钢管微膨胀混凝土的水化热与限制膨胀性能分析

陈梦成，袁 方，许开成

(华东交通大学 土木建筑学院，南昌 330013)

在普通钢管混凝土中，由于混凝土的收缩和徐变，使钢管的约束作用难以发挥，不能充分显示组合结构的优点。在钢管核心混凝土中掺加适量膨胀剂，不仅可以补偿混凝土的收缩，而且能产生一定的自应力(因混凝土膨胀而在混凝土中产生的预压应力和在钢管中产生的预拉应力)，使核心混凝土在钢管的约束作用下一开始就处于三向受压状态，显著提高了其力学性能，同时也解决了自应力混凝土限制不足的缺点。国内外已有研究者对钢管自应力混凝土的性能进行了研究。卢哲安等[1]对钢管高强低热微膨胀混凝土进行了试验研究;姚武和钟文慧[2]利用掺加钢纤维和膨胀剂来控制核心混凝土的早期膨胀和后期收缩，取得了良好的效果;黄承逵等[3]对钢管自密实自应力混凝土短柱轴压力学性能进行了试验研究;常旭等[4]对圆钢管自应力混凝土自应力的大小进行了计算，并对其进行了推出试验。

本文拟以膨胀剂掺量为主要参数，研究钢管微膨胀混凝土中核心混凝土的水化热和限制膨胀特性，这些也是目前有关工程界所关注的热点问题。

1 试件设计

1.1 试件制作

本次试验制作了5根方钢管混凝土试件，其中一根灌入的是普通混凝土，其余4根灌入的是微膨胀混凝土，膨胀剂掺量分别为胶凝材料的8%、12%、15%和20%，分别用 P-0，P-8，P-12，P-15和 P-20来表示。钢管边长为180 mm，管长为600 mm，由厚度为4 mm的4块钢板拼焊而成，对应每个试件加工两个厚5 mm的钢板作为盖板，先在空钢管一端将盖板焊上，另一端要等混凝土浇灌后体积稳定(1d)再焊接。钢材的屈服强度、抗拉强度、弹性模量及泊松比分别为312 MPa、386 MPa、1.81 ×105MPa 及 0.26。

微膨胀混凝土采用的材料是:42.5普通硅酸盐水泥;花岗石碎石，最大粒径为30 mm;中砂，细度模数为2.6;减水剂为PCA-Ⅳ高效减水剂，掺量为胶凝材料总量的0.3%;采用UEA膨胀剂，等量取代水泥，混凝土配合比见表1。

混凝土采用搅拌机搅拌，试件浇筑完成后置于实验室中自然养护，同时制作150 mm×150 mm×150 mm混凝土立方体试块5组，每组3个，均与试件同条件下养护，测试方法依据国家标准《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081—2002)进行，测试结果见表1。

1.2 试验方法

在钢管两相邻外表面布置规格为3 mm×5 mm的应变片，位置如图1所示，用DH3816静态应变数据采集箱对钢管的应变进行采集。在混凝土内部预埋JMZX-215应变计，在各试件的中心位置布置一个横向应变计，同时可以测量构件中心位置的温度，用一台JMZX-3001型综合智能读数测试仪对混凝土的应变和温度进行观测，前7 d每天采集3～4次数据，以后每天采集一次，持续观测33 d。试件情况见图2。

表1 混凝土配合比及试验结果

图1 应变片布置

图2 试验试件

2 结果与分析

2.1 水泥水化阶段温度实测结果与分析

钢管混凝土试件水泥水化阶段温度实测结果如图3所示。由图3可知，混凝土浇灌初期，水化热较高，最高温度出现在浇筑后1 d左右，各试件截面中心与室内大气最大温差为6.5℃左右，随着热量的散失，2 d后水化热放热基本完成，核心混凝土温度接近室内大气温度。随着膨胀剂掺量的增加，核心混凝土水化阶段的水化热峰值不断降低，这是因为膨胀剂掺量的增大使得水泥含量减小，从而在一定程度上影响了水泥的水化作用。和以往对普通混凝土水泥水化阶段构件温度场的研究结果相比[5-6]，钢管微膨胀混凝土核心混凝土温度变化的规律与其相似，即混凝土内部温度均是先上升然后下降，最后接近室内温度。

2.2 限制膨胀变形实测结果与分析

2.2.1 实测结果分析

图3 试件内部温度实测曲线

图4给出了混凝土的横向变形与时间的关系曲线，可以看出，钢管微膨胀混凝土中核心混凝土的横向限制膨胀变形可以归纳为膨胀期、收缩期和稳定期三个阶段。第一阶段膨胀变形增长迅速，维持在10 d左右，说明膨胀混凝土在早期产生了较大的膨胀，膨胀效能表现的比较显著，混凝土膨胀远大于收缩;第二阶段为收缩期，在此阶段大部分膨胀组分已经水化完毕，核心混凝土的膨胀效能在与收缩效能(化学收缩和自收缩)的对抗中处于劣势地位;第三阶段为稳定期，这一阶段中收缩效能降低，剩余的膨胀组分继续水化产生的少量膨胀抵消了混凝土的收缩，核心混凝土的收缩变形速率趋于水平。另外，对于普通钢管混凝土构件，早期经历了一个膨胀的过程，而后才处于收缩状态，主要原因在于:①早期的水化温升导致的体积膨胀，内部温度测试结果表明，浇筑后的前12 h内出现了急剧的温度升高，且在24 h出现温度峰值;②纵向的沉缩导致的横向长度增加，由于变形是从初凝起测，而沉缩是发生在混凝土终凝前，因此，在水化引起的体积减缩过程中，纵向的沉缩也许将使横向表现出长度的增加。

图4 混凝土横向应变—时间曲线

图5所示为钢管外壁1/2管长处的横向应变—时间曲线，可以看出，钢管微膨胀混凝土的横向应变与普通钢管混凝土有很大的差异。钢管微膨胀混凝土中，由于混凝土的膨胀挤压作用，钢管外壁横向应变在整个阶段都是拉应变，并且前8 d增长迅速，15 d后基本保持不变，而普通钢管混凝土的横向应变在4 d后便为负值，这说明膨胀混凝土不仅能够补偿收缩，而且能使核心混凝土在钢管的限制作用下产生一定的预压应力。由图5还可以看出，P-12试件中钢管横向应变最大，P-20反而最小，说明膨胀剂掺量与核心混凝土的自应力并不是成正比关系。膨胀剂掺量越多，水灰比便越大，一方面水化反应更充分，产生了更大的膨胀能和孔隙率，但另一方面由于自应力的存在，更多的膨胀能消耗于填充孔隙中，同时增加水灰比也降低了其强度，导致徐变和弹性应变增加，故而降低了限制膨胀率，所以膨胀剂的掺量对钢管微膨胀混凝土的限制膨胀性能影响显著，膨胀剂等量取代12%的水泥效果最佳。

图5 钢管横向应变—时间曲线

图6给出了P-12构件各测点的钢管横向和纵向应变，可见钢管纵向应变比横向应变小，10 d的纵向应变约为横向应变的60%，这可能是因为混凝土自重对核心混凝土的纵向膨胀具有一定的影响，因此其横向应变和纵向应变体现出一定的差异性。由图6可知，钢管壁端部的纵向应变小于中部的纵向应变，但差别不大，这是由于钢管端部盖板的约束作用引起的。另外，由于距钢管中心位置的距离更远，钢管角部的横向应变略小于中部的横向应变。

图6 P-12试件钢管应变—时间曲线

2.2.2 应力分析

自应力混凝土膨胀后，钢管在横向和纵向受到拉力，内部混凝土则处于三向受压应力状态，钢管的受力如图7(a)和图7(b)所示，混凝土的受力如图7(c)所示。由于钢管壁很薄，可以假设垂直于钢板厚度方向的横向应力沿管壁均匀分布，而平行于钢板厚度方向的横向应力很小。根据实测的钢管横向和纵向应变，可由式(1)和式(2)计算钢管应力:

图7 钢管和混凝土受力图

式中，σh、σz分别为垂直于钢板厚度方向的横向应力和钢管纵向应力;εh、εz分别为实测的钢管横向和纵向应变;Es、μs分别为钢材的弹性模量和泊松比。

根据图7(a)所示，核心混凝土平均横向压应力q为

式中，a为钢管边长;t为钢管壁厚。

根据纵向平衡条件σzAs=σcAc(其中As为钢管的截面面积，Ac为混凝土的截面面积，σc为混凝土的纵向压应力)，可得 σc为

表2给出了各钢管的环向和纵向应变以及由式(1)～式(4)求出的钢管混凝土中核心混凝土的横向和纵向自应力。从表2可以看出，随着膨胀剂的掺入，核心混凝土产生了1 MPa左右的横向自应力，这将使结构的密实性显著提高，从而改变组合结构的力学性能。

表2 自应力计算结果

3 结论

1)钢管微膨胀混凝土水化阶段的水化热都是先持续上升达到峰值，接着急剧下降直至趋于室内大气温度，与素混凝土构件水化阶段的水化热具有类似的变化规律。

2)钢管微膨胀混凝土中核心混凝土的膨胀变形前10 d发展较快，而后出现小幅度的收缩变形，15 d后趋于水平。

3)膨胀剂掺量对钢管微膨胀混凝土的限制膨胀性能影响显著，膨胀剂掺量为12%的试件比其他掺量的试件核心混凝土的横向应变大。

4)钢管微膨胀混凝土中核心混凝土在钢管的限制作用下能产生1 MPa左右的横向自应力。

[1]卢哲安，舒贤成，卢卫东，等.钢管高强低热微膨胀混凝土的自应力试验研究[J].中国公路学报，2007，15(1):55-57.

[2]姚武，钟文慧.自密实自动应力钢管混凝土计算分析[J].建筑材料学报，2003，6(4):369-373.

[3]黄承逵，徐磊，刘毅.钢管自密实自应力混凝土短柱轴压力学性能试验研究[J].大连理工大学学报，2006，46(5):696-701.

[4]CHANG X，HUANG C K，JIANG D C.Push-out test of prestressing concrete filled circular steel tube columns by means of expansive cement[J].Construction and Building Material，2009(23):491-497.

[5]韩林海，杨有福，李永进，等.钢管高性能混凝土的水化热和收缩性能研究[J].土木工程学报，2006，39(3):1-9.

[6]冯斌.钢管混凝土中核心混凝土的温度、收缩和徐变模型研究[D].福州:福州大学，2004.

[7]李新生，王刚.钢管约束混凝土轴压短柱承载力的研究[J].铁道建筑，2009(11):114-115.