鋼管混凝土抗凍性能研究與進展

陳兆升　房林福

摘要：主要介紹了鋼管混凝土抗凍性能近年來在我國的研究概況，闡述了鋼管混凝土受凍破壞機理以及影響鋼管混凝土抗凍性能主要因素，并對現(xiàn)有研究存在的問題及缺陷進行進一步的探討。針對如何提高鋼管混凝土的抗凍性能提出合理化的建議，為實際工程提供理論支撐。

關鍵詞：鋼管混凝土;抗凍性能;破壞機理

鋼管混凝土是指在鋼管中填充素混凝土且鋼管及其核心混凝土能共同承擔外荷載作用的組合結構構件，按截面形式不同，分為圓形鋼管混凝土，方、矩形鋼管混凝土、多邊形鋼管混凝土和空心鋼管混凝土等[1]（如圖1所示），因其具有抗壓承載力高、塑性和韌性好、施工方便以及耐火性能較好等優(yōu)點而被廣泛的應用于建筑工程領域中。

抗凍性是鋼管混凝土耐久性能的一個重要指標，是影響鋼管混凝土長期壽命的一個重要因素，特別是在嚴寒地區(qū)的建筑工程中，凍融循環(huán)所造成的鋼管混凝土結構的破壞已經成為結構工作過程中的主要病害[1]。而我國三北地區(qū)冬季氣溫寒冷，最低溫度可達-50℃，鋼管混凝土構件的凍害現(xiàn)象普遍存在;華東、華中地區(qū)氣溫較溫和但冬季仍然出現(xiàn)冰凍，鋼管混凝土凍融破壞現(xiàn)象依然存在。因此對鋼管混凝土抗凍性能研究的重要性日益凸顯，對鋼管混凝土凍融破壞的有效控制成為保證結構安全的重要關鍵。

鑒于此，本文查閱近年來國內外鋼管混凝土抗凍性能研究的相關文獻，通過分析鋼管混凝土抗凍性能的研究現(xiàn)狀以及所報道的工程事故，列出了鋼管混凝土抗凍性能的影響因素，并針對如何提高鋼管混凝土的抗凍性能提出合理化的建議，為實際工程提供理論支撐。

1 鋼管混凝土抗凍性能研究現(xiàn)狀

隨著鋼管混凝土越來越多地運用于建筑工程，其抗凍性能受到越來越多的學者們關注。尤其是近幾年來國內發(fā)生了多起鋼管混凝土結構受凍破壞的工程事故，給人類生命財產安全造成威脅?；诖?，對鋼管混凝土抗凍性能的研究趨勢刻不容緩，國內外學者對鋼管混凝土的抗凍性能展開了大量的研究。

1.1 鋼管混凝土凍害案例分析

王佩瓊等[2]介紹了某變電站廠房鋼管混凝土柱受凍融破壞縱向開裂的事故，并對鋼管混凝土柱開裂機理進行了分析與研究，研究表明，導致鋼管混凝土柱縱向開裂的原因為：（1）鋼管內側表面與核心混凝土之間沒有使其連接緊密的構造措施，導致核心混凝土與鋼管的結合力較小，易脫空;（2）普通混凝土的熱膨脹系數(shù)比鋼材的熱膨脹系數(shù)小，隨著外界氣溫變化，混凝土與鋼材的冷收縮與熱膨脹存在不同，從而變形不協(xié)調，導致核心混凝土與鋼管內壁脫離;（3）鋼管混凝土在制作時存在缺陷或存在自由水，自由水受凍膨脹會對鋼管混凝土產生不利影響;（4）鋼管混凝土中自由水分隨著年份的增加而增多，自由水受凍膨脹在鋼管壁上產生環(huán)向拉應力，當凍脹產生的環(huán)向拉應力大于鋼管的屈服拉應力后，鋼管會產生破壞而開裂。

王清等[3]對某工業(yè)區(qū)新建重型加氫反應器制造工廠鋼管混凝土柱凍裂事故進行探討，從設計及施工角度對凍裂成因、加固方案及鋼管混凝土柱成型質量、保障措施等進行了技術分析，并對凍裂后的鋼管混凝土柱的結構性能進行了進一步的分析[3]。結論表明：（1）鋼管混凝土柱凍裂原因是由于泵送混凝土過程中需要隔一段時間對泵送管道用水流進行沖洗，從而管道內滯留的水分相對較多，導致鋼管中實際澆筑的混凝土中水分較多，當處于負溫環(huán)境下自由水受凍對鋼管產生凍脹作用導致鋼管混凝土柱產生凍裂事故;（2）鋼管混凝土受凍脹裂后，鋼管對其核心混凝土的約束已失效，且加固后很難重新建立有效約束。

1.2 鋼管混凝土抗凍性能試驗研究

曹凱等[1]設計了各15個不同強度等級的鋼管混凝土短柱，開展了圓形與方形截面鋼管混凝土柱受凍融循環(huán)作用后軸壓力學性能試驗，研究分析了鋼管混凝土截面含鋼率、凍融循環(huán)次數(shù)和材料強度對鋼管混凝土受凍融循環(huán)后軸壓力學性能的影響，并利用有限元軟件ABAQUS建立了理論分析模型與試驗結果對比分析。結果表明，有限元分析結果與試驗結果基本一致，受凍融破壞與未受凍破壞的鋼管混凝土試件均具有較高的后期承載力及較好的變形能力，凍融循環(huán)后鋼管混凝土的組合彈性模量隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而減小。

楊蘭州等[4]設計了16個外包鋼管混凝土試件和13個普通混凝土試件并對其進行抗凍性能試驗研究，通過在試驗過程中測試不同試件相對彈性模量、質量損失、凍脹應力、抗壓強度變化以及凍融后氯離子滲透等指標來分析其抗凍性能。試驗結果表明：（1）質量損失率不能用來評價外包鋼管混凝土的凍融性能;（2）外包鋼管混凝土起到了約束和有效的阻止外部水分進去混凝土內部的作用，使其核心混凝土受到凍融循環(huán)破壞的作用較小，顯著的提高了混凝土的抗凍耐久性能;（3）核心混凝土產生凍融破壞的原因是鋼管混凝土中水泥未水化完的自由水保留在鋼管混凝土中，溫度低于0℃以下，自由水結冰不斷進行凍融循環(huán)產生冰脹應力，當冰脹應力大于混凝土的抗拉強度將會導致混凝土內部的裂縫產生和發(fā)展，水灰比越大，剩余可凍水含水量也越大，凍融循環(huán)作對強度的影響也越大。

綜上所述，國內外學者對鋼管混凝土的抗凍性能展開了大量的試驗研究以及理論分析，認為鋼管混凝土凍害的主要原因是與其核心混凝土密切相關。

2鋼管混凝土凍融破壞機理

鋼管混凝土產生凍融破壞的主要原因就是其核心混凝土中存在未參與水化反應的自由水，在凍融過程中，自由水結冰融化來回循環(huán)，對核心混凝土產生不利的影響，進而會導致鋼管混凝土的凍融破壞。

2.1 核心混凝土凍融破壞機理

鋼管混凝土中核心混凝土的凍融破壞過程是比較復雜的物理變化過程，混凝土是由硬化的水泥漿體和骨料組成的含毛細孔的復合材料，鋼管混凝土施工過程中為了獲得澆筑混凝土所必須的和易性，其拌和水量總多于水泥水化所需的水量，而鋼管混凝土是個封閉體，多余的水無法揮發(fā)滯留在混凝土中，形成占有一定體積的連通毛細孔[4]。于是常溫下硬化混凝土就是由未水化的水泥、水泥水化產物、集料、水、空氣共同組成的氣一液一固三相平衡體系，當混凝土處于負溫時，其內部孔隙中的水分將發(fā)生從液相到固相的轉變[4]。關于混凝土凍融破壞機理主要有以下幾個假說。

2.1.1 靜水壓假說

混凝土中的可凍水受凍結冰體積大約膨脹10%，體積增大迫使未結冰的孔隙溶液從結冰區(qū)向外遷移，從而產生靜水壓力，靜水壓假說理論認為混凝土在受凍過程中，混凝土內部結構產生靜水壓力，當靜水壓力超過混凝土的極限抗拉強度，將會造成混凝土開裂破壞。

2.1.2 滲透壓假說

混凝土中孔溶液中含有K十、Na十等鹽類離子，滲透壓假說理論認為，混凝土在受凍過程中，混凝土內部結構大孔隙中的溶液結冰后，未凍結溶液鹽類濃度上升與周圍小空隙中溶液之間形成濃度差，從而產生滲透壓力，若滲透壓超過混凝土極限抗拉強度，則會造成混凝土的破壞。

2.1.3 凍融臨界飽水值

“凍融臨界飽水值”理論認為混凝土內部結構能夠容納的可凍結水含量存在一個臨界值，當其內部可凍結水量到達臨界值之后，混凝土將會被破壞。

2.2 鋼管破壞機理

混凝土和鋼材有著相近的線膨脹系數(shù)，因此，鋼管混凝土構件在凍脹狀態(tài)下，核心混凝土與鋼管是變形協(xié)調的。鋼管混凝土中混凝土在凍融循環(huán)過程中，由于混凝土中自由水受凍膨脹，受到鋼管的約束從而產生冰脹應力，冰脹應力作用于鋼管以及核心混凝土，對鋼管產生一定程度的環(huán)向應力，當環(huán)向應力大于鋼管鋼材的抗拉屈服強度時，鋼管則會破壞。

2.2.1 鋼管受凍破壞計算模型

混凝土在受凍過程中體積膨脹將對鋼管產生擠壓，從而導致鋼管對混凝土產生環(huán)箍作用。設鋼管產生的環(huán)向應力為△σ，鋼管環(huán)箍作用對混凝土的約束應力為p，則二者作用關系如圖2所示。

根據(jù)圖2，取鋼管沿軸向的長度為l，根據(jù)力系平衡有：

其中D為鋼管內直徑，積分后可以得出鋼管環(huán)箍作用對混凝土的約束應力p與鋼管環(huán)箍應力△σ之間的關系式：

假設混凝土在受凍條件下產生的冰脹應力σ，由于鋼管受到擠壓，對混凝土產生約束應力p，因此，鋼管混凝土中實際作用于核心混凝土上的應力為σ-p，在此應力狀態(tài)作用下混凝土裂縫產生的應力為σ'y，當σ'y≤ftk（ftk為混凝土極限抗拉強度值）時，混凝土不會產生裂縫擴張，反之混凝土將破壞。當鋼管的環(huán)向應力△σ≥fsy（fsy為鋼管環(huán)向應力屈服值）時，鋼管將破壞。

3鋼管混凝土抗凍性能影響因素以及建議措施

影響鋼管混凝土抗凍性能的因素眾多，根據(jù)其凍融破壞的作用機理可知，鋼管混凝土的抗凍性能與其核心混凝土有直接關系，主要影響因素有水灰比、飽水狀態(tài)、受凍齡期、含氣量、混凝土強度、外加劑及摻合料、水泥品種及集料質量、鋼管材料強度等[1]。

3.1 水灰比

水灰比的大小直接影響混凝土中自由水的含量、混凝土強度，從而影響混凝土的抗凍性。水灰比越大，混凝土中自由水的含量越多，負溫環(huán)境下自由水受凍體積膨脹率越大，對鋼管產生的環(huán)向應力也就越大，當環(huán)向應力大于鋼管鋼材的屈服強度，鋼管會被凍脹破壞。因此施工工程中應通過合理控制水灰比達到減少鋼管混凝土中可凍水量從而達到控制鋼管混凝土的抗凍性能。

3.2 飽水狀態(tài)

混凝土的抗凍性能與混凝土中空隙飽水程度密切相關，混凝土中的水分有三種存在方式，即物理吸附水、化學結合水及自由水，當混凝土處于飽水狀態(tài)時，混凝土中自由水含量達到最大，自由水結冰膨脹體積增大，對核心混凝土產生損傷作用。因此混凝土在飽水狀態(tài)時受到的凍融破壞最嚴重。

3.3 受凍齡期

混凝土受凍齡期是混凝土抗凍性能主要影響因素之一，混凝土齡期越高抗凍性能越好。因為混凝土齡期越長混凝土的強度越高，混凝土抵抗凍脹的能力也就越大，從而混凝土抵抗凍融循環(huán)破壞的能力越強。因此，混凝土的抗凍性能隨著齡期的逐漸增強。

3.4 含氣量

含氣量是影響混凝土抗凍性能的主要因素，加入引氣劑會在混凝土內部形成微細的氣孔，這些微細的氣孔互不連通，內部空隙溶液不能相互流通，根據(jù)靜水壓力學說，在混凝土受凍初期這些微細的氣孔能使其中的靜水壓力減少從而達到減壓的作用，繼而減小混凝土的受凍損傷。

3.5 混凝土強度

混凝土強度等級越高，抗拉抗壓性能以及彈性模量越大，受凍融循環(huán)作用時抵抗各種不利因素影響的能力越強，從而其抗凍性能也就越好;同時高強度混凝土水泥漿體比較密實，混凝土內部間隙較少，所以其內部可凍水的含量相對較少，從而抗凍性能較好。因此實際工程中可以通過合理增大混凝土的強度來達到提高鋼管混凝土的抗凍性能的目的。

3.6 外加劑及摻介料的影響

引氣劑、減水劑及引氣減水劑等外加劑能提高混凝土的抗凍性能。其產生作用的方式為：引氣劑可以增加混凝土中的獨立空氣泡含量，降低混凝土受凍過程中所產生的“壓力”，減水劑可以減小混凝土攪拌時的水灰比，減小毛細孔含量，改善混凝土的微觀結構，外加摻和料可以改善混凝土的微觀結構使其更加致密[1]。另外，混凝土中的摻合料并非加的越多越好，當其摻入量超過一定程度時，使水泥的用量過小，從而影響到混凝土的強度，最后使混凝土的抗凍性能降低。

3.7 水泥品種及集料質量

混凝土的抗凍性隨水泥的增強而提高，普通硅酸鹽水泥混凝土的抗凍性能比混合水泥混凝土好，火山灰質水泥混凝土的抗凍性性能比前兩者都差[1]。集料對抗凍性能的影響主要與集料自身的吸水性和抗凍性有關，一般采用吸水量較小骨料的混凝土，其抗凍性較好[1]。

3.8 鋼管的材料強度

鋼管的強度等級越大，鋼管混凝土的抗凍性能越好，其中，當鋼管混凝土中核心混凝土凍受凍時膨脹對鋼管產生的環(huán)向應力達不到鋼管破壞強度時，鋼管不能被凍脹破壞，因此鋼管混凝土抗凍性能能有效增強。

4結語

本文闡述了鋼管混凝土抗凍性能的研究現(xiàn)狀及進展，詳細分析了鋼管混凝土凍融破壞的工作機理以及影響鋼管混凝土抗凍性能的因素并提出了合理化的建議。

國內外學者對鋼管混凝土抗凍性能展開了廣泛的研究，但對其凍融破壞機理的理論分析還不夠完善，沒有統(tǒng)一的理論學說，需要進一步的探討與研究。

鋼管混凝土的抗凍性能主要取決于其核心混凝土在鋼管約束狀態(tài)下的抗凍性能，主要影響因素有水灰比、飽水狀態(tài)、受凍齡期、含氣量、混凝土強度、外加劑及摻合料、水泥品種及集料質量、鋼管材料強度等，施工過程中對其核心混凝土合理化的控制是保證鋼管混凝土抗凍性能的重要關鍵。

鋼管混凝土抗凍性能是鋼管混凝土耐久性的一個重要指標，是影響鋼管混凝土長期壽命的一個重要因素，對鋼管混凝土抗凍性能的研究具有極其重要的價值意義，需要在后續(xù)的研究中繼續(xù)改進和完善相關內容。

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