摘要: 实验研究了膨胀剂掺量和钢管厚度对不同强度等级方钢管膨胀混凝土力学性能的影响. 研究结果表明:在一定膨胀剂掺量条件下,方钢管膨胀混凝土极限承载力比方钢管普通混凝土提高了15 %;钢管厚度越大,方钢管膨胀混凝土极限承载力越大.
关键词: 膨胀混凝土; 方钢管膨胀混凝土; 轴压试验
中图分类号: TU528. 59 文献标识码:A
与传统的钢筋混凝土相比,钢管混凝土具有承载力高、重量轻、塑性韧性好、耐疲劳、耐冲击、施工方便及节省水泥木材等诸多优点[1～6 ] .
钢管混凝土按其截面形式不同可分为圆钢管混凝土、方钢管混凝土和多边形钢管混凝土,其中方钢管混凝土由于具有节点形式简单、截面惯性矩大、稳定性好和易于采取防火措施等独特优点而得到工程界的青睐. 方钢管由4 块平面钢板组成,在侧向力作用下,钢管表面不再平整,而是发生轻微的鼓曲,因此,方钢管混凝土中只有4 个角部和中间的混凝土受到较强的约束作用,其整体约束效果及对构件力学性能的提高程度均不如圆钢管混凝土. 为解决方钢管混凝土的上述缺陷,可在核心混凝土中掺加膨胀剂,使钢管对受荷前的核心混凝土产生紧箍力,从而提高其工作性能.本文探讨了掺膨胀剂核心混凝土的抗压强度,研究了不同强度等级核心混凝土的(自由) 膨胀率和膨胀剂掺量、钢管厚度对方钢管膨胀混凝土力学性能的影响.
1 实验
1. 1 原材料与配合比
水泥:上海海螺水泥厂生产的42. 5 级普通硅酸盐水泥,其28 d 抗压强度为56. 7 MPa. 骨料:细集料采用河砂,其细度模数为2. 85 ;粗集料采用碎石,其粒径分布范围为5～21. 5 mm. 粉煤灰:高钙磨细Ⅱ粉煤灰(在一定条件下可激发其活性而产生微小的膨胀) . 膨胀剂:中国建筑材料科学研究院于2000 年推出的由特种膨胀熟料、硅铝酸盐熟料与石膏配制而成的ZY型第4 代高效混凝土膨胀剂. 高效减水剂:低强混凝土采用木钙,高强混凝土采用萘磺酸盐- 甲醛缩合物(水剂)MIGHTY150 (上海花王化学有限公司产品) . 硅粉: 由Elken 公司提供,颗粒粒径为0. 01～0. 1μm. 钢管:采用4 种方形截面冷弯型钢管,代码分别为A ,B ,C ,D ,厚度( H) 分别为2. 5 ,3. 5 ,4. 5 ,5.8 mm ,屈服强度分别为336 ,298 ,275 ,321 MPa ,尺寸则均为120 mm ×120 mm ×400 mm.核心混凝土强度等级为C20 (低强) 和C50 (高强) ,其配合比见表1 ,其中,膨胀剂掺加方法采用外掺法,即膨胀剂等量取代河砂. 膨胀剂掺量分别为胶凝材料质量用量的10 % ,15 % ,20 %和25 %.
1. 2 试件制作
首先将硅粉、水泥、膨胀剂用100 L 搅拌机干搅拌1 min ,然后加入河砂、碎石并搅拌30 s ,最后再加入水和减水剂,搅拌,直到均匀流动的混凝土拌和物出现. 将均匀的混凝土拌和物装入试模并振动成型(核心混凝土) ,脱模后置于标准养护室内养护至规定龄期.
将均匀的混凝土拌和物分层灌入方钢管中,当混凝土拌和物浇注到方钢管高度的1/ 3 和2/ 3处时,分别用捣棒按螺旋方向从边缘向中心进行插捣. 浇注完毕后将方钢管混凝土放在振动台上进行振捣,以确保混凝土充分密实. 试件成型后置于室温下养护1 d , 然后用钢板焊牢其顶部并养护至规定龄期.
1. 3 性能测试
核心混凝土抗压强度测试按GB/ T 50081 —2002 进行,试件尺寸为150 mm ×150 mm ×150mm ,龄期为60 d ;核心混凝土坍落度测试按GB/ T 50080 —2002 进行;核心混凝土膨胀率测试按GBJ 82 —85 进行,试件尺寸为100 mm ×100 mm ×515 mm.方钢管膨胀混凝土主要测试其在加载(加载装置见图1) 过程中的钢管轴向、环向应变和试件轴向总体积变形,试验在2 000 kN 荷载下进行,并利用DH5818 数据采集系统自动采集数据. 实验时,先对方钢管膨胀混凝土预加载至预估极限荷载的15 % ,以保证试件截面与试验机加载截面紧密接触;同时根据对称布置的位移计和应变片的测量值调整试件位置,以确保试件轴心受压. 实验采用连续缓慢匀速加载,加载速度控制在0. 5 kN/ s.
2 实验结果与讨论
2. 1 核心混凝土性能
表2 给出了核心混凝土性能测试结果. 从表2 可以看出: (1) 掺入一定量的膨胀剂将会使核心混凝土抗压强度有一定程度的下降,其中低强膨胀混凝土下降幅度较高强膨胀混凝土大,如膨胀剂掺量为25 %时,低强膨胀混凝土28 d 抗压强度只有普通混凝土的67 %,而高强膨胀混凝土28 d 抗压强度则为普通混凝土的93 %. (2) 用适量膨胀剂(10 %～15 %) 取代砂配制出的高强膨胀混凝土具有强度高、坍落度大、坍落度经时损失小等特点,且混凝土的工作性能优良,适合泵送施工.
核心混凝土膨胀率随其养护龄期的变化见图2 (a) , ( b) . 从图2 (a) 可见:在低膨胀剂掺量( ≤15 %) 条件下,低强膨胀混凝土膨胀率在28 d 养护龄期时已经趋于稳定;而在高膨胀剂掺量(20 %～25 %) 条件下,低强膨胀混凝土膨胀率在28 d 养护龄期后仍有较大的增长. 由图2 (b) 可见:高强膨胀混凝土膨胀率随养护龄期的变化而不断变化(这主要与其胶凝材料用量较大有关) ;与低强膨胀混凝土相比,高强膨胀混凝土膨胀率低得多;高强膨胀混凝土膨胀率与低强膨胀混凝土一样,均由膨胀剂掺量决定,膨胀剂掺量越大,其值越大.
2. 2 方钢管膨胀混凝土性能
2. 2. 1 方钢管膨胀混凝土破坏形态
不同强度等级方钢管膨胀混凝土在轴压荷载下的破坏形态明显不同. 方钢管低强膨胀混凝土破坏形态主要为腰鼓形压皱破坏,在试件高度方向形成2 个或3 个波形(见图3 (a) ) . 而方钢管高强膨胀混凝土破坏主要为剪切破坏,整个破坏面呈现出1 个明显的剪切面,另外方钢管还出现了明显的水平鼓曲和斜向鼓曲(见图3 (b) ) .
对于方钢管低强膨胀混凝土而言,当钢管处于弹性状态时,试件的横向变形处在一定的范围内;当钢管进入弹塑性状态后,试件横向变形开始缓慢增大,钢管对核心混凝土的约束作用随纵向应变的增加而逐渐增强,因此试件的破坏模式为腰鼓形破坏. 对于方钢管高强膨胀混凝土而言,当试件接近破坏时,其横向变形急剧增大,刚度迅速下降,钢管对核心混凝土产生约束作用且约束作用越来越大,中截面应变受核心混凝土的影响发生了剧烈变化,但由于约束作用出现得较晚,且不均匀,核心混凝土已形成剪切破坏,因而一般情况下钢管只能延缓核心混凝土发生剪切破坏而很难完全改变其破坏模式. 由于方钢管高强、低强膨胀混凝土试件尺寸完全相同,只有内填核心混凝土强度不同,因此可确定核心混凝土强度对其破坏形式有很大影响.
2. 2. 2 方钢管膨胀混凝土极限承载力
表3 给出了方钢管膨胀混凝土的极限承载力. 从表3 可见: (1) 在相同钢管厚度条件下,当膨胀剂掺量在一定范围以内时,随着膨胀剂掺量的增大,方钢管膨胀混凝土极限承载力增大;当膨胀剂掺量过大时,则会因其显著影响核心混凝土本身的抗压强度而使整个方钢管膨胀混凝土的极限承载力降低. (2) 在相同膨胀剂掺量下,随着钢管厚度的增大,方钢管膨胀混凝土的极限承载力增大.
2. 2. 3 方钢管膨胀混凝土荷载- 应变曲线
方钢管高强、低强膨胀混凝土在轴压荷载作用下的荷载- (纵向) 应变曲线分别见图4 ,5. 由实验现象及图4 可见,方钢管高强膨胀混凝土在轴压荷载作用下的弹性阶段(此阶段试件表面开始有铁锈剥落,钢管变形很小,肉眼无法观测) 长于方钢管普通混凝土,方钢管高强膨胀混凝土弹性阶段均在极限荷载的90 %以上才会结束. 与方钢管普通混凝土相比, 方钢管高强膨胀混凝土有较好的
抵抗变形能力:在相同荷载作用下,方钢管高强膨胀混凝土变形小于普通方钢管混凝土. 在达到极限荷载时,方钢管高强膨胀混凝土相应的变形也小于方钢管普通混凝土. 在核心混凝土强度相同的情况下,钢管厚度越大,其极限承载力越大,即随着钢管厚度的增大,方钢管高强膨胀混凝土构件工作性能提高. 由实验现象及图4 ,5 可见,方钢管高强、低强膨胀混凝土性能存在着差异: (1) 方钢管高强膨胀混凝土弹性阶段所占整个极限荷载的比例均比方钢管低强膨胀混凝土大,弹性阶段的荷载- 应变曲线更陡,说明方钢管高强膨胀混凝土刚度较大,即便在其接近破坏时,变形仍然很小.
(2) 在达到极限荷载后,方钢管高强膨胀混凝土荷载下降较方钢管低强膨胀混凝土快. 这是由于高强膨胀混凝土具有很高的脆性,当其在受力过程中,核心混凝土微裂几乎要在临近破坏之前才出现,因此在刚达到极限荷载时,混凝土开始产生裂缝,钢管还没来得及对混凝土产生较大的约束力,故试件荷载迅速下降.
(3) 方钢管高强、低强膨胀混凝土在试验中均表现出较好的延性,试件早荷载下降阶段结束后均出现了强化阶段.
3 结论
1. 核心混凝土强度对方钢管膨胀混凝的破坏形式起决定性作用. 方钢管低强膨胀混凝土的破坏形式是腰鼓形破坏,方钢管高强膨胀混凝土的破坏形式主要是剪切破坏.
2. 在相同钢管厚度条件下,当膨胀剂掺量在一定范围以内时,随着膨胀剂掺量的增大,方钢管膨胀混凝土极限承载力增大,但当膨胀剂掺量过大时,则会使整个方钢管膨胀混凝土的极限承载力降低. 在相同膨胀剂掺量下,随着钢管厚度的增大,方钢管膨胀混凝土极限承载力增大. 本文膨胀剂掺量以10 %～20 %为宜.
3. 方钢管膨胀混凝土有较好的抵抗变形能力:在弹性阶段且荷载相同条件下,方钢管膨胀混凝土变形均小于方钢管普通混凝土. 在极限荷载时,其相应的变形也小于方钢管普通混凝土.
4. 方钢管膨胀混凝土在实验中表现出较好的延性,其在早荷载下降阶段结束后出现强化现象.
5. 与方钢管低强膨胀混凝土相比,在达到极限荷载后,方钢管高强膨胀混凝土的荷载下降较快.
参考文献:
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