钢管微膨胀混凝土界面粘结性能的试验研究.pdf

第 3 7卷第 4期 2 0 1 1 年 8月 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 9 钢管微膨胀混凝土界面粘结性能的试验研究 陈学嘉 ， 袁 方 ， 陈梦成 ， 许开成 ( 1 南昌工程学院土木与建筑工程学院， 江西 南昌3 3 0 0 9 9 ； 2 华东交通大学土木建筑学院， 江西 南昌3 3 0 0 1 3 ) 摘要： 对 4根钢管微膨胀混凝土短柱和 3根普通钢管混凝土短柱先后进行了收缩 膨胀性能和推出试验的研究。试验结果 表明， 由于膨胀剂的掺入， 核心混凝土在钢管的限制作用下产生了一定的预压应力， 膨胀剂掺量和水灰比对钢管微膨胀混凝 土的限制膨胀性能有重要影响， 核心混凝土中的预压应力能有效提高钢管混凝土短柱的界面粘结强度。根据推出试验结果， 分析了粘结破坏的发展过程； 给出了试件的荷载一滑移曲线； 最后建议了一种新的改善组合结构界面粘结性能的方法。 关键词： 收缩 膨胀性能 ； 粘结强度； 推出试验； 微膨胀 中图分类号： T U 5 2 8 5 9 文献标识码： A 文章编号： 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 1 ) 0 4一 O O 90 4 Pus h o u t t e s t o n bo n d pr o pe r t y o f mi c r o - e x pa n s i v e c o n c r e t e - fil l e d s t e e l t u b e c o l u m n s C H E N Xu e j i a ， Y U A N F a n g ， C H E N Me n g c h e n g ， XU K a i c h e n g ( 1 S c h o o l o f C i 6 1 E n g i n e e ri n g a n d A r c h i t e c t u r e ， N a n c h a n g I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ， N a n c h a n g 3 3 0 0 9 9 ， C h i n a ； 2 S c h ool o f C i 6 1 E n g i n e e ri n g a n d A r c h i t e c t u r e ， E a s t C h i n a J i a o t o n g U n i v e r s i t y ， N a n c h a n g 3 3 0 0 1 3 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h e s h ri n k a g e e x p a n s i o n b e h a v i o r s a n d b 0 n d c a r r y i n g c a p a c i t i e s o f 4 s h 0 r t mi c r o - e x p a n s i v e c o n c ret e fi l e d s t e e l t u b e c o l u mn s a n d 3 s h o r t c o n v e n t i o n a l c o n c r e t e - fi l l e d s t e e l t u b e c o l u mn s w e re e x p e r i me n t a l l y i n v e s t i g a t e d T h e res u l t s i n d i c a t e t h a t p re s t r e s s i s p r o d u c e d i n t h e C O re c o n c r e t e u n d e r t h e c o n f i n e d b y t h e s t e e l t u be B o t h e x p a n s i v e a g e n t a n d w a t e r c e me n t r a t i o h a v e i mp o r t ant i n flu e n c e o n e x p a n s i v e b e h a v i o r s o f mi c r o e x p a n s i v e c o n c r e t e - fi U e d s t e e l t u b e s p e c i me n s T h e p r e s t r e s s i n c o n c r e t e C O re c a l l i mp r o v e t h e b o n d s t r e n g t h e f f e c t i v e l y Ba s e d o n t h e p u s h - o u t t e s t r e s u l t s ， t h e d e v e l o p i n g p r o c e s s o f b o n d b r e a k a g e Was a n a l y z e d a n d t h e l o a d - s l i p c u t w e s o f e a c h s p e c i me n w e re o b t a i n e d F i n a l l y， a I I e w me t h o d t o i mp rov e t h e be n d s t r e n g t h o f c o mp o s i t e s t mc t u r e s wa s r e c o mme n d e d Ke y wo r d s ： s h rin k a g e e x p a n s i o n b e h a vio r ； b o n d s t r e n g t h； p u s h - o u t t e s t ； mi c r o - e x p a n s i v e 0 前言 在建筑结构中， 作用在梁上的竖向荷载通过梁 柱节点传递给柱， 若采用钢管混凝土柱， 梁端的剪力 首先传递给钢管， 再通过钢管与混凝土的粘结力经 过一定距离逐渐传 人管 内混凝土。因此 ， 钢管与混 凝土之间的粘结力是保证钢管混凝土构件中钢管与 混凝土整体共同工作的基础 J 。然而 ， 结构在加工 成型的过程 中， 必然会在结构内部或表面产生微小 的缺陷， 即初始损伤。这些初始损伤在外部因素的 作用下会不断积累合并， 使材料性能不断劣化， 结构 出现宏观裂缝 ， 最终导致结构破坏。 收稿 日期 ： 2 0 1 0 -0 6 - 2 2 作者简介： 陈学嘉( 1 9 7 2 一) ， 女， 江西南昌人， 工程师， 主要从事建筑 工程与管理方面的研究。 基金项目： 国家 自然科学基金 ( 5 0 9 6 8 0 0 6 ) ； 江西省 自然科学基金 ( 2 0 0 9 G Z C 0 0 2 1 ) ； 江西省教育厅项 目( G J J 0 8 5 0 1 ) Ema l l ： x k c 1 6 3 t o n i C h a r l e s 指出： 混凝土 的收缩是影 响钢管混凝 土界面粘结强度的重要 因素 ， 收缩不仅会导致结构 缺陷， 而且会影响混凝土的耐久性。对于普通钢管 昆 凝土， 核心混凝土的收缩会导致界面粘结劣化甚 至两者分离。在核心混凝土中添加膨胀剂形成的微 膨胀混凝土能够有效地克服这个缺 陷， 微膨胀混凝 土不仅能补偿混凝土的收缩 ， 而且在钢管的限制作 用下能产生一定 的预压应力 J ， 这 将有助于改善钢 管与混凝土之间的粘结性能。 以往有不少学者对钢管混凝土界面粘结性能方 面的研究做了不少工作； 国内外已经进行了比较多 的试验研究 ， 但均以钢管普通混凝土为基础， 对 钢管微膨胀混凝土界面性能的研究较少。 因此， 本文尝试了一种新的通过添加膨胀剂形 成的微膨胀混凝土来改善界面粘结性能的方法。本 工作先对钢管微膨胀混凝土的限制膨胀性能进行了 分析， 随后对 3 根普通钢管混凝土构件和4根钢管 1 0 四川建筑科学研究 第 3 7卷 微膨胀混凝土构件进行了推出试验。 1 试验方法 以水灰比和膨胀剂掺量为参数， 本文设计 了7 种不同配合比的混凝土， 配合比见表 l 。其中 a ， b 和 C 为水灰 比分别为 0 3 5 ， 0 4和 0 4 5的普 通混凝土 ， 其他 4种为微膨胀混凝土 ， 采用 内掺法 ， 即膨胀剂等量替代水 泥含量 ， b ， d 和 f 水胶 比相同， 但膨胀剂掺量分别为胶凝材料的 0 ， 8 和 1 2 ； e ， f 和 g 在 a ， b 和 c 的基础 上， 均掺加占胶凝材料含量 1 2 的膨胀剂。 表 1 混凝土 配合比 Ta b l e I Co n c r e t e mi x p r o p o r t i o n s 编 号 志 1 6 0 4 5 7 2 0 1 9 0 4 7 5 0 1 9 0 4 2 2 5 0 1 9 0 4 3 7 3 8 1 6 0 4 o 2 2 5 5 1 9 O 4 1 8 5 7 1 9 0 3 7 1 8 5 0 7 6 1 9 5 2 0 5 5 7 2 5 2 0 5 6 1 9 5 2 0 5 5 7 2 1 1 4 9 6 1 2 1 4 5 1 2 1 5 5 1 2 1 4 5 1 1 4 9 6 1 2 1 4 5 1 21 5 5 1 42 5 0 0 0 1 4 2 5 O O 试件在浇筑 的时候 ， 将钢管竖立于平整的钢板 上， 通过漏斗向钢管内浇筑混凝土， 用振捣棒充分振 捣， 混凝土浇筑至离钢管顶端 2 0 m m位置时， 将混 凝土表面抹平 ， 试块与试件均为 自然养护。 首先考察 的是微膨胀混凝土 的限制膨胀性能。 在钢管两相邻外表面布置规格为 3 5 m m 的纵 向 应变片， 位置如 图 1所示， 用 D H 3 8 1 6静态应变数据 采集箱对钢管的应变进行采集。同时， 在混凝土内 部预埋 J M Z X 2 1 5应变计， 在各试件的中心位置布 置一个横向应变计， 用一台 J M Z X一 3 0 0 1型综合智 能读数测试仪对混凝土 的应变进行观测 ， 前 7 d每 天采集 4次数 据 ， 以后每天采集 1次， 持续观测 3 3 do 推出试验的装置如 图 1所示 。采用微机控制电 图 1 推 出试验装 置 Fi g1 Pus h o ut t e s t ar r ang e me nt 液饲服试验机分级加载 。加载时先 预先加载 5 k N， 使试件与仪器之间挤压紧密 ， 然后卸载， 再采用慢速 连续加载， 开始记录数据。在加载初期， 每级加载约 为极限荷载的1 1 0 ， 加载速度控制在5 0 0 N s ， 持荷 2 3 m in ， 当钢管与核心混凝土之间出现了明显的 非线性滑动后 ， 加载速度变为 2 0 0 N s ， 缓慢连续加 载直至试验结束。在加载端两端分别布置了一个百 分表 ， 量测钢管和混凝土界面的相对滑移， 在试验机 上直接读出荷载值， 由此绘出 尸 一s曲线。试件的 具体参数见表 2 。 表2 试件尺寸和试验结果 T a b l e 2 S u m ma r y o f t es t s p e c i me n s a n d r esu l t s 钢管边长 钢管长度 钢管壁厚 破坏荷载 粘结强度 破坏滑移量 D mm I ll r !l 7 ln l n k N r MP a S mm 2限制膨胀性 能 图2 ， 3 分别给出了 b ， d 和 f 试件混凝土 和钢管横向应变一时间曲线， 不难看出， 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， 核心混凝土不断膨胀， 而 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 ， 1 5 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能产生一 定的预压应力。图3 还表明， f 试件中钢管横向应 变最大 ， 说明膨胀剂掺量对 核心混凝土的限制膨胀 率有一定 的影 响， 即膨胀剂掺量越大，限制膨胀率 就越大。 1 8 0 1 2 0 6 0 2 0 一 6 0 1 2 0 1 8 O 一 图2 b ， d和 f 混凝土横向应变一时间曲线 Fi g 2 Ti me - de pe nd e nt t r ans v e r s a l s t r ai n pl o t o f c o n c r e t e c o r e f o r s p e c i me n s b。d a n d f 埘 L m L L 舢 强 仉n m 5 4 3 5 l 鸵 s 撕 弭 4 4 4 4 4 4 4 鲫啪 咖 咖 陈学嘉， 等： 钢管微膨胀混凝土界面粘结性能的试验研究 1 6 0 1 2 0 8 0 一 4 0 0 l 0 0 6 1 2 I 8 2 4 3 O 3 6 f ，d 图3 b 。d和 f 钢管横向应变一时间曲线 F i g 3 Ti me - d e p e n d e n t t r a n s v e r s a l s t r a i n p l o t o f s t e e l t ub e f o r s p e c i me n s b。d a n d f 试件 e ， f 和 g 的钢管横向应变一时间曲 线如图4 所示。这 3 根试件的膨胀剂掺量均为胶凝 材料含量的 1 2 ， 但是水胶比不同， 分别为 0 3 5 ， 0 4和 0 4 5 。 1 6 0 1 2O 、 。 2 8 0 4 0 O O 6 1 2 1 8 24 3 0 3 6 t | d 图4 e 。 f 和 g 钢管横向应变一时间曲线 Fi g 4 Ti me - d e p e n d e n t t r a n s v e r s a l s t ra i n p l o t o f s t e e l t u b e f o r s pe c im e n s e ，f a n d g 图 4表明 ， 水胶 比对核心混凝土的限制膨胀性 能有一定的影响 ，水胶 比越大 ， 钢管外壁横 向应变 越小。这主要是因为由于自应力的存在， 水胶比越 大， 更多的膨胀能消耗于填充孑 L 隙中， 同时， 水胶 比 的增大也降低了其强度， 导致徐变和弹性应变增加 ， 故而降低了限制膨胀率 。 3 推 出试 验结果与分析 3 1 试验现象 试验刚开始加载阶段， 可以听到轻微的响声， 加 载端有微小的滑移， 随着荷载的增加， 滑移也不断增 大， 两者成线性增长 。到粘结破坏前， 随着突然 的脆 性 响声 ， 混凝土开始均匀滑移 ， 并伴有混凝土碎屑掉 落， 当滑移速度明显增大时， 荷载一滑移曲线出现拐 点， 这时， 界面粘结应力达到极限粘结强度。之后， 荷载缓慢增加， 滑移增长迅速， 直至试验结束。整个 试验过程中， 钢管没有出现屈曲现象， 试件的典型破 坏形态如图5所示 。 图 5 粘结破坏模式 Fi g 5 Th e t y p i c a l b o n d f a i l u r e o f t h e p u s h - o u t t e s t 3 2 参数变化对荷载一滑移曲线的影响 粘结强度可定义为 ： 丁 =FN 4 DL 式 中 为粘结破坏荷载 ； D为钢管边长 ； 为钢 管和混凝土的界 面长度。按照上式 ， 所 有试件 的粘 结强度试验值列于表2 。 图6 给出了 b ， d 和 f 试件的荷载一滑移 曲线 。 2 50 2 00 互l 5 0 、 繇 柱 1 0 0 50 0 0 4 8 l 2 1 6 位移 mm 图6 b ， d和 f 荷载一滑移曲线 Hg 6 Lo a d - s H p d i s p l a c e me n t c u r v e for s p e c im e n s b，d a n d f 从图 6中可以看 出， 普 通钢管混凝土构件 b 与钢管微膨胀 混凝 土 d 和 f 的差异较大。普通 钢管混凝土构件的界面承载力明显小于钢管微膨胀 混凝土构 件， d 和 f 的粘 结 破坏 荷载 分别 为 1 7 1 3和 1 8 2 k N ， 而 b 的粘结破坏荷载仅为粘结 强度的 1 3 2 k N， 这说明， 核心混凝土的限制膨胀率 越大， 界面承载力便越大， 分析认为， 主要原因在于： 1 ) 由于膨胀剂的掺入， 核心混凝土在水化过程 中发生膨胀 ， 这些膨胀不断 向界面的表 面和 凹陷发 展， 在使得混凝土更加密实的同时， 也填充了界面的 缺陷部位， 从而使碍钢管和混凝土界面之间的机械 l 2 四川建筑科学研究 第 3 7卷 咬合力大大提升 ； 2 ) 膨胀混凝土的预压应力使得钢管和混凝土 之间的法向力大大增加 ， 而摩 擦力与法 向力 的大小 成正 比关系 ， 因此 ， 界面摩阻力也会相应增加。 试件 e ， f 和 g 的荷载一滑移曲线如图7 所示。这 3 根试件具有相同的钢管尺寸和膨胀剂掺 量， 不同的是 ， 混凝土的水胶比分别为 0 3 5 ， 0 4和 0 4 5 。试 件 e ， f 和 g 的粘 结 破 坏 荷 载 为 1 9 3 5 ， 1 8 2和 1 7 4 1 k N， 粘结强度 为 0 5 5 ， 0 5 2和 0 4 9 MP a 。很明显 ， 水胶 比越大， 粘结强度越小。这 是因为水胶比越大， 核心混凝土的限制膨胀率越小， 核心混凝土的预压应力越小， 进而降低了界面粘结 强度。 25 0 2O O 5 0 、 襄 5 O 0 0 4 8 1 2 1 6 位移 ， 图 7 e f 和 g 荷载一滑移 曲线 F i g 7 Lo a d - s l i p d i s p l a c e me n t c u r v e f o r s p e c i me n s e 。f a nd g 3 3 钢管外表面应变沿长度的分布规律 图 8给出了试件 e 钢管外表面的纵 向应变沿 长度的分布规律 。 2 0 0 1 5 O Z 京 1 0 0 5 0 0 0 1 0 0 20 0 30 0 4 00 5 0 0 s，l 0- 6 图8 试件 e 钢管外表面应变分布 F i g 8 Lo a d - s t r a i n r e l a t i o n s h i p s for s p e c i me n e 可见， 在初始加载阶段， 钢管表面纵向应变差值 相对较小 ， 表明钢管与核心混凝土之间的应 变是连 续的， 试件任何部位均未发生相对位移。随着荷载 逐步增大， 核心混凝土所承受 的轴 向荷载逐渐通过 钢管和混凝土之间的界面粘结传递给钢管， 钢管底 部纵向应变与顶部纵向应变差值越来越大， 钢管与 核心混凝土应变的连续性遭到破坏 ， 两者之间发生 界面滑移。 4 结 论 1 ) 对于钢管微膨胀混凝土， 膨胀剂掺量和水灰 比都会影响核心混凝土的限制膨胀变形。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， 1 5 d 后基本保持不变。 2 ) 试验结果表明， 钢管微膨胀混凝土的粘结强 度是普通钢管混凝土的 1 3 61 3 8倍 ， 界面粘结强 度随着核心混凝土的限制膨胀率的增大而提高， 为 钢管混凝土粘结强度的设计提供了参考数据。 参 考 文 献： 1 韩林海 钢管混凝土结构一理论与实践 M 2版 北京： 科学 出版社， 2 0 0 7 2 R o e d e r C Q ， C a m e r o n B ， B ro w n C B C o m p o s i t e a C O N i n c o n c r e t e fi l l e dt u b e s J J o u rn al o f S t r u c t u a l E n gi n e e ri n g ， 1 9 9 9 ， 1 2 5 ( 5 ) ： 4 7 7 - 4 8 4 3 C h a n g x， H u a n g C K ， J i a n g D C， S u n g Y C P u s h o u t t e s t 0 f p r e s t r e s s i n g c o n c ret e fi l l e d c i r c u l a r s t e e l tub e c o l u mn s b y me a n s u f e x p a n s i v e c e m e n t J C u n s t m c t i u n a n d B u i l d i n g M a t e r i a l ， 2 0 0 9 。 2 3 ： 49 1 -49 7 4 S h a k i r K H P u s h o u t s t r e n g t h o f c o n c r e t e - fi l l e d s t e e l h o l l o w s e c t i o n s J T h e S t r u c t u r a l E n g i n eer ， 1 9 9 3 ， 7 1 ( 1 3 ) ： 2 3 0 - 2 3 3 5 S h a k i r K H R e s i s t a n c e o f c o n c re t e fi l l e d s t e e l tu b e s t o p u s h - o u t f o r c e s J T h e S t r u c t u r a l E n g i n e e r ， 1 9 9 3 。 7 1 ( 1 3 ) ： 2 3 4 - 2 4 3 6 刘永健， 池建军 钢管混凝土界面抗剪粘结强度的推出试验 J 工业建筑， 2 0 0 6 ， 3 6 ( 4 ) ： 7 8 - 8 0 7 杨有福 ， 韩林海 矩形钢管 自密实混凝 土的钢管一混凝土界 面 粘结性能研究 J 工业建筑 ， 2 0 0 6， 3 6 ( 1 1 )： 3 2 - 3 6 8 刘永健 ， 刘君 平 ， 池建军 钢 管混凝 土界 面抗剪粘结 滑移 力学 性能试验 J 广西大学学报， 2 0 1 0 ， 3 5 ( 1 ) ： 1 7 - 2 3 9 黄杰， 薛建阳， 赵鸿铁， 等 方钢管混凝土粘结强度试验研究 J 建筑科学与工程学报， 2 0 1 0 ， 2 7 ( 1 ) ： 4 3 -4 8 1 0 尚作庆， 黄承逵 钢管限制对 自 应力混凝土膨胀的影响 J 建 筑材料学报 ， 2 0 0 7 ， i 0 ( 3 ) ： 3 0 7 1 2