钢管约束的聚丙烯纤维超高强石渣混凝土的力学性能试验研究

陈国灿 蔡俊青 李海滨

（莆田学院 土木建筑工程学系，福建 莆田 351100）

混凝土的高强高性能化是混凝土发展的趋势，超高强混凝土的研究与应用是近几年研究的热点［1－11］，正因为如此，利用地方原材料和普通成型工艺配制出C100以上高性能混凝土的关键技术，列入建设部发布的“十一五”国家科技支撑计划课题申请指南中.

聚丙烯纤维超高强石渣混凝土是利用来源广泛的地方原材料以低至350kg·m－3的水泥消耗量自主研发的强度超过100MPa且具有优异抗火性能的低碳混凝土，可妥善地解决因高水泥用量引发的混凝土自收缩偏大［3－5］及超高强混凝土的高温爆裂（见图1）等技术难题.然而聚丙烯纤维超高强石渣混凝土仍具有超高强混凝土的高脆性，因此必须用钢管或其它延性材料约束方可扬长避短充分发挥其承载力高的优势.

图1 破坏模式

近几年来，专家学者对钢管混凝土柱的力学性能进行了系统的研究［6－8］，部分成果已列入有关规范的条款［9］，但是研究钢管混凝土、钢管高强混凝土的居多，有关钢管活性粉末混凝土、钢管超高强混凝土柱的力学性能的研究只有零星的成果［6－8］.

钢管混凝土组合后的受力特性与钢管和核心混凝土的力学性能均有着密切的关系.目前超高强混凝土材料的力学特性研究多局限于单向应力状态［3－4］，对于处于等侧压的三向应力状态下混凝土的力学性能研究不多.本文以试件的径厚比和混凝土强度等级为试验参数，通过试验，研究钢管约束下聚丙烯纤维超高强石渣混凝土的力学特性，为系统研究钢管聚丙烯纤维超高强石渣混凝土柱的力学性能奠定基础.

1 试验概况

1.1 试件的制作与养护

钢管选用20号无缝钢管，试件的长径比为3.1，有关参数资料见表1；聚丙烯纤维超高性能石渣混凝土的配合比见表2.试件的制作在莆田学院完成.混凝土搅拌后，先在钢管底部装入部分混合料，然后将钢管竖直放置于磁性振动台上边振动边添料.试件成型后立即用塑料袋包裹密封上端，并静置在室内进行绝湿养护.

表1 钢管聚丙烯纤维超高强石渣混凝土短柱试件参数一览表

表2 聚丙烯纤维超高强石渣混凝土的配合比汇总表

每盘混合料同时留置1组100mm×100mm×100mm和100mm×100mm×300mm的试块，成型后上覆盖塑料薄膜；养护24h拆模后，立即用塑料袋包裹密封，静置于室内与试件同条件绝湿养护.

1.2 构件的测试

试件养护到50d龄期后，托运到中南大学土建学院做测试前的准备工作－磨平试件的端面，粘贴应变片等等.

测试工作在中南大学土木工程安全实验室进行.试验装置见图2.轴向荷载、位移数据由试验机自带的软件自动采集.轴向、横向的应变则通过DH3818静态应变测试仪采集.

图2 加载与量测装置

试验采用分级加载，每级荷载约为极限荷载的1／10，近似取250kN，达到每级荷载后，持荷约1min，达到极限荷载后则采用连续加载，直至试件达到极限变形时，终止试验.

2 试验结果与分析

2.1 构件加载前的宏观特征与分析

目前，在超高强混凝土的研究与应用中存在着盲目追求超高强度而忽视水泥消耗量的误区，单方混凝土的水泥用量普遍偏大，过大的水泥用量不仅浪费日益短缺的石灰石资源，而且还引发了自收缩偏大导致的钢管混凝土界面过早脱空的问题［8］.低碳聚丙烯纤维超高强石渣混凝土由于采用低水泥用量，加上石渣中石粉的填充效应，核心混凝土的收缩量明显减小，钢管与核心混凝土界面也未出现明显的脱空现象.

2.2 构件破坏特征与分析与机理分析

试验过程观察表明，在本次试验参数范围内，所有的试件都呈现剪切“破坏”的特征（见图3）.

图3 钢管约束聚丙烯超高强石渣混凝土的破坏形态

由于聚丙烯纤维超高强石渣混凝土的高脆性，在开裂之前的受压变形过程中，横向应变与纵向应变的比值（即泊松比）接近于常数（见图4），其值（约为0.244）小于钢管的泊松比（0.283），只是在接近破坏时，略有增长，因此，在核心混凝土的泊松比达到钢管的泊松比之前，钢管与混凝土之间的相互作用力比较小，钢管和核心混凝土基本处于单向应力状态.

图4 聚丙烯纤维超高强石渣混凝土的横向应变与纵向应变的关系曲线

当加载至核心混凝土面上的轴向应力接近轴心抗压强度时，核心混凝土内产生了微裂缝并形成破裂面，假如不受任何约束，外加荷载增大后，超高强混凝土即产生剪切破坏（见图1（b））；但在钢管约束的混凝土中，随混凝土泊松比的增大，钢管内聚丙烯纤维超高强混凝土与钢管之间的相互作用力随着增大，延性钢管对核心混凝土约束增强，延缓了剪切破坏的产生，所以，试件破坏时出现较明显的剪切变形（见图3）.

2.3 试件的变形性能分析

钢管约束的聚丙烯纤维超高强石渣混凝土的荷载－平均应变曲线见图5.可见，在试验参数范围内，无论含钢率高低，套箍指标大小，试件都有比较大的压缩变形，实测试件的峰值应变和最大压缩应变实测值分别达到0.968%～2.074%和8.67%～23.849%（见表1）.

图5 荷载－平均轴向应变关系曲线

因此，聚丙烯纤维超高强石渣混凝土用钢管约束后，脆性性能得到显著的改善.

2.4 核心混凝土强度增长率

根据叠加计算理论，考虑核心混凝土承载力提高后试件的极限承载力计算公式［12］是

所以，受钢管约束的核心混凝土的强度增长率η为

根据试验数据内在的特征，设钢管约束超高强混凝土的强度增长率η与套箍指标θ满足线性关系

式中，α和b为参数.

假设残差ei＝ηi－（α＋bθi）数列服从平均值为零，方差为σ2i的正态分布，采用与文献［6］相同的处理方法，a和b由最小二乘法确定，即利用残差平方和 Q（θ，η）＝∑ni＝1e2i最小求得斜率b0和截距a0.

拟合的标准差为

相关系数按下列公式计算:

将14组试验数据代入公式（3）～（7），得到参数α≈0.0，b≈0.65；相关系数r＝0.86382；拟合的标准差SD＝0.08264，显著性水平P＜0.0001.

因此，低碳超高强石渣混凝土在钢管约束下的强度增长率与套箍指标之间成比例关系，见式（8）和图6.

图6 实测数据与计算结果比较图

3 结 语

通过试验研究与分析，得出以下结论:

（1）钢管约束的聚丙烯纤维超高强石渣混凝土的强度增长率与试件的套箍指标成正比，此规律的揭示为研究进一步研究钢管聚丙烯纤维超高强石渣混凝土的力学特性奠定了基础.

（2）采用低水泥用量方案配制的低碳聚丙烯纤维高强石渣混凝土自收缩量小，低碳超高强石渣混凝土与钢管复合组成的钢管超高强石渣混凝土柱可以解决由于自收缩偏大导致钢管高强混凝土界面脱空的问题.

（3）超高强石渣混凝土用延性的钢管约束后，其脆性性能得到显著的改善，实测试件的峰值应变和最大压缩应变实测值分别达到0.968%～2.074%和8.67%～23.849%，变形能力显著增强.

（4）在核心混凝土的泊桑比达到钢管的泊松比（0.283）之前，核心混凝土内产生的微裂缝已经形成破裂面，由于受钢管的抑制，剪切破坏延缓发生，所以试件破坏时出现剪切破坏的特征.

（谢辞:本文是在中南大学防灾科学与安全技术研究所博导徐志胜教授的指导下完成，中南大学博士生、莆田学院杨智硕讲师，莆田学院的杨丽娟、汤伟红、龙小湖等同学参与了试件的制作，此外，学报编辑和审稿专家也提出了中肯的修改意见，谨致以诚挚的谢意.）

［1］朱春银，张云升，高建明.超高性能混凝土的制备与物理力学性能研究［J］.混凝土与水泥制品，2010（1）:13－15.

［2］陈国灿.低碳超高强石渣混凝土的抗火性能研究［J］.武汉工程大学学报，2010，32（11）:36－41.

［3］陈国灿.低碳超高强石渣混凝土的力学性能试验研究［J］.佳木斯大学学报:自然科学版，2010，28（5）:693－697.

［4］蒲心诚.超高强高性能混凝土［M］.重庆:重庆大学出版社，2004.

［5］冯乃谦.高性能混凝土与超高性能混凝土的发展和应用［J］.施工技术，2009，38（4）:1－6.

［6］陈国灿.钢管聚丙烯纤维超高强石渣混凝土短柱的静力特性［J］.武汉大学学报:工学版，2010，43（5）:617－622.

［7］陈国灿，徐志胜.预制钢管超高强石渣混凝土叠合柱的轴压试验［J］.厦门大学学报:自然科学版，2010，49（6）:819－825.

［8］蔡绍怀.现代钢管混凝土结构（修订版）［M］.北京:人民交通出版社，2007.

［9］陈国灿.低碳超高强石渣混凝土的配制技术研究［J］.湘潭大学:自然科学学报，2010:32（4）:1－6.

［10］陈国灿.钢管约束的低碳超高强石渣混凝土的力学性能［J］.武汉工程大学学报，2010，32（12）:56－59.

［11］陈国灿，徐志胜.高温后钢管超高强石渣混凝土短柱的轴压性能［J］.三峡大学学报:自然科学版，2010，32（6）:36－41.

［12］中国工程建设标准化协会标准.高强混凝土结构技术规程［S］.北京:中国计划出版社，1999.