膨胀剂掺量对钢管混凝土轴压性能影响试验研究.pdf

1 2 O 铁道建筑 Ra i l wa y En g i ne e r i n g 文 章编 号 ： 1 0 0 3 - 1 9 9 5 ( 2 0 1 4 ) 0 8 - 0 1 2 0 0 3 膨胀剂掺量对钢管混凝土轴压性能影响试验研究 杨 阳 ， 王起 才 ， 张戎令 ， 葛 勇 ， 祁璐帆 ( 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 中由于膨胀 剂的加 入补偿 收缩作 用 明显 ， 并产 生一 定 的膨 胀应 力 ， 使核 心混 凝 土 与钢 管壁 紧 密结合 。在钢 管 的 紧箍 力下 ， 核 心混凝 土 处于 三 向受压 状 态 ， 能与 钢 管协 同工作 ， 从 而提 高钢 管 混凝 土构 件 的极 限承载 力 。本 文对 膨 胀 剂掺 量 分 别 为 0 ， 4 ， 8 ， 1 2 的钢 管 混凝 土试 件 轴压 下环 向 应力和承载能力进行试验研究。结果表明： 膨胀剂掺 量的增加会导致钢管壁环向应 力增大从而降低轴 压下钢管的承载力， 并非膨胀剂掺量越多钢管混凝土极 限承载力越 大， 掺量为 4 时钢管极 限承载 力最 高； 将钢管混凝土极限承载力计算公式应用于掺膨胀剂钢管混凝土计算结果偏小， 会造成原材料的浪费。 关键 词 ： 钢 管混凝 土 膨胀 剂掺 量 钢 管环 向应 力 承载 能力 试验研 究 中图分 类号 ： T U 5 2 8 7 3 ； T U 5 2 8 5 5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 4 0 8 3 6 钢管混凝土是将混凝土填入钢管中形成的一种新 型组合材料。从材料学角度来说 ， 是一种 由金属钢与 无机非金属的混凝土所形成的一种复合材料 。混凝土 抗压强度高 ， 但抗弯能力弱 ； 钢材抗弯能力强 、 具有 良 好 的弹塑性 ， 但是受压时容易失稳导致轴压承载能力 损失 ， 钢管混凝土充分优化组合 了两者的优缺点 。钢 管和 昆 凝土的相互协同作用使得钢管混凝土承载能力 高 、 延性 好 。 钢管混凝土作为一种新兴 的组合结构 ， 主要以轴 心受压和小偏心受压构件为主， 被广泛使用于工业厂 房 、 高炉和锅炉构架、 送变电塔架 、 道路 以及城市拱桥 等 结构 中 。钢 管 混 凝 土结 构 的 迅 速 发 展 是 由 于 它 具有良好的受力性能和施工性能 ， 但是在钢管? 昆 凝 土 的运用过程 中遇到钢管与混凝土脱粘或者脱空 的问 题 。 由于核 心混凝 土 中存在 塑性 收缩 、 自收缩 、 温度 收 缩、 徐变收缩等 ， 使其与钢管壁之间容易脱粘而形成空 腔 ， 导致 钢 管混凝 土 出现承 载能力 大 幅度下 降 、 轴 压下 变形不连续 、 侧向挠度增大 、 弹性模量下 降等 问题。 。 。 因此需 将 核心混 凝土设 计 为膨胀 混凝 土 。通 过掺 入膨 胀剂使核心混凝土在水化硬化过程 中产生体积膨胀 ， 补偿收缩变形并产生一定的膨胀应力 ， 使核心混凝 土 与钢 管壁 紧密 结 合 。本 文 对 不 同 掺 量 膨 胀 剂 对 钢 管混凝 土 轴压性 能 的影 响 进 行试 验 研 究 ， 以找 到最 优 的膨胀剂掺量。 1 试验 试验 中设计混凝土为 C 5 5， 其配合 比见表 1 。以 P 0 4 2 5水泥制备， 其性能指标见表 2 。钢管为 Q 2 3 5 钢 ， 直径 壁厚 高为 1 4 0 m m 2 2 m m5 0 0 m m， 膨 胀剂为 U E A膨胀剂 ， 具体参数见表 3 。 表 I 核心混凝土配合 比 k g m 。 钢管混凝土试件浇筑完成后标养 ， 试件两端用塑 料薄膜覆盖并用石蜡密封养护 2 8 d 。2 8 d时在钢管壁 收稿 日期 ： 2 o 1 4 0 卜2 0 ； 修 回日期 ： 2 0 1 4 - 0 5 - 1 0 基金项 目： 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 学青年科技基金项 目( 2 0 1 2 0 2 8 ) 作者简介 ： 杨 阳( 1 9 9 1 一) ， 男 ， 甘肃庆阳人 ， 硕士研究生。 中部布置 1圈应变片， 1圈均匀布置 4组 ， 每组包括 1 个纵 向和 1 个 横 向应 变 片 ， 用 1台 D H 3 8 1 6静 态 应 变 数据采集箱来采集轴压下钢管混凝土试件的横向和纵 向应 变数 据 。钢管 混凝 土加 载时 为保证 钢管 与混 凝土 同时受压， 在试件的上部和底部各放置一个垫块 ， 试件 在 5 0 0 t 的万能试验机上加载 ， 保证试 件在弹性 范围 2 0 1 4年第 8期 杨 阳等 ： 膨胀剂掺量对钢管混凝 土轴 压性 能影响试验研究 1 2 1 内变形 。加载分 8级 ， 每级加载 5 t ， 持续 35 ra i n ， 加 载 至 4 0 t 后 持续 加 载 ， 直到试 件 发生鼓 胀 ， 测得 鼓 胀时 承载力并继续徐徐加载 ， 最终让试件破坏 ， 得到极限承 载 力 。 2试 验 结 果 与 分 析 2 1 钢 管 壁 的环 向应 力 在不同加载等级下 ， 测得钢管混凝土试件 中钢管 壁 的环 向微 应 变 ， Q 2 3 5钢管 弹性 模量 取值 2 0 6 G P a ， 抗 拉 强 度为 2 3 5 MP a ， 通 过 计 算 可 得 在 不 同荷 载 等 级 下 钢 管壁 的环 向应力 ， 见 表 4 。 表 4 钢管壁 的环 向应力 MP a 由表 4可知 ， 在加 载 4 0 t 时 ， 膨胀 剂掺 量 为 0 ， 4 ， 8 ， 1 2 的钢管混凝土试件 中钢管壁中因混凝土 膨胀而造成环向应力非常高 ， 分别为钢管抗拉强度的 5 9 ， 2 9 ， 5 0 ， 4 2 ， 这 降低 了轴压 下钢管 的承 载 力 ； 在加载 4 0 t 时钢管 的承载力仅仅只有钢管初始承 载 力 的 4 1 ， 7 1 ， 5 0 ， 5 8 。通 过 对 比可 知 ， 钢 管 混凝 土 中掺 入 膨 胀 剂 可 以补 偿 核 心 混 凝 土 的塑 性 收 缩 、 自收缩 、 温度 收缩 、 徐 变 收缩 等 ， 但 膨胀 剂 的掺量 并 非越多越好 ， 膨胀剂掺量较多时， 在轴压下钢管壁会产 生较 大 的环 向应 力反 而 降低钢 管 承载 力 。膨胀 剂掺 量 为 4 时最 优 。 2 2 承载 力 将 所有 试件 在 5 0 0 t 万能试 验 机上 加 载 ， 直 到试 件 发生鼓胀 ， 最终破坏 ， 得到试件极限承载力。钢管混凝 土短 柱轴 心受 压构 件极 限承 载力计 算公 式 为 N 。=A 。 ( 1+ +0 ) ( 1 ) 式中， A 为混凝土横截 面积 ； 为混凝土抗压强度设 A， 计值 ， C 5 5为 2 5 3 MP a ； 钢 管 的套 箍 指 标 0 = ， A A 为钢管的横截 面积， 为钢材 的抗压强度设计值 ， 取 2 1 5 N m m 。将实测值 与由式 ( 1 ) 得 到的计算值列于 表 5 。膨胀承载力与极限承载力对比见图 l 。 表 5 钢 管混凝土实测值与理论计算值对比 4 8 l 2 膨胀剂掺量 图 1膨 胀 承 载 力 与 极 限 承 载 力 对 比 由表 5和图 1可知 ： 1 ) 当钢管发生鼓胀时， 不掺膨胀剂钢管混凝土试件 膨 胀承载 力最低 ， 膨 胀剂 掺量 为 4 时钢 管混 凝土 试件 膨胀承载力最高。由于膨胀剂 的掺人使得核心混凝土 产生硫铝酸钙晶体 ( 即钙矾石 ) 而导致膨胀 ， 外围钢 管约束核心混凝土膨胀 ， 使得钙矾石在膨胀作用下被挤 入毛细孔中， 并与纤维状的硅酸钙结晶交织成 网状， 使 水泥石结构更加密实， 因此使得极 限承载力提高 ； 但是 膨胀剂的掺量过多反而会降低核心混凝土的和易性 ， 而 枷 瑚 啪 枷 瑚 0 互 R 憾 1 2 2 铁道建筑 A u g u s t ， 2 0 1 4 且钢管混凝土的承载力提高不明显甚至下降。因此 ， 设 计时需控制钢管混凝土的膨胀剂掺量， 掺 4 最优。 2 ) 钢管 混 凝 土 极 限 承 载 力 实 测 值 明显 大 于 理 论 值 ， 膨胀剂掺量 为4 ， 8 ， 1 2 时钢管混凝土极 限承 载力实测值与理论计算值之 比分别为 1 4 4 ， 1 3 0 ， 1 3 3 ， 说明用现有的钢管混凝土极限承载力公式计算 掺膨 胀 剂钢 管混凝 土结 果偏 小 ， 会 造成 原材 料 的浪费 。 3 ) 膨胀 剂掺 量 4 ， 8 ， 1 2 钢 管 混 凝 土 承 载 力 分别比不掺膨胀剂钢管混凝 土承载力高 3 3 ， 2 1 ， 2 3 ， 可见掺入膨胀剂对钢管混凝 土承载力有显著提 高。膨胀剂掺量为 4 时， 承载力最高。 3 结论 1 ) 掺入膨胀剂对核心混凝 土存在补偿收缩作用 ， 使其与钢管壁之间粘结更加密实， 显著 提高 了钢管混 凝 土 承载力 ； 但 是并 非膨胀 剂掺 量越 多越好 ， 过 多掺 人 膨胀剂不仅会降低核心混凝土的和易性 ， 而且承载力 提高不显著甚至会减低。因此 ， 材料设计 时应控制膨 胀剂掺量。膨胀剂掺量 4 时， 钢管环向应力最低 ， 极 限承载 力最 高 。 2 ) 根据钢管混凝 土极 限承载力计算公式计算 掺 膨 胀剂 钢管 混凝 土结 果偏 小 ， 在 一 定 程 度上 会 造 成 原 材 料 的浪费 。还需 进一 步研究 掺膨胀 剂 钢管混 凝土 承 载力计 算公 式 。 参 考 文 献 1 钟善 桐 钢 管混 凝土 结构 M 3版 北 京 ： 清 华大 学 出版 社 。 2 0 0 3 2 蔡少怀 现代钢管混凝 土结 构 M 北 京 ： 人 民交通 出版社 ， 2 00 3 3 韩林海 ， 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 4 蔡绍 怀 现代钢管混凝土结构 M 北京 ： 人 民交通 出版社 ， 2 00 3 5 赵鸿铁 组合 结构设 计 原理 M 北京 ： 高 等教育 出版社 ， 2 00 5 6 叶跃忠 ， 李 固华 ， 潘绍伟 ， 等 二次灌浆后钢管混凝土性能研 究 J 公 路 ， 2 0 0 3 ( 8 ) ： 8 1 8 4 7 丁晓军 ， 胡曙光 钢管混 凝土 M 北京 ： 人 民交通 出版社 ， 2 0 06 8 蔡绍怀 现代钢管混凝土结构 M 北京 ： 人 民交通 出版社 ， 2 0 03 9 李帼昌 ， 杨华 自应力钢 管轻砼组合材料力学性能 的试验 研 究 J 南京建 筑工程学 院学报 ， 2 0 0 1 ( 3 ) ： 2 O 2 5 Ex p e r i m e n t a l s t u d y o n i n f l u e n c e o f a d d i t i v e a mo u n t o f e x pa n s i v e a g e n t o n a x i a l c o mp r e s s i o n p e r f o r m a n c e o f c o nc r e t e f i l l e d s t e e l t ub e c o l u m n s Y AN G Y a n g ， WA NG Q i c a i ， Z HA N G R o n g l i n g ， G E Y o n g ， Q I L u f a n ( 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 U n i v e r s i t y ， L a n z h o u G a n s u 7 3 0 0 7 0 ， C h i n a ) Ab s t r a c t： Du e t o t h e a d d i t i o n o f e x p a n s i v e a g e n t ， t h e c o mp e n s a t i n g s h r i n k a g e o f c o n c r e t e fil l e d s t e e l t u b e i s o b v i o u s a n d c e r t a i n e x p a n s i o n s t r e s s i s p r o d u c e d， wh i c h ma k e s t h e c o r e c o n c r e t e a n d s t e e l t u b e wa l l i n t e g r a t e c l o s e l y I n t h e s t e e l p i p e h o o p s t r e s s ， t h e k e r n e l c o n c r e t e wa s i n t h e s t a t e o f t r i a x i a l c o mp r e s s i o n a n d c o u l d wo r k wi t h t h e s t e e l t u b e， wh i c h i mp r o v e d t h e u l t i ma t e b e a r i n g c a p a c i t y o f c o n s t r u c t i o n me mb e r o f c o n c r e t e fi l l e d s t e e l t u b e T h i s p a p e r a d j u s t e d t h e a d d i t i v e a m o u n t o f e x p a n s i v e a g e n t ， a n d i m p l e me n t e d e x p e r i me n t a l s t u d y o f c i r c u mf e r e n t i a l s t r e s s a n d b e a r i n g c a p a c i t y i n a x i a l c o mp r e s s i o n o f c o n c r e t e fil l e d s t e e l t u b e me mb e r s wh e n a d d i t i v e a mo u n t o f e x p a n s i v e a g e n t wa s 0， 4 ， 8 ， 1 2r e s p e c t i v e l y Te s t r e s u l t s s h o we d t h a t t h e i n c r e a s e o f e x p a n s i o n a g e n t c o u l d ma k e t u b e wa l l c i r c u mf e r e n t i a l s t r e s s i n c r e a s e a n d t h e b e a r i n g c a p a c i t y o f s t e e l t u b e d e c r e a s e i n a x i a l c o mp r e s s i o n， t h e u l t i ma t e b e a r i n g c a p a c i t y o f c o n c r e t e f i l l e d s t e e l t u b e d o e s n o t i n c r e a s e wi t h a d d i t i v e a mo u n t o f e x p a n s i v e a g e n t i n c r e a s i n g，t h e be a r i n g c a p a c i t y i s t h e h i g h e s t whe n t h e a d d i t i v e a mo u n t i s 4 t h e r e s u l t o f c o n c r e t e fil l e d s t e e l t u b e wi t h e x p a n s i v e a g e n t i s s ma l l e r a c c o r d i n g t o t h e u l t i ma t e b e a r i n g c a p a c i t y c a l c u l a t i o n f o r mu l a o f c o n c r e t e fil l e d s t e e l t u b e， wh i c h c a n c a u s e t h e wa s t e o f r a w ma t e r i a l s t o s o me e x t e n t Ke y wo r d s： C o n c r e t e fil l e d s t e e l t u b e； Ad d i t i v e a mo u n t o f e x p a n s i v e a g e n t ； S t e e l c i r c u mf e r e n t i a l s t r e s s ； Be a r i n g c a pa c i t y； Ex pe r i me n t a l r e s e a r c h ( 责任 审编葛全红)