基于HCSA的膨脹混凝土制備及其在微膨脹自密實(shí)鋼管柱混凝土的應(yīng)用研究

孫 磊，白 英

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木建筑工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018；2.呼和浩特職業(yè)學(xué)院 建筑工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

鋼管柱混凝土由于鋼管對(duì)中心混凝土的約束作用，增強(qiáng)了混凝土的抗壓強(qiáng)度，在混凝土柱等受壓構(gòu)件中應(yīng)用廣泛。但受施工澆筑及混凝土收縮徐變等影響，如施工中混凝土不能將鋼管填充密實(shí)，嚴(yán)重影響鋼管柱混凝土的力學(xué)性能。針對(duì)混凝土收縮，國(guó)內(nèi)外研究者進(jìn)行了許多相關(guān)研究。梁苗苗［1］等從混凝土配合比出發(fā)，研究了高水膠比下鋼管柱混凝的收縮特性和抗壓特性；李成龍［2］等在混凝土中加入減水劑改善其收縮和徐變特性，提高了鋼管混凝土材料的密實(shí)度；趙沖［3］將高強(qiáng)混凝土材料填充進(jìn)鋼管柱中進(jìn)行材料抗剪實(shí)驗(yàn)和偏壓實(shí)驗(yàn)，得到了高強(qiáng)鋼管柱混凝土的力學(xué)特性；王建軍［4］等將一種膨脹劑添加到混凝土中，對(duì)方形鋼管力學(xué)特性加以分析，得出在方形鋼管混凝土中添加一定量的膨脹劑能改變混凝土的收縮特性，混凝土能夠密實(shí)的填滿鋼管，但降低了材料的抗壓強(qiáng)度；楊群生［5］等研究了不同截面尺寸下鋼管柱混凝土柱的抗壓強(qiáng)度，研究發(fā)現(xiàn)圓形截面柱不僅能節(jié)約混凝土用量，還能提高其偏心抗壓強(qiáng)度。從國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀看，針對(duì)C50等高強(qiáng)度鋼管混凝土材料的自密實(shí)研究還有很多空白，本文從高強(qiáng)度混凝土材料膨脹劑角度出發(fā)，通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和工程應(yīng)用研究了鋼管混凝土的相關(guān)特性，為微膨脹自密實(shí)鋼管混凝土應(yīng)用提供參考。

1 微膨脹混凝土配合比研究

混凝土是一種由各種材料按照一定級(jí)配組成的混合材料，任何一種材料性能直接影響到混凝土試塊的性能［6-8］。

實(shí)驗(yàn)中用粗骨料為天然級(jí)配碎石，其各項(xiàng)指標(biāo)如表1所示。

表1 碎石指標(biāo)性能Table 1 Performance of gravel index

細(xì)砂為天然河砂，符合相關(guān)混凝土規(guī)范用砂要求，其詳細(xì)指標(biāo)如表2所示。

粉煤灰是一種膠凝材料，混凝土中摻入一定量粉煤灰能夠減少后期混凝土的水化熱量，提高混凝土密實(shí)度，粉煤灰各項(xiàng)指標(biāo)見表3和表4所示。

表2 細(xì)砂各項(xiàng)指標(biāo)性能Table 2 Performance of Fine Sand Indicators

表3 粉煤灰化學(xué)成分Table 3 Chemical Composition of Fly Ash

表4 粉煤灰物理特性Table 4 Physical Properties of Fly Ash

水泥是混凝土中的主要膠凝材料，此次所用水泥為P.O 42.5普通硅酸鹽水泥。其化學(xué)成分和物理性能分別見表5和表6所示。

表5 水泥化學(xué)成分Table 5 Chemical Composition of Cement

表6 水泥物理性能Table 6 Physical Properties of Cement

實(shí)驗(yàn)中是加入HCSA膨脹劑以提高混凝土的密實(shí)度，膨脹劑的各項(xiàng)指標(biāo)如表7所示。

表7 HCSA膨脹劑性能

Table 7 HCSA Expansion Agent Properties

氧化鎂／%堿含量／%氯離子／%比表面積／（m2·kg-1）終凝時(shí)間／min 7 d水中限制膨脹率／%28 d抗壓強(qiáng)度／MPa 2.51 0.23 0.01 339 225 0.069 44.0

鋼管混凝土工作原理是鋼管和中間混凝土共同受力，鋼管對(duì)混凝土起到約束的同時(shí)也在和混凝土共同受力［9～11］，實(shí)驗(yàn)中鋼管的性能見表8所示。

表8 鋼管性能Table 8 Performance of Steel Pipe

實(shí)驗(yàn)中減水劑為聚羧酸高效減水劑，實(shí)驗(yàn)用水為普通自來水?；炷恋燃?jí)為C50，其配合比見表9所示。

表9 混凝土配合比Table 9 Concrete Mix Ratio

2 微膨脹混凝土特性實(shí)驗(yàn)研究

2.1 抗壓特性研究

鋼管混凝土澆筑完成后放于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行抗壓實(shí)驗(yàn)，試件如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)用試件Figure 1 Experimental specimens

實(shí)驗(yàn)中鋼管混凝土發(fā)生彎曲后鼓包現(xiàn)象即認(rèn)為試件達(dá)到了破壞荷載［12］，其強(qiáng)度計(jì)算：

式中：fcu為抗壓強(qiáng)度，MPa；F為破壞荷載，N；A為受力面積，mm2。

試件抗壓強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果見表10和圖2所示。

表10 鋼管柱混凝土受壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 10 Experimental results of concrete filled steel tubular columns under compression

從圖2可以看出HCSA膨脹劑能有效增強(qiáng)混凝土的抗壓強(qiáng)度，但這種增長(zhǎng)和膨脹劑的用量不是完全呈正比的。當(dāng)混凝土中HSCA膨脹劑含量從5%逐漸增加到15%時(shí)，鋼管混凝土的抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)幅度先增大后減小，這是因?yàn)楫?dāng)HCSA膨脹劑用量較少時(shí)能改善混凝土的收縮特性，使鋼管和混凝土共同受力，但過量的膨脹劑使混凝土結(jié)構(gòu)對(duì)鋼管產(chǎn)生側(cè)向擠壓，不利于結(jié)構(gòu)受力。圖中顯示，當(dāng)HCSA摻量在8%左右時(shí)，鋼管混凝土的抗壓強(qiáng)度提高最大。

圖2 抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖Figure 2 Data Diagram of Compressive Strength Experiments

2.2 收縮特性研究

膨脹劑能有效改善混凝土的收縮特性，為了更好地觀察HCSA膨脹劑的膨脹效果，實(shí)驗(yàn)中澆筑了無鋼管混凝土試塊，并用DH3816N系統(tǒng)測(cè)定混凝土硬化過程中的橫向應(yīng)變，得到表11和圖3所示的混凝土橫向應(yīng)變曲線。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)混凝土齡期在20 d內(nèi)0～10%HCSA摻量，混凝土的收縮率幾乎不變，混凝土齡期超過20 d后，HCSA對(duì)混凝土的收縮影響顯著，當(dāng)混凝土中摻入HSCA時(shí)，混凝土持續(xù)收縮；當(dāng)HCSA含量在5%以上時(shí)，混凝土齡期40 d時(shí)幾乎趨于收縮穩(wěn)定；當(dāng)HCSA含量在10%和15%時(shí)，混凝土的最終收縮量幾乎相同，這說明摻量超過10%后，混凝土的收縮特點(diǎn)和HCSA的用量不是線性增長(zhǎng)的關(guān)系，HCSA的界限含量為10%。

表11 混凝土橫向應(yīng)變Table 11 Transverse strain of concrete

圖3 混凝土橫向應(yīng)變曲線Figure 3 Transverse strain curve of concrete

3 某工程應(yīng)用研究

在對(duì)HCSA膨脹劑制備的自密實(shí)鋼管柱混凝土充分研究基礎(chǔ)上，將其應(yīng)用于某橋梁工程，該橋梁是某高速公路工程中的特大橋梁，該橋梁全長(zhǎng)785 m，為預(yù)應(yīng)力連續(xù)鋼構(gòu)橋梁，橋面全寬20.5 m，主墩高度分別為73 m和82 m，為鋼管柱混凝土材料，其施工圖如4所示。

圖4 主墩施工圖Figure 4 Construction drawing of main pier

澆筑混凝土過程中，嚴(yán)格控制施工質(zhì)量，澆筑過程中環(huán)境溫度在20℃左右，澆筑混凝土前對(duì)鋼管進(jìn)行了一次清掃工作，去除表面雜質(zhì)，保證內(nèi)部環(huán)境整潔，澆筑上方中部設(shè)置一個(gè)下料口，保證混凝土從構(gòu)件中部均勻落下，排出內(nèi)部空氣。澆筑完成后由于混凝土水化放熱及夜晚降溫產(chǎn)生的溫差，使得混凝土出現(xiàn) “脫空”現(xiàn)象，針對(duì)此問題，在混凝土未凝固前用高強(qiáng)水泥砂漿進(jìn)行二次補(bǔ)漿。

4 結(jié)語

結(jié)合某橋梁工程實(shí)際，從實(shí)驗(yàn)和工程應(yīng)用角度出發(fā)，研究了HCSA膨脹劑不同摻量下C50微膨脹自密實(shí)鋼管混凝土的特性，主要得出了以下結(jié)論：

a.鋼管混凝土中摻加HCSA能有效提高材料的抗壓強(qiáng)度，但強(qiáng)度增長(zhǎng)和添加量不是呈正相關(guān)，HCSA摻量過多或過少對(duì)強(qiáng)度提升效果都不明顯，當(dāng)摻量在8%左右時(shí)提升效果最佳。

b.HCSA能降低早期混凝土的收縮，并在混凝土齡期40 d左右時(shí)使混凝土收縮達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)HCSA摻量在10%左右時(shí)效果最佳。

c.從工程應(yīng)用看，摻有HCSA的C50微膨脹自密實(shí)鋼管柱混凝土由于溫差作用會(huì)出現(xiàn) “脫空”現(xiàn)象，這種由非施工因素引起的 “脫空”是不可避免的，在工程應(yīng)用中可用高強(qiáng)砂漿填補(bǔ)空隙。