膨胀剂对钢管混凝土瞬时变形和徐变的影响_祁璐帆
铁道建筑Ｒailway Engineering
July ，
2015文章编号：1003-1995（2015）07-0138-04
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730070）
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：TU528.59
文献标识码：A
DOI ：10．3969/j．issn．1003-1995．2015．07．39
收稿日期：2015-02-16；修回日期：2015-03-25
基金项目：国家自然科学基金资助项目（51268032）；长江学者和创新团
队发展计划项目（IＲT1139）；兰州交通大学青年科技基金资助项目（2012028）
作者简介：祁璐帆（1991—），男，甘肃和政人，
硕士研究生。钢管混凝土是在钢管中填充混凝土而形成，属于
钢—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间的组合作用，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
［1］
。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［2］
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［3］
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［4］
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
了钢管微膨胀混凝土生长模型；王湛
［5］
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［6］
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。
1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12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
试件编号外径/mm 壁厚/mm 含钢率/%长度/mm 膨胀剂掺量/%试验项目S-1140 1.3 3.93500瞬时变形S-2140 1.3 3.93504瞬时变形S-3140 1.3 3.93508瞬时变形S-4140 2.2 6.73500瞬时变形S-5140 2.2 6.73504瞬时变形S-6140 2.2 6.73508瞬时变形S-788 2.211.13500瞬时变形S-888 2.211.13504瞬时变形S-988 2.211.13508瞬时变形S-10140 2.2 6.73500徐变S-11140 2.2 6.73504徐变S-12
140
2.2
6.7
350
8
徐变
8
31
2015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
试验中核心混凝土的强度等级为C55，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．O42.5水泥，其性能指标见表3。
钢管混凝土试件中使用的钢管由Q235钢材制
成。混凝土中所掺膨胀剂为UEA-H 型膨胀剂，其性能指标见表4。
表2
核心混凝土配合比kg /m 3
强度等级水泥粉煤灰矿粉砂子粗骨料细骨料水减水剂膨胀剂膨胀剂掺量/%
C5536873496706564371619.8100C55368734967065643716110.1919.64C55
368
73
49
670656
437
161
11.57
39.2
8
表3
P．O42.5水泥性能指标比表面积/（m 2/kg ）安定性/mm 氯离子含量/%碱含量/%三氧化硫
含量/%烧失量/%初凝/min 终凝/min 抗压强度/MPa 3d 7d 326
2
0.012
0.43
2.44
1.52
185
325
21.7
48.6
表4
膨胀剂性能指标
类型氧化镁含量/%总碱量/%氯离子含量/%比表面积/（m 2/kg ）初凝/min 终凝/min 限制膨胀率/%抗压强度/MPa 7d （水）21d （空气）7d 28d UEA-H
3.38
0.58
0.009
316
174
259
0.036
－0.019
22.2
40.3
制作钢管混凝土试件时，上下底板都采用5mm 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28d 后，进行瞬时变形试验和徐变加载。瞬时变形试验用500kN 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50kN 为梯度递增，每加一级荷载，停顿2 3min ，以读取轴向压缩变形值。外径140mm 的试件分9级加载，最高荷载为450kN 。外径88mm 的试件分4级加载，最高荷载为200kN 。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0.33，环境温度维持在20?
。
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—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140mm ），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450kN 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77.0%，内掺8%膨胀剂的钢管混凝土平均应变减小为基准的72.1%；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77.0%，内掺8%膨胀剂的钢管混凝土平均应变减小为基准的68.0%。
由图2（c ）可知，含钢率为11.1%的试件（外径88mm ）也遵循相同的规律。在加载至200kN 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93.7%，内掺8%
膨胀剂的钢管混凝土平均应变减小为基准的87.7%。
通过以上对比可知，含钢率一定，钢管混凝土的抗
9
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图2
荷载—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
［7］
，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［8］
，从而在一定程度上改善了钢管混凝土的受力性能［9］
，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240d 的徐变变形（养护28d 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40d 增加速度比较快，加载40d 后逐渐放缓，
120d
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240d 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56.4%，内掺8%膨胀剂的钢管混凝土徐变减小为基准的40.1%。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11.1%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28d 后加载，钢管混凝土的徐变在前40d 增加速度比较快，加载40d 后逐渐放缓，
120d 后趋于平稳。参
考
文
献
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Influence of expansive agent on instantaneous deformation and
creep of concrete in concrete-f illed steel tube
QI Lufan，WANG Qicai，ZHANGＲongling，YANG Yang，ZHANG Shaohua
（School of Civil Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou Gansu730070，China）
Abstract：T he application of expansive agent helps concrete-filled steel tube overcomes the contraction of core concrete．T he attempt has been proven to improve the force-bearing performance of the specimen，as it prevents the occurrence of tube-concrete detachment and generates primary stress on the side．T he paper，aiming to study the influence of expansive agent to compression and deformation of steel tube，takes short concrete-filled steel tubes as study objects with the amount of expansive agent standing at0，4%and8%respectively．Afterwards，the paper carries out experimental research on the instantaneous deformation and creep of the specimens．T he results indicate that expansive agent optimizes the mechanical property of the tubes whose instantaneous deformation and creep have been mitigated by the increase of expansive agents applied．
Key words：C oncrete-filled steel tube；Amount of expansive agent；Instantaneous deformation；C reep；Experimental study
（责任审编葛全红）
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