钢管微膨胀混凝土的水化热与限制膨胀性能分析.pdf

2 0 1 0年第 8期 铁道建筑 Ra i l wa y En gi n e e r i ng l 3 3 文章编 号 ： 1 0 0 3 — 1 9 9 5 ( 2 0 1 0 ) 0 8 - 0 1 3 3 -04 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3 3 0 0 1 3 ) 摘要： 以膨胀剂掺量为基本参数 ， 对不同水化热温度影响下的 5根钢管微膨胀混凝土构件的膨胀性能扣 应 力场进 行 了研 究 ， 考察 了水 泥水化 阶段钢 管微 膨胀 混凝 土构件 温 度 场及 其核 心混 凝 土 的 限制膨 胀 特 性。结果表 明， 钢管微膨胀混凝土构件截面温度场的变化规律与普通混凝土构件类似； 核心混凝土 中掺 加 膨胀 剂 ， 补偿 收缩 效果 明显 ， 并且在 钢 管的 限制作 用 下产 生 了一 定 的预 压 应 力。根 据 试 验 结果 ， 分 析 了核 心混 凝 土限制膨 胀 的应 变特 点及 其影 响 因素 ， 研 究 了核 心 混凝 土预 压 应 力的产 生、 分 布特 点及其 与 膨 胀剂掺 量 的关 系， 为钢 管微 膨胀 混凝 土 的优 化 设计提 供 了依 据 。 关键 词 ： 钢 管混凝 土 微膨胀 水化热 限制膨胀 中图分类号 ： T U 3 9 2 ． 3 文献标 识码 ： B 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 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 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 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 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 收稿 日期 ： 2 0 1 0 - 0 3 - 1 8 ； 修回 日期 ： 2 0 1 0 -0 5 ． 1 5 基金项 目： 国家 自然科学基金项 目( 5 0 9 6 8 0 0 6 ) ， 江西省 自然科学基 金项 目( 2 0 0 9 G Z C 0 0 2 1 ) ， 江西省教育厅科研项 目( G J J 0 8 5 0 1 ) 作者简介： 陈梦成( 1 9 6 2 一) ， 男， 江西高安人 ， 教授 ， 博士。 根 灌人 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 ％ 、 1 2 ％ 、 1 5 ％ 和 2 0 ％ ， 分 别 用 P 一 0 ， P 一 8 ， P 一 1 2 ， P 一 1 5和 P 一 2 0来 表 示 。 钢 管边 长为 1 8 0 m m， 管长 为 6 0 0 m m， 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 ( 1 d ) 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 3 1 2 MP a 、 3 8 6 MP a 、 1 ． 8 11 0 MP a及 0 ． 2 6。 微 膨胀 混凝 土采用 的材 料 是 ： 4 2 ． 5普通 硅 酸 盐水 泥 ； 花 岗石碎 石 ， 最 大粒 径为 3 0 mm； 中砂 ， 细度模 数为 2 ． 6 ； 减水 剂为 P C A — I V 高 效减水 剂 ， 掺量 为胶 凝 材料 总 量 的 0 ． 3 ％ ； 采用 U E A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 1 5 0 m m1 5 0 m m1 5 0 m m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》 ( G B ／ T 5 0 0 8 1 —2 0 0 2 ) 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 m m 5 m m 的 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 。在 混 凝 土 内部 预 埋 J MZ X 一 2 1 5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 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 3 3 d 。试件情况见图 2 。 1 3 4 铁道建筑 A u g u s t ， 2 0 1 0 图 1 应变片布置 图 2 试 验 试 件 2 O 1 8 l 6 赠 1 4 l 2 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 ， 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 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 1 0 d左 右 ， 说 明膨胀 混凝土 在早期 产生 了较大 的膨胀 ， 膨胀效 4 6 8 l O 1 2 时 间f ／ d 图 3 试件 内部温度实测 曲线 2 0 1 0年第 8期 钢管微膨胀混凝土 的水化热与 限制膨胀性能分析 1 3 5 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 1 2 h内出现 了急剧的 温度升高 ， 且在 2 4 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 变一 时间曲线 图 5所示为 钢管外 壁 1 ／ 2管长 处 的横 向应变一 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 ， 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产生一定的预压应 力。 由图 5还可 以看 出 ， P - 1 2试 件 中钢 管 横 向应 变 最 大 ， P - 2 0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 能消耗予填充孔隙中， 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 1 2 ％的水泥效果最佳。 图 5 钢管横 向应变一 时间曲线 图 6给 出了 p - 1 2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 ， 1 0 d的纵 向 应变约为横向应变的 6 0 ％ ， 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 - 1 2试件钢管应变一时间 曲线 2 ． 2 ． 2虚 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 ： 一 ： ) ( 1 ) 1 3 6 铁道建筑 J ( a ) 钢管壁 长度 方向 ( b ) 钢管壁 厚度 方 向 ( c ) 混凝土 注 ： D e 、 分别为钢管壁长度和厚度方向的应力 ， q为核心混凝土平均横向压应力 。 图 7钢管和混凝土受力图 ： = ( ) ( 2 )3结论 式 中 ， o r 、 o r 分别 为垂 直 于 钢 板 厚度 方 向的 横 向应 力 和钢管纵 向应力 ； 8 、 ： 分别 为实测 的钢 管横 向和纵 向 应 变 ； E 、 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 ， ， q ： 竺 ^ ( 3 ) 式 中 ， a为 钢管边 长 ； t 为钢 管壁厚 。 根据纵 向平衡 条 件 ： A = 。 A 。 ( 其 中 A 为钢 管 的截面面 积 ， A 为 混 凝 土 的截 面 面积 ， 为 混 凝 土 的 纵 向压应 力 ) ， 可得 为 o r 。 ： ( 4 ) Ⅱ 表 2给 出 了各 钢 管 的环 向和 纵 向应 变 以及 由式 ( 1 )一式( 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 MP a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 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 1 0 d发展 较 快 ， 而 后 出现 小 幅度 的收 缩 变 形 ， 1 5 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 1 2 ％ 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 MP a左右 的横 向 自应力 。 参 考 文 献 [ 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 ， 2 0 0 7 ， 1 5 ( 1 ) ： 5 5 — 5 7 ． [ 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 ， 2 0 0 3 ， 6 ( 4 ) ： 3 6 9 — 3 7 3 ． [ 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 ， 2 0 0 6 ， 4 6( 5 ) ： 6 9 6 — 7 01． [ 4 ] C H A N G X， H U A N G C K， J I A N G D C ． P u s h — o u t t e s t o f p r e — s t r e s s i n g c o n c r e t e f i l l e d ci r c u l a r s t e e l t ub e c o l u mn s by me a n s o f e x p a n s i v e c e me n t [ J ] ．C o n s t r u c t i o 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 )： 4 9 1 - 4 9 7 ． [ 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 ， 2 0 0 6 ， 3 9 ( 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 ， 2 0 0 4 ． [ 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 ， 2 0 0 9 ( 1 1 ) ： 1 1 4 — 1 1 5 ． ( 责任审编 白敏华)