钢管自密实轻骨料混凝土变形性能试验研究

李书明，郑新国，刘 竞，谢永江，胡家林，张 旭

(1.中国铁道科学研究院集团有限公司，铁道建筑研究所，北京 100081； 2.中国铁道科学研究院集团有限公司，高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081)

0 引 言

钢管混凝土结构是在薄壁钢管中填入混凝土而形成的一种组合结构，该结构除了具有强度高、比重轻、延性好、耐疲劳和耐冲击等优异性能外，还具有架设轻便、施工快速等特点。目前，钢管混凝土结构已在桥梁墩柱、建筑物柱等方面得到了广泛应用[1-2]。

自密实轻骨料混凝土是采用陶粒配制而成的，具有良好流动性和骨料稳定性，且密度小于1 950 kg/m3的一类混凝土[3]。该混凝土兼具自密实混凝土和轻骨料混凝土的特性，无需振捣即可密实成型，同时保持了轻骨料混凝土轻质高强、隔热保温、抗震性好等特点[4]。目前，自密度轻骨料混凝土已在国内外多个大跨桥梁、高耸建筑中进行了应用[5-6]。

钢管自密实轻骨料混凝土结合了钢管混凝土与轻骨料混凝土的技术优势，可以将钢管混凝土的自重进一步降低。力学性能是钢管轻骨料混凝土的最主要性能，目前针对其力学性能的研究相对较多。李帼昌等[7]采用合成法对钢管轻骨料混凝土力学性能进行全过程分析，研究了自应力钢管轻骨料混凝土中核心混凝土的本构关系；丁发兴等[8]研究表明，核心轻骨料混凝土由于受到钢管约束，其纵向应力有较大幅度提高，延性得到显著改善；胡强等[9]设计了自密实轻骨料混凝土并研究了钢管自密实轻骨料混凝土柱轴压性能，结果表明钢管自密实轻骨料混凝土柱的轴心受压承载力小于钢管自密实混凝土，但破坏同样为延性破坏，钢管的约束使混凝土平均应变远大于混凝土的峰值应变，变形性能得到显著提高；雷崇等[10]对钢管轻骨料混凝土轴压中长柱的荷载-变形曲线进行了分析，结果表明钢管为轻骨料混凝土提供径向约束的同时，纵向应力大幅降低，钢管对普通混凝土的约束要大于对轻骨料混凝土的约束。众所周知，钢管轻骨料混凝土具有优异力学性能的前提是钢管与核心轻骨料混凝土之间形成紧密连接，二者协同受力。然而，由于轻骨料混凝土硬化过程中会产生体积收缩，这直接影响了钢管与核心轻骨料混凝土之间的密贴性。另外，受温度变化影响，钢管与核心轻骨料混凝土的变形是否一致也会影响二者的密贴性。目前，关于钢管轻骨料混凝土的收缩应变及温度应变的研究相对较少。

本文采用页岩陶粒配制轻骨料混凝土，并与普通混凝土进行对比，研究了钢管轻骨料混凝土与钢管普通混凝土的收缩应变、轴压应变变化规律及温度-应变性能，以期揭示钢管轻骨料混凝土的变形规律，为钢管自密实轻骨料混凝土的应用提供技术参考。

1 实 验

1.1 原材料

试验所用水泥为金隅P·O 42.5普通硅酸盐水泥，其他胶凝材料为Ⅰ级粉煤灰和比表面积为23 000 m2/kg的硅灰；轻骨料为页岩陶粒，粒径为5～20 mm连续级配，陶粒和碎石的主要技术参数见表1；砂为天然中砂，细度模数为2.5；减水剂为聚羧酸高性能减水剂，减水率为28%；高分子增稠剂为多糖类；水为自来水。

表1 陶粒和碎石的主要技术参数Table 1 Main technical parameters of ceramsite and gravel

1.2 配合比

根据JGJ/T 12—2019《轻骨料混凝土应用技术标准》按照松散体积法设计了轻骨料混凝土，通过调整减水剂控制混凝土的坍落扩展度为600～630 mm，满足JGJ/T 283—2012《自密实混凝土应用技术规程》的流动性要求；通过高分子增稠剂调节自密实轻骨料混凝土的粘稠度，避免自密实轻骨料混凝土中陶粒上浮，其掺量为0.1 kg/m3，混凝土含气量为3.0%～4.0%，用水量为160 kg/m3，三种不同密度混凝土的配合比见表2，骨料体积为1.2 m3。

表2 轻骨料混凝土和普通混凝土的配合比Table 2 Mix proportion of lightweight aggregate concrete /(kg·m-3)

1.3 试验方法

混凝土的抗压强度和弹性模量按照GB/T 50081—2019《普通混凝土力学性能试验方法标准》测试。

钢管内径为200 mm、高度为750 mm、壁厚为5 mm，采用钢弦应变计测试应变，通过埋入式应变计测试核心混凝土的应变，埋入式应变计沿钢管横轴和纵轴方向分别固定在“十字形”钢筋上，一并埋入混凝土中。采用钢结构表面应变计测试钢管混凝土的应变，钢结构表面应变计对应安装在钢管外侧。将自密实混凝土灌入钢管中，依靠混凝土良好工作性能实现自密实，每个配比成型2个钢管混凝土试件，见图1。采用长沙金码测控科技股份有限公司生产的JMYJ-2020型多通道电阻应变仪采集应变数据；轴向加载测试在电子万能试验机上进行，加载龄期为28 d，加载速率为1 000 N/s，压盘直接加载在核心混凝土上，加载至100 kN卸载，重复加载-卸载两次，第三个循环进行数据测试，轴压应力-应变曲线的斜率表示混凝土的弹性模量；温度-应变测试在鼓风干燥箱中进行，升温速度为5 ℃/h。试验结果取两个试件的平均值。

2 结果与讨论

2.1 不同类型混凝土的力学性能

轻骨料混凝土和普通混凝土的抗压强度及弹性模量如图2所示。由图2可以看出，随着养护龄期的增加，轻骨料混凝土和普通混凝土的抗压强度均逐渐增加；相同龄期时，随着粗骨料堆积密度的增加，配制轻骨料混凝土的抗压强度和弹性模量均逐渐增大。当养护龄期分别为3 d、7 d、28 d、56 d、90 d时，500级陶粒配制轻骨料混凝土的抗压强度分别为34.8 MPa、37.7 MPa、39.9 MPa、41.8 MPa和45.7 MPa，28 d弹性模量为22.5 GPa;800级陶粒配制轻骨料混凝土的抗压强度分别为42.1 MPa、52.2 MPa、58.8 MPa、63.3 MPa和65.7 MPa，28 d弹性模量为29.8 GPa;普通混凝土的抗压强度分别为60.5 MPa、69.8 MPa、76.8 MPa、85.7 MPa和82.5 MPa，28 d弹性模量为41.5 GPa。用500级陶粒配制的轻骨料混凝土56 d抗压强度可以达到LC40级，用800级陶粒配制的轻骨料混凝土56 d抗压强度可以达到LC60级。与普通混凝土相比，500级陶粒配制轻骨料混凝土的密度降低28.1%，28 d弹性模量降低45.8%，800级陶粒配制轻骨料混凝土的密度降低23.1%，28 d弹性模量降低28.2%，这表明与普通混凝土相比，轻骨料混凝土在降低密度的同时，抗压强度和弹性模量也有所降低。因此在结构工程中应用轻骨料混凝土时，除了已知利用轻骨料混凝土带来的重量降低之外，还需要关注弹性模量降低带来的混凝土结构刚度的变化。

图2 粗骨料类型对混凝土力学性能的影响Fig.2 Effects of coarse aggregate types on mechanical properties of concrete

2.2 不同类型钢管混凝土的收缩应变

将与表2相同配比的轻骨料混凝土和普通混凝土填充到钢管中，制成钢管轻骨料混凝土和钢管普通混凝土，钢管轻骨料混凝土和钢管普通混凝土的收缩应变如图3所示，其中CS代表钢管混凝土，CC代表核心混凝土。由图3可以看出，随着养护龄期的增加，钢管轻骨料混凝土和钢管普通混凝土的收缩均逐渐增大，7 d龄期之后收缩趋势逐渐放缓。对同一钢管混凝土，不同方向的收缩应变也不同，沿横轴方向核心混凝土的收缩应变最大，沿纵轴方向核心混凝土的收缩应变次之，沿纵轴方向钢管混凝土的收缩应变最小。钢管混凝土的收缩主要是由核心混凝土的体积收缩导致的，沿横轴方向的收缩直接影响钢管与核心混凝土之间的密贴性，这说明对于钢管混凝土，沿纵轴方向核心混凝土受钢管的约束较大，在纵轴方向的收缩变形相对较小。

图3 不同类型钢管混凝土的收缩应变曲线Fig.3 Shrinkage strain curves of different types of concrete-filled steel tube

与钢管普通混凝土相比，相同龄期钢管轻骨料混凝土沿不同方向的收缩应变均有所减小。在12 d龄期时，500级钢管轻骨料混凝土沿纵轴方向收缩应变为68.6 με，其核心轻骨料混凝土沿横轴方向收缩应变为243.5 με，沿纵轴方向收缩应变为188.0 με；800级钢管轻骨料混凝土沿纵轴方向收缩应变为68.0 με，其核心轻骨料混凝土沿横轴方向收缩应变为202.1 με,沿纵轴方向收缩应变为154.1 με；钢管普通混凝土沿纵轴方向收缩应变为84.5 με，其核心混凝土沿横轴方向收缩应变为294.7 με,沿纵轴方向收缩应变为202.6 με。这主要是因为页岩陶粒为多孔材料，吸附在孔中的水分在水泥水化过程中不断释放出来，起到了内养护的作用[11]，减小了轻骨料混凝土的干燥收缩。同时，与普通混凝土相比，轻骨料混凝土的弹性模量相对较低，相同变形时产生的收缩应力也相对较低，传递至钢管的纵轴方向收缩应力减小，引起钢管的变形也减小。这表明钢管轻骨料混凝土的体积稳定性高于钢管普通混凝土，轻骨料混凝土与钢管间更不容易脱粘，二者的密贴性更好，这有利于轻骨料混凝土与钢管间协同受力。

2.3 不同类型钢管混凝土的轴压应力-应变

轴向加载力作用在核心混凝土上，钢管轻骨料混凝土和钢管普通混凝土的轴压应力-应变曲线如图4所示。由图4可以看出，承受轴压荷载时，弹性受力阶段钢管轻骨料混凝土与钢管普通混凝土的轴压应力-应变变化规律基本相同。随着应变的增加，钢管混凝土沿纵轴方向应变及其核心混凝土沿纵轴方向的应变均呈线性增加，承受相同应力时，钢管混凝土沿纵轴方向的应变小于其核心混凝土沿纵轴方向应变，这是加载力直接作用在核心混凝土上，再传递至钢管的缘故，同时也反映了钢管与核心混凝土之间良好的密贴性。另外还可以看出，钢管轻骨料混凝土和钢管普通混凝土的轴压应力-应变曲线均在其核心混凝土的上方，这说明钢管与混凝土复合之后形成钢管混凝土的28 d弹性模量大于其核心混凝土的弹性模量，且核心混凝土的弹性模量越大，钢管混凝土的弹性模量越大。500级钢管轻骨料混凝土的28 d弹性模量为47.2 GPa，对应核心轻骨料混凝土的弹性模量为28.0 GPa；800级陶粒对应的钢管轻骨料混凝土的28 d弹性模量为44.9 GPa，对应核心轻骨料混凝土的弹性模量为39.3 GPa；钢管普通混凝土的28 d弹性模量为55.9 GPa，对应核心普通混凝土的弹性模量为45.8 GPa。

对比图1和图4可知，在钢管约束状态下核心混凝土的弹性模量均大于其非约束状态下混凝土的弹性模量；在非约束状态下，轻骨料混凝土的弹性模量显著低于普通混凝土，但在钢管约束状态下这种降低幅度有所减小。相比普通混凝土，非约束状态下500级轻骨料混凝土的28 d弹性模量降低值为45.8%，而钢管约束状态下降低值为38.9%；非约束状态下800级轻骨料混凝土弹性模量降低值为28.2%，而钢管约束状态下降低值为14.2%，这说明在钢管的环向约束下限制了核心轻骨料混凝土的变形，提高了核心轻骨料混凝土的弹性模量。

图4 不同钢管混凝土的轴压应力-应变曲线Fig.4 Axial compression-strain curves of different types of concrete-filled steel tube

2.4 不同类型钢管混凝土的温度应变

在升温条件下，钢管轻骨料混凝土与钢管普通混凝土温度-应变曲线如图5所示。由图5可以看出，在升温条件下，钢管轻骨料混凝土与钢管普通混凝土的应变变化规律基本相同。随着温度的增加，应变均呈线性增长。由拟合曲线的斜率可以看出，钢管轻骨料混凝土的温度应变与钢管普通混凝土的温度应变基本相同，且其核心轻骨料混凝土与核心普通混凝土的温度应变也基本相同。另外，还可以看出，对于同一钢管混凝土，不同方向的温度应变存在差异，钢管混凝土沿纵轴方向温度应变略大于其核心混凝土纵轴方向的应变，核心混凝土沿横轴方向的温度应变最小，表明温度变形下钢管与核心混凝土的密贴性良好。500级钢管轻骨料混凝土沿纵轴方向温度应变为3.9 με/℃，其核心轻骨料混凝土沿横轴方向温度应变为3.7 με/℃，沿纵轴方向温度应变为2.4 με/℃；800级钢管轻骨料混凝土沿纵轴方向温度应变为4.0 με/℃，其核心轻骨料混凝土沿横轴方向温度应变为2.8 με/℃，沿纵轴方向温度应变为2.1 με/℃；钢管普通混凝土沿纵轴方向温度应变为4.2 με/℃，其核心混凝土沿横轴方向温度应变为2.8 με/℃，沿纵轴方向温度应变为2.2 με/℃。可以看出，钢管与混凝土复合之后的温度应变均小于其各自的温度应变(钢材的温度应变为12 με/℃，普通混凝土的温度应变为8～10 με/℃)，体现了钢管混凝土这种复合材料的优异性能，这说明在温度变化环境下，钢管轻骨料混凝土和钢管普通混凝土均具有良好的尺寸稳定性。

图5 不同类型钢管混凝土的温度-应变曲线Fig.5 Temperature-strain curves of different types of concrete-filled steel tube

3 结 论

(1)与普通混凝土相比，轻骨料混凝土在密度降低的同时，抗压强度和弹性模量也有所降低；随着轻骨料堆积密度的增加，配制的轻骨料混凝土抗压强度及弹性模量也逐渐增大。选用500 kg/m3陶粒配制的轻骨料混凝土56 d抗压强度达LC40级，选用800 kg/m3陶粒配制的轻骨料混凝土56 d抗压强度达LC60级。

(2)与钢管普通混凝土相比，钢管轻骨料混凝土的收缩应变有所降低，钢管轻骨料混凝土的体积稳定性高于钢管普通混凝土，钢管与轻骨料混凝土的密贴性更好。

(3)钢管轻骨料混凝土的轴压应力-应变性能与钢管普通混凝土基本相同，钢管轻骨料混凝土的弹性模量低于钢管普通混凝土，但比非钢管约束状态下轻骨料混凝土弹性模量降低幅值有所减小。

(4)钢管轻骨料混凝土与钢管普通混凝土的温度变形规律基本一致，二者的温度应变均为3.9～4.2 με/℃，核心轻骨料混凝土和核心普通混凝土的温度应变为2.1～2.4 με/℃，均低于钢材及普通混凝土的温度应变。