膨胀剂和壁厚对钢管混凝土瞬时变形的影响
摘 要：文章通过钢管混凝土短柱轴心受压试验，考察了内掺膨胀剂和不同壁厚对钢管混凝土瞬时变形的影响，并且通过钢管混凝土的弹性有限元模型计算，从理论上支持了壁厚对瞬时变形的影响规律，通过钢管核心混凝土的孔结构分析，从微观角度讨论了膨胀剂对钢管混凝土瞬时变形的影响机理。
关键词：瞬时变形；轴心受压；试验；钢管混凝土；膨胀剂；壁厚
钢管混凝土是利用钢管和混凝土之间紧箍力来提高核心混凝土的轴向承载力并增加薄壁钢管的稳定性，充分利用混凝土在三向应力下的变形特性，以获得比钢管和混凝土单独作用之和更高的承载力，提高大载荷和动力载荷下的安全性。钢材与混凝土组合成钢管混凝土构件，不但充分发挥了两种材料的优点，相互弥补了对方的弱点，而且还显示了新的优异的工作性能：抗压强度高，塑性性能好，抗震性能优异，堪称是一种优质、高强、经济合理的构件。将膨胀混凝土填充入钢管形成钢管膨胀混凝土是更好的组合结构形式。膨胀混凝土常见的是在普通混凝土中添加明矾石类膨胀剂，产生硫铝酸钙结晶（钙矾石）而致膨胀。将膨胀剂以合理的掺量掺入普通混凝土，以其化学能—膨胀能来做功补偿混凝土的收缩，可以提高混凝土内部结构的密实度，改善混凝土的工作性能。当膨胀混凝土填充入钢管时，由于钢管的约束，膨胀会更加有利于力学性能的改善。文章设计了6个钢管混凝土短柱，考察了膨胀剂和不同壁厚对钢管混凝土瞬时变形性能的影响，通过有限元模型计算从理论上支持了壁厚对瞬时变形的影响规律，通过孔结构分析，从微观角度讨论了膨胀剂对钢管混凝土瞬时变形的影响机理。
1 试验概况
1.1 试验项目
为了研究内掺膨胀剂和不同壁厚对钢管混凝土瞬时变形的影响，本次试验制作了六根钢管混凝土短柱，两个进行孔结构测试，剩下四个以壁厚和是否掺膨胀剂为变量进行正交试验（试件具体信息表1）。经过6个月的养护，其中，S-1至S-4用来进行瞬时变形试验，加载级别为0-45吨，每级以5吨为梯度递增，共分9级。S-5与S-6用来进行核心混凝土气孔参数微观测试。混凝土强度等级为C50，膨胀剂为UEA型膨胀剂。
表1 试件信息
试件编号外径（mm）壁厚（mm）高（mm）膨胀剂掺量测试项目
S-11402.23500%瞬时变形
S-21402.23504%瞬时变形
S-31401.33500%瞬时变形
S-41401.33504%瞬时变形
S-51402.23500%孔结构
S-61402.23504%孔结构
1.2 试验方法
对于进行瞬时变形试验的试件，上底板和下底板采用5mm厚钢板，混凝土搅拌前先将下底板提前焊死，以便于乘装混凝土，混凝土搅拌完毕并装入钢筒后，振捣削平，立即封盖并焊接封闭。试验加载设备为50吨电子万能试验机，将试件直接放置在试验机上进行分级加载。为了准确地量测试件的轴向变形，在上下底板间架立0-5mm量程的千分表，每加一级荷载，停顿一分钟进行读数，从而获取轴向位移。
在进行孔结构测试试验时，先将钢管混凝土试件的钢管切割剥开，取出其中的核心混凝土。将核心混凝土在混凝土切割机上切割得到厚度1cm—2cm的切片。将所得切片在磨光机上磨光，然后将切片待测面用墨汁涂黑，放入烘箱中烘烤24小时，以中止水化。烘烤结束后，将氧化铝粉与白凡士林混合，加热融化，之后涂抹到切片待测面上，保证白色的氧化铝粉充分填充待测面上的气孔。再用刀片刮掉多余粉末。经过上述处理，试样表面的气孔和非气孔部分形成强烈的黑白对比。将处理好的切片放置于RapidAir型硬化混凝土气孔结构分析仪上进行测试。
2 试验数据与结果分析
2.1 瞬时变形数据
将瞬时变形试验数据，根据每级荷载及其相应的变形值，绘成荷载—变形曲线。在绘图时，将试验数据按单一变量分四组进行比较。第一组：S-1与S-2（壁厚2.2，一个内掺膨胀剂，一个不掺膨胀剂）；第二组：S-3与S-4（壁厚1.3，一个内掺膨胀剂，一个不掺膨胀剂）；第三组：S-1与S-3（都不掺膨胀剂，一个壁厚2.2，一个壁厚1.3）；第四组：S-2与S-4（膨胀剂掺量都为4%，一个壁厚2.2，一个壁厚1.3）。由此便得到4个由单一变量控制的荷载—变形曲线比较图（具体见图1，图2，图3，图4）。
图1 S-1与S-2的荷载—变形曲线比较
图2 S-3与S-4的荷载—变形曲线比较
图3 S-1与S-3的荷载—变形曲线比较
图4 S-1与S-3的荷载—变形曲线比较
2.2 孔结构数据
测试系统扫描完试样之后，根据直接导线法的原理，自动统计出各级弦长下相应的气孔数量以及计算出样品的气孔率、平均弦长、比表面积等数据。具体结果见表2及图6。
表2 孔结构测试参数
试件编号Air Content（%）Specific Surface（）VoidFrequency
（）Average Chord Length（mm）Paste to Air Ratio
S-51.7310.850.0470.36916.71
S-60.699.450.0160.42341.88
图5 S-5与S-6在各级弦长下的气孔数量比较
2.3 结果分析
从图1和图2可以很明显地看到，在分级加载时，同样的荷载下，内掺膨胀剂的钢管混凝土的轴向变形要明显小于不掺膨胀剂的钢管混凝土。在相同荷载下，内掺膨胀剂的轴向变形与未掺膨胀剂的轴向变形相比，第一组中，最大减小到后者的43.3%，最小减小到后者的94.5%，第二组中，最大减小到后者的63.5%，最小减小到后者的81.9%。
造成这种不同的原因，从微观上看，是因为内掺膨胀剂使得钢管内的核心混凝土变得更加密实，从而提高了钢管混凝土这种复合材料整体抗变形的能力。混凝土的变形，从质点之间距离的变化可分为相向变形和背向变形。所谓相向变形，就是使混凝土质点的间距缩小的变形，而背向变形则使质点的间距加大。显然，自由膨胀是背向变形，它使混凝土组织变松，膨胀超过一定限度就会开裂。而限制条件下的膨胀变形，同时包含着相向和背向两种变形。当限制程度足够大时，其中的相向变形非但能使混凝土避免开裂，并且能起到增强和密实的好作用。在钢管混凝土中，由于钢管的有效约束，混凝土产生膨胀时，生成的钙矾石在膨胀能的作用下被挤入毛细孔中，使得核心混凝土更加密实，提高了抗变形能力。
从表2可以很明显地看到，内掺膨胀剂和不掺膨胀剂相比，气孔率明显减小，平均弦长，比表面积也相应减小，胶凝材料与气孔的比率也增大。这说明，混凝土更加密实了。图6是每级弦长下气孔数量对比。可以很直观地发现，膨胀剂使得各级弦长下的气孔数量大大减小。
除了上述的膨胀密实作用，从宏观上看，内掺膨胀剂导致核心混凝土产生体积膨胀，使得钢管混凝土在受荷初期就产生较大的紧箍力，使核心混凝土处于三向受压状态，相应地提高了核心混凝土的抗压缩变形能力。
图3和图4显示，壁厚2.2的钢管混凝土比壁厚1.3的钢管混凝土有着更好的抗变形能力。在第三组中，壁厚2.2的钢管混凝土和壁厚1.3的钢管混凝土相比，相同荷载下，前者的轴向变形最大减小到后者的53.6%，最小减小到后者的84.8%。在第四组，变形最大减小为后者的36.5%，最小减小为后者的99.5%。这是因为，在弹性阶段钢材的弹性模量远大于混凝土的弹性模量，随着壁厚增大，含钢率随着变大（壁厚2.2的钢管混凝土含钢率为6.70%，壁厚1.3的钢管混凝土含钢率为3.86%），钢管对混凝土的套箍作用也相应增强，从而提高了整个复合材料的抗变形能力。
3 有限元模型模拟
3.1 模型概况
钢管混凝土是一种钢材与混凝土结合受力的复合材料。为了从力学的角度考察不同壁厚对瞬时变形的影响，进而从理论上支持试验所揭示的规律。本文利用有限元软件MidasFEA建立了与试验试件相同尺寸的钢管混凝土实体模型。由于荷载级别较低，建模时把混凝土和钢管都看成是弹性体，根据软件内部的材料特性，混凝土弹性模量取30kN/mm2，泊松比取0.2，钢材弹性模量取206kN/mm2，泊松比取0.3。
3.2 计算结果与分析
对模型施加与试验相同的荷载，得到荷载-变形曲线（见图6）。计算结果显示，外径相同，随着壁厚的增大，相同荷载下钢管混凝土的轴向变形相应减小。图8，图9为理论值与实测值的比较，可以看到，所建模型与实际是比较吻合的，可以作为参考。
图6 模型1与模型2荷载—变形曲线比较
图7 模型1与试件S-1荷载—变形曲线比较
图8 模型2与试件S-3荷载—变形曲线比较
4 结语
文章在试验基础上，通过建立有限元模型，初步考察了膨胀剂和壁厚对钢管混凝土瞬时变形的影响。分析表明：内掺膨胀剂（4%）可以提高钢管混凝土的抗压缩变形能力，这是因为内掺膨胀剂使得核心混凝土更加密实，并且核心混凝土的微膨胀使钢管混凝土在受荷初期就有初始的紧箍力，使核心混凝土处于三向受力状态；相同外径，壁厚的增加也会改善钢管混凝土的抗变形能力，因为钢材的弹性模量远大于混凝土，含钢率越大钢管混凝土这种组合材料的刚度就越大，并且含钢率的提高可以增强钢管对混凝土的紧箍效应。
参考文献
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作者简介：祁璐帆（1991- ），男，兰州交通大学，在读硕士研究生，研究方向：桥梁与隧道工程。
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