鋼管微膨脹混凝土的水化熱與限制膨脹性能分析

陳夢(mèng)成，袁 方，許開(kāi)成

(華東交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院，南昌 330013)

在普通鋼管混凝土中，由于混凝土的收縮和徐變，使鋼管的約束作用難以發(fā)揮，不能充分顯示組合結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。在鋼管核心混凝土中摻加適量膨脹劑，不僅可以補(bǔ)償混凝土的收縮，而且能產(chǎn)生一定的自應(yīng)力(因混凝土膨脹而在混凝土中產(chǎn)生的預(yù)壓應(yīng)力和在鋼管中產(chǎn)生的預(yù)拉應(yīng)力)，使核心混凝土在鋼管的約束作用下一開(kāi)始就處于三向受壓狀態(tài)，顯著提高了其力學(xué)性能，同時(shí)也解決了自應(yīng)力混凝土限制不足的缺點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外已有研究者對(duì)鋼管自應(yīng)力混凝土的性能進(jìn)行了研究。盧哲安等[1]對(duì)鋼管高強(qiáng)低熱微膨脹混凝土進(jìn)行了試驗(yàn)研究;姚武和鐘文慧[2]利用摻加鋼纖維和膨脹劑來(lái)控制核心混凝土的早期膨脹和后期收縮，取得了良好的效果;黃承逵等[3]對(duì)鋼管自密實(shí)自應(yīng)力混凝土短柱軸壓力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究;常旭等[4]對(duì)圓鋼管自應(yīng)力混凝土自應(yīng)力的大小進(jìn)行了計(jì)算，并對(duì)其進(jìn)行了推出試驗(yàn)。

本文擬以膨脹劑摻量為主要參數(shù)，研究鋼管微膨脹混凝土中核心混凝土的水化熱和限制膨脹特性，這些也是目前有關(guān)工程界所關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。

1 試件設(shè)計(jì)

1.1 試件制作

本次試驗(yàn)制作了5根方鋼管混凝土試件，其中一根灌入的是普通混凝土，其余4根灌入的是微膨脹混凝土，膨脹劑摻量分別為膠凝材料的8%、12%、15%和20%，分別用 P-0，P-8，P-12，P-15和 P-20來(lái)表示。鋼管邊長(zhǎng)為180 mm，管長(zhǎng)為600 mm，由厚度為4 mm的4塊鋼板拼焊而成，對(duì)應(yīng)每個(gè)試件加工兩個(gè)厚5 mm的鋼板作為蓋板，先在空鋼管一端將蓋板焊上，另一端要等混凝土澆灌后體積穩(wěn)定(1d)再焊接。鋼材的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量及泊松比分別為312 MPa、386 MPa、1.81 ×105MPa 及 0.26。

微膨脹混凝土采用的材料是:42.5普通硅酸鹽水泥;花崗石碎石，最大粒徑為30 mm;中砂，細(xì)度模數(shù)為2.6;減水劑為PCA-Ⅳ高效減水劑，摻量為膠凝材料總量的0.3%;采用UEA膨脹劑，等量取代水泥，混凝土配合比見(jiàn)表1。

混凝土采用攪拌機(jī)攪拌，試件澆筑完成后置于實(shí)驗(yàn)室中自然養(yǎng)護(hù)，同時(shí)制作150 mm×150 mm×150 mm混凝土立方體試塊5組，每組3個(gè)，均與試件同條件下養(yǎng)護(hù)，測(cè)試方法依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50081—2002)進(jìn)行，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

1.2 試驗(yàn)方法

在鋼管兩相鄰?fù)獗砻娌贾靡?guī)格為3 mm×5 mm的應(yīng)變片，位置如圖1所示，用DH3816靜態(tài)應(yīng)變數(shù)據(jù)采集箱對(duì)鋼管的應(yīng)變進(jìn)行采集。在混凝土內(nèi)部預(yù)埋JMZX-215應(yīng)變計(jì)，在各試件的中心位置布置一個(gè)橫向應(yīng)變計(jì)，同時(shí)可以測(cè)量構(gòu)件中心位置的溫度，用一臺(tái)JMZX-3001型綜合智能讀數(shù)測(cè)試儀對(duì)混凝土的應(yīng)變和溫度進(jìn)行觀測(cè)，前7 d每天采集3～4次數(shù)據(jù)，以后每天采集一次，持續(xù)觀測(cè)33 d。試件情況見(jiàn)圖2。

表1 混凝土配合比及試驗(yàn)結(jié)果

圖1 應(yīng)變片布置

圖2 試驗(yàn)試件

2 結(jié)果與分析

2.1 水泥水化階段溫度實(shí)測(cè)結(jié)果與分析

鋼管混凝土試件水泥水化階段溫度實(shí)測(cè)結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，混凝土澆灌初期，水化熱較高，最高溫度出現(xiàn)在澆筑后1 d左右，各試件截面中心與室內(nèi)大氣最大溫差為6.5℃左右，隨著熱量的散失，2 d后水化熱放熱基本完成，核心混凝土溫度接近室內(nèi)大氣溫度。隨著膨脹劑摻量的增加，核心混凝土水化階段的水化熱峰值不斷降低，這是因?yàn)榕蛎泟搅康脑龃笫沟盟嗪繙p小，從而在一定程度上影響了水泥的水化作用。和以往對(duì)普通混凝土水泥水化階段構(gòu)件溫度場(chǎng)的研究結(jié)果相比[5-6]，鋼管微膨脹混凝土核心混凝土溫度變化的規(guī)律與其相似，即混凝土內(nèi)部溫度均是先上升然后下降，最后接近室內(nèi)溫度。

2.2 限制膨脹變形實(shí)測(cè)結(jié)果與分析

2.2.1 實(shí)測(cè)結(jié)果分析

圖3 試件內(nèi)部溫度實(shí)測(cè)曲線

圖4給出了混凝土的橫向變形與時(shí)間的關(guān)系曲線，可以看出，鋼管微膨脹混凝土中核心混凝土的橫向限制膨脹變形可以歸納為膨脹期、收縮期和穩(wěn)定期三個(gè)階段。第一階段膨脹變形增長(zhǎng)迅速，維持在10 d左右，說(shuō)明膨脹混凝土在早期產(chǎn)生了較大的膨脹，膨脹效能表現(xiàn)的比較顯著，混凝土膨脹遠(yuǎn)大于收縮;第二階段為收縮期，在此階段大部分膨脹組分已經(jīng)水化完畢，核心混凝土的膨脹效能在與收縮效能(化學(xué)收縮和自收縮)的對(duì)抗中處于劣勢(shì)地位;第三階段為穩(wěn)定期，這一階段中收縮效能降低，剩余的膨脹組分繼續(xù)水化產(chǎn)生的少量膨脹抵消了混凝土的收縮，核心混凝土的收縮變形速率趨于水平。另外，對(duì)于普通鋼管混凝土構(gòu)件，早期經(jīng)歷了一個(gè)膨脹的過(guò)程，而后才處于收縮狀態(tài)，主要原因在于:①早期的水化溫升導(dǎo)致的體積膨脹，內(nèi)部溫度測(cè)試結(jié)果表明，澆筑后的前12 h內(nèi)出現(xiàn)了急劇的溫度升高，且在24 h出現(xiàn)溫度峰值;②縱向的沉縮導(dǎo)致的橫向長(zhǎng)度增加，由于變形是從初凝起測(cè)，而沉縮是發(fā)生在混凝土終凝前，因此，在水化引起的體積減縮過(guò)程中，縱向的沉縮也許將使橫向表現(xiàn)出長(zhǎng)度的增加。

圖4 混凝土橫向應(yīng)變—時(shí)間曲線

圖5所示為鋼管外壁1/2管長(zhǎng)處的橫向應(yīng)變—時(shí)間曲線，可以看出，鋼管微膨脹混凝土的橫向應(yīng)變與普通鋼管混凝土有很大的差異。鋼管微膨脹混凝土中，由于混凝土的膨脹擠壓作用，鋼管外壁橫向應(yīng)變?cè)谡麄€(gè)階段都是拉應(yīng)變，并且前8 d增長(zhǎng)迅速，15 d后基本保持不變，而普通鋼管混凝土的橫向應(yīng)變?cè)? d后便為負(fù)值，這說(shuō)明膨脹混凝土不僅能夠補(bǔ)償收縮，而且能使核心混凝土在鋼管的限制作用下產(chǎn)生一定的預(yù)壓應(yīng)力。由圖5還可以看出，P-12試件中鋼管橫向應(yīng)變最大，P-20反而最小，說(shuō)明膨脹劑摻量與核心混凝土的自應(yīng)力并不是成正比關(guān)系。膨脹劑摻量越多，水灰比便越大，一方面水化反應(yīng)更充分，產(chǎn)生了更大的膨脹能和孔隙率，但另一方面由于自應(yīng)力的存在，更多的膨脹能消耗于填充孔隙中，同時(shí)增加水灰比也降低了其強(qiáng)度，導(dǎo)致徐變和彈性應(yīng)變?cè)黾?，故而降低了限制膨脹率，所以膨脹劑的摻量?duì)鋼管微膨脹混凝土的限制膨脹性能影響顯著，膨脹劑等量取代12%的水泥效果最佳。

圖5 鋼管橫向應(yīng)變—時(shí)間曲線

圖6給出了P-12構(gòu)件各測(cè)點(diǎn)的鋼管橫向和縱向應(yīng)變，可見(jiàn)鋼管縱向應(yīng)變比橫向應(yīng)變小，10 d的縱向應(yīng)變約為橫向應(yīng)變的60%，這可能是因?yàn)榛炷磷灾貙?duì)核心混凝土的縱向膨脹具有一定的影響，因此其橫向應(yīng)變和縱向應(yīng)變體現(xiàn)出一定的差異性。由圖6可知，鋼管壁端部的縱向應(yīng)變小于中部的縱向應(yīng)變，但差別不大，這是由于鋼管端部蓋板的約束作用引起的。另外，由于距鋼管中心位置的距離更遠(yuǎn)，鋼管角部的橫向應(yīng)變略小于中部的橫向應(yīng)變。

圖6 P-12試件鋼管應(yīng)變—時(shí)間曲線

2.2.2 應(yīng)力分析

自應(yīng)力混凝土膨脹后，鋼管在橫向和縱向受到拉力，內(nèi)部混凝土則處于三向受壓應(yīng)力狀態(tài)，鋼管的受力如圖7(a)和圖7(b)所示，混凝土的受力如圖7(c)所示。由于鋼管壁很薄，可以假設(shè)垂直于鋼板厚度方向的橫向應(yīng)力沿管壁均勻分布，而平行于鋼板厚度方向的橫向應(yīng)力很小。根據(jù)實(shí)測(cè)的鋼管橫向和縱向應(yīng)變，可由式(1)和式(2)計(jì)算鋼管應(yīng)力:

圖7 鋼管和混凝土受力圖

式中，σh、σz分別為垂直于鋼板厚度方向的橫向應(yīng)力和鋼管縱向應(yīng)力;εh、εz分別為實(shí)測(cè)的鋼管橫向和縱向應(yīng)變;Es、μs分別為鋼材的彈性模量和泊松比。

根據(jù)圖7(a)所示，核心混凝土平均橫向壓應(yīng)力q為

式中，a為鋼管邊長(zhǎng);t為鋼管壁厚。

根據(jù)縱向平衡條件σzAs=σcAc(其中As為鋼管的截面面積，Ac為混凝土的截面面積，σc為混凝土的縱向壓應(yīng)力)，可得 σc為

表2給出了各鋼管的環(huán)向和縱向應(yīng)變以及由式(1)～式(4)求出的鋼管混凝土中核心混凝土的橫向和縱向自應(yīng)力。從表2可以看出，隨著膨脹劑的摻入，核心混凝土產(chǎn)生了1 MPa左右的橫向自應(yīng)力，這將使結(jié)構(gòu)的密實(shí)性顯著提高，從而改變組合結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。

表2 自應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

3 結(jié)論

1)鋼管微膨脹混凝土水化階段的水化熱都是先持續(xù)上升達(dá)到峰值，接著急劇下降直至趨于室內(nèi)大氣溫度，與素混凝土構(gòu)件水化階段的水化熱具有類似的變化規(guī)律。

2)鋼管微膨脹混凝土中核心混凝土的膨脹變形前10 d發(fā)展較快，而后出現(xiàn)小幅度的收縮變形，15 d后趨于水平。

3)膨脹劑摻量對(duì)鋼管微膨脹混凝土的限制膨脹性能影響顯著，膨脹劑摻量為12%的試件比其他摻量的試件核心混凝土的橫向應(yīng)變大。

4)鋼管微膨脹混凝土中核心混凝土在鋼管的限制作用下能產(chǎn)生1 MPa左右的橫向自應(yīng)力。

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