钢管混凝土抗冻性能研究与进展

陈兆升　房林福

摘要：主要介绍了钢管混凝土抗冻性能近年来在我国的研究概况，阐述了钢管混凝土受冻破坏机理以及影响钢管混凝土抗冻性能主要因素，并对现有研究存在的问题及缺陷进行进一步的探讨。针对如何提高钢管混凝土的抗冻性能提出合理化的建议，为实际工程提供理论支撑。

关键词：钢管混凝土;抗冻性能;破坏机理

钢管混凝土是指在钢管中填充素混凝土且钢管及其核心混凝土能共同承担外荷载作用的组合结构构件，按截面形式不同，分为圆形钢管混凝土，方、矩形钢管混凝土、多边形钢管混凝土和空心钢管混凝土等[1]（如图1所示），因其具有抗压承载力高、塑性和韧性好、施工方便以及耐火性能较好等优点而被广泛的应用于建筑工程领域中。

抗冻性是钢管混凝土耐久性能的一个重要指标，是影响钢管混凝土长期寿命的一个重要因素，特别是在严寒地区的建筑工程中，冻融循环所造成的钢管混凝土结构的破坏已经成为结构工作过程中的主要病害[1]。而我国三北地区冬季气温寒冷，最低温度可达-50℃，钢管混凝土构件的冻害现象普遍存在;华东、华中地区气温较温和但冬季仍然出现冰冻，钢管混凝土冻融破坏现象依然存在。因此对钢管混凝土抗冻性能研究的重要性日益凸显，对钢管混凝土凍融破坏的有效控制成为保证结构安全的重要关键。

鉴于此，本文查阅近年来国内外钢管混凝土抗冻性能研究的相关文献，通过分析钢管混凝土抗冻性能的研究现状以及所报道的工程事故，列出了钢管混凝土抗冻性能的影响因素，并针对如何提高钢管混凝土的抗冻性能提出合理化的建议，为实际工程提供理论支撑。

1 钢管混凝土抗冻性能研究现状

随着钢管混凝土越来越多地运用于建筑工程，其抗冻性能受到越来越多的学者们关注。尤其是近几年来国内发生了多起钢管混凝土结构受冻破坏的工程事故，给人类生命财产安全造成威胁。基于此，对钢管混凝土抗冻性能的研究趋势刻不容缓，国内外学者对钢管混凝土的抗冻性能展开了大量的研究。

1.1 钢管混凝土冻害案例分析

王佩琼等[2]介绍了某变电站厂房钢管混凝土柱受冻融破坏纵向开裂的事故，并对钢管混凝土柱开裂机理进行了分析与研究，研究表明，导致钢管混凝土柱纵向开裂的原因为：（1）钢管内侧表面与核心混凝土之间没有使其连接紧密的构造措施，导致核心混凝土与钢管的结合力较小，易脱空;（2）普通混凝土的热膨胀系数比钢材的热膨胀系数小，随着外界气温变化，混凝土与钢材的冷收缩与热膨胀存在不同，从而变形不协调，导致核心混凝土与钢管内壁脱离;（3）钢管混凝土在制作时存在缺陷或存在自由水，自由水受冻膨胀会对钢管混凝土产生不利影响;（4）钢管混凝土中自由水分随着年份的增加而增多，自由水受冻膨胀在钢管壁上产生环向拉应力，当冻胀产生的环向拉应力大于钢管的屈服拉应力后，钢管会产生破坏而开裂。

王清等[3]对某工业区新建重型加氢反应器制造工厂钢管混凝土柱冻裂事故进行探讨，从设计及施工角度对冻裂成因、加固方案及钢管混凝土柱成型质量、保障措施等进行了技术分析，并对冻裂后的钢管混凝土柱的结构性能进行了进一步的分析[3]。结论表明：（1）钢管混凝土柱冻裂原因是由于泵送混凝土过程中需要隔一段时间对泵送管道用水流进行冲洗，从而管道内滞留的水分相对较多，导致钢管中实际浇筑的混凝土中水分较多，当处于负温环境下自由水受冻对钢管产生冻胀作用导致钢管混凝土柱产生冻裂事故;（2）钢管混凝土受冻胀裂后，钢管对其核心混凝土的约束已失效，且加固后很难重新建立有效约束。

1.2 钢管混凝土抗冻性能试验研究

曹凯等[1]设计了各15个不同强度等级的钢管混凝土短柱，开展了圆形与方形截面钢管混凝土柱受冻融循环作用后轴压力学性能试验，研究分析了钢管混凝土截面含钢率、冻融循环次数和材料强度对钢管混凝土受冻融循环后轴压力学性能的影响，并利用有限元软件ABAQUS建立了理论分析模型与试验结果对比分析。结果表明，有限元分析结果与试验结果基本一致，受冻融破坏与未受冻破坏的钢管混凝土试件均具有较高的后期承载力及较好的变形能力，冻融循环后钢管混凝土的组合弹性模量随冻融循环次数的增加而减小。

杨兰州等[4]设计了16个外包钢管混凝土试件和13个普通混凝土试件并对其进行抗冻性能试验研究，通过在试验过程中测试不同试件相对弹性模量、质量损失、冻胀应力、抗压强度变化以及冻融后氯离子渗透等指标来分析其抗冻性能。试验结果表明：（1）质量损失率不能用来评价外包钢管混凝土的冻融性能;（2）外包钢管混凝土起到了约束和有效的阻止外部水分进去混凝土内部的作用，使其核心混凝土受到冻融循环破坏的作用较小，显著的提高了混凝土的抗冻耐久性能;（3）核心混凝土产生冻融破坏的原因是钢管混凝土中水泥未水化完的自由水保留在钢管混凝土中，温度低于0℃以下，自由水结冰不断进行冻融循环产生冰胀应力，当冰胀应力大于混凝土的抗拉强度将会导致混凝土内部的裂缝产生和发展，水灰比越大，剩余可冻水含水量也越大，冻融循环作对强度的影响也越大。

综上所述，国内外学者对钢管混凝土的抗冻性能展开了大量的试验研究以及理论分析，认为钢管混凝土冻害的主要原因是与其核心混凝土密切相关。

2钢管混凝土冻融破坏机理

钢管混凝土产生冻融破坏的主要原因就是其核心混凝土中存在未参与水化反应的自由水，在冻融过程中，自由水结冰融化来回循环，对核心混凝土产生不利的影响，进而会导致钢管混凝土的冻融破坏。

2.1 核心混凝土冻融破坏机理

钢管混凝土中核心混凝土的冻融破坏过程是比较复杂的物理变化过程，混凝土是由硬化的水泥浆体和骨料组成的含毛细孔的复合材料，钢管混凝土施工过程中为了获得浇筑混凝土所必须的和易性，其拌和水量总多于水泥水化所需的水量，而钢管混凝土是个封闭体，多余的水无法挥发滞留在混凝土中，形成占有一定体积的连通毛细孔[4]。于是常温下硬化混凝土就是由未水化的水泥、水泥水化产物、集料、水、空气共同组成的气一液一固三相平衡体系，当混凝土处于负温时，其内部孔隙中的水分将发生从液相到固相的转变[4]。关于混凝土冻融破坏机理主要有以下几个假说。

2.1.1 静水压假说

混凝土中的可冻水受冻结冰体积大约膨胀10%，体积增大迫使未结冰的孔隙溶液从结冰区向外迁移，从而产生静水压力，静水压假说理论认为混凝土在受冻过程中，混凝土内部结构产生静水压力，当静水压力超过混凝土的极限抗拉强度，将会造成混凝土开裂破坏。

2.1.2 渗透压假说

混凝土中孔溶液中含有K十、Na十等盐类离子，渗透压假说理论认为，混凝土在受冻过程中，混凝土内部结构大孔隙中的溶液结冰后，未冻结溶液盐类浓度上升与周围小空隙中溶液之间形成浓度差，从而产生渗透压力，若渗透压超过混凝土极限抗拉强度，则会造成混凝土的破坏。

2.1.3 冻融临界饱水值

“冻融临界饱水值”理论认为混凝土内部结构能够容纳的可冻结水含量存在一个临界值，当其内部可冻结水量到达临界值之后，混凝土将会被破坏。

2.2 钢管破坏机理

混凝土和钢材有着相近的线膨胀系数，因此，钢管混凝土构件在冻胀状态下，核心混凝土与钢管是变形协调的。钢管混凝土中混凝土在冻融循环过程中，由于混凝土中自由水受冻膨胀，受到钢管的约束从而产生冰胀应力，冰胀应力作用于钢管以及核心混凝土，对钢管产生一定程度的环向应力，当环向应力大于钢管钢材的抗拉屈服强度时，钢管则会破坏。

2.2.1 钢管受冻破坏计算模型

混凝土在受冻过程中体积膨胀将对钢管产生挤压，从而导致钢管对混凝土产生环箍作用。设钢管产生的环向应力为△σ，钢管环箍作用对混凝土的约束应力为p，则二者作用关系如图2所示。

根据图2，取钢管沿軸向的长度为l，根据力系平衡有：

其中D为钢管内直径，积分后可以得出钢管环箍作用对混凝土的约束应力p与钢管环箍应力△σ之间的关系式：

假设混凝土在受冻条件下产生的冰胀应力σ，由于钢管受到挤压，对混凝土产生约束应力p，因此，钢管混凝土中实际作用于核心混凝土上的应力为σ-p，在此应力状态作用下混凝土裂缝产生的应力为σ'y，当σ'y≤ftk（ftk为混凝土极限抗拉强度值）时，混凝土不会产生裂缝扩张，反之混凝土将破坏。当钢管的环向应力△σ≥fsy（fsy为钢管环向应力屈服值）时，钢管将破坏。

3钢管混凝土抗冻性能影响因素以及建议措施

影响钢管混凝土抗冻性能的因素众多，根据其冻融破坏的作用机理可知，钢管混凝土的抗冻性能与其核心混凝土有直接关系，主要影响因素有水灰比、饱水状态、受冻龄期、含气量、混凝土强度、外加剂及掺合料、水泥品种及集料质量、钢管材料强度等[1]。

3.1 水灰比

水灰比的大小直接影响混凝土中自由水的含量、混凝土强度，从而影响混凝土的抗冻性。水灰比越大，混凝土中自由水的含量越多，负温环境下自由水受冻体积膨胀率越大，对钢管产生的环向应力也就越大，当环向应力大于钢管钢材的屈服强度，钢管会被冻胀破坏。因此施工工程中应通过合理控制水灰比达到减少钢管混凝土中可冻水量从而达到控制钢管混凝土的抗冻性能。

3.2 饱水状态

混凝土的抗冻性能与混凝土中空隙饱水程度密切相关，混凝土中的水分有三种存在方式，即物理吸附水、化学结合水及自由水，当混凝土处于饱水状态时，混凝土中自由水含量达到最大，自由水结冰膨胀体积增大，对核心混凝土产生损伤作用。因此混凝土在饱水状态时受到的冻融破坏最严重。

3.3 受冻龄期

混凝土受冻龄期是混凝土抗冻性能主要影响因素之一，混凝土龄期越高抗冻性能越好。因为混凝土龄期越长混凝土的强度越高，混凝土抵抗冻胀的能力也就越大，从而混凝土抵抗冻融循环破坏的能力越强。因此，混凝土的抗冻性能随着龄期的逐渐增强。

3.4 含气量

含气量是影响混凝土抗冻性能的主要因素，加入引气剂会在混凝土内部形成微细的气孔，这些微细的气孔互不连通，内部空隙溶液不能相互流通，根据静水压力学说，在混凝土受冻初期这些微细的气孔能使其中的静水压力减少从而达到减压的作用，继而减小混凝土的受冻损伤。

3.5 混凝土强度

混凝土强度等级越高，抗拉抗压性能以及弹性模量越大，受冻融循环作用时抵抗各种不利因素影响的能力越强，从而其抗冻性能也就越好;同时高强度混凝土水泥浆体比较密实，混凝土内部间隙较少，所以其内部可冻水的含量相对较少，从而抗冻性能较好。因此实际工程中可以通过合理增大混凝土的强度来达到提高钢管混凝土的抗冻性能的目的。

3.6 外加剂及掺介料的影响

引气剂、减水剂及引气减水剂等外加剂能提高混凝土的抗冻性能。其产生作用的方式为：引气剂可以增加混凝土中的独立空气泡含量，降低混凝土受冻过程中所产生的“压力”，减水剂可以减小混凝土搅拌时的水灰比，减小毛细孔含量，改善混凝土的微观结构，外加掺和料可以改善混凝土的微观结构使其更加致密[1]。另外，混凝土中的掺合料并非加的越多越好，当其掺入量超过一定程度时，使水泥的用量过小，从而影响到混凝土的强度，最后使混凝土的抗冻性能降低。

3.7 水泥品种及集料质量

混凝土的抗冻性随水泥的增强而提高，普通硅酸盐水泥混凝土的抗冻性能比混合水泥混凝土好，火山灰质水泥混凝土的抗冻性性能比前两者都差[1]。集料对抗冻性能的影响主要与集料自身的吸水性和抗冻性有关，一般采用吸水量较小骨料的混凝土，其抗冻性较好[1]。

3.8 钢管的材料强度

钢管的强度等级越大，钢管混凝土的抗冻性能越好，其中，当钢管混凝土中核心混凝土冻受冻时膨胀对钢管产生的环向应力达不到钢管破坏强度时，钢管不能被冻胀破坏，因此钢管混凝土抗冻性能能有效增强。

4结语

本文阐述了钢管混凝土抗冻性能的研究现状及进展，详细分析了钢管混凝土冻融破坏的工作机理以及影响钢管混凝土抗冻性能的因素并提出了合理化的建议。

国内外学者对钢管混凝土抗冻性能展开了广泛的研究，但对其冻融破坏机理的理论分析还不够完善，没有统一的理论学说，需要进一步的探讨与研究。

钢管混凝土的抗冻性能主要取决于其核心混凝土在钢管约束状态下的抗冻性能，主要影响因素有水灰比、饱水状态、受冻龄期、含气量、混凝土强度、外加剂及掺合料、水泥品种及集料质量、钢管材料强度等，施工过程中对其核心混凝土合理化的控制是保证钢管混凝土抗冻性能的重要关键。

钢管混凝土抗冻性能是钢管混凝土耐久性的一个重要指标，是影响钢管混凝土长期寿命的一个重要因素，对钢管混凝土抗冻性能的研究具有极其重要的价值意义，需要在后续的研究中继续改进和完善相关内容。

参考文献：

[1] 曹凯.冻融循环作用后钢管混凝土短柱力学性能研究[D].大连理工大学，2013.

[2] 王佩琼，汤跃超，毛忠艺. 受冻融钢管混凝土柱纵裂破坏与加固处理[J].建筑结构，2005.35（1）：33-34.

[3] 王清.钢管混凝土冻裂柱加固处理技术分析及探讨[J].钢结构，2015，30（08）：68-71

[4] 杨兰州.外包钢管混凝土抗冻耐久性试验研究与理论分析[D].西南交通大学，2008.

[5] 王玉银，王庆贺，刘昌永.钢管混凝土柱低温开裂典型事故分析[J].哈尔滨工业大学学报.2012.44（增刊1）：19-23.

[6] 牟廷敏，周孝军，范碧琨，丁庆军.基于钢纤维增韧的钢管混凝土抗冻性能研究[J].西南公路，2017（02）：50-53.

[7] 丁庆军，王志亮，周孝军，牟廷敏.自密实补偿收缩钢纤维钢管混凝土的抗冻性研究与应用[J].混凝土，2014（08）：43-48.

[8] 鲁军凯，查晓雄.钢管再生混凝土的抗冻耐久性研究[J].建筑钢结构进展，2012，14（03）：53-59.

[9] 杨永辉，肖亚明.薄壁钢管混凝土研究现状[J].工程与建设，2010，24（01）：1-3.

[10] 张元植，罗金辉，李元齐，沈祖炎.钢管混凝土柱钢—混凝土竖向荷载传递机理研究现状[J].建筑钢结构进展，2016，18（03）：1-9+68.