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l 38 铁道建筑 Ra i l wa y Eng i n e e r i ng 文章 编号 ： 1 0 0 3 1 9 9 5 ( 2 0 1 5 ) 0 7 0 1 3 8 0 4 膨胀剂对钢管混凝土瞬时变形和徐变的影响 祁璐 帆 ， 王起 才 ， 张戎令 ， 杨 阳， 张 少华 ( 兰州交通大学 土木工程学院 ， 甘肃 兰州 7 3 0 0 7 0 ) 摘要 ： 钢 管混凝 土 中掺 入膨 胀 剂可 以补偿核 心 混凝 土 的收 缩 ， 防止 钢 管和 混 凝 土脱 粘 ， 并 且 产 生一 定 的 膨胀初应力， 从而改善钢管混凝土的受力性能。为了考察膨胀剂掺量对钢管混凝土轴压变形的影响 ， 本 文 以膨胀 剂掺 量分 别为 0 ， 4 ， 8 的钢 管 混 凝 土短 柱 为研 究对 象， 对钢 管混 凝 土在 轴 压 下 的 瞬 时 变形 和徐 变进行了试验研 究。结果表明： 膨胀剂会改善钢管混凝土的力学性能 ， 随着膨胀剂掺 量的提 高， 钢 管混凝 土在 轴 压 下的瞬 时 变形 和徐 变相应 减 小。 关键 词 ： 钢 管 混凝 土 膨 胀剂掺 量 瞬 时 变形 徐 变 试 验研 究 中图分类 号 ： T U 5 2 8 5 9文 献标 识码 ： A D O I ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 3 1 9 9 5 2 0 1 5 0 7 3 9 钢管 混凝 土是 在钢 管 中填 充 混凝 土 而 形成 ， 属 于 钢一 混凝 土组合 结构 的一 种 。它利 用钢材 和混 凝土 两 种材料在受力过程 中相互问 的组合作用 ， 充分发挥两 种材料 的优点 ， 可以使混凝土的塑性和韧性大为改善 ， 而且可以避免或延缓钢管发生局部屈 曲， 从而使钢管 混凝 土具有 承载 力 高 、 塑性 和韧 性 好 、 经 济 效 果好 、 施 工方便等优点 。钢管混凝土的技术核心在 于钢管 对混凝土的有效套箍。为 了实现这种有效套箍， 通常 在钢 管核 心混凝 土 中掺 入 明 矾 石类 膨 胀 剂 ， 这 类 膨 胀 剂通过水化生成铝酸钙结 晶( 钙矾石 ) 而致膨胀 ， 在适 当的限制条件下 ， 钙矾石晶体 的生长可以填充混凝土 内部的孔隙， 提高混凝土内部结构的密实度 ， 并且通过 让核心混凝土宏观体积膨胀 ， 补偿核心混凝土 的收缩 和在核 心 混凝土 内部形 成 较 小 自应 力 ， 以维 系 钢 管 与 混 凝 土密切 贴合 并且 使核 心混凝 土在 受力 初期 就处 于 三 向受 压状 态 。 在 钢管 混凝 土方 面 ， 钟 善 桐 提 出 了钢 管 混 凝 土 统 一理 论 ， 得到 了钢 管混 凝 土在 各 种受 力 状 态 下 的 全 过程曲线 ， 比较准确地反 映了这种组合构件 的组合性 能 ； 李 悦等 通过 试验 发 现 钢管 膨 胀混 凝 土 的承 载 力 比钢管 普通 混凝 土 的承 载 力有 所 提 高 ； 郑 舟 军 等 进 行 了在 封 闭钢筒 里灌 装 微 膨 胀混 凝 土 试 验 ， 模 拟 并 研 究 了钢 管混凝 土 桥梁 钢 管 内 混凝 土 的膨 胀情 况 ， 提 出 收稿 日期 ： 2 0 1 5 0 2 1 6 ； 修 回日期 ： 2 0 1 5 0 3 2 5 基金项 目： 国家 自然科学基金资助项 目( 5 1 2 6 8 0 3 2 ) ； 长江学 者和创新团 队发展计划项 目( I R T 1 1 3 9 ) ； 兰州交通大学 青年科 技基 金资 助项 目( 2 0 1 2 0 2 8 ) 作者简介 ： 祁璐帆( 1 9 9 1 一) ， 男 ， 甘肃 和政人 ， 硕 士研究生。 了钢管 微膨 胀混 凝 土生 长 模 型 ； 王 湛 对 比 了 已有 的 普 通混凝 土 和普通 钢 管 混 凝 土 的徐 变 结 果 ， 进 行 了部 分 钢管 膨胀 混凝 土徐 变 试 验 ， 得 到 了 钢 管膨 胀 混 凝 土 的徐变特征 ； 张戎令等 研究 了膨胀剂掺量和应力 比 对钢管混凝土徐变性能 的影响 ， 应用扫描电镜二次成 像观测和能谱分析研究 了膨胀剂的作用机理。本文对 不 同膨 胀剂 掺量 对钢 管混凝 土 瞬时变 形 和徐变 的影 响 进行试验研究， 考察了钢管混凝土工作性能随膨胀剂 掺 量变 化 的规律 。 l 试验 为 了研 究钢管 混凝 土 的工作 性能 随膨胀 剂掺 量 的 变化规律， 本次试验制作了 1 2根钢管混凝土短 柱， 其 中 9根进 行 瞬时变 形 试 验 ， 另 外 3根进 行 轴 向受 压 徐 变 性能测 试 。试件 参 数见表 1 。 表 1试件参数 2 0 1 5年第 7期 祁璐帆等 ： 膨胀剂对钢管混凝土瞬时变形 和徐 变的影响 1 3 9 试 验 中核心 混 凝 土 的强 度 等 级 为 C 5 5 ， 其 配合 比 见 表 2 。配制 混凝 土所 用水 泥 为祁 连 山水 泥 厂 生 产 的 P 04 2 5水 泥 ， 其 性 能指标 见 表 3 。 钢 管混 凝 土 试 件 中使 用 的 钢 管 由 Q 2 3 5钢 材 制 成。混凝土中所掺膨胀剂为 U E A H型膨胀剂 ， 其性能 指标 见 表 4 。 表 2核心混凝土配合 比 k g m 刑 氧 化 镁 总 碱 量 氯 离 子 比 表 面 积 初 凝 终 凝 ! 苎 竺 ! ! i t -iJ t ( m k g ) mi n mi n 7 d ( 水 ) 2 1 d ( 空气) 7 d 2 8 d 制作钢管混凝土试件时 ， 上下底板 都采用 5 mm 厚钢板 ， 盛 装混 凝 土 前先 将 下 底 板 焊 死 ， 完 成 浇 筑后 ， 振捣 削平 ， 立 即封 盖 并 焊接 封 闭 。标 养 2 8 d后 ， 进 行 瞬时变形试验和徐变加载。瞬 时变形试 验用 5 0 0 k N 的 电子万 能试 验机 加 载 ， 用 百分 表读取 试 件轴 向变 形 。 加载 方式 为分 级加 载 ， 每级 以 5 0 k N为梯度 递增 ， 每 加 一 级荷载 ， 停顿 23 mi n ， 以读取轴向压缩变形值。外 径 1 4 0 m m 的试件 分 9级加 载， 最 高荷载为 4 5 0 k N。 外径 8 8 mm的试件分 4级加 载， 最高荷载为 2 0 0 k N。 钢管混凝土的徐变性能测试在弹簧式三杆徐变仪上进 行 ( 见 图 1 ) ， 钢管 与混 凝土 同 时受力 ， 用 千分 表读 取 徐 变变 形 。徐变 试 验 中 ， 应 力 比为 0 3 3 ， 环 境 温 度 维 持 在 2 0 。 图 1 徐变试验加载 2 试 验结果与分析 2 1 钢 管 混凝 土的 瞬时变 形 在不同加载等级下 ， 测得钢管混凝土的轴向压缩 变形 ， 再 将其 换算 为轴 向平 均 应 变 。根 据 每级 荷 载 及 其相应的钢管混凝 土轴 向平均应变， 绘制荷载一变形 曲线 ， 见 图 2 。 由图 2 ( a ) 和图 2 ( b ) 可知 ， 对于含钢率为 3 9 和 6 7 的钢管混凝土试件 ( 外径 1 4 0 mm) ， 在分级加载 时 ， 膨 胀 剂 掺 量 为 8 的钢 管 混 凝 土试 件 抗 压 缩 变 形 能力最 强 ， 掺量 为 4 的试件 次 之 ， 掺 量为 0的 钢管 混 凝 土试 件抗 压缩 变形 能力 最差 。在 加载 至 4 5 0 k N时 ， 以不掺膨胀剂的钢管混凝土试件变形 为基准 ， 含钢率 为 3 9 时， 内掺 4 膨胀剂的钢管混凝土平均应变减 小 为基 准 的 7 7 0 ， 内掺 8 膨 胀 剂 的钢 管 混 凝 土 平 均应变减小为基准的 7 2 1 ； 含钢率为 6 7 时， 内掺 4 膨 胀 剂 的 钢 管 混 凝 土 平 均 应 变 减 小 为 基 准 的 7 7 0 ， 内掺 8 膨 胀 剂 的 钢 管 混 凝 土 平 均 应 变 减 小 为基 准 的 6 8 0 。 由 图 2 ( c ) 可知 ， 含钢 率 为 1 1 1 的试件 ( 外 径 8 8 m m) 也遵循相 同的规律 。在加载至 2 0 0 k N时， 以不掺 膨胀 剂 的 钢 管混 凝 土 变 形 为 基 准 ， 内掺 4 膨胀 剂 的 钢管混 凝 土平 均 应 变 减小 为 基 准 的 9 3 7 ， 内掺 8 膨胀剂 的钢管混 凝 土平 均应 变减小 为基 准 的 8 7 7 。 通 过 以上 对 比可知 ， 含钢 率一 定 ， 钢管混 凝 土的抗 铁道建筑 l 令 c f b _ 龄 5 O 1 0 0 1 5 O 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0 4 5 0 荷 载 k N f a ) 含钢率 为 3 9 5 O 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0 4 5 0 荷载 k N ( b ) 含钢率为 6 7 5 0 1 O O 1 5 O 2 0 O 荷载 k N ( c ) 含钢率 为 1 l 1 图 2荷载一变形 曲线 压缩变形能力随膨胀剂掺量的增加而提高。这是因为 膨胀 剂 的掺入 使得 核 心 混凝 土 产 生硫 铝 酸 钙 晶体 ( 钙 矾 石 ) 而 膨胀 ， 在外 围钢 管 的适 当 约束 下 ， 钙 矾 石在 膨 胀 能 的作 用下 被挤 入 毛 细孔 ， 并 与纤 维 状 的 硅 酸钙 结 晶交织成 网状 ， 约束还使得生成 的晶体 尺寸减小 ， 核心混凝土由此变得更加密实。这种密实作用相应地 提高了钢管混凝土的抗压缩变形能力。核心混凝土的 微膨胀还会使钢管对混凝土产生紧箍力 ， 有效限制 了 核 心混凝 土 的横 向变 形 ， 从 而在 一 定 程 度 上 改善 了 钢管 混 凝 土 的 受 力 性 能 ， 提 高 了 钢 管 混 凝 土 的 刚度 。 2 2钢 管混凝 土 的徐变 本文 观测 了含 钢率 为 6 7 的钢管 混 凝 土在 轴 向 压力作 用 下 2 4 0 d的徐 变变形 ( 养 护 2 8 d之 后 加载 ) 。 与 瞬时变 形 的处 理 方式 一 致 ， 将 测 得 的徐 变变 形 换 算 成轴 向平 均徐变 ， 绘 成徐 变时程 曲线 ， 见 图 3 。 由图 3可知 ， 对于含钢率为 6 7 的钢管混凝土 试件 ， 在整个持荷过程中， 钢管混凝土的徐变在前 4 0 d 增 加速 度 比较快 ， 加 载 4 0 d后 逐渐 放缓 ， 1 2 0 d后 趋 于 图 3含钢率为 6 7 时徐变时程 曲线 平稳 。膨 胀剂 掺 量 为 8 的 钢 管混 凝 土 徐 变 最 小 ， 膨 胀剂 掺 量 为 4 的钢 管 混 凝 土 次 之 ， 不 掺膨 胀 剂 的钢 管混 凝土 徐变 最 大 。 在持 荷 2 4 0 d时 ， 以不 掺 膨 胀 剂 的钢管混凝土徐变为基准 ， 内掺 4 膨胀剂的钢管混 凝土 徐变 减小 为 基 准 的 5 6 4 ， 内掺 8 膨 胀 剂 的钢 管混 凝土 徐 变 减 小 为 基 准 的 4 0 1 。这 与 膨 胀 剂 掺 量对 钢管 混 凝 土 瞬 时 变 形 的 影 响 规 律 类 似 。 由此 可 见 ， 由于 内掺膨 胀剂 的核 心 混凝 土 在 约 束 下 变得 更 加 密实 ， 并且 膨胀 使得 核心 混凝 土获 得初始 紧箍 力 ， 补偿 了核 心混凝 土 的塑 性 收缩 、 自收缩 、 徐 变 收缩 等 ， 钢 管 混凝 土 的徐变 变形 明显 减小 。在 工 程 实 际 中采 用 8 的膨 胀剂 掺量 是 比较合 理 的 ， 可 以有 效 地 减 小钢 管 混 凝土 的徐 变 。 3 结论 1 ) 在钢管的约束下 ， 内掺膨胀剂使得核心混凝土 更加 密实 ， 对核 心混 凝土 起到 补偿 收缩作 用 ， 加强 了钢 管对 核心混 凝 土 的紧箍 效 应 ， 从 而 提 高 了钢 管混 凝 土 的抗压缩变形能力 ， 减小了钢管混凝土在轴压荷载下 的徐 变 。 2 ) 对于含钢率为 3 9 ， 6 7 和 1 1 1 的钢管混 凝 土 试件 ， 当含 钢 率一 定 ， 膨 胀 剂 掺 量 依 次 从 0 ， 4 ， 8 递 增 时 ， 相 同荷载 下 的瞬 时变形 随之 减小 。 3 ) 对 于 含 钢率 为 6 7 的 钢管 混 凝 土 试 件 ， 钢 管 混凝 土 的徐 变 随着膨 胀 剂掺量 的增 大而 减少 。 4 ) 含 钢 率 6 7 的钢 管 混 凝 土 在 养 护 2 8 d后 加 载 ， 钢 管混凝 土 的徐 变 在 前 4 0 d增 加 速 度 比较 快 ， 加 载 4 0 d后 逐渐 放缓 ， 1 2 0 d后趋 于平 稳 。 参 考 文 献 1 韩海林 ， 钟善桐 钢 管混凝 土力学 M 大连 ： 大连 理 工大 学 出版 社 ， 1 9 9 6 2 钟善桐 钢管混凝土 统一理论 ： 研究 与应 用 M 北 京 ： 清 华大学 出版社 ， 2 0 0 6 3 李悦 ， 胡曙 光 ， 丁庆 军 钢管 膨胀 混凝 土 的研究 及其 应用 伽 珊 瑚 o 一 。 _ o 一】、 组 f 咖跏瑚姗枷 瑚 o 2 0 1 5年第 7期 祁璐帆等 ： 膨胀 剂对钢管混凝土瞬时变形和徐变 的影 响 1 4 1 J 山东建 材学院学报 ， 2 0 0 0 ， 1 4 ( 3 ) ： 1 8 9 1 9 2 4 郑舟军 ， 沈成武 ， 罗冰 钢 管微 膨胀混凝土试验与研究 J 武汉理工大学学报 ( 交通科学与工程版 ) ， 2 0 0 7 ， 3 1 ( 1 ) ： 7 0 72 5 王湛 钢管 膨胀 混凝土的徐变 J 哈尔滨建筑工程学院学 报 ， 1 9 9 4， 2 7( 3) ： 1 4 1 7 6 张戎令 ， 王起才 ， 马丽娜 ， 等 膨胀剂 掺量 和应力 比对 钢管 混凝土徐 变 性 能 的 影 响 J 中南 大学 学 报 (自然 科 学 版 ) ， 2 0 1 4 ， 4 5 ( 7 ) ： 2 4 1 6 2 4 2 3 7 杨 阳 ， 王起才 ， 张戎令 ， 等 膨胀 剂掺量对 钢管 混凝土 轴压 性 能影响试验研究 J 铁道建筑 ， 2 0 1 4 ( 8 ) ： 1 2 0 1 2 1 8 陈洪 涛 ， 钟善桐 ， 张素梅 钢管混凝 土中 昆 凝 土的三向本构 关 系 J 哈尔滨建 筑大学学报 ， 2 0 0 0 ， 3 3 ( 6 ) ： 1 3 1 6 9 查晓雄 ， 钟善桐 用有 限元法分 析钢 管初应力 对钢管 混凝 土轴压构件基本 性能 的影 响 J 哈尔 滨建 筑大 学学 报 ， 1 9 9 7， 3 0( 1 )： 41 4 9 1 O 顾建 忠 ， 刘西拉 轴向荷载作 用下钢 管混凝 土的徐 变 J 中国公路学报 ， 2 0 0 1 ， 1 4 ( 4 ) ： 5 9 6 2 I n f l u e n c e o f e x p a n s i v e a g e n t o n i n s t a n t a n e o u s d e f o r m a t i o n a n d c r e e p o f c o nc r e t e i n c o n c r e t e - f i l l e d s t e e l t u b e Q I L u f a n ， WA N G Q i c a i ， Z H A N G R o n g l i n g ， Y A N G Y a n g ， Z HA N G S h a o h u a ( S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g， L a n z h o u J i a o t o n g Un i v e r s i t y， L a n z h o u Ga n s u 7 3 0 0 7 0， C h i n a ) Ab s t r a c t ： Th e a p pl i c a t i o n o f e xp a n s i ve a g e nt he l p s c o nc r e t e f i l l e d s t e e l t u be o ve r c o m e s t h e c o n t r a c t i o n o f c o r e c o nc r e t e Th e a t t e m p t ha s be e n pr o ve n t o i mp r o ve t h e f o r c e 。 be a r i ng pe r f o r ma nc e o f th e s pe c i m e n， a s i t pr e v e n t s th e oc c ur r e nc e o f t ub e 。 c o nc r e t e d e t a c hme n t a nd g e n e r a t e s pr i ma r y s t r e s s on t h e s i d e Th e pa pe r， a i m i n g t o s t u dy th e inf l ue nc e of e x pa ns i v e a g e n t t o c o mpr e s s i o n a n d de f o r m a tio n o f s t e e l t u be， t a k e s s ho r t c onc r e t e f i l l e d s t e e l t u be s a s s t u d y o b j e c t s wi th the a mo u n t o f e x p a n s i v e a g e n t s t a n d ing a t 0 ， 4 a n d 8 r e s p e c t i v e l y A f t e r wa r d s ， the p a p e r c a r r i e s o ut e x p e r i m e nt a l r e s e a r c h o n the i ns t a nt a ne ou s de f o r m a tio n a nd c r e e p o f the s pe c i me n s The r e s ul t s i nd i c a t e th a t e x pa ns i ve a g e nt o pt im i z e s th e m e c ha n i c a l pr o p e r t y o f the t ub e s who s e i ns t a nt a ne o u s d e f o r m a t i o n a n d c r e e p h a ve be e n mi tig a t e d b y th e inc r e a s e of e x pa ns i v e a g e n t s a pp l i e d Ke y wo r d s： Co nc r e t e f i l l e d s t e e l t u be； Am o un t o f e xp a ns i v e a g e n t ； I n s t a n t a n e o us d e f o r ma ti o n； Cr e e p； Ex pe r i me nt al s t ud y ( 责任 审编 葛全红)