膨脹劑摻量和含鋼率對(duì)鋼管混凝土徐變性能的影響

張戎令，王起才，馬麗娜，龍廣成，葛 勇，楊 陽

（1.蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075）

鋼管混凝土技術(shù)將鋼材強(qiáng)度高和延性大的特點(diǎn)與混凝土的高抗壓性進(jìn)行復(fù)合，組成鋼混結(jié)構(gòu)，同時(shí)發(fā)揮兩者的受力優(yōu)點(diǎn)，是一種有效的材料復(fù)合技術(shù).因此，在高層房屋結(jié)構(gòu)、多層工業(yè)廠房、高架輸電塔和大跨橋梁工程等結(jié)構(gòu)中得以大量應(yīng)用.混凝土在長期荷載作用下，其變形隨時(shí)間而不斷增長的現(xiàn)象稱為徐變.在實(shí)際結(jié)構(gòu)中，徐變引起結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力重分布等突出問題，直接影響到結(jié)構(gòu)的長期使用性能和設(shè)計(jì)壽命.因此，徐變效應(yīng)對(duì)鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)受力行為的影響引起了工程界的普遍關(guān)注.關(guān)于混凝土收縮徐變，張戎令等［1－5］研究了側(cè)向約束、應(yīng)力比及復(fù)配外加劑對(duì)鋼管混凝土收縮徐變性能的影響；肖建莊等［6］試驗(yàn)研究了不同再生粗骨料取代率下再生混凝土的收縮與徐變規(guī)律；也有學(xué)者從不同摻和料、計(jì)算模型和計(jì)算方法方面研究了混凝土徐變機(jī)理，并建立了結(jié)構(gòu)徐變的有限元模型［7－10］.在解釋徐變理論方面［11］，主要有黏彈性理論、滲出理論、黏性流動(dòng)理論、內(nèi)力平衡理論及微裂縫理論等；鐘善桐［12］根據(jù)試驗(yàn)結(jié)構(gòu)計(jì)算出了軸壓短柱徐變變形的經(jīng)驗(yàn)公式；王元豐［13］建立了鋼管混凝土軸心受壓構(gòu)件以及變應(yīng)力作用下高性能混凝土的徐變模型；韓林海等［14］采用齡期調(diào)整的有效彈性模量法，對(duì)鋼管混凝土軸壓構(gòu)件的徐變特性進(jìn)行了理論研究.

由于鋼管混凝土為組合結(jié)構(gòu)，為防止混凝土收縮，與鋼管脫黏，需在核心混凝土中添加膨脹劑.目前關(guān)于膨脹劑摻量和含鋼率對(duì)鋼管混凝土徐變性能的影響及其內(nèi)在聯(lián)系的研究較少.

本文重點(diǎn)分析膨脹劑摻量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，文中涉及的摻量、水膠比等除特別注明外均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)或質(zhì)量比）和含鋼率（面積分?jǐn)?shù)，鋼管與混凝土的截面面積比）對(duì)鋼管混凝土徐變性能的影響，并通過掃描電鏡對(duì)不同膨脹劑摻量的鋼管混凝土的水化程度和礦物組成進(jìn)行對(duì)比，分析膨脹劑對(duì)鋼管混凝土徐變影響的機(jī)理.同時(shí)采用2種計(jì)算方式，分析了含鋼率對(duì)鋼管混凝土徐變性能影響的原因.

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：天山P·O 42.5 低堿硅酸鹽水泥；粉煤灰：瑪納斯電廠產(chǎn)Ⅰ級(jí)F 類；S95礦粉：雁池新型建材產(chǎn)；細(xì)骨料：兵團(tuán)建設(shè)集團(tuán)沙場(chǎng)的天然砂，細(xì)度模數(shù)為2.9；粗骨料：鑫寶礦山開發(fā)中心破碎玄武巖，5～20mm連續(xù)級(jí)配；拌和水：自來水.試驗(yàn)前將所有原材料的性能進(jìn)行了實(shí)測(cè)，以便準(zhǔn)確分析膨脹劑摻量在原材料一定的情況下，對(duì)鋼管混凝土徐變性能的影響規(guī)律.水泥、拌和水、粉煤灰、礦粉和粗細(xì)骨料各項(xiàng)性能指標(biāo)實(shí)測(cè)值見表1～4.減水劑和引氣劑：北京建筑工程研究院產(chǎn)AN 4000聚羧酸減水劑和AN 1引氣劑；膨脹劑：UEA－H 型.摻外加劑混凝土的各項(xiàng)實(shí)測(cè)指標(biāo)見表5，6.

表1 低堿硅酸鹽水泥性能指標(biāo)Table 1 Performance indexes of low alkalinity silicate cement

表2 拌和水水質(zhì)分析Table 2 Water quality analysis

1.2 變化參數(shù)及試驗(yàn)方法

鋼管混凝土中鋼管直徑分別為88，140，219mm，其中直徑為140mm 的鋼管長度有350，500mm 兩種，壁厚分別為1.3，2.2，3.0mm；其余直徑的鋼管長度為500mm，壁厚為2.0mm；混凝土水膠比為0.3，膨脹劑P1，P2 和P3 摻量分別為4%，8%和12%.鋼管混凝土配合比詳見表7.

表3 礦渣粉和粉煤灰性能指標(biāo)Table 3 Performance indexes of slag and fly ash

表4 粗細(xì)骨料性能指標(biāo)Table 4 Performance indexes of gravel and medium sand

表5 摻引氣劑和聚羧酸減水劑的混凝土性能指標(biāo)Table 5 Performance indexes of concrete with air entraining agent and polycarboxylic water－reducer

表7 膨脹劑摻量不同時(shí)鋼管混凝土配合比Table 7 Mix proportion with different expanding agent contents of CFST kg／m3

根據(jù)GB／T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測(cè)得混凝土的徐變度（徐變度計(jì)算公式見式（1））.試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后采用彈簧式三桿徐變儀進(jìn)行加載，鋼管與混凝土同時(shí)受荷，施加的長期荷載為235.3kN.用千分表測(cè)量鋼管混凝土的徐變變形量，試驗(yàn)溫度為（20±1）℃.

式中：Ct為加載t時(shí)間后的混凝土徐變度，MPa－1；δ為徐變應(yīng)力，MPa；ΔLt為加載t 時(shí)間后的總變形值，mm；ΔL0為加載時(shí)測(cè)得的初始變形值，mm；Lb為測(cè)量標(biāo)距，mm；εt為同齡期的收縮值，mm／m.

試驗(yàn)裝置示意圖見圖1.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 膨脹劑摻量對(duì)鋼管混凝土徐變度的影響

含鋼率α 分別為3.8%，6.6%和9.2%時(shí)膨脹劑摻量對(duì)鋼管混凝土徐變度的影響規(guī)律如圖2所示.

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Sketch map of test equipment

圖2 膨脹劑摻量對(duì)鋼管混凝土徐變度的影響Fig.2 Influence of expanding agent contents on creep degree of CFST

由圖2可見，在含鋼率一定的情況下，隨著膨脹劑摻量的增加，鋼管混凝土的徐變度有所減小.當(dāng)膨脹劑摻量為4%時(shí)，徐變度最大；膨脹劑摻量為8%時(shí)，徐變度次之；膨脹劑摻量為12%時(shí)，徐變度最小.膨脹劑摻量8%與12%的鋼管混凝土徐變度相差不大，兩者較為接近.這說明在鋼管混凝土結(jié)構(gòu)中，不能一味地依靠增加膨脹劑摻量來補(bǔ)償鋼管混凝土的收縮效果.在實(shí)際結(jié)構(gòu)工程中應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)夭牧虾捅盟鸵蟮冗x擇膨脹劑的最優(yōu)摻量.

2.2 含鋼率對(duì)鋼管混凝土徐變度的影響

文獻(xiàn)［13］認(rèn)為在相同應(yīng)力級(jí)別下，鋼管混凝土的徐變度不隨含鋼率的增大而減小.但文獻(xiàn)［12］認(rèn)為在相同應(yīng)力級(jí)別下，鋼管混凝土的徐變度隨含鋼率的增大而減??；在一定的應(yīng)力級(jí)別下，鋼管混凝土的應(yīng)力隨含鋼率的增大而增加，致使結(jié)構(gòu)徐變度增大，同時(shí)鋼管對(duì)混凝土的約束作用亦增大，又使得結(jié)構(gòu)徐變度減小.在這兩種情況共同作用下，鋼管混凝土徐變度的增減作用互相影響，因此單在同一應(yīng)力級(jí)別下研究含鋼率與鋼管混凝土徐變度的關(guān)系，可能不具有可比性［13］.為此，本文進(jìn)行了相同荷載下含鋼率與鋼管混凝土徐變度關(guān)系的研究.

相同荷載（235.3kN）下含鋼率對(duì)鋼管混凝土徐變度的影響規(guī)律如圖3所示.

由圖3可見，增大含鋼率，鋼管混凝土的徐變度有所減小.這是因?yàn)樵龃蠛撀屎螅摴芸梢暂^多承擔(dān)外部荷載，使鋼管混凝土中核心混凝土受力減小，進(jìn)而使鋼管混凝土徐變度減小.由圖3還可見，膨脹劑摻量為4%的鋼管混凝土徐變度總體高于膨脹劑摻量為12%的鋼管混凝土.綜合分析徐變度的變化趨勢(shì)后認(rèn)為，膨脹劑摻量和含鋼率共同影響鋼管混凝土的徐變性能，在膨脹劑摻量不同的情況下，含鋼率對(duì)鋼管混凝土徐變度的影響并不相同.

3 機(jī)理分析

3.1 膨脹劑摻量對(duì)鋼管混凝土徐變性能的影響機(jī)理

采用膨脹劑摻量分別為4%，8%和12%的水泥漿在水膠比一定的條件下成型，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后，將試樣經(jīng)抽真空和噴金處理，在掃描電鏡（SEM）下觀測(cè)剖斷面形貌，見圖4.

圖3 含鋼率對(duì)鋼管混凝土徐變度的影響Fig.3 Influence of steel ratios on creep degree of CFST

由圖4可見，當(dāng)膨脹劑摻量為4%時(shí)，水泥凈漿中的鈣礬石（AFt）呈短細(xì)小針狀，雜亂分布，水泥石整體結(jié)構(gòu)較為疏松；當(dāng)膨脹劑摻量為8%時(shí)，AFt為細(xì)針狀，簇生于水泥石成型時(shí)的殘留氣泡、水泥漿體中的毛細(xì)孔、接觸處的孔穴及水泥漿體的微裂紋中，水泥石整體結(jié)構(gòu)較為致密；當(dāng)膨脹劑摻量為12%時(shí)，大量花狀或棒狀A(yù)Ft簇生于孔隙中，水泥石整體結(jié)構(gòu)密實(shí).這是由于膨脹劑的主要成分為明礬石和石膏，在水泥水化過程中，膨脹劑反應(yīng)生成鈣礬石所需的CaSO4由膨脹劑自身帶入，反應(yīng)中所需的氫氧化鈣（CH）由C3S 和C2S 水化反應(yīng)生成，水化反應(yīng)的加速進(jìn)行使水泥強(qiáng)度和膨脹發(fā)展相對(duì)較協(xié)調(diào)，形成大量鈣礬石.膨脹劑一方面通過生成的鈣礬石微膨脹起到補(bǔ)償收縮的作用；另一方面通過鈣礬石填充于結(jié)構(gòu)孔隙中，使水泥石更加密實(shí).前文研究表明，鋼管混凝土的徐變度隨著膨脹劑摻量的增加而減小.這是由于膨脹劑摻量的增加，提高了核心混凝土的密實(shí)性，混凝土越密實(shí)，鋼管套箍效應(yīng)越好，混凝土三向受力越明顯，進(jìn)而加強(qiáng)了鋼管和混凝土的界面黏結(jié)力，使內(nèi)力傳遞更加均勻，提高了結(jié)構(gòu)剛度，有效地減小了鋼管混凝土的徐變度.由圖4還可看出，膨脹劑摻量為8%和12%時(shí)水泥凈漿的致密程度相差不大，這也印證了膨脹劑摻量為8%，12%時(shí)鋼管混凝土徐變度較為接近的結(jié)論.

圖4 不同膨脹劑摻量下水泥凈漿28d齡期時(shí)的SEM 照片F(xiàn)ig.4 SEM photos of cement paste with different expanding agent contents at 28dage

3.2 不同膨脹劑摻量的水泥凈漿成分分析

提取水泥凈漿水化產(chǎn)物，用射線能量色散譜儀（EDS）進(jìn)行能譜分析，其EDS圖譜見圖5，不同膨脹劑摻量下水泥凈漿中元素組成見表8.

由圖5和表8可以看出，由于膨脹水泥石中含有鈣礬石類的膨脹材料，因此在基體中S元素和Al元素的含量隨著膨脹劑摻量的增加而增加；在膨脹水泥石中Si元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著膨脹劑摻量的增加而增加，Ca元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)則隨著膨脹劑摻量的增加而降低.原因可能是膨脹劑中含有較高比例的Si元素，膨脹劑摻量高，水泥石中Si元素含量就高，有利于生成C－S－H 凝膠［15］，提高結(jié)構(gòu)致密程度.

圖5 不同膨脹劑摻量的水泥凈漿能譜成分分析譜Fig.5 Power spectral analysis of cement paste with diferent expanding agent contents

表8 不同膨脹劑摻量下水泥凈漿中元素組成Table 8 Element compositions（by mass）of cement paste with different expanding agent contents %

3.3 含鋼率對(duì)鋼管混凝土徐變性能的影響機(jī)理

在膨脹劑摻量為4%，8%和12%的情況下，研究了含鋼率（直徑相同，壁厚不同；直徑和壁厚均不同2種形式）為3.8%，4.1%，6.6%，9.2% 和10.8%在相同荷載下對(duì)鋼管混凝土徐變度的影響.為節(jié)省篇幅本文以鋼管直徑相同、壁厚不同為例，淺析含鋼率對(duì)鋼管混凝土徐變性能的影響機(jī)理.目前較為常用的2種鋼管混凝土受力計(jì)算方法有：方法Ⅰ，考慮鋼管對(duì)混凝土的套箍作用，將鋼管混凝土按照組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力特性計(jì)算，即按照組合彈性模量［16］進(jìn)行計(jì)算；方法Ⅱ，按照鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論，采用疊加法得到換算剛度［16］，將鋼管換算成混凝土來計(jì)算鋼管混凝土的力學(xué)特性.本文亦采用這2種計(jì)算方法進(jìn)行對(duì)比說明，詳見表9.

由表9可以看出，按照組合結(jié)構(gòu)計(jì)算方法（方法Ⅰ）計(jì)算鋼管混凝土受壓力學(xué)特性時(shí)，考慮了套箍效應(yīng)，致使在相同荷載作用下，盡管加載應(yīng)力相同，但鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)的抗壓強(qiáng)度還是隨著含鋼率的增加而增加，因此應(yīng)力比隨著含鋼率的增加而減??；按照彈性模量比換算截面計(jì)算方法（方法Ⅱ）計(jì)算鋼管混凝土受壓力學(xué)特性時(shí)，雖然在相同荷載作用下將鋼管換算成混凝土，使混凝土抗壓強(qiáng)度相同，但其加載應(yīng)力隨著含鋼率的增加而降低，因此應(yīng)力比也隨著含鋼率的增加而降低.由此可知，無論采用哪種計(jì)算方法，由于同直徑的鋼管混凝土鋼材含鋼率隨著壁厚的增加而增加，因此在相同荷載下，混凝土受到的荷載隨含鋼率的增加而減小，故造成鋼管混凝土在相同荷載下的徐變度隨含鋼率的增加而減小的主要原因有兩方面：一是相同荷載下，混凝土應(yīng)力隨著含鋼率的增加減??；二是隨著壁厚的增加鋼管對(duì)混凝土的約束增加，限制了混凝土的變形.

表9 鋼管混凝土受力計(jì)算方法對(duì)比Table 9 Comparison of different calculation method of loading stress of CFST

4 結(jié)論

（1）鋼管混凝土在含鋼率、配合比等一定的情況下，徐變度隨著膨脹劑摻量的增加而減小.但鋼管混凝土徐變度未隨著膨脹劑摻量的增加成比例減小.因此實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)呐蛎泟搅?

（2）膨脹劑的主要成分是明礬石和石膏，兩者反應(yīng)生成鈣礬石.鈣礬石一方面通過微膨脹補(bǔ)償水泥石收縮；另一方面填充在孔隙中，使水泥石更加密實(shí).

（3）在原材料、配合比及荷載等一定的情況下，鋼管混凝土徐變度隨含鋼率的增加而減小.主要原因?yàn)椋旱群奢d下混凝土應(yīng)力隨著含鋼率的增加而減??；隨著壁厚的增加，鋼管對(duì)混凝土的約束增加，限制了混凝土的變形.

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