基于HCSA的膨胀混凝土制备及其在微膨胀自密实钢管柱混凝土的应用研究

2020-09-07孙磊，白英

公路工程 2020年4期

孙磊，白英

（1.内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，内蒙古呼和浩特 010018；2.呼和浩特职业学院建筑工程学院，内蒙古呼和浩特 010051）

钢管柱混凝土由于钢管对中心混凝土的约束作用，增强了混凝土的抗压强度，在混凝土柱等受压构件中应用广泛。但受施工浇筑及混凝土收缩徐变等影响，如施工中混凝土不能将钢管填充密实，严重影响钢管柱混凝土的力学性能。针对混凝土收缩，国内外研究者进行了许多相关研究。梁苗苗［1］等从混凝土配合比出发，研究了高水胶比下钢管柱混凝的收缩特性和抗压特性；李成龙［2］等在混凝土中加入减水剂改善其收缩和徐变特性，提高了钢管混凝土材料的密实度；赵冲［3］将高强混凝土材料填充进钢管柱中进行材料抗剪实验和偏压实验，得到了高强钢管柱混凝土的力学特性；王建军［4］等将一种膨胀剂添加到混凝土中，对方形钢管力学特性加以分析，得出在方形钢管混凝土中添加一定量的膨胀剂能改变混凝土的收缩特性，混凝土能够密实的填满钢管，但降低了材料的抗压强度；杨群生［5］等研究了不同截面尺寸下钢管柱混凝土柱的抗压强度，研究发现圆形截面柱不仅能节约混凝土用量，还能提高其偏心抗压强度。从国内外研究现状看，针对C50等高强度钢管混凝土材料的自密实研究还有很多空白，本文从高强度混凝土材料膨胀剂角度出发，通过室内实验和工程应用研究了钢管混凝土的相关特性，为微膨胀自密实钢管混凝土应用提供参考。

1 微膨胀混凝土配合比研究

混凝土是一种由各种材料按照一定级配组成的混合材料，任何一种材料性能直接影响到混凝土试块的性能［6-8］。

实验中用粗骨料为天然级配碎石，其各项指标如表1所示。

表1 碎石指标性能Table 1 Performance of gravel index

细砂为天然河砂，符合相关混凝土规范用砂要求，其详细指标如表2所示。

粉煤灰是一种胶凝材料，混凝土中掺入一定量粉煤灰能够减少后期混凝土的水化热量，提高混凝土密实度，粉煤灰各项指标见表3和表4所示。

表2 细砂各项指标性能Table 2 Performance of Fine Sand Indicators

表3 粉煤灰化学成分Table 3 Chemical Composition of Fly Ash

表4 粉煤灰物理特性Table 4 Physical Properties of Fly Ash

水泥是混凝土中的主要胶凝材料，此次所用水泥为P.O 42.5普通硅酸盐水泥。其化学成分和物理性能分别见表5和表6所示。

表5 水泥化学成分Table 5 Chemical Composition of Cement

表6 水泥物理性能Table 6 Physical Properties of Cement

实验中是加入HCSA膨胀剂以提高混凝土的密实度，膨胀剂的各项指标如表7所示。

表7 HCSA膨胀剂性能

Table 7 HCSA Expansion Agent Properties

氧化镁／%碱含量／%氯离子／%比表面积／（m2·kg-1）终凝时间／min 7 d水中限制膨胀率／%28 d抗压强度／MPa 2.51 0.23 0.01 339 225 0.069 44.0

钢管混凝土工作原理是钢管和中间混凝土共同受力，钢管对混凝土起到约束的同时也在和混凝土共同受力［9～11］，实验中钢管的性能见表8所示。

表8 钢管性能Table 8 Performance of Steel Pipe

实验中减水剂为聚羧酸高效减水剂，实验用水为普通自来水。混凝土等级为C50，其配合比见表9所示。

表9 混凝土配合比Table 9 Concrete Mix Ratio

2 微膨胀混凝土特性实验研究

2.1 抗压特性研究

钢管混凝土浇筑完成后放于标准养护条件下养护28 d后进行抗压实验，试件如图1所示。

图1 实验用试件Figure 1 Experimental specimens

实验中钢管混凝土发生弯曲后鼓包现象即认为试件达到了破坏荷载［12］，其强度计算：

式中：fcu为抗压强度，MPa；F为破坏荷载，N；A为受力面积，mm2。

试件抗压强度计算结果见表10和图2所示。

表10 钢管柱混凝土受压实验结果Table 10 Experimental results of concrete filled steel tubular columns under compression

从图2可以看出HCSA膨胀剂能有效增强混凝土的抗压强度，但这种增长和膨胀剂的用量不是完全呈正比的。当混凝土中HSCA膨胀剂含量从5%逐渐增加到15%时，钢管混凝土的抗压强度增强幅度先增大后减小，这是因为当HCSA膨胀剂用量较少时能改善混凝土的收缩特性，使钢管和混凝土共同受力，但过量的膨胀剂使混凝土结构对钢管产生侧向挤压，不利于结构受力。图中显示，当HCSA掺量在8%左右时，钢管混凝土的抗压强度提高最大。

图2 抗压强度实验数据图Figure 2 Data Diagram of Compressive Strength Experiments

2.2 收缩特性研究

膨胀剂能有效改善混凝土的收缩特性，为了更好地观察HCSA膨胀剂的膨胀效果，实验中浇筑了无钢管混凝土试块，并用DH3816N系统测定混凝土硬化过程中的横向应变，得到表11和图3所示的混凝土横向应变曲线。从图中可以发现，当混凝土龄期在20 d内0～10%HCSA掺量，混凝土的收缩率几乎不变，混凝土龄期超过20 d后，HCSA对混凝土的收缩影响显著，当混凝土中掺入HSCA时，混凝土持续收缩；当HCSA含量在5%以上时，混凝土龄期40 d时几乎趋于收缩稳定；当HCSA含量在10%和15%时，混凝土的最终收缩量几乎相同，这说明掺量超过10%后，混凝土的收缩特点和HCSA的用量不是线性增长的关系，HCSA的界限含量为10%。

表11 混凝土横向应变Table 11 Transverse strain of concrete

图3 混凝土横向应变曲线Figure 3 Transverse strain curve of concrete

3 某工程应用研究

在对HCSA膨胀剂制备的自密实钢管柱混凝土充分研究基础上，将其应用于某桥梁工程，该桥梁是某高速公路工程中的特大桥梁，该桥梁全长785 m，为预应力连续钢构桥梁，桥面全宽20.5 m，主墩高度分别为73 m和82 m，为钢管柱混凝土材料，其施工图如4所示。

图4 主墩施工图Figure 4 Construction drawing of main pier

浇筑混凝土过程中，严格控制施工质量，浇筑过程中环境温度在20℃左右，浇筑混凝土前对钢管进行了一次清扫工作，去除表面杂质，保证内部环境整洁，浇筑上方中部设置一个下料口，保证混凝土从构件中部均匀落下，排出内部空气。浇筑完成后由于混凝土水化放热及夜晚降温产生的温差，使得混凝土出现 “脱空”现象，针对此问题，在混凝土未凝固前用高强水泥砂浆进行二次补浆。