膨胀剂掺量和应力比对钢管混凝土徐变性能的影响

张戎令，王起才，马丽娜，杨阳，祁璐帆

(兰州交通大学 土木工程学院，甘肃 兰州，730070)

摘要：为了研究膨胀剂掺量和应力比对钢管混凝土徐变性能的影响，进行膨胀剂掺量分别为4%，8%和12%共3种情况下的钢管混凝土徐变应变试验，测试钢管与混凝土整体纵向变形随时间的分布规律。同时进行应力比分别为0.15，0.31，0.33，0.37和0.74共5种情况下的徐变试验，测试在相同荷载下，不同应力比钢管混凝土应变变化规律。研究结果表明：膨胀剂掺量对钢管混凝土徐变应变的影响由小到大依次为12%，8%和4%，但是徐变应变并不是随着膨胀剂掺量的增加而呈比例减少；徐变应变随着应力比的增加而增加。应用扫描电镜二次电子成像观测及能谱成分分析膨胀剂的作用机理，得出膨胀剂反应生成钙矾石，其微膨胀可以补偿收缩；同时钙矾石填充在结构孔隙中，使水泥石更加致密。通过应力比对钢管混凝土徐变影响的机理分析，得出混凝土应力随着应力比的增加而增大，同时随着壁厚的增加，钢管对混凝土的侧向约束增加，限制了混凝土徐变变形。

关键词：钢管混凝土；膨胀剂；应力比；徐变；机理

中图分类号：TU398           文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2014)07-2416-08

Effect of interaction between expanding agent proportion and stress ratio on creep characteristics of concrete filed steel tube

ZHANG Rongling, WANG Qicai, MA Lina, YANG Yang, QI Lufan

(School of Civil Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China)

Abstract: In order to study the effects of expansive agent dosage and stress ratio on creep performance of concrete filled steel tube, three creep strains were tested on concrete filled steel tube under 4%, 8% and 12% expansive agent dosage respectively, and the distribution regularities were tested for the overall longitudinal deformation of steel tube and concrete over time. Meantime, five creep tests under stress ratios of 0.15，0.31，0.33，0.37 and 0.74 respectively were conducted to test the strain change rules of concrete filled steel tube under the same load but different stress ratios. The test results show that the expansive agent dosage has different creep and strain effects on concrete filled steel tube, in an order of from small effect to large one, being 12%, 8% and 4% dosage; however, creep and strain do not decrease proportionately with the increase of expansive agent dosage, but increase with the increase of stress ratio. It can be concluded from the secondary electron imaging observation via scanning electron microscope and acting mechanism of expansive agent analyzed by energy spectrum component analysis that microdilatancy of expansive agent may provide compensating and shrinkage when reacting to generate ettringite, which fills in the structural pore space at the same time to make the cement stones more compact. Moreover, through the mechanism analysis on the creep effects of stress ratio on concrete filled steel tube, the research results can provide that the stress of concrete increases with the increase of stress ratio, and with the increase of wall thickness, steel tube strengthens lateral restraint on concrete, so as to restrict the creep deformation of concrete.

Key words: concrete filed steel tube; expanding agent; stress ratio; creep; mechanism

钢管混凝土作为一种组合结构，将2种材料的共同优点充分发挥。对于混凝土，由于钢管的侧向限制，使混凝土三向受力，不但提高纵向抗压强度，而且弹性模量也得到提高，增加了塑性；对于钢管，由于混凝土的密贴，避免了钢管发生屈曲，充分发挥了钢材的强度承载力。两者互相克服了各自的缺点， 钢管混凝土可以说是这2种材料的最佳组合，因此，在桥梁、房屋、场房及塔架等结构中大量应用。混凝土徐变会引起结构变形、预应力损失、内力重分布等突出问题，甚至影响到结构的长期使用性能和寿命。但是，钢管混凝土在长期荷载作用下，其徐变性能不同于普通混凝土结构，钢管混凝土组合结构徐变效应引起了工程界的普遍关注，成为结构设计中必须考虑的因素。在混凝土方面：Wendner等^[1]在B3模型的理论基础上，对B3进行扩展和校正得到了B4模型；Huang等^[2]提出了非线性理论模型，其特别强调蠕变和收缩共同作用对屈曲能力的影响及其随时间的退化；Isabel等^[3]提出了可以预测混凝土基本徐变和松弛的预测模型；Zhang等^[4]通过水泥石的微压缩试验结合细观力学模型建立了混凝土的徐变计算模型；谢楠等^[5]将2种配合比的喷射混凝土进行了不同龄期试件的强度、收缩和受压应变试验，分析了早龄期喷射混凝土徐变特点，提出了适合于早龄期喷射混凝土徐变度的预测模型；邓宗才等^[6]测定出不同外加剂(早强剂、引气剂、萘系及聚羧酸减水剂)、外掺料(粉煤灰、磨细矿渣)进行了高性能混凝土徐变性能试验，并提出了计算其徐变系数的参考公式；孟江等^[7]将已有的多种徐变模型进行对比分析，并对各影响因素进行了分析；柯敏勇等^[8]研究表明现有收缩徐变预测模型不能较好地预测高强混凝土的实际徐变发展过程，采用指数函数具有较高的拟合精度。在钢管混凝土方面，钟善桐^[9]计算出轴压短柱徐变变形的经验公式；王元丰^[10]建立了钢管混凝土轴心受压构件高性能混凝土的徐变模型；韩林海等^[11]对钢管混凝土轴压构件的徐变特性进行了理论研究；张戎令等^[12]通过复配外加剂对高性能混凝土相容性试验及收缩性能的对比试验，建议了外加剂的最优掺量；武文杰等^[13]建立了结构徐变的有限元分析模型。由于钢管混凝土为组合结构，为了防止混凝土与钢管脱粘，往往添加膨胀剂，以限制收缩和达到微膨胀的目的。同时，实际结构中钢管直径，壁厚不同时，其施加荷载后，应力比也不同。从目前研究现状可知，研究热点主要集中在钢管混凝土徐变计算公式、计算和预测模型方面，关于不同膨胀剂掺量和应力比对徐变性能的影响程度如何、存在着什么样的内在联系等问题目前相关的试验研究和机理分析较少。为此，本文作者以试验为基础，在不同膨胀剂掺量(4%，8%和12%)和应力比(0.15，0.31，0.33，0.37和0.74)时进行钢管混凝土徐变试验，并结合扫描电镜对不同膨胀剂掺量水化程度、矿物组分进行对比，分析膨胀剂和应力比对钢管混凝土徐变影响的机理。

1  原材料及试验

1.1  原材料

所有原材料性能按照规范^[14-22]进行了实测。采用天山P.O42.5低碱硅酸盐水泥；采用玛纳斯电厂生产的Ⅰ级F类粉煤灰，烧失量为3.2%，需水量比为82%，SO₃质量分数为1.40%；采用雁池新型建材生产的S95矿粉，烧失量0.19%，碱质量分数为0.36%，SO₃质量分数为1.90%；细骨料为兵团建设集团沙场的天然砂，细度模数为2.9，表观密度为2 630 kg/m³，含泥量为1%；粗骨料为鑫宝矿山开发中心破碎玄武岩，5~20 mm连续级配，表观密度为2 680 kg/m³，压碎指标为3.2%。减水剂和引气剂采用北京建筑工程研究院生产的AN4000聚羧酸减水剂和AN1引气剂，采用UEA-H型膨胀剂。水泥和膨胀剂的化学成分和性能指标见表1和表2。

表1  低碱硅酸盐水泥实测性能指标

Table 1  Performance indexes of measured values for silicate low alkalinity cement

表2  膨胀剂实测性能指标

Table 2  Performance indexes of measured values for expanding agent

1.2  方法

在混凝土配合比中，水胶比为0.3，膨胀剂掺量(质量分数)分别为4%，8%和12%；钢管直径为88，140和219 mm；长度分别为350和500 mm；壁厚分别为1.3，2.0和3.0 mm。配合比、钢管型号及应力比见表3。试件标准养护28 d后，采用弹簧式三杆徐变仪加载，钢管混凝土同时受力，施加的长期荷载为235.3 kN。将钢管换算成混凝土计算钢管混凝土的力学特性，确定混凝土的应力比分别为0.15，0.31，0.33，0.37和0.74(在分析其机理时，本文考虑钢管对混凝土的套箍作用，将钢管混凝土按照组合结构进行受力特性计算)。采用千分表和弦式应变计测量钢管混凝土的徐变变形，试验温度为 (20±1) ℃。试验加载、测点布置及试验过程见图1。

2  试验分析

2.1  膨胀剂对钢管混凝土徐变的影响

依据GBT 50082—2009(《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》)测得钢管混凝土的徐变变形，应力比分别为0.15，0.31，0.33，0.37和0.74，膨胀剂掺量分别为4%，8%和12%时分析钢管混凝土徐变变形规律如图2所示。

图1  试验装置图

Fig. 1  Test equipment

由图2可以看出：当膨胀剂掺量为12%时，钢管混凝土徐变应变最小；当掺量为4%时，钢管混凝土徐变应变最大；当掺量为8%时，钢管混凝土徐变应变介于膨胀剂掺量4%和12%之间的徐变应变。由图2(a)，2(b)和2(c)可以看出：膨胀剂掺量为12%时的徐变应变相比膨胀剂掺量为8%时的徐变应变减少不明显，这表明当膨胀剂掺量为12%时，其微膨胀和补偿收缩性能相比膨胀剂掺量8%提高并不显著，造成图2(b)和2(c)所示曲线差异的主要原因是结构的尺寸效应。图2(d)所示曲线虽然各自变化较明显，但其趋势与图2(a)~(c)中趋势相同，由此可得出：在应力比一定情况下，膨胀剂对钢管混凝土徐变度的影响规律基本一致，即膨胀剂掺量越大，钢管混凝土徐变应变越小，但并不是膨胀剂掺量越多徐变应变减少越明显；图2(d)中膨胀剂掺量为8%的徐变应变是膨胀剂掺量为4%的徐变应变的0.86倍，但膨胀剂掺量为12%的徐变应变是膨胀剂掺量为4%的徐变应变的0.75倍，徐变应变减小相对较明显，其原因是应力比(图2(a)应力比为0.31，图2(b)和图2(c)为0.33，图2(d)为0.37)增大使徐变应变变化相对明显，这表明膨胀剂和应力比共同影响钢管混凝土的徐变。

表3  混凝土配合比、钢管型号及应力比

Table 3  Concrete mix design with different admixtures

2.2  应力比对钢管混凝土徐变的影响

根据文献[23]研究表明：在一定的应力下，混凝土中的应力随含钢率的增大而增加，这使得结构徐变增大；同时，钢管对混凝土的约束作用亦增大，这使得结构徐变减小。在这2种作用共同作用下，徐变增减互相影响，因此，单在同一应力级别下含钢率与徐变的关系，其可能不具有可比性。本文在试验设计时，采用外部施加相同的长期荷载，改变钢管的壁厚，确定出不同等级的应力比，研究应力比与徐变应变的关系。

当膨胀剂掺量分别为4%，8%和12%时，不同应力比下钢管混凝土徐变应变的影响变化规律如图3所示。由图3可以得出：应力比越大，徐变变形越大。造成这种现象的原因是钢管壁厚的增加有效地分担了外部荷载，使钢管混凝土中混凝土受力减小，进而使钢管混凝土徐变应变减小。结合图2和图3可以看出：当膨胀剂掺量为4%时，钢管混凝土徐变应变总体高于膨胀剂掺量为12%的钢管混凝土徐变应变，但在不同膨胀剂掺量下，应力比对钢管混凝土徐变应变的影响不同，这说明膨胀剂掺量和含钢率共同影响钢管混凝土的徐变性能。

图2  不同含钢率时膨胀剂掺量对钢管混凝土徐变的影响

Fig. 2  Specific creep of CFST with expanding agent proportion at various steel ratio

3  机理浅析

3.1  膨胀剂对钢管混凝土徐变影响机理

采用膨胀剂掺量分别是4%，8%和12%的水泥浆在水胶比一定的条件下成型，标准养护28 d后，取出试样经过抽真空和喷金处理后，在SEM下观测剖断面形貌，如图4所示。

由图4可知：当膨胀剂掺量为4%时，三硫型硫铝酸钙(AFt)为细针状，杂乱分布；当膨胀剂掺量为8%时，AFt为细针状，簇生于水泥浆体中的毛细孔及水泥浆体的微裂纹中；当膨胀剂掺量为12%时，棒状AFt簇生于孔隙中。通过以上分析可知：在水泥水化反应过程中，膨胀剂自身代入反应生成钙矾石所需的CaSO₄，C₃S和C₂S水化反应生成的Ca(OH)₂为膨胀剂反应提供了条件，C₃S和C₂S水化反应使水泥强度膨胀发展相对协调，形成大量钙矾石，既可以对微膨胀起到补偿收缩作用；又可以填充在水泥石孔隙中，使水泥石更加密实。因此，随着膨胀剂掺量的增加，混凝土徐变应变减小，但从SEM形貌图分析得出当膨胀剂掺量为8%和12%时，致密程度相差较小。这从微观结构论证了膨胀剂掺量为12%时，徐变应变比膨胀剂掺量8%时徐变应变减少并不显著。

图3  膨胀剂掺量不同时含钢率对钢管混凝土徐变的影响

Fig. 3  Effect of steel ratios on specific creep of CFST at various expansion agent proportions

图4  不同膨胀剂掺量下水泥净浆28 d龄期的SEM图

Fig. 4  SEM images of cement paste at different expansion agent proportions after curing 28 d

3.2  不同膨胀剂水泥基体成分分析

利用低真空扫描电子显微镜X线能量色散谱仪，经过抽真空后，对图4所示区域的化学成分物质进行能谱成分分析，其能谱仪成分分析见表4。

由表4可以看出：由于膨胀水泥石中含有钙矾石类的膨胀材料，在膨胀水泥石中，随着膨胀剂掺量的增加，Al，S和Si元素的质量分数增加；但Ca元素的质量分数则随着膨胀剂掺量的增加而降低。造成这样的原因可能是水泥石中膨胀剂高掺量造成Si元素的质量分数较高，有利于生成水化硅酸钙凝胶及提高结构致密程度。

表4  不同膨胀剂掺量时各种元素的质量分数

Table 4  Composition of various elements at different expansion agent proportions          %

3.3  应力比对钢管混凝土徐变的影响

为了分析应力比对徐变性能的影响机理，分析时，采用目前较为常用的计算钢管混凝土受力的2种计算方法进行对比：一种是按照钢筋混凝土结构设计理论，将钢管换算成混凝土来计算钢管混凝土的力学特性；另一种是考虑钢管对混凝土的套箍作用，将钢管混凝土按照组合结构进行受力特性计算。本文采用2种计算方法进行对比分析，结果如表5和表6所示。

由表5和表6可以看出：按照弹性模量比换算截面计算钢管混凝土受压力学特性时，虽然在相同荷载作用下，由于将钢管换成混凝土，尽管混凝土抗压强度相同，但是其加载应力随着应力比的增加而增加，因此，徐变应变随着应力比的增加而增加。按照组合结构计算钢管混凝土受压力学特性时，由于考虑了套箍效应，套箍作用对混凝土的约束限制徐变应变小于混凝土随应力比增加的徐变应变增加量。故钢管混凝土随着应力比的增加徐变变形增加。分析表5和表6得出：无论采用哪一种计算方法，在相同荷载下，混凝土受到的荷载随应力比的增加而增加。故造成钢管混凝土在相同荷载下徐变随应力比的增加而增大的主要原因有2个方面：一方面，在相同加载作用下，混凝土应力随着应力比的增加而增加；另一方面，随着壁厚的增加，钢管对混凝土的侧向约束增加，限制了混凝土纵向变形。

表5  将钢管换算成混凝土进行钢管混凝土特性计算

Table 5  Characteristics to compute of CFST based on structure still tube converted concrete

表6  按照组合结构进行钢管混凝土特性计算

Table 6  Characteristics to compute of CFST on composite structure

4  结论

(1) 钢管混凝土在含钢率和配合比一定的情况下，徐变应变随着膨胀剂掺量的增加而减小。但是，钢管混凝土徐变应变不是随着膨胀剂掺量的增加而呈比例减小，因此，在实际中，应选择适当的膨胀剂掺量。

(2) 膨胀剂作用机理为：由于其主要成分是明矾石和石膏，反应生成钙矾石一方面微膨胀可以补偿收缩；另一方面填充在孔隙中，使水泥石更加密实。

(3) 在原材料、配合比及相同荷载等一定的情况下，钢管混凝土徐变应变随应力比的增加而增加。其主要原因是：在等荷载下，混凝土应力随着应力比的增加而增大；随着壁厚的增加钢管对混凝土的侧向约束增加，限制了混凝土的纵向变形。

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(编辑  杨幼平)

收稿日期：2014-01-20；修回日期：2014-03-02

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)

通信作者：王起才(1962-)，男，河北晋州人，博士，教授，博士生导师，从事混凝土结构耐久性、新型工程材料与技术研究；电话：13909486262；E-mail: wangqc@mail.lzjtu.cn