摘要: 實驗研究了膨脹劑摻量和鋼管厚度對不同強度等級方鋼管膨脹混凝土力學性能的影響. 研究結果表明: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.
關鍵詞: 膨脹混凝土; 方鋼管膨脹混凝土; 軸壓試驗
中圖分類號: TU528. 59 文獻標識碼:A
與傳統的鋼筋混凝土相比,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、施工方便及節省水泥木材等諸多優點[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點形式簡單、截面慣性矩大、穩定性好和易于采取防火措施等獨特優點而得到工程界的青睞. 方鋼管由4 塊平面鋼板組成,在側向力作用下,鋼管表面不再平整,而是發生輕微的鼓曲,因此,方鋼管混凝土中只有4 個角部和中間的混凝土受到較強的約束作用,其整體約束效果及對構件力學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,使鋼管對受荷前的核心混凝土產生緊箍力,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度,研究了不同強度等級核心混凝土的(自由) 膨脹率和膨脹劑摻量、鋼管厚度對方鋼管膨脹混凝土力學性能的影響.
1 實驗
1. 1 原材料與配合比
水泥:上海海螺水泥廠生產的42. 5 級普通硅酸鹽水泥,其28 d 抗壓強度為56. 7 MPa. 骨料:細集料采用河砂,其細度模數為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Ⅱ粉煤灰(在一定條件下可激發其活性而產生微小的膨脹) . 膨脹劑:中國建筑材料科學研究院于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:低強混凝土采用木鈣,高強混凝土采用萘磺酸鹽- 甲醛縮合物(水劑)MIGHTY150 (上海花王化學有限公司產品) . 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.核心混凝土強度等級為C20 (低強) 和C50 (高強) ,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,直到均勻流動的混凝土拌和物出現. 將均勻的混凝土拌和物裝入試模并振動成型(核心混凝土) ,脫模后置于標準養護室內養護至規定齡期.
將均勻的混凝土拌和物分層灌入方鋼管中,當混凝土拌和物澆注到方鋼管高度的1/ 3 和2/ 3處時,分別用搗棒按螺旋方向從邊緣向中心進行插搗. 澆注完畢后將方鋼管混凝土放在振動臺上進行振搗,以確保混凝土充分密實. 試件成型后置于室溫下養護1 d , 然后用鋼板焊牢其頂部并養護至規定齡期.
1. 3 性能測試
核心混凝土抗壓強度測試按GB/ T 50081 —2002 進行,試件尺寸為150 mm ×150 mm ×150mm ,齡期為60 d ;核心混凝土坍落度測試按GB/ T 50080 —2002 進行;核心混凝土膨脹率測試按GBJ 82 —85 進行,試件尺寸為100 mm ×100 mm ×515 mm.方鋼管膨脹混凝土主要測試其在加載(加載裝置見圖1) 過程中的鋼管軸向、環向應變和試件軸向總體積變形,試驗在2 000 kN 荷載下進行,并利用DH5818 數據采集系統自動采集數據. 實驗時,先對方鋼管膨脹混凝土預加載至預估極限荷載的15 % ,以保證試件截面與試驗機加載截面緊密接觸;同時根據對稱布置的位移計和應變片的測量值調整試件位置,以確保試件軸心受壓. 實驗采用連續緩慢勻速加載,加載速度控制在0. 5 kN/ s.
2 實驗結果與討論
2. 1 核心混凝土性能
表2 給出了核心混凝土性能測試結果. 從表2 可以看出: (1) 摻入一定量的膨脹劑將會使核心混凝土抗壓強度有一定程度的下降,其中低強膨脹混凝土下降幅度較高強膨脹混凝土大,如膨脹劑摻量為25 %時,低強膨脹混凝土28 d 抗壓強度只有普通混凝土的67 %,而高強膨脹混凝土28 d 抗壓強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膨脹混凝土具有強度高、坍落度大、坍落度經時損失小等特點,且混凝土的工作性能優良,適合泵送施工.
核心混凝土膨脹率隨其養護齡期的變化見圖2 (a) , ( b) . 從圖2 (a) 可見:在低膨脹劑摻量( ≤15 %) 條件下,低強膨脹混凝土膨脹率在28 d 養護齡期時已經趨于穩定;而在高膨脹劑摻量(20 %～25 %) 條件下,低強膨脹混凝土膨脹率在28 d 養護齡期后仍有較大的增長. 由圖2 (b) 可見:高強膨脹混凝土膨脹率隨養護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) ;與低強膨脹混凝土相比,高強膨脹混凝土膨脹率低得多;高強膨脹混凝土膨脹率與低強膨脹混凝土一樣,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
不同強度等級方鋼管膨脹混凝土在軸壓荷載下的破壞形態明顯不同. 方鋼管低強膨脹混凝土破壞形態主要為腰鼓形壓皺破壞,在試件高度方向形成2 個或3 個波形(見圖3 (a) ) . 而方鋼管高強膨脹混凝土破壞主要為剪切破壞,整個破壞面呈現出1 個明顯的剪切面,另外方鋼管還出現了明顯的水平鼓曲和斜向鼓曲(見圖3 (b) ) .
對于方鋼管低強膨脹混凝土而言,當鋼管處于彈性狀態時,試件的橫向變形處在一定的范圍內;當鋼管進入彈塑性狀態后,試件橫向變形開始緩慢增大,鋼管對核心混凝土的約束作用隨縱向應變的增加而逐漸增強,因此試件的破壞模式為腰鼓形破壞. 對于方鋼管高強膨脹混凝土而言,當試件接近破壞時,其橫向變形急劇增大,剛度迅速下降,鋼管對核心混凝土產生約束作用且約束作用越來越大,中截面應變受核心混凝土的影響發生了劇烈變化,但由于約束作用出現得較晚,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生剪切破壞而很難完全改變其破壞模式. 由于方鋼管高強、低強膨脹混凝土試件尺寸完全相同,只有內填核心混凝土強度不同,因此可確定核心混凝土強度對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,當膨脹劑摻量在一定范圍以內時,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;當膨脹劑摻量過大時,則會因其顯著影響核心混凝土本身的抗壓強度而使整個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- 應變曲線
方鋼管高強、低強膨脹混凝土在軸壓荷載作用下的荷載- (縱向) 應變曲線分別見圖4 ,5. 由實驗現象及圖4 可見,方鋼管高強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) 長于方鋼管普通混凝土,方鋼管高強膨脹混凝土彈性階段均在極限荷載的90 %以上才會結束. 與方鋼管普通混凝土相比, 方鋼管高強膨脹混凝土有較好的
抵抗變形能力:在相同荷載作用下,方鋼管高強膨脹混凝土變形小于普通方鋼管混凝土. 在達到極限荷載時,方鋼管高強膨脹混凝土相應的變形也小于方鋼管普通混凝土. 在核心混凝土強度相同的情況下,鋼管厚度越大,其極限承載力越大,即隨著鋼管厚度的增大,方鋼管高強膨脹混凝土構件工作性能提高. 由實驗現象及圖4 ,5 可見,方鋼管高強、低強膨脹混凝土性能存在著差異: (1) 方鋼管高強膨脹混凝土彈性階段所占整個極限荷載的比例均比方鋼管低強膨脹混凝土大,彈性階段的荷載- 應變曲線更陡,說明方鋼管高強膨脹混凝土剛度較大,即便在其接近破壞時,變形仍然很小.
(2) 在達到極限荷載后,方鋼管高強膨脹混凝土荷載下降較方鋼管低強膨脹混凝土快. 這是由于高強膨脹混凝土具有很高的脆性,當其在受力過程中,核心混凝土微裂幾乎要在臨近破壞之前才出現,因此在剛達到極限荷載時,混凝土開始產生裂縫,鋼管還沒來得及對混凝土產生較大的約束力,故試件荷載迅速下降.
(3) 方鋼管高強、低強膨脹混凝土在試驗中均表現出較好的延性,試件早荷載下降階段結束后均出現了強化階段.
3 結論
1. 核心混凝土強度對方鋼管膨脹混凝的破壞形式起決定性作用. 方鋼管低強膨脹混凝土的破壞形式是腰鼓形破壞,方鋼管高強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,當膨脹劑摻量在一定范圍以內時,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,但當膨脹劑摻量過大時,則會使整個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,其相應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驗中表現出較好的延性,其在早荷載下降階段結束后出現強化現象.
5. 與方鋼管低強膨脹混凝土相比,在達到極限荷載后,方鋼管高強膨脹混凝土的荷載下降較快.
參考文獻:
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