自密实微膨胀混凝土填充钢套管加固RC柱的轴压性能实验研究

李佳航 姜海波 李军生 陈振侃 叶嘉政

（1广东工业大学土木与交通工程学院；2广州广明高速公路有限公司)(3广州交通投资集团有限公司营运分公司)

0 引言

上世纪末建成的钢筋混凝土（RC）墩柱，部分因腐蚀[1]及碰撞[2]等灾害而出现功能退化及损伤。当下，钢套管法[3]是加固损伤RC墩柱的常用方法之一。Sezen等人[4]的研究表明：相比传统的增大截面法[5]和包裹FRP法[6]，钢套管法对RC柱极限荷载、延性和刚度的提升最为显著。因此，钢套管法具有深入研究的价值。

钢套管可以直接通过环氧胶紧密粘贴在RC柱上，也可在钢套管和RC柱之间预留间隙填充混凝土。自密实微膨胀混凝土[7]同时具备了高流动性、免振捣、自密实和微膨胀的优异工作性能，可充当优异的填充材料，可以提高钢套管与RC柱间的粘结能力，减少脱空[8]的风险。本试验在两者间的间隙浇筑自密实微膨胀混凝土，由里到外形成了“RC柱-自密实微膨胀混凝土-钢套管”的横截面形式。损伤RC柱有一定的初始应力，本试验参考胡潇等人[9]的做法，采用无粘结后张法，赋予了RC柱初始轴压力。为减少加固后加固结构相邻连接构件应力发生变化[10]，本试验RC柱加固后端部连接截面仍维持原RC柱横截面。

本试验共制作了4根试验柱进行轴压试验。探究了自密实微膨胀混凝土填充钢套管加固RC柱的轴压性能，为后续对该类加固柱极限承载力计算研究提供实验基础。

1 试验概况

1.1 试件设计

本试验设计并制作了1根未加固普通钢筋混凝土柱（未加固RC柱S0）和3根自密实微膨胀混凝土夹层的钢套管加固RC柱（后文简称为加固柱S1～S3）。其中，加固柱的钢管厚度分别为2.50mm、3.75mm和5.75mm。试验柱参数汇总如表1所示。

表1 试验柱参数

试验柱高度均为600mm，RC柱直径为200mm，自密实微膨胀混凝土夹层（后文简称为填充层）的厚度为75mm，钢管外径为325mm。RC柱内布置了6根直径为8mm的HRB400纵筋，并按每隔120mm等间距布置了直径为6mm的HRB400箍筋。另外，RC柱混凝土保护层厚度取30mm。试验柱尺寸及构造如图1所示。

图1 试验柱尺寸及构造

1.2 试验柱制作

RC柱的制作：①绑扎钢筋，构成RC柱内部钢筋笼；②将钢筋笼放置于混凝土浇筑模板中，浇筑C40商品普通混凝土，养护成型。

加固柱的制作：①待RC柱成型后，在RC柱轴线预留孔道中穿入一根直径为15.24mm的高强钢绞线，通过后张法，赋予RC柱80 kN的初始轴压力；②采用Q235圆钢管外套RC柱，在新增钢管与RC柱间填充层浇筑自密实微膨胀混凝土，并养护成型。试验柱的制作流程如图2所示。

图2 试验柱的制作流程

1.3 材料性能

采用商品C40混凝土浇筑RC柱，并制作150mm×150mm×150mm标准立方体试块，测试得到标准立方体28天抗压强度为48MPa。同时，浇筑过程中测试得到其坍落扩展度为160mm。

填充层采用C60自密实微膨胀混凝土。经过反复试配，最终AUA膨胀剂以8%的替代率等量替代水泥，同时加入适量的粉煤灰、硅灰和Sika高效减水剂，配制得到强度达60MPa、工作性能满足要求的高性能混凝土，其配合比如表2所示。同样地，制备150mm×150mm×150mm标准立方体试块。另外，制备100mm×100mm×300mm限制膨胀率试块，以测量混凝土变形情况。该混凝土材料性能如表3所示。

表2 自密实微膨胀混凝土配合比 （㎏/m3）

表3 自密实微膨胀混凝土材料性能

制备加固柱的过程中采用了Q235钢管、1860级钢绞线和HRB400钢筋三类钢材。所有钢材的材料性能如表4所示。

表4 钢材材料性能

1.4 试验加载方案

本试验采用10000kN液压伺服压力机进行加载。试验柱的加载方案均采用0.05mm/s等速率位移加载，直至试验柱破坏。利用钢垫板，选择RC柱两端截面作为直接受压区域。加载过程中，采用LVDT位移计测试试验柱的整体竖向变形情况，同时，在加固柱的钢管表面中部粘贴应变片，用以监测钢管的变形情况。试验装置和测点布置如图3所示。

图3 试验装置和测点布置

2 试验结果

2.1 试验现象

未加固RC柱：当荷载靠近极限荷载时，混凝土表面出现竖向裂缝且快速发展；达到极限荷载后，荷载迅速下降，混凝土被剥落，钢筋弯曲，无法承载。

加固柱：3根加固柱试验现象基本相同，故以加固柱S2为例。当荷载靠近极限荷载时，填充层顶面出现径向裂缝；达到极限荷载后，荷载缓慢下降，钢管外鼓。试验柱的破坏现象如图4所示。

2.2 极限荷载

将试验柱S0～S3的极限荷载Pu进行汇总，如表5所示。相比未加固RC柱S0，加固柱S1～S3的极限荷载分别提高了1.20倍、1.45倍和2.51倍，这说明了自密实微膨胀混凝土夹层的钢套管加固可显著提高RC柱的极限荷载。相比加固柱S1，加固柱S2～S3的极限荷载分别提高了11.2%和59.5%，即钢管厚度的增大可显著提高加固柱的极限荷载，这意味着加固效果的增强。

表5 试验柱参数

2.3 荷载-位移曲线分析

试验柱的荷载-位移曲线如图5所示。由图可知，未加固RC柱S0的极限荷载、延性和刚度明显低于加固柱S1～S3。达到极限荷载后，未加固RC柱S0的荷载迅速下降，表现出较大的脆性；而加固柱S1～S3达到极限荷载后，荷载下降缓慢。另外，随着钢管厚度的提高，加固柱的极限荷载及延性可进一步提高，表明厚钢管可发挥更强的约束效果。

图5 验柱荷载-位移曲线

2.4 荷载-应变曲线

由前文可知，钢管的约束作用是提高RC柱轴压性能的关键。为探清加载过程中钢管的变形情况，绘制加固柱的荷载—应变曲线如图6所示。钢管的环向应变均为拉应变，而轴向应变均为压应变。加载初期，钢管的环向应变和轴向应变均较小，当荷载靠近极限荷载时，钢管的环向应变和轴向应变迅速增长，钢管达到屈服，这体现了钢管优异的约束作用。

图6 加固柱荷载-应变曲线

3 结论

本试验研究了自密实微膨胀混凝土填充钢套管加固RC柱的轴压性能。结果表明：自密实微膨胀混凝土夹层的钢套管加固可显著提高RC柱的极限荷载、延性和刚度。加固柱加载过程中，当荷载靠近极限荷载时，填充混凝土出现径向裂缝，钢管外鼓。对于钢管厚度分别为2.50mm、3.75mm和5.75mm的加固柱，极限荷载的提高倍数分别可达到1.20倍、1.45倍和2.51倍。另外，相比钢管厚度为2.50mm的加固柱，钢管厚度分别为3.75mm和5.75mm的加固柱的极限荷载提高了11.2%和59.5%，即随着钢管厚度的提高，加固柱的极限荷载和延性可进一步提高，这表明了厚钢管的约束作用更强。加固柱轴压过程中，钢管的环向应变均为拉应变，而轴向应变均为压应变；当荷载靠近极限荷载时，钢管约束作用明显，随之钢管屈服。