76的折算系数得到的，此系数考虑了回弹仪精度的影响；而表中切割试块柱体强度试验值fc2所反映的亦是整个管壁混凝土抗压强度的均值。

由表4可知：回弹法测得的棱柱体强度fc1均大于切割试块柱体强度试验值fc2，两者之比均保持在1.10左右。因此，回弹法虽受回弹仪精度限制而不能给出足够精确的测量数据，但其测得的采用不同制作工艺时管涵混凝土抗压强度变化趋势和规律与切割试块柱体强度试验基本一致，回弹法测量结果仍能体现出不同制作工艺以及不同管径对管涵内外壁混凝土抗压强度差异的影响。

表4 管壁混凝土抗压强度试验值比较

基于对管壁混凝土回弹测试数据和弧形板式构件的抗压强度试验结果的综合分析，该文建议在管内径D=1 250 mm，管壁厚δ=120 mm的管涵结构设计计算中，可按表5中的调整系数对管壁混凝土抗压强度进行调整。

表5 混凝土抗压强度调整系数αc

3 机理分析及结果验证

3.1 机理分析

由上述试验研究可以发现，管涵的制作工艺对其内外壁的混凝土强度有着显著的影响。人工浇捣管涵一般采用立式支模，混凝土混合料基本沿管壁均匀分布，因此管涵内壁和外壁的混凝土强度均为一致。离心制作工艺采用的是悬辊机，利用悬辊轴转动产生的离心力使管涵成型。在离心过程中，混凝土混合料中的大颗粒会逐渐向管涵外壁聚集，在管涵内壁留下水泥浆和细颗粒。使得离心管涵的混凝土强度沿壁厚方向由内向外逐渐增大，外壁混凝土强度明显高于内壁。针对管涵制作过程中的离心现象，混凝土的投料方式可采用两次投料技术，即在投料达到1/3壁厚时采取管内排水措施，使得管涵内壁混凝土的水灰比减少。而一次投料技术即为一次性投料成型，未采取任何排水措施。因此，二次投料离心管涵的内壁混凝土强度会比采用一次投料技术和人工浇捣技术时更高，一次投料离心管涵的内壁混凝土强度会稍低于人工浇捣管涵。但由于悬辊机的离心作用，两种投料方式的离心管涵外壁混凝土均较为密实，管内排水措施亦对外壁混凝土无明显影响。因此，两种投料方式的离心管涵外壁混凝土强度较为接近，且均高于人工浇捣管涵。

3.2 结果验证

为进一步验证该文提出的抗拉强度和抗压强度调整系数的合理性，对抗压强度与抗拉强度调整系数之间的关系进行了分析。混凝土抗压强度与抗拉强度之间的对应关系按式(4)进行计算：

(4)

根据式(4)可由抗压强度调整系数αc计算出相应的抗拉强度调整系数αt0，再将αt0与该文提出的抗拉强度调整系数αt进行对比，计算结果列于表6中。

表6 抗压强度与抗拉强度调整系数比较

由表6可以发现：αt0/αt保持在0.95～1.05之间，表明该文提出的抗拉强度和抗压强度调整系数基本符合混凝土抗拉强度与抗压强度之间的统计关系。

4 结论

对管涵试件进行了弯曲抗拉试验、回弹试验和抗压强度试验，得到以下结论：

(1) 离心管涵的混凝土强度与人工浇捣管涵有较大的差异；离心法制管的投料方式对管涵内壁的混凝土强度有显著的影响。

(2) 基于对试验结果的综合分析，针对内径为1 250 mm、壁厚为120 mm的混凝土管涵，提出了管涵混凝土抗拉强度和抗压强度调整系数。该系数考虑了不同制作工艺对管涵混凝土强度的影响，可应用于此类混凝土管涵的结构设计分析中。

(3) 当管涵内径D>1 250 mm时，管涵内外壁混凝土强度的差异随着管涵内径和壁厚的增加而显著增大。对于大直径管涵内外壁混凝土强度的差异有必要进行进一步的深入研究。

(4) 采用一次投料技术或二次投料技术时，离心管涵外壁混凝土强度差异不大，且两种离心管涵的外壁混凝土强度均高于人工浇捣管涵。但采用二次投料技术可以明显提高离心管涵的内壁混凝土强度。对于大直径管涵的生产，建议采用两次或两次以上的投料工艺，以保证管涵具有较高的强度和较好的抗裂抗渗性能。