膨胀剂掺量和含钢率对钢管混凝土徐变性能的影响

张戎令，王起才，马丽娜，龙广成，葛 勇，杨 阳

（1.兰州交通大学 土木工程学院，甘肃 兰州 730070；2.中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075）

钢管混凝土技术将钢材强度高和延性大的特点与混凝土的高抗压性进行复合，组成钢混结构，同时发挥两者的受力优点，是一种有效的材料复合技术.因此，在高层房屋结构、多层工业厂房、高架输电塔和大跨桥梁工程等结构中得以大量应用.混凝土在长期荷载作用下，其变形随时间而不断增长的现象称为徐变.在实际结构中，徐变引起结构变形和内力重分布等突出问题，直接影响到结构的长期使用性能和设计寿命.因此，徐变效应对钢管混凝土组合结构受力行为的影响引起了工程界的普遍关注.关于混凝土收缩徐变，张戎令等［1－5］研究了侧向约束、应力比及复配外加剂对钢管混凝土收缩徐变性能的影响；肖建庄等［6］试验研究了不同再生粗骨料取代率下再生混凝土的收缩与徐变规律；也有学者从不同掺和料、计算模型和计算方法方面研究了混凝土徐变机理，并建立了结构徐变的有限元模型［7－10］.在解释徐变理论方面［11］，主要有黏弹性理论、渗出理论、黏性流动理论、内力平衡理论及微裂缝理论等；钟善桐［12］根据试验结构计算出了轴压短柱徐变变形的经验公式；王元丰［13］建立了钢管混凝土轴心受压构件以及变应力作用下高性能混凝土的徐变模型；韩林海等［14］采用龄期调整的有效弹性模量法，对钢管混凝土轴压构件的徐变特性进行了理论研究.

由于钢管混凝土为组合结构，为防止混凝土收缩，与钢管脱黏，需在核心混凝土中添加膨胀剂.目前关于膨胀剂掺量和含钢率对钢管混凝土徐变性能的影响及其内在联系的研究较少.

本文重点分析膨胀剂掺量（质量分数，文中涉及的掺量、水胶比等除特别注明外均为质量分数或质量比）和含钢率（面积分数，钢管与混凝土的截面面积比）对钢管混凝土徐变性能的影响，并通过扫描电镜对不同膨胀剂掺量的钢管混凝土的水化程度和矿物组成进行对比，分析膨胀剂对钢管混凝土徐变影响的机理.同时采用2种计算方式，分析了含钢率对钢管混凝土徐变性能影响的原因.

1 试验

1.1 原材料

水泥：天山P·O 42.5 低碱硅酸盐水泥；粉煤灰：玛纳斯电厂产Ⅰ级F 类；S95矿粉：雁池新型建材产；细骨料：兵团建设集团沙场的天然砂，细度模数为2.9；粗骨料：鑫宝矿山开发中心破碎玄武岩，5～20mm连续级配；拌和水：自来水.试验前将所有原材料的性能进行了实测，以便准确分析膨胀剂掺量在原材料一定的情况下，对钢管混凝土徐变性能的影响规律.水泥、拌和水、粉煤灰、矿粉和粗细骨料各项性能指标实测值见表1～4.减水剂和引气剂：北京建筑工程研究院产AN 4000聚羧酸减水剂和AN 1引气剂；膨胀剂：UEA－H 型.掺外加剂混凝土的各项实测指标见表5，6.

表1 低碱硅酸盐水泥性能指标Table 1 Performance indexes of low alkalinity silicate cement

表2 拌和水水质分析Table 2 Water quality analysis

1.2 变化参数及试验方法

钢管混凝土中钢管直径分别为88，140，219mm，其中直径为140mm 的钢管长度有350，500mm 两种，壁厚分别为1.3，2.2，3.0mm；其余直径的钢管长度为500mm，壁厚为2.0mm；混凝土水胶比为0.3，膨胀剂P1，P2 和P3 掺量分别为4%，8%和12%.钢管混凝土配合比详见表7.

表3 矿渣粉和粉煤灰性能指标Table 3 Performance indexes of slag and fly ash

表4 粗细骨料性能指标Table 4 Performance indexes of gravel and medium sand

表5 掺引气剂和聚羧酸减水剂的混凝土性能指标Table 5 Performance indexes of concrete with air entraining agent and polycarboxylic water－reducer

表7 膨胀剂掺量不同时钢管混凝土配合比Table 7 Mix proportion with different expanding agent contents of CFST kg／m3

根据GB／T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》测得混凝土的徐变度（徐变度计算公式见式（1））.试件标准养护28d后采用弹簧式三杆徐变仪进行加载，钢管与混凝土同时受荷，施加的长期荷载为235.3kN.用千分表测量钢管混凝土的徐变变形量，试验温度为（20±1）℃.

式中：Ct为加载t时间后的混凝土徐变度，MPa－1；δ为徐变应力，MPa；ΔLt为加载t 时间后的总变形值，mm；ΔL0为加载时测得的初始变形值，mm；Lb为测量标距，mm；εt为同龄期的收缩值，mm／m.

试验装置示意图见图1.

2 试验结果与分析

2.1 膨胀剂掺量对钢管混凝土徐变度的影响

含钢率α 分别为3.8%，6.6%和9.2%时膨胀剂掺量对钢管混凝土徐变度的影响规律如图2所示.

图1 试验装置示意图Fig.1 Sketch map of test equipment

图2 膨胀剂掺量对钢管混凝土徐变度的影响Fig.2 Influence of expanding agent contents on creep degree of CFST

由图2可见，在含钢率一定的情况下，随着膨胀剂掺量的增加，钢管混凝土的徐变度有所减小.当膨胀剂掺量为4%时，徐变度最大；膨胀剂掺量为8%时，徐变度次之；膨胀剂掺量为12%时，徐变度最小.膨胀剂掺量8%与12%的钢管混凝土徐变度相差不大，两者较为接近.这说明在钢管混凝土结构中，不能一味地依靠增加膨胀剂掺量来补偿钢管混凝土的收缩效果.在实际结构工程中应根据当地材料和泵送要求等选择膨胀剂的最优掺量.

2.2 含钢率对钢管混凝土徐变度的影响

文献［13］认为在相同应力级别下，钢管混凝土的徐变度不随含钢率的增大而减小.但文献［12］认为在相同应力级别下，钢管混凝土的徐变度随含钢率的增大而减小；在一定的应力级别下，钢管混凝土的应力随含钢率的增大而增加，致使结构徐变度增大，同时钢管对混凝土的约束作用亦增大，又使得结构徐变度减小.在这两种情况共同作用下，钢管混凝土徐变度的增减作用互相影响，因此单在同一应力级别下研究含钢率与钢管混凝土徐变度的关系，可能不具有可比性［13］.为此，本文进行了相同荷载下含钢率与钢管混凝土徐变度关系的研究.

相同荷载（235.3kN）下含钢率对钢管混凝土徐变度的影响规律如图3所示.

由图3可见，增大含钢率，钢管混凝土的徐变度有所减小.这是因为增大含钢率后，钢管可以较多承担外部荷载，使钢管混凝土中核心混凝土受力减小，进而使钢管混凝土徐变度减小.由图3还可见，膨胀剂掺量为4%的钢管混凝土徐变度总体高于膨胀剂掺量为12%的钢管混凝土.综合分析徐变度的变化趋势后认为，膨胀剂掺量和含钢率共同影响钢管混凝土的徐变性能，在膨胀剂掺量不同的情况下，含钢率对钢管混凝土徐变度的影响并不相同.

3 机理分析

3.1 膨胀剂掺量对钢管混凝土徐变性能的影响机理

采用膨胀剂掺量分别为4%，8%和12%的水泥浆在水胶比一定的条件下成型，标准养护28d后，将试样经抽真空和喷金处理，在扫描电镜（SEM）下观测剖断面形貌，见图4.

图3 含钢率对钢管混凝土徐变度的影响Fig.3 Influence of steel ratios on creep degree of CFST

由图4可见，当膨胀剂掺量为4%时，水泥净浆中的钙矾石（AFt）呈短细小针状，杂乱分布，水泥石整体结构较为疏松；当膨胀剂掺量为8%时，AFt为细针状，簇生于水泥石成型时的残留气泡、水泥浆体中的毛细孔、接触处的孔穴及水泥浆体的微裂纹中，水泥石整体结构较为致密；当膨胀剂掺量为12%时，大量花状或棒状AFt簇生于孔隙中，水泥石整体结构密实.这是由于膨胀剂的主要成分为明矾石和石膏，在水泥水化过程中，膨胀剂反应生成钙矾石所需的CaSO4由膨胀剂自身带入，反应中所需的氢氧化钙（CH）由C3S 和C2S 水化反应生成，水化反应的加速进行使水泥强度和膨胀发展相对较协调，形成大量钙矾石.膨胀剂一方面通过生成的钙矾石微膨胀起到补偿收缩的作用；另一方面通过钙矾石填充于结构孔隙中，使水泥石更加密实.前文研究表明，钢管混凝土的徐变度随着膨胀剂掺量的增加而减小.这是由于膨胀剂掺量的增加，提高了核心混凝土的密实性，混凝土越密实，钢管套箍效应越好，混凝土三向受力越明显，进而加强了钢管和混凝土的界面黏结力，使内力传递更加均匀，提高了结构刚度，有效地减小了钢管混凝土的徐变度.由图4还可看出，膨胀剂掺量为8%和12%时水泥净浆的致密程度相差不大，这也印证了膨胀剂掺量为8%，12%时钢管混凝土徐变度较为接近的结论.

图4 不同膨胀剂掺量下水泥净浆28d龄期时的SEM 照片Fig.4 SEM photos of cement paste with different expanding agent contents at 28dage

3.2 不同膨胀剂掺量的水泥净浆成分分析

提取水泥净浆水化产物，用射线能量色散谱仪（EDS）进行能谱分析，其EDS图谱见图5，不同膨胀剂掺量下水泥净浆中元素组成见表8.

由图5和表8可以看出，由于膨胀水泥石中含有钙矾石类的膨胀材料，因此在基体中S元素和Al元素的含量随着膨胀剂掺量的增加而增加；在膨胀水泥石中Si元素的质量分数随着膨胀剂掺量的增加而增加，Ca元素的质量分数则随着膨胀剂掺量的增加而降低.原因可能是膨胀剂中含有较高比例的Si元素，膨胀剂掺量高，水泥石中Si元素含量就高，有利于生成C－S－H 凝胶［15］，提高结构致密程度.

图5 不同膨胀剂掺量的水泥净浆能谱成分分析谱Fig.5 Power spectral analysis of cement paste with diferent expanding agent contents

表8 不同膨胀剂掺量下水泥净浆中元素组成Table 8 Element compositions（by mass）of cement paste with different expanding agent contents %

3.3 含钢率对钢管混凝土徐变性能的影响机理

在膨胀剂掺量为4%，8%和12%的情况下，研究了含钢率（直径相同，壁厚不同；直径和壁厚均不同2种形式）为3.8%，4.1%，6.6%，9.2% 和10.8%在相同荷载下对钢管混凝土徐变度的影响.为节省篇幅本文以钢管直径相同、壁厚不同为例，浅析含钢率对钢管混凝土徐变性能的影响机理.目前较为常用的2种钢管混凝土受力计算方法有：方法Ⅰ，考虑钢管对混凝土的套箍作用，将钢管混凝土按照组合结构进行受力特性计算，即按照组合弹性模量［16］进行计算；方法Ⅱ，按照钢筋混凝土结构设计理论，采用叠加法得到换算刚度［16］，将钢管换算成混凝土来计算钢管混凝土的力学特性.本文亦采用这2种计算方法进行对比说明，详见表9.

由表9可以看出，按照组合结构计算方法（方法Ⅰ）计算钢管混凝土受压力学特性时，考虑了套箍效应，致使在相同荷载作用下，尽管加载应力相同，但钢管混凝土组合结构的抗压强度还是随着含钢率的增加而增加，因此应力比随着含钢率的增加而减小；按照弹性模量比换算截面计算方法（方法Ⅱ）计算钢管混凝土受压力学特性时，虽然在相同荷载作用下将钢管换算成混凝土，使混凝土抗压强度相同，但其加载应力随着含钢率的增加而降低，因此应力比也随着含钢率的增加而降低.由此可知，无论采用哪种计算方法，由于同直径的钢管混凝土钢材含钢率随着壁厚的增加而增加，因此在相同荷载下，混凝土受到的荷载随含钢率的增加而减小，故造成钢管混凝土在相同荷载下的徐变度随含钢率的增加而减小的主要原因有两方面：一是相同荷载下，混凝土应力随着含钢率的增加减小；二是随着壁厚的增加钢管对混凝土的约束增加，限制了混凝土的变形.

表9 钢管混凝土受力计算方法对比Table 9 Comparison of different calculation method of loading stress of CFST

4 结论

（1）钢管混凝土在含钢率、配合比等一定的情况下，徐变度随着膨胀剂掺量的增加而减小.但钢管混凝土徐变度未随着膨胀剂掺量的增加成比例减小.因此实际应用时应选择适当的膨胀剂掺量.

（2）膨胀剂的主要成分是明矾石和石膏，两者反应生成钙矾石.钙矾石一方面通过微膨胀补偿水泥石收缩；另一方面填充在孔隙中，使水泥石更加密实.

（3）在原材料、配合比及荷载等一定的情况下，钢管混凝土徐变度随含钢率的增加而减小.主要原因为：等荷载下混凝土应力随着含钢率的增加而减小；随着壁厚的增加，钢管对混凝土的约束增加，限制了混凝土的变形.

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