摘要: 實(shí)驗(yàn)研究了膨脹劑摻量和鋼管厚度對(duì)不同強(qiáng)度等級(jí)方鋼管膨脹混凝土力學(xué)性能的影響. 研究結(jié)果表明:在一定膨脹劑摻量條件下,方鋼管膨脹混凝土極限承載力比方鋼管普通混凝土提高了15 %;鋼管厚度越大,方鋼管膨脹混凝土極限承載力越大.
關(guān)鍵詞: 膨脹混凝土; 方鋼管膨脹混凝土; 軸壓試驗(yàn)
中圖分類號(hào): TU528. 59 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
與傳統(tǒng)的鋼筋混凝土相比,鋼管混凝土具有承載力高、重量輕、塑性韌性好、耐疲勞、耐沖擊、施工方便及節(jié)省水泥木材等諸多優(yōu)點(diǎn)[1～6 ] .
鋼管混凝土按其截面形式不同可分為圓鋼管混凝土、方鋼管混凝土和多邊形鋼管混凝土,其中方鋼管混凝土由于具有節(jié)點(diǎn)形式簡(jiǎn)單、截面慣性矩大、穩(wěn)定性好和易于采取防火措施等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)而得到工程界的青睞. 方鋼管由4 塊平面鋼板組成,在側(cè)向力作用下,鋼管表面不再平整,而是發(fā)生輕微的鼓曲,因此,方鋼管混凝土中只有4 個(gè)角部和中間的混凝土受到較強(qiáng)的約束作用,其整體約束效果及對(duì)構(gòu)件力學(xué)性能的提高程度均不如圓鋼管混凝土. 為解決方鋼管混凝土的上述缺陷,可在核心混凝土中摻加膨脹劑,使鋼管對(duì)受荷前的核心混凝土產(chǎn)生緊箍力,從而提高其工作性能.本文探討了摻膨脹劑核心混凝土的抗壓強(qiáng)度,研究了不同強(qiáng)度等級(jí)核心混凝土的(自由) 膨脹率和膨脹劑摻量、鋼管厚度對(duì)方鋼管膨脹混凝土力學(xué)性能的影響.
1 實(shí)驗(yàn)
1. 1 原材料與配合比
水泥:上海海螺水泥廠生產(chǎn)的42. 5 級(jí)普通硅酸鹽水泥,其28 d 抗壓強(qiáng)度為56. 7 MPa. 骨料:細(xì)集料采用河砂,其細(xì)度模數(shù)為2. 85 ;粗集料采用碎石,其粒徑分布范圍為5～21. 5 mm. 粉煤灰:高鈣磨細(xì)Ⅱ粉煤灰(在一定條件下可激發(fā)其活性而產(chǎn)生微小的膨脹) . 膨脹劑:中國(guó)建筑材料科學(xué)研究院于2000 年推出的由特種膨脹熟料、硅鋁酸鹽熟料與石膏配制而成的ZY型第4 代高效混凝土膨脹劑. 高效減水劑:低強(qiáng)混凝土采用木鈣,高強(qiáng)混凝土采用萘磺酸鹽- 甲醛縮合物(水劑)MIGHTY150 (上?；ㄍ趸瘜W(xué)有限公司產(chǎn)品) . 硅粉: 由Elken 公司提供,顆粒粒徑為0. 01～0. 1μm. 鋼管:采用4 種方形截面冷彎型鋼管,代碼分別為A ,B ,C ,D ,厚度( H) 分別為2. 5 ,3. 5 ,4. 5 ,5.8 mm ,屈服強(qiáng)度分別為336 ,298 ,275 ,321 MPa ,尺寸則均為120 mm ×120 mm ×400 mm.核心混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C20 (低強(qiáng)) 和C50 (高強(qiáng)) ,其配合比見表1 ,其中,膨脹劑摻加方法采用外摻法,即膨脹劑等量取代河砂. 膨脹劑摻量分別為膠凝材料質(zhì)量用量的10 % ,15 % ,20 %和25 %.
1. 2 試件制作
首先將硅粉、水泥、膨脹劑用100 L 攪拌機(jī)干攪拌1 min ,然后加入河砂、碎石并攪拌30 s ,最后再加入水和減水劑,攪拌,直到均勻流動(dòng)的混凝土拌和物出現(xiàn). 將均勻的混凝土拌和物裝入試模并振動(dòng)成型(核心混凝土) ,脫模后置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期.
將均勻的混凝土拌和物分層灌入方鋼管中,當(dāng)混凝土拌和物澆注到方鋼管高度的1/ 3 和2/ 3處時(shí),分別用搗棒按螺旋方向從邊緣向中心進(jìn)行插搗. 澆注完畢后將方鋼管混凝土放在振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行振搗,以確?；炷脸浞置軐?shí). 試件成型后置于室溫下養(yǎng)護(hù)1 d , 然后用鋼板焊牢其頂部并養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期.
1. 3 性能測(cè)試
核心混凝土抗壓強(qiáng)度測(cè)試按GB/ T 50081 —2002 進(jìn)行,試件尺寸為150 mm ×150 mm ×150mm ,齡期為60 d ;核心混凝土坍落度測(cè)試按GB/ T 50080 —2002 進(jìn)行;核心混凝土膨脹率測(cè)試按GBJ 82 —85 進(jìn)行,試件尺寸為100 mm ×100 mm ×515 mm.方鋼管膨脹混凝土主要測(cè)試其在加載(加載裝置見圖1) 過程中的鋼管軸向、環(huán)向應(yīng)變和試件軸向總體積變形,試驗(yàn)在2 000 kN 荷載下進(jìn)行,并利用DH5818 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動(dòng)采集數(shù)據(jù). 實(shí)驗(yàn)時(shí),先對(duì)方鋼管膨脹混凝土預(yù)加載至預(yù)估極限荷載的15 % ,以保證試件截面與試驗(yàn)機(jī)加載截面緊密接觸;同時(shí)根據(jù)對(duì)稱布置的位移計(jì)和應(yīng)變片的測(cè)量值調(diào)整試件位置,以確保試件軸心受壓. 實(shí)驗(yàn)采用連續(xù)緩慢勻速加載,加載速度控制在0. 5 kN/ s.
2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論
2. 1 核心混凝土性能
表2 給出了核心混凝土性能測(cè)試結(jié)果. 從表2 可以看出: (1) 摻入一定量的膨脹劑將會(huì)使核心混凝土抗壓強(qiáng)度有一定程度的下降,其中低強(qiáng)膨脹混凝土下降幅度較高強(qiáng)膨脹混凝土大,如膨脹劑摻量為25 %時(shí),低強(qiáng)膨脹混凝土28 d 抗壓強(qiáng)度只有普通混凝土的67 %,而高強(qiáng)膨脹混凝土28 d 抗壓強(qiáng)度則為普通混凝土的93 %. (2) 用適量膨脹劑(10 %～15 %) 取代砂配制出的高強(qiáng)膨脹混凝土具有強(qiáng)度高、坍落度大、坍落度經(jīng)時(shí)損失小等特點(diǎn),且混凝土的工作性能優(yōu)良,適合泵送施工.
核心混凝土膨脹率隨其養(yǎng)護(hù)齡期的變化見圖2 (a) , ( b) . 從圖2 (a) 可見:在低膨脹劑摻量( ≤15 %) 條件下,低強(qiáng)膨脹混凝土膨脹率在28 d 養(yǎng)護(hù)齡期時(shí)已經(jīng)趨于穩(wěn)定;而在高膨脹劑摻量(20 %～25 %) 條件下,低強(qiáng)膨脹混凝土膨脹率在28 d 養(yǎng)護(hù)齡期后仍有較大的增長(zhǎng). 由圖2 (b) 可見:高強(qiáng)膨脹混凝土膨脹率隨養(yǎng)護(hù)齡期的變化而不斷變化(這主要與其膠凝材料用量較大有關(guān)) ;與低強(qiáng)膨脹混凝土相比,高強(qiáng)膨脹混凝土膨脹率低得多;高強(qiáng)膨脹混凝土膨脹率與低強(qiáng)膨脹混凝土一樣,均由膨脹劑摻量決定,膨脹劑摻量越大,其值越大.
2. 2 方鋼管膨脹混凝土性能
2. 2. 1 方鋼管膨脹混凝土破壞形態(tài)
不同強(qiáng)度等級(jí)方鋼管膨脹混凝土在軸壓荷載下的破壞形態(tài)明顯不同. 方鋼管低強(qiáng)膨脹混凝土破壞形態(tài)主要為腰鼓形壓皺破壞,在試件高度方向形成2 個(gè)或3 個(gè)波形(見圖3 (a) ) . 而方鋼管高強(qiáng)膨脹混凝土破壞主要為剪切破壞,整個(gè)破壞面呈現(xiàn)出1 個(gè)明顯的剪切面,另外方鋼管還出現(xiàn)了明顯的水平鼓曲和斜向鼓曲(見圖3 (b) ) .
對(duì)于方鋼管低強(qiáng)膨脹混凝土而言,當(dāng)鋼管處于彈性狀態(tài)時(shí),試件的橫向變形處在一定的范圍內(nèi);當(dāng)鋼管進(jìn)入彈塑性狀態(tài)后,試件橫向變形開始緩慢增大,鋼管對(duì)核心混凝土的約束作用隨縱向應(yīng)變的增加而逐漸增強(qiáng),因此試件的破壞模式為腰鼓形破壞. 對(duì)于方鋼管高強(qiáng)膨脹混凝土而言,當(dāng)試件接近破壞時(shí),其橫向變形急劇增大,剛度迅速下降,鋼管對(duì)核心混凝土產(chǎn)生約束作用且約束作用越來越大,中截面應(yīng)變受核心混凝土的影響發(fā)生了劇烈變化,但由于約束作用出現(xiàn)得較晚,且不均勻,核心混凝土已形成剪切破壞,因而一般情況下鋼管只能延緩核心混凝土發(fā)生剪切破壞而很難完全改變其破壞模式. 由于方鋼管高強(qiáng)、低強(qiáng)膨脹混凝土試件尺寸完全相同,只有內(nèi)填核心混凝土強(qiáng)度不同,因此可確定核心混凝土強(qiáng)度對(duì)其破壞形式有很大影響.
2. 2. 2 方鋼管膨脹混凝土極限承載力
表3 給出了方鋼管膨脹混凝土的極限承載力. 從表3 可見: (1) 在相同鋼管厚度條件下,當(dāng)膨脹劑摻量在一定范圍以內(nèi)時(shí),隨著膨脹劑摻量的增大,方鋼管膨脹混凝土極限承載力增大;當(dāng)膨脹劑摻量過大時(shí),則會(huì)因其顯著影響核心混凝土本身的抗壓強(qiáng)度而使整個(gè)方鋼管膨脹混凝土的極限承載力降低. (2) 在相同膨脹劑摻量下,隨著鋼管厚度的增大,方鋼管膨脹混凝土的極限承載力增大.
2. 2. 3 方鋼管膨脹混凝土荷載- 應(yīng)變曲線
方鋼管高強(qiáng)、低強(qiáng)膨脹混凝土在軸壓荷載作用下的荷載- (縱向) 應(yīng)變曲線分別見圖4 ,5. 由實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及圖4 可見,方鋼管高強(qiáng)膨脹混凝土在軸壓荷載作用下的彈性階段(此階段試件表面開始有鐵銹剝落,鋼管變形很小,肉眼無法觀測(cè)) 長(zhǎng)于方鋼管普通混凝土,方鋼管高強(qiáng)膨脹混凝土彈性階段均在極限荷載的90 %以上才會(huì)結(jié)束. 與方鋼管普通混凝土相比, 方鋼管高強(qiáng)膨脹混凝土有較好的
抵抗變形能力:在相同荷載作用下,方鋼管高強(qiáng)膨脹混凝土變形小于普通方鋼管混凝土. 在達(dá)到極限荷載時(shí),方鋼管高強(qiáng)膨脹混凝土相應(yīng)的變形也小于方鋼管普通混凝土. 在核心混凝土強(qiáng)度相同的情況下,鋼管厚度越大,其極限承載力越大,即隨著鋼管厚度的增大,方鋼管高強(qiáng)膨脹混凝土構(gòu)件工作性能提高. 由實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及圖4 ,5 可見,方鋼管高強(qiáng)、低強(qiáng)膨脹混凝土性能存在著差異: (1) 方鋼管高強(qiáng)膨脹混凝土彈性階段所占整個(gè)極限荷載的比例均比方鋼管低強(qiáng)膨脹混凝土大,彈性階段的荷載- 應(yīng)變曲線更陡,說明方鋼管高強(qiáng)膨脹混凝土剛度較大,即便在其接近破壞時(shí),變形仍然很小.
(2) 在達(dá)到極限荷載后,方鋼管高強(qiáng)膨脹混凝土荷載下降較方鋼管低強(qiáng)膨脹混凝土快. 這是由于高強(qiáng)膨脹混凝土具有很高的脆性,當(dāng)其在受力過程中,核心混凝土微裂幾乎要在臨近破壞之前才出現(xiàn),因此在剛達(dá)到極限荷載時(shí),混凝土開始產(chǎn)生裂縫,鋼管還沒來得及對(duì)混凝土產(chǎn)生較大的約束力,故試件荷載迅速下降.
(3) 方鋼管高強(qiáng)、低強(qiáng)膨脹混凝土在試驗(yàn)中均表現(xiàn)出較好的延性,試件早荷載下降階段結(jié)束后均出現(xiàn)了強(qiáng)化階段.
3 結(jié)論
1. 核心混凝土強(qiáng)度對(duì)方鋼管膨脹混凝的破壞形式起決定性作用. 方鋼管低強(qiáng)膨脹混凝土的破壞形式是腰鼓形破壞,方鋼管高強(qiáng)膨脹混凝土的破壞形式主要是剪切破壞.
2. 在相同鋼管厚度條件下,當(dāng)膨脹劑摻量在一定范圍以內(nèi)時(shí),隨著膨脹劑摻量的增大,方鋼管膨脹混凝土極限承載力增大,但當(dāng)膨脹劑摻量過大時(shí),則會(huì)使整個(gè)方鋼管膨脹混凝土的極限承載力降低. 在相同膨脹劑摻量下,隨著鋼管厚度的增大,方鋼管膨脹混凝土極限承載力增大. 本文膨脹劑摻量以10 %～20 %為宜.
3. 方鋼管膨脹混凝土有較好的抵抗變形能力:在彈性階段且荷載相同條件下,方鋼管膨脹混凝土變形均小于方鋼管普通混凝土. 在極限荷載時(shí),其相應(yīng)的變形也小于方鋼管普通混凝土.
4. 方鋼管膨脹混凝土在實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出較好的延性,其在早荷載下降階段結(jié)束后出現(xiàn)強(qiáng)化現(xiàn)象.
5. 與方鋼管低強(qiáng)膨脹混凝土相比,在達(dá)到極限荷載后,方鋼管高強(qiáng)膨脹混凝土的荷載下降較快.
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