膨脹劑和壁厚對鋼管混凝土瞬時變形的影響

祁璐帆+王起才+張戎令+楊陽+張少華

摘 要：文章通過鋼管混凝土短柱軸心受壓試驗，考察了內摻膨脹劑和不同壁厚對鋼管混凝土瞬時變形的影響，并且通過鋼管混凝土的彈性有限元模型計算，從理論上支持了壁厚對瞬時變形的影響規(guī)律，通過鋼管核心混凝土的孔結構分析，從微觀角度討論了膨脹劑對鋼管混凝土瞬時變形的影響機理。

關鍵詞：瞬時變形；軸心受壓；試驗；鋼管混凝土；膨脹劑；壁厚

鋼管混凝土是利用鋼管和混凝土之間緊箍力來提高核心混凝土的軸向承載力并增加薄壁鋼管的穩(wěn)定性，充分利用混凝土在三向應力下的變形特性，以獲得比鋼管和混凝土單獨作用之和更高的承載力，提高大載荷和動力載荷下的安全性。鋼材與混凝土組合成鋼管混凝土構件，不但充分發(fā)揮了兩種材料的優(yōu)點，相互彌補了對方的弱點，而且還顯示了新的優(yōu)異的工作性能：抗壓強度高，塑性性能好，抗震性能優(yōu)異，堪稱是一種優(yōu)質、高強、經濟合理的構件。將膨脹混凝土填充入鋼管形成鋼管膨脹混凝土是更好的組合結構形式。膨脹混凝土常見的是在普通混凝土中添加明礬石類膨脹劑，產生硫鋁酸鈣結晶（鈣礬石）而致膨脹。將膨脹劑以合理的摻量摻入普通混凝土，以其化學能—膨脹能來做功補償混凝土的收縮，可以提高混凝土內部結構的密實度，改善混凝土的工作性能。當膨脹混凝土填充入鋼管時，由于鋼管的約束，膨脹會更加有利于力學性能的改善。文章設計了6個鋼管混凝土短柱，考察了膨脹劑和不同壁厚對鋼管混凝土瞬時變形性能的影響，通過有限元模型計算從理論上支持了壁厚對瞬時變形的影響規(guī)律，通過孔結構分析，從微觀角度討論了膨脹劑對鋼管混凝土瞬時變形的影響機理。

1 試驗概況

1.1 試驗項目

為了研究內摻膨脹劑和不同壁厚對鋼管混凝土瞬時變形的影響，本次試驗制作了六根鋼管混凝土短柱，兩個進行孔結構測試，剩下四個以壁厚和是否摻膨脹劑為變量進行正交試驗（試件具體信息表1）。經過6個月的養(yǎng)護，其中，S-1至S-4用來進行瞬時變形試驗，加載級別為0-45噸，每級以5噸為梯度遞增，共分9級。S-5與S-6用來進行核心混凝土氣孔參數微觀測試?；炷翉姸鹊燃墳镃50，膨脹劑為UEA型膨脹劑。

表1 試件信息

試件編號 外徑（mm） 壁厚（mm） 高（mm） 膨脹劑摻量 測試項目

S-1 140 2.2 350 0% 瞬時變形

S-2 140 2.2 350 4% 瞬時變形

S-3 140 1.3 350 0% 瞬時變形

S-4 140 1.3 350 4% 瞬時變形

S-5 140 2.2 350 0% 孔結構

S-6 140 2.2 350 4% 孔結構

1.2 試驗方法

對于進行瞬時變形試驗的試件，上底板和下底板采用5mm厚鋼板，混凝土攪拌前先將下底板提前焊死，以便于乘裝混凝土，混凝土攪拌完畢并裝入鋼筒后，振搗削平，立即封蓋并焊接封閉。試驗加載設備為50噸電子萬能試驗機，將試件直接放置在試驗機上進行分級加載。為了準確地量測試件的軸向變形，在上下底板間架立0-5mm量程的千分表，每加一級荷載，停頓一分鐘進行讀數，從而獲取軸向位移。

在進行孔結構測試試驗時，先將鋼管混凝土試件的鋼管切割剝開，取出其中的核心混凝土。將核心混凝土在混凝土切割機上切割得到厚度1cm—2cm的切片。將所得切片在磨光機上磨光，然后將切片待測面用墨汁涂黑，放入烘箱中烘烤24小時，以中止水化。烘烤結束后，將氧化鋁粉與白凡士林混合，加熱融化，之后涂抹到切片待測面上，保證白色的氧化鋁粉充分填充待測面上的氣孔。再用刀片刮掉多余粉末。經過上述處理，試樣表面的氣孔和非氣孔部分形成強烈的黑白對比。將處理好的切片放置于RapidAir型硬化混凝土氣孔結構分析儀上進行測試。

2 試驗數據與結果分析

2.1 瞬時變形數據

將瞬時變形試驗數據，根據每級荷載及其相應的變形值，繪成荷載—變形曲線。在繪圖時，將試驗數據按單一變量分四組進行比較。第一組：S-1與S-2（壁厚2.2，一個內摻膨脹劑，一個不摻膨脹劑）；第二組：S-3與S-4（壁厚1.3，一個內摻膨脹劑，一個不摻膨脹劑）；第三組：S-1與S-3（都不摻膨脹劑，一個壁厚2.2，一個壁厚1.3）；第四組：S-2與S-4（膨脹劑摻量都為4%，一個壁厚2.2，一個壁厚1.3）。由此便得到4個由單一變量控制的荷載—變形曲線比較圖（具體見圖1，圖2，圖3，圖4）。

圖1 S-1與S-2的荷載—變形曲線比較

圖2 S-3與S-4的荷載—變形曲線比較

圖3 S-1與S-3的荷載—變形曲線比較

圖4 S-1與S-3的荷載—變形曲線比較

2.2 孔結構數據

測試系統(tǒng)掃描完試樣之后，根據直接導線法的原理，自動統(tǒng)計出各級弦長下相應的氣孔數量以及計算出樣品的氣孔率、平均弦長、比表面積等數據。具體結果見表2及圖6。

表2 孔結構測試參數

試件編號 Air Content（%） Specific Surface（） VoidFrequency

（） Average Chord Length（mm） Paste to Air Ratio

S-5 1.73 10.85 0.047 0.369 16.71

S-6 0.69 9.45 0.016 0.423 41.88

圖5 S-5與S-6在各級弦長下的氣孔數量比較

2.3 結果分析

從圖1和圖2可以很明顯地看到，在分級加載時，同樣的荷載下，內摻膨脹劑的鋼管混凝土的軸向變形要明顯小于不摻膨脹劑的鋼管混凝土。在相同荷載下，內摻膨脹劑的軸向變形與未摻膨脹劑的軸向變形相比，第一組中，最大減小到后者的43.3%，最小減小到后者的94.5%，第二組中，最大減小到后者的63.5%，最小減小到后者的81.9%。

造成這種不同的原因，從微觀上看，是因為內摻膨脹劑使得鋼管內的核心混凝土變得更加密實，從而提高了鋼管混凝土這種復合材料整體抗變形的能力?；炷恋淖冃?，從質點之間距離的變化可分為相向變形和背向變形。所謂相向變形，就是使混凝土質點的間距縮小的變形，而背向變形則使質點的間距加大。顯然，自由膨脹是背向變形，它使混凝土組織變松，膨脹超過一定限度就會開裂。而限制條件下的膨脹變形，同時包含著相向和背向兩種變形。當限制程度足夠大時，其中的相向變形非但能使混凝土避免開裂，并且能起到增強和密實的好作用。在鋼管混凝土中，由于鋼管的有效約束，混凝土產生膨脹時，生成的鈣礬石在膨脹能的作用下被擠入毛細孔中，使得核心混凝土更加密實，提高了抗變形能力。

從表2可以很明顯地看到，內摻膨脹劑和不摻膨脹劑相比，氣孔率明顯減小，平均弦長，比表面積也相應減小，膠凝材料與氣孔的比率也增大。這說明，混凝土更加密實了。圖6是每級弦長下氣孔數量對比?？梢院苤庇^地發(fā)現，膨脹劑使得各級弦長下的氣孔數量大大減小。

除了上述的膨脹密實作用，從宏觀上看，內摻膨脹劑導致核心混凝土產生體積膨脹，使得鋼管混凝土在受荷初期就產生較大的緊箍力，使核心混凝土處于三向受壓狀態(tài)，相應地提高了核心混凝土的抗壓縮變形能力。

圖3和圖4顯示，壁厚2.2的鋼管混凝土比壁厚1.3的鋼管混凝土有著更好的抗變形能力。在第三組中，壁厚2.2的鋼管混凝土和壁厚1.3的鋼管混凝土相比，相同荷載下，前者的軸向變形最大減小到后者的53.6%，最小減小到后者的84.8%。在第四組，變形最大減小為后者的36.5%，最小減小為后者的99.5%。這是因為，在彈性階段鋼材的彈性模量遠大于混凝土的彈性模量，隨著壁厚增大，含鋼率隨著變大（壁厚2.2的鋼管混凝土含鋼率為6.70%，壁厚1.3的鋼管混凝土含鋼率為3.86%），鋼管對混凝土的套箍作用也相應增強，從而提高了整個復合材料的抗變形能力。

3 有限元模型模擬

3.1 模型概況

鋼管混凝土是一種鋼材與混凝土結合受力的復合材料。為了從力學的角度考察不同壁厚對瞬時變形的影響，進而從理論上支持試驗所揭示的規(guī)律。本文利用有限元軟件MidasFEA建立了與試驗試件相同尺寸的鋼管混凝土實體模型。由于荷載級別較低，建模時把混凝土和鋼管都看成是彈性體，根據軟件內部的材料特性，混凝土彈性模量取30kN/mm2，泊松比取0.2，鋼材彈性模量取206kN/mm2，泊松比取0.3。

3.2 計算結果與分析

對模型施加與試驗相同的荷載，得到荷載-變形曲線（見圖6）。計算結果顯示，外徑相同，隨著壁厚的增大，相同荷載下鋼管混凝土的軸向變形相應減小。圖8，圖9為理論值與實測值的比較，可以看到，所建模型與實際是比較吻合的，可以作為參考。

圖6 模型1與模型2荷載—變形曲線比較

圖7 模型1與試件S-1荷載—變形曲線比較

圖8 模型2與試件S-3荷載—變形曲線比較

4 結語

文章在試驗基礎上，通過建立有限元模型，初步考察了膨脹劑和壁厚對鋼管混凝土瞬時變形的影響。分析表明：內摻膨脹劑（4%）可以提高鋼管混凝土的抗壓縮變形能力，這是因為內摻膨脹劑使得核心混凝土更加密實，并且核心混凝土的微膨脹使鋼管混凝土在受荷初期就有初始的緊箍力，使核心混凝土處于三向受力狀態(tài)；相同外徑，壁厚的增加也會改善鋼管混凝土的抗變形能力，因為鋼材的彈性模量遠大于混凝土，含鋼率越大鋼管混凝土這種組合材料的剛度就越大，并且含鋼率的提高可以增強鋼管對混凝土的緊箍效應。

參考文獻

[1] 鐘善桐.鋼管混凝土統(tǒng)一理論[J].研究與應用.北京：清華大學出版社，2006.

[2] 李悅，胡曙光，丁慶軍.鋼管混凝土的研究及其應用[J].山東建材學院學報，2000，14（3）：190～192.

[3] 陳洪濤，鐘善桐，張素梅.鋼管混凝土中混凝土的三向本構關系[J].哈爾濱建筑大學學報，2000，33（6）：13～16.

[4] 鄭舟軍，沈成武，羅冰.鋼管微膨脹混凝土試驗與研究[J].武漢理工大學學報：交通科學與工程版，2007，31（1）：70～72.

[5] 吳中偉，張鴻直.膨脹混凝土[M].北京：中國鐵道出版社，1990.74～76.

作者簡介：祁璐帆（1991- ），男，蘭州交通大學，在讀碩士研究生，研究方向：橋梁與隧道工程。

造成這種不同的原因，從微觀上看，是因為內摻膨脹劑使得鋼管內的核心混凝土變得更加密實，從而提高了鋼管混凝土這種復合材料整體抗變形的能力?；炷恋淖冃危瑥馁|點之間距離的變化可分為相向變形和背向變形。所謂相向變形，就是使混凝土質點的間距縮小的變形，而背向變形則使質點的間距加大。顯然，自由膨脹是背向變形，它使混凝土組織變松，膨脹超過一定限度就會開裂。而限制條件下的膨脹變形，同時包含著相向和背向兩種變形。當限制程度足夠大時，其中的相向變形非但能使混凝土避免開裂，并且能起到增強和密實的好作用。在鋼管混凝土中，由于鋼管的有效約束，混凝土產生膨脹時，生成的鈣礬石在膨脹能的作用下被擠入毛細孔中，使得核心混凝土更加密實，提高了抗變形能力。

從表2可以很明顯地看到，內摻膨脹劑和不摻膨脹劑相比，氣孔率明顯減小，平均弦長，比表面積也相應減小，膠凝材料與氣孔的比率也增大。這說明，混凝土更加密實了。圖6是每級弦長下氣孔數量對比?？梢院苤庇^地發(fā)現，膨脹劑使得各級弦長下的氣孔數量大大減小。

除了上述的膨脹密實作用，從宏觀上看，內摻膨脹劑導致核心混凝土產生體積膨脹，使得鋼管混凝土在受荷初期就產生較大的緊箍力，使核心混凝土處于三向受壓狀態(tài)，相應地提高了核心混凝土的抗壓縮變形能力。

圖3和圖4顯示，壁厚2.2的鋼管混凝土比壁厚1.3的鋼管混凝土有著更好的抗變形能力。在第三組中，壁厚2.2的鋼管混凝土和壁厚1.3的鋼管混凝土相比，相同荷載下，前者的軸向變形最大減小到后者的53.6%，最小減小到后者的84.8%。在第四組，變形最大減小為后者的36.5%，最小減小為后者的99.5%。這是因為，在彈性階段鋼材的彈性模量遠大于混凝土的彈性模量，隨著壁厚增大，含鋼率隨著變大（壁厚2.2的鋼管混凝土含鋼率為6.70%，壁厚1.3的鋼管混凝土含鋼率為3.86%），鋼管對混凝土的套箍作用也相應增強，從而提高了整個復合材料的抗變形能力。

3 有限元模型模擬

3.1 模型概況

鋼管混凝土是一種鋼材與混凝土結合受力的復合材料。為了從力學的角度考察不同壁厚對瞬時變形的影響，進而從理論上支持試驗所揭示的規(guī)律。本文利用有限元軟件MidasFEA建立了與試驗試件相同尺寸的鋼管混凝土實體模型。由于荷載級別較低，建模時把混凝土和鋼管都看成是彈性體，根據軟件內部的材料特性，混凝土彈性模量取30kN/mm2，泊松比取0.2，鋼材彈性模量取206kN/mm2，泊松比取0.3。

3.2 計算結果與分析

對模型施加與試驗相同的荷載，得到荷載-變形曲線（見圖6）。計算結果顯示，外徑相同，隨著壁厚的增大，相同荷載下鋼管混凝土的軸向變形相應減小。圖8，圖9為理論值與實測值的比較，可以看到，所建模型與實際是比較吻合的，可以作為參考。

圖6 模型1與模型2荷載—變形曲線比較

圖7 模型1與試件S-1荷載—變形曲線比較

圖8 模型2與試件S-3荷載—變形曲線比較

4 結語

文章在試驗基礎上，通過建立有限元模型，初步考察了膨脹劑和壁厚對鋼管混凝土瞬時變形的影響。分析表明：內摻膨脹劑（4%）可以提高鋼管混凝土的抗壓縮變形能力，這是因為內摻膨脹劑使得核心混凝土更加密實，并且核心混凝土的微膨脹使鋼管混凝土在受荷初期就有初始的緊箍力，使核心混凝土處于三向受力狀態(tài)；相同外徑，壁厚的增加也會改善鋼管混凝土的抗變形能力，因為鋼材的彈性模量遠大于混凝土，含鋼率越大鋼管混凝土這種組合材料的剛度就越大，并且含鋼率的提高可以增強鋼管對混凝土的緊箍效應。

參考文獻

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[2] 李悅，胡曙光，丁慶軍.鋼管混凝土的研究及其應用[J].山東建材學院學報，2000，14（3）：190～192.

[3] 陳洪濤，鐘善桐，張素梅.鋼管混凝土中混凝土的三向本構關系[J].哈爾濱建筑大學學報，2000，33（6）：13～16.

[4] 鄭舟軍，沈成武，羅冰.鋼管微膨脹混凝土試驗與研究[J].武漢理工大學學報：交通科學與工程版，2007，31（1）：70～72.

[5] 吳中偉，張鴻直.膨脹混凝土[M].北京：中國鐵道出版社，1990.74～76.

作者簡介：祁璐帆（1991- ），男，蘭州交通大學，在讀碩士研究生，研究方向：橋梁與隧道工程。

造成這種不同的原因，從微觀上看，是因為內摻膨脹劑使得鋼管內的核心混凝土變得更加密實，從而提高了鋼管混凝土這種復合材料整體抗變形的能力?；炷恋淖冃?，從質點之間距離的變化可分為相向變形和背向變形。所謂相向變形，就是使混凝土質點的間距縮小的變形，而背向變形則使質點的間距加大。顯然，自由膨脹是背向變形，它使混凝土組織變松，膨脹超過一定限度就會開裂。而限制條件下的膨脹變形，同時包含著相向和背向兩種變形。當限制程度足夠大時，其中的相向變形非但能使混凝土避免開裂，并且能起到增強和密實的好作用。在鋼管混凝土中，由于鋼管的有效約束，混凝土產生膨脹時，生成的鈣礬石在膨脹能的作用下被擠入毛細孔中，使得核心混凝土更加密實，提高了抗變形能力。

從表2可以很明顯地看到，內摻膨脹劑和不摻膨脹劑相比，氣孔率明顯減小，平均弦長，比表面積也相應減小，膠凝材料與氣孔的比率也增大。這說明，混凝土更加密實了。圖6是每級弦長下氣孔數量對比?？梢院苤庇^地發(fā)現，膨脹劑使得各級弦長下的氣孔數量大大減小。

除了上述的膨脹密實作用，從宏觀上看，內摻膨脹劑導致核心混凝土產生體積膨脹，使得鋼管混凝土在受荷初期就產生較大的緊箍力，使核心混凝土處于三向受壓狀態(tài)，相應地提高了核心混凝土的抗壓縮變形能力。

圖3和圖4顯示，壁厚2.2的鋼管混凝土比壁厚1.3的鋼管混凝土有著更好的抗變形能力。在第三組中，壁厚2.2的鋼管混凝土和壁厚1.3的鋼管混凝土相比，相同荷載下，前者的軸向變形最大減小到后者的53.6%，最小減小到后者的84.8%。在第四組，變形最大減小為后者的36.5%，最小減小為后者的99.5%。這是因為，在彈性階段鋼材的彈性模量遠大于混凝土的彈性模量，隨著壁厚增大，含鋼率隨著變大（壁厚2.2的鋼管混凝土含鋼率為6.70%，壁厚1.3的鋼管混凝土含鋼率為3.86%），鋼管對混凝土的套箍作用也相應增強，從而提高了整個復合材料的抗變形能力。

3 有限元模型模擬

3.1 模型概況

鋼管混凝土是一種鋼材與混凝土結合受力的復合材料。為了從力學的角度考察不同壁厚對瞬時變形的影響，進而從理論上支持試驗所揭示的規(guī)律。本文利用有限元軟件MidasFEA建立了與試驗試件相同尺寸的鋼管混凝土實體模型。由于荷載級別較低，建模時把混凝土和鋼管都看成是彈性體，根據軟件內部的材料特性，混凝土彈性模量取30kN/mm2，泊松比取0.2，鋼材彈性模量取206kN/mm2，泊松比取0.3。

3.2 計算結果與分析

對模型施加與試驗相同的荷載，得到荷載-變形曲線（見圖6）。計算結果顯示，外徑相同，隨著壁厚的增大，相同荷載下鋼管混凝土的軸向變形相應減小。圖8，圖9為理論值與實測值的比較，可以看到，所建模型與實際是比較吻合的，可以作為參考。

圖6 模型1與模型2荷載—變形曲線比較

圖7 模型1與試件S-1荷載—變形曲線比較

圖8 模型2與試件S-3荷載—變形曲線比較

4 結語

文章在試驗基礎上，通過建立有限元模型，初步考察了膨脹劑和壁厚對鋼管混凝土瞬時變形的影響。分析表明：內摻膨脹劑（4%）可以提高鋼管混凝土的抗壓縮變形能力，這是因為內摻膨脹劑使得核心混凝土更加密實，并且核心混凝土的微膨脹使鋼管混凝土在受荷初期就有初始的緊箍力，使核心混凝土處于三向受力狀態(tài)；相同外徑，壁厚的增加也會改善鋼管混凝土的抗變形能力，因為鋼材的彈性模量遠大于混凝土，含鋼率越大鋼管混凝土這種組合材料的剛度就越大，并且含鋼率的提高可以增強鋼管對混凝土的緊箍效應。

參考文獻

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[3] 陳洪濤，鐘善桐，張素梅.鋼管混凝土中混凝土的三向本構關系[J].哈爾濱建筑大學學報，2000，33（6）：13～16.

[4] 鄭舟軍，沈成武，羅冰.鋼管微膨脹混凝土試驗與研究[J].武漢理工大學學報：交通科學與工程版，2007，31（1）：70～72.

[5] 吳中偉，張鴻直.膨脹混凝土[M].北京：中國鐵道出版社，1990.74～76.

作者簡介：祁璐帆（1991- ），男，蘭州交通大學，在讀碩士研究生，研究方向：橋梁與隧道工程。