（材料学专业论文）超高强钢管混凝土的研究与工程应用.pdf

捅要 随着钢管混凝土结构向更高、跨度更大方向发展，向钢管中灌注超高强混 凝土成为主要的发展趋势。超高强混凝土由于胶凝材料用量高、水胶比极低， 因此本身的自收缩很大，影响钢管与混凝土的紧密结合及套箍效应；同时工作 性能控制难度大，生产制备成本高。针对上述问题，结合四川i 雅泸高速公路腊 八斤大桥超高强钢管混凝土高墩工程，本文进行了如下研究工作： 利用密实骨架堆积设计方法改善混凝土的力学性能，利用膨胀剂与增粘减 缩剂复掺的设计方法改善混凝土的体积变形性能，采用常规原材料制备得到了 c 8 0 一c 1 0 0 强度等级超高强钢管混凝土。系统研究了水胶比、胶凝材料用量、矿 物掺合料、砂率、集料级配、养护条件对超高强钢管混凝土工作性能和力学性 能的影响。结果表明：水胶比对混凝土工作性和强度影响显著，混凝土的胶材 用量要控制在一定范围，不应高于6 0 0 k g m 3 。本试验得到的合适砂率为4 0 ， 各种养护条件对强度的贡献依次是：水中养护 标准养护 绝湿养护 自然养护。 研究了水泥浆体和混凝土的流变性能。结果表明：浆体的用量直接影响混 凝土的工作性，要有足够的浆体使骨料悬浮其中。本试验得到的c 1 0 0 、c 6 0 、 c 3 0 混凝土的胶凝材料层厚度之比为：1 ：o 9 6 ：0 8 9 。 测试了钢管混凝土轴压短柱的力学性能。研究结果表明：承载力随着混凝 土强度的增大而增大，在相同钢管尺寸下，随核心混凝土强度等级的提高，钢 管轴压荷载峰值出现的越早。对于相同强度等级的钢管混凝土，随套箍指标的 增加，承载力增加，混凝土开裂破坏后，套箍指标越大，实测荷载一应变曲线 下降段越平缓，钢管混凝土结构延性越好。 研究了混凝土的自收缩和徐变性能。结果表明：1 5 增粘减缩组分和6 膨胀剂双掺可以在不降低混凝土强度的情况下明显补偿混凝土的自收缩，混凝 土在3 d 龄期后出现了微膨胀，3 6 0 d 时的膨胀值达到2 7 1 1 0 4 。超高强钢管混 凝土的徐变变形值和徐变系数很低，c 1 0 0 强度等级混凝土3 6 0 d 加载龄期的徐变 变形和徐变系数分别为5 3 8 1 0 4 和1 6 2 。 研究了超高强混凝土的微观结构。结果表明：超高强混凝土中不存在明显 的界面过渡区，集料与水泥浆体结合极为紧密，其内部结构更均匀。 本研究首次在国内桥梁上应用c 8 0 级自密实微膨胀钢管混凝土。工程应用 实践表明：应用本研究所配制的混凝土能完全满足高墩高位抛落免振捣施工， 混凝土具有优异的工作性能、强度性能和耐久性能。 关键词：钢管混凝土，超高强，自密实，微膨胀，工程应用 i a b s t r a c t w i t ht h ec o n c r e t e f i l l e ds t e e lt u b es t r u c t u r e d e v e l o p i n gt o ah i g h e r , m o r e l o n g - s p a nd i r e c t i o n ，t h eu s eo fu l t r a - h i g hs t r e n g t hc o n c r e t ei ns t e e lt u b ec o n f i n e d c o n c r e t es t r u c t u r eh a sb e e nam a j o rt r e n d b e c a u s eo ft h eh i g hc o n t e n to f c e m e n t i t i o u sm a t e r i a l s ，a n dl o ww a t e rt oc e m e n tr a t i o ，s u p e r - h i g hs t r e n g t hc o n c r e t e s h o w sal a r g ea u t o g e n o u ss h r i n k a g e ，t h u sa f f e c t i n gs t e e lt u b ec o n f i n e dc o n c r e t e p e r f o r m a n c ea n dt h ec l o s ed e g r e eo fi n t e g r a t i o n ，w o r k a b i l i t ya tt h es a m et i m e d i f f i c u l tt oc o n t r o l ，p r e p a r a t i o no ft h eh i g hc o s to fp r o d u c t i o n i na c c o r d a n c ew i t h t h e s e p r o b l e m s ， c o m b i n e dw i t hs i c h u a ny a l u e x p r e s s w a yl a b a j i nh i g h c o n c r e t e - f i l l e ds t e e lt u b u l a rs u p e r - h i g hb r i d g ep i e rp r o j e c t ，t h i st h e s i sw o r k sa s f o l l o w s ： t h ep r o p o r t i o nd e s i g np a t t e r n st oi m p r o v em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fc o n c r e t e a r eu s e d ，a n dt h ee x p a n s i v ea g e n ta n dt a c k i f i e rm i x e ds h r i n k a g e - r e d u c i n ga g e n t c o m p l e xd e s i g nw a y st oi m p r o v et h ev o l u m eo ft h ed e f o r m a t i o np r o p e r t i e so f c o n c r e t ea r eu s e d t h eci0 0c l a s so fs t c cw i t h s e l f - c o m p a c t i n g a n d m i c r o e x p a n s i v ea n ds u p e r - h i g hs t r e n g t hi sp r e p a r e du s i n gn o r m a lr a wm a t e r i a l s ， a d o p t i n go np r o p o r t i o nd e s i g np a t t e r n sa n ds u r p l u sp a s t e st h e o r y t h ei n f l u e n c i n g f a c t o r ss u c ha sl o ww a t e r - b i n d e rr a t i o ，s a n dr a t i o ，m i n e r a lb l e n dm i x i n ga m o u n t ， c e m e n t i n gm a t e r i a lc o n t e n t ，c u r i n gc o n d i t i o na n da g eo fw o r k a b i l i t ya n ds t r e n g t hi n c o n c r e t ea r et e s t e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ：l o ww a t e r - b i n d e rr a t i oi sv e r yi m p o r t a n t f o rw o r k a b i l i t ya n ds t r e n g t ho fs u p e r - h i g hs t r e n g t hs t c c ，t h ec e m e n t i n gm a t e r i a l c o n t e n t sa tac e r t a i nr a n g e ，s h o u l dn o tb eh i g h e rt h a n6 0 0 k g m 3 t h eo p t i m a ls a n d r a t i oo ft h i st e s ti s4 0 t h ew a t e rc u r i n gc o n d i t i o n sh a st h eb e s ti m p a c to nt h e s t r e n g t hd e v e l o p m e n to fc o n c r e t e ，s e c o n d l yi st h es t a n d a r dc u r i n gc o n d i t i o n s ， t h i r d l yi st h ea b s o l u t eh u m i d i t yc u r i n gc o n d i t i o n s ，t h el a s ti st h en a t u r ec u r i n g c o n d i t i o n s t h er h e o l o g i c a lp r o p e r t i e so fc e m e n tp a s t e sa n dc o n c r e t ea r es t u d i e d ，t h e r e s u l t ss h o w e dt h a tt h ea m o u n to fp a s t e sh a v ead i r e c ti m p a c to nw o r k a b i l i t yo f c o n c r e t e ，a n ds h o u l db ee n o u g ht om a k ea g g r e g a t e ss u s p e n s i o n t h ec10 0 ，c 6 0 ，c 3 0 c l a s sc o n c r e t et h i c k n e s so fc e m e n t i t i o u sm a t e r i a l sr a t i oi s1 ：o 9 6 ：0 8 9b a s e do nt h i s t e s t t h el o a d i n gc a p a c i t ya n dl o a d i n g - d e f o r m a t i o nc o m p l e t ec u r v e so fa x i l a l l y c o m p r e s s e ds h o r tc o r ec o l u m nw i t hs u p e r - h i g hs t r e n g t hc o n c r e t ef i l l e ds t e e lt u b ea te t e s t e d t h el o a d i n gc a p a c i t yo fc o n c r e t ei n c r e a s e sw i t ht h es t r e n g t hg r a d eo f c o n c r e t e f i l l e ds t e e lt u b ei n c r e a s e s ，w i mt h ei m p r o v e m e n to f t h ec o r es t r e n g t hg r a d e o fc o n c r e t e ，s t e e lt u b ea x i a lc o m p r e s s i o nl o a dh a st h ee a r l i e rp e a ka tt h es a m ep i p e s i z e a n dt h es e t so fi n d i c a t o r sh o o pi n c r e a s e sf o rt h es a m es t r e n g t hg r a d eo f c o n c r e t e - f i l l e ds t e e lt u b e t h em e a s u r e dl o a d i n g - d e f o r m a t i o nc o m p l e t ec u r v e so f d e c l i n ei np a r a g r a p hi sm o r eg e n t l ew i n lt h es e t so fi n d i c a t o r sh o o pi n c r e a s e s ，t h e c o n c r e t e f i l l e ds t e e lt u b es t r u c t u r eh a st h eb e t t e rd u c t i l i t ya f t e rt h ed e s t r u c t i o no f c o n c r e t ec r a c k i n g t h ea u t o g e n o u s s h r i n k a g eo ft h ec e m e n tp a s t ea n dc o n c r e t ea n dc r e e p p r o p e r t i e so fc o n c r e t ea r et e s t e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a t1 5 t a c k i t i e rm i x e d s h r i n k a g e - r e d u c i n ga g e n tc o m p l e xa n d6 e x p a n s i v ea g e n td o u b l e - d o p e dc a n m a i n t a i nt h es t r e n g t ho fc o n c r e t ec i r c u m s t a n c e ss i g n i f i c a n t l ya n dc o m p e n s a t et h e a u t o g e n o u ss h r i n k a g eo fc o n c r e t e c o n c r e t ea p p e a r e dm i c r oe x p a n s i o na f t e ra t3 da g e ， t h ee x p a n s i o nv a l u er e a c h e d2 7 1 父1 0 。4a t3 6 0 da g e t h ec r e e pv a l u ea n dc r e e p c o e f f i c i e n tv a l u eo fc10 0s u p e r - h i g hs t r e n g t hc o n c r e t ea t ev e r yl o w , a s5 38x10 4a n d 1 6 2a t3 6 0 da g e t h em i c r o s t r u c t u r eo fs t c cw i t hs e l f - c o m p a c t i n ga n dm i c r o e x p a n s i v ea n d s u p e r - h i g hs t r e n g t hi ss t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e r ei sn oo b v i o u si n t e r r a c i a l t r a n s i t i o nz o n e ，a g g r e g a t ea n dc e m e n tp a s t ec o m b i n e dw i t hv e r yc l o s ei ns u p e r - h i g h s t r e n g t hc o n c r e t e t h em i c r o h a r d n e s sd i f f e r e n c ew i t hh a r d e n e dc e m e n tp a s t eo f s u p e r - h i g hs t r e n g t hc o n c r e t ea n da g g r e g a t ei sv e r ys m a l l ，i t si n t e r n a ls t r u c t u r ei s m o r eu n i f o r mt h a nn o r m a lc o n c r e t e t h ef i r s tb r i d g ew i t hc 8 0 一c l a s sm i c r o - e x p a n s i v es e l f - c o m p a c t i n gs t c ci s a p p l i e di nt h ed o m e s t i c t h ee n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o ns h o w st h a t ：t h ec o n c r e t ec a l l m e e th i g hf l i n gc o n s t r u c t i o nd e s i g na n dt e c h n o l o g yr e q u i r e m e n t sw i t he x c e l l e n t w o r k i n gp e r f o r m a n c e ，s e l f - c o m p a c t i n g ，v o l u m es t a b i l i t ya n dd u r a b i l i t y k e y w o r d s ：s t e e lt u b ec o n f i n e dc o n c r e t e ，s u p e r - h i g hs t r e n g t h ，s e l f - c o m p a c t i n g ， m i c r o e x p a n s i v e ，e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n i i i 独创性l 声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表获撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均以在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 内容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生签名：导师签名： 日期： 武汉理t 大学硕士学位论文 1 1 本课题的研究背景 第1 章绪论 进入2 1 世纪，随着经济的飞速发展，现代建筑物的高度和跨度不断增加， 而且出现了越来越多的跨大江、深谷、海峡的大跨度桥梁和海底隧道。这就使 得柱子所要承受的荷载越来越大。在轴压力要求较高的情况下，如果采用普通 钢筋混凝土柱，不仅占用较多的使用空间，而且还会形成剪跨比较小的短柱。 大量地震灾害表明，没有经过特殊处理的短柱破坏呈明显脆性，变形能力与高 轴压比柱相差不多【l 】。在地震中建筑物破坏和倒塌是造成生命财产损失的主要 因素，而建筑中承载柱的设计是关系到结构在大震下能否倒塌的关键，若采用 高强钢筋混凝土柱，可以在一定程度上减小柱子的截面面积，增大使用空问， 但高强钢筋混凝土具有脆性高、延性差的特点，且其延性随着强度的提高而越 来越差1 2 】，这就使其应用受到进一步限制。在这种情况下，钢管混凝土以其承 载力高、塑性和韧性好、施工方便、经济效益好等特点越来越受到各国研究者 和施工企业的关注。 钢管混凝土结构增强了混凝土的强度和塑性变形能力。同时由于核心混凝 土的存在可以延缓或避免外部钢管过早的发生局部屈曲，从而保证各部分材料 性能的充分发挥。因此，钢管混凝土己被认为是高层建筑和桥梁工程中比较理 想的建筑材料。随着混凝土技术的不断发展，混凝土的强度标号越来越高，向 钢管中浇筑超高强混凝土成为未来发展的趋势。 随着钢管混凝土在工程中的广泛应用，无论是在高层建筑还是大跨度桥梁 中，都存在着核心混凝土在施工中振捣困难，甚至无法振捣的问题。混凝土的 浇筑质量逐渐成为施工的关键【3 1 。众所周知，钢管与核心混凝土之间的协同互 补作用是钢管混凝土具有一系列突出优点的根本所在，而混凝土的浇筑质量则 直接关系到两种材料的组合作用效果，从而影响构件的承载力和安全性。目前 钢管混凝土施工多采用高流态、早强、微膨胀的高性能混凝土来避免钢管混凝 土浇筑中出现的质量问题。在拱桥和长柱施工中，如果采用振捣混凝土，由于 看不到内部混凝土浇筑情况，加之振捣困难，混凝土质量难以保证，这不仅影 响到混凝土的强度，还会使钢管的约束作用难以发挥，混凝土对钢管的支撑作 用也将受到影响，严重时会使钢管局部失稳，最终导致结构破坏。因此施工中 常采用自密实混凝土作为核心材料来避免工程振捣。 武汉理工大学硕十学位论文 虽然自密实混凝土可以避免在钢管中产生蜂窝等缺陷，但由于采用低水胶 比和高胶凝材料用量而导致其自身体积收缩率较大，故而产生较大的收缩变形， 使得核心混凝土与钢管之间产生空隙，这不仅破坏了钢管与混凝土的共同工作， 而且还会使钢管的内表面在长期使用过程中产生锈蚀现象。同时混凝土的收缩 会导致混凝土中产生拉应力，钢管产生压应力，这就影响了钢管对混凝土套箍 作用的发挥【4 5 j 。由此可以看出，找到一种膨胀效果更好的且无需振捣的超高强 混凝土浇筑于钢管中，发挥其膨胀效果好的特点，使其处于钢管的三向应力下， 充分发挥钢管与混凝土之间的协同承载作用成为未来研究的方向【6 1 。 1 2 钢管混凝土的概述 1 2 1 钢管混凝土的特点 钢管混凝土是钢一混凝土组合结构的一种，是指在钢管中填充混凝土而形 成的组合结构，一般都不再加配钢筋，是在劲性钢筋混凝土结构、螺旋配筋混凝 土结构以及钢结构的基础上演变和发展起来的一种新型结构形式。按截面形状 钢管混凝土分为圆钢管混凝土、方钢管混凝土以及多边形钢管混凝土【7 1 ，其 中圆钢管混凝土和方钢管混凝土比较常见，钢管混凝土的特点如下【7 9 1 1 】： ( 1 ) 承载能力高、塑性和韧性好 钢管混凝土组合材料在复合作用下形成“紧箍作用后，钢管约束了混凝 土，改变了混凝土的受力状况，核心混凝土由单向受压改变为三向受压，使得 核心混凝土的强度大大提高，钢管和混凝土的协同承载作用，钢管混凝土组合 结构的轴向承载能力可以超出钢管和混凝土单独承载能力之和，而且可使结构 的抗变形能力显著提升。钢管与混凝土的复合可以有效的改变混凝土在使用过 程中的弹性性质，也使破坏时产生较大的塑性变形。钢管的套箍作用大大提高 了混凝土的塑性和韧性，克服了混凝土单独受压时脆性大的弱点。 ( 2 ) 耐火和抗震性能好 钢管混凝土结构在经受高温冲击时，核心混凝土可以吸收钢管壁传来的热 量，使其升温软化过程滞后。即使钢管壁发生一定程度的软化时，核心混凝土 仍然可以保持较高的承载能力，使结构不至于突然破坏或坍塌。钢管与混凝土 的这种互补协同作用，使钢管混凝土具有总体较好的耐火性。 钢管混凝土结构与其他结构相比，具有自重轻的特点，混凝土的塑性和韧 性得到很大改善，钢管的存在有效增加了结构的延性，因此提高了构件和结构 2 武汉理上大学硕十学位论文 的抗震性能。 ( 3 ) 耐久性能得到改善 在钢管的封闭状态下，核心混凝土与外界侵蚀介质相隔绝，因而避免了发 生不利化学反应的情况，其耐久性得到根本改善。钢管混凝土具有很好的耐腐 蚀、耐久性能。 ( 4 ) 有利于采用高强混凝土技术 高强混凝土的脆性大、延性差、耐久性也相对差，这些不足严重制约了其 应用和发展。在钢管中采用高强混凝土技术，实际很好地解决了应用高强混凝 土的关键问题。在钢管混凝土结构材料中混凝土的脆性、延性和耐久性问题都 得到了很好的解决。 ( 5 ) 施工方便，缩短工期 在钢管混凝土的施工中，钢管可以作为浇筑其核心混凝土的模板，省去了 架设模板、拆除模板等工序，缩短了工期，节省了施工材料。钢管混凝土特别 适用于泵送施工，采用高性能混凝土顶升泵送施工工艺时，钢管混凝土可一次 性快速浇筑成功，大大加快了施工进度。 ( 6 ) 节约原材料，经济效益好 大量工程实践证明，在承载力条件相同的情况下，采用钢管混凝土的承压 构件比普通钢筋混凝土构件节约混凝土用量的5 0 0 6 ，减轻结构自身重力的5 0 ；与普通钢结构相比可节约钢材达5 0 t t j 。在高层建筑中采用钢管混凝土柱， 柱子尺寸可大大减小，和钢筋混凝土柱比，可增加有效使用面积3 ，节约钢 材约5 ，减小对地基基础的压力【引。综合考虑材料、施工成本，以及维护保养 费用，钢管混凝土组合结构具有良好的经济效果。 1 2 2 钢管混凝土的工作原理 把混凝土填充到空钢管以后，混凝土在承受轴压荷载后，其横向拉伸变形 受到钢管的限制或约束，并建立了侧向压应力，因此使混凝土处于三向应力状 态，从而提高了混凝土的破坏强度。 j o h a n s s o n 和g y l l t o t 4 ” 1 5 】对圆钢管混凝土轴心受压构件进行了实验研究。 钢管混凝土构件承受轴心压力作用时，截面保持平面，钢管和混凝土共同受力 而产生纵向变形。众所周知，弹性材料在产生纵向变形的同时，必将产生横向 变形，横向应变与纵向应变之比称泊松比( 钢材) 或横向变形系数( 混凝土 ) 。钢材在弹性工作阶段其泊松比旷o 2 5 - - 0 3 0 ，平均值为0 2 8 3 ，达到塑性 3 武汉理_ r ：_ 人学硕士学位论文 阶段时其旷o 5 0 。而混凝土的横向变形系数则随着纵向压应力的大小而变 化，低应力时为0 1 6 7 ，而随着应力的增长而增大至o 5 ，其后继续增大，到达 极限状态时由于混凝土的开裂而大于l 。 实验证明，钢管混凝土受轴心荷载作用，开始受力时 5 0 m p a 的混凝土) 形成的钢管高强混凝土 构件工作性能，并在一些工程结构中推广应用。例如1 9 8 8 1 9 8 9 年在西雅图建 成的5 8 层t w o u m o n s q u a r e 大厦和p a c i f i e f i r s t c e n t e r 大厦；澳大利亚墨尔本1 9 9 1 年建成的c a s s e l d e n p l a c e p r o j e e t 和悉尼的m a r k e t c i t y p r o j e e t 等都采用了钢管高强 混凝土构件。目前，日本的研究者已对强度等级高达1 5 0 m p a 的超高强混凝土 应用于钢筋混凝土结构的柱子进行了实用化研究 3 7 】。 超高强混凝土的主要优点是强度高，可以节约水泥，减小构件截面面积， 减轻结构自重。因而常用于荷载很大的结构，如高层建筑、地下工程和大跨结 构的支柱等，效果十分显著。然而超高强混凝土的弱点是脆性大，这就阻碍了 它在实际工程中应用，尤其是在复杂受力状态下，脆性问题非常突出，其可靠 性大大降低。如果将超高强混凝土灌入钢管中组成超高强钢管混凝土，混凝土 受到钢管的约束，在复杂应力状态下钢管具有很大的抗剪和抗扭能力，从而有 效地防止了超高强混凝土的脆性破坏，使高强度混凝土在实际工程中的应用得 以实现，其优势得以充分发挥f 3 8 、3 9 1 。超高强高性能钢管混凝土可以用来建造超 高层建筑和摩天大楼，建造大跨桥梁及超大跨桥梁，建造海上钻井平台与深海 海洋建筑，建造人造绿峰和峰林及其他特种建筑等。 9 武汉理一【= 入学硕十学位论文 1 5 本论文的研究背景及主要研究内容 本课题依托交通部西部示范工程项目四川省雅安市经石棉至泸沽高速公路 腊八斤特大桥、黑石沟特大桥、唐家湾大桥大跨连续刚构钢管混凝土组合高墩 工程。雅泸高速公路是四川省公路重点建设项目，整体公路桥隧比高达6 0 ， 基本地震烈度7 5 度。其中腊八斤特大桥、黑石沟特大桥主桥为连续刚构桥， 唐家湾特大桥主桥为t 型刚构桥，最大跨度为2 0 0 m ，主墩均采用分幅式钢管 混凝土叠合柱结构，该结构由四根直径为1 3 2 0 m m ，内灌c 8 0 自密实微膨胀钢 管混凝土柱与厚度为5 0 e m 的抗裂、抗震、高韧性c 3 0 腹板混凝土组成。 腊八斤特大桥主桥为1 0 5 + 2 2 0 0 + 1 0 5 米连续刚构桥，引桥为4 0 米简支t 梁桥，主桥最高墩高为1 8 2 5 米，其高度为国内桥梁钢管混凝土第一高墩。引 桥墩高为4 0 - - 1 1 7 米。黑石沟特大桥主桥为6 0 + 1 1 5 + 2 0 0 + 1 0 5 米连续刚构桥，引 桥为4 0 米简支t 梁，主桥最高墩高为1 5 7 米，引桥墩高为4 0 - - - 1 0 7 米。唐家湾 大桥主桥为1 1 4 + 1 1 4 米的t 型刚构桥，引桥为3 0 米简支t 梁，主桥桥墩高为 7 7 米。 1 5 1 研究目标 ( 1 ) 通过对超高强钢管混凝土组成及性能的优化设计，提出c 8 0 - - - , c 1 0 0 级 超高强钢管混凝土的配合比设计方法。 ( 2 ) 系统研究各种因素对c 8 0 c 1 0 0 级超高强钢管混凝土基本性能及轴压 短柱性能和体积变形性能的影响，掌握超高强钢管混凝土的制备技术。 ( 3 ) 对超高强钢管混凝土工程应用情况进行阐述和评价。 1 5 2 主要的研究内容 应用国际上最普遍常用的制备超高强混凝土最为通用的技术路线“硅酸盐 水泥+ 活性矿物掺料+ 高效减水剂”制备超高强钢管混凝土。主要研究分为以下 四个方面： ( 1 ) 超高强钢管混凝土的材料组成要求及制备路线。 ( 2 ) 研究水胶比、胶凝材料掺量、砂率、矿物掺合料种类及掺量、养护条 件对超高强钢管混凝土的力学性能( 弹模、抗压强度) 和工作性能的影响规律， 进行超高强钢管混凝土配合比的优化设计，制备出c 8 0 c 1 0 0 级超高强钢管混 凝土。研究超高强钢管混凝土的流变特性，测试超高强钢管混凝土短柱的极限 1 0 武汉理t 大学硕十学位论文 承载力和荷载应变曲线。 ( 3 ) 研究超高强钢管混凝土的自收缩体积变形特征，分析在钢管约束条件 下超高强钢管混凝土的膨胀机理，建立超高强钢管混凝土的自收缩体积变形模 型，研究补偿超高强钢管混凝土的自收缩体积变形的措施。研究超高强钢管混 凝土的徐变特性。 ( 4 ) 研究超高强钢管混凝土的宏观结构，测试超高强钢管混凝土孔溶液的 碱度，研究超高强钢管混凝土水泥石的组成、形貌特性，对水泥石进行热分析。 研究超高强钢管混凝土的水化程度及超高强钢管混凝土的界面过渡区。 ( 5 ) 对超高强钢管混凝土实际应用工程进行综述与分析。 武汉理j 二大学硕十学位论文 第2 章超高强钢管混凝土的材料组成及制备路线 2 1 超高强钢管混凝土的材料组成 2 1 1 水泥 水泥( c e m e n t ，简称c ) ：四川拉法基p 0 4 2 5 水泥，性能指标见表2 1 ： 表2 1 水泥的主要性能指标 2 1 2 矿物掺合料 1 、硅灰 硅灰( s i l i c af u m e ，简称s f ) ：挪威埃肯硅微粉，s i 0 2 含量9 2 ，比表面积 约2 0 0 0 0 m 2 k g 。 2 、粉煤灰 粉煤灰( f l ya s h ，简称f a ) ：湖北汉川i 级干排粉煤灰，性能指标见表2 2 ： 表2 2 粉煤灰的主要性能指标 3 、磨细矿渣 磨细矿渣( g r o u n dg r a n u l a t e db l a s tf u m a c es l a g ，简称g g b s ) ：葛洲坝水泥 厂生产的水淬高炉磨细矿渣粉，表观密度为2 7 0 0 k g m 3 ，比表面积为3 8 0 0 m 2 k g 。 2 1 3 骨料 细骨料：中建三局供中砂，含泥量o 3 ，细度模数为2 8 6 ；粗骨料：玄武 岩碎石，粒径为5 - 2 0 r a m 的连续级配；压碎值7 4 ，针片状含量4 5 。 2 1 4 外加剂 高效减水保塑剂：上海马贝s x c 1 8 超塑化减水剂，减水率为3 0 。膨胀 1 2 武汉理工人学硕十学位论文 剂( u e a ) ：湖北武汉三源特种建材厂生产的钢管特用高效膨胀剂。 2 2 超高强钢管混凝土的制备路线 目前超高强高性能混凝土的制备途径主要有以下几种：( 1 ) ：硅酸盐水泥+ 活性矿物掺合料+ 高效减水剂；( 2 ) ：硅酸盐水泥+ 高效减水利+ 磨细砂+ 蒸压养 护；( 3 ) ：磨细矿渣+ 碱组分；( 4 ) ：优质石灰+ 高效减水剂+ 磨细砂+ 蒸压养护3 9 1 。 本文研究的超高强钢管混凝土的制备技术路线见图2 ，1 所示： 设计目标 充填性能 膨胀性能强度 图2 ，1 超高强钢管混凝土的制各路线 武汉理一f 人学硕士学位论文 第3 章超高强钢管混凝土技术的制备及基本性能 3 1 超高强钢管混凝土的配合比设计 混凝土配合比设计是混凝土材料科学中最基本且最重要的一个问题。配合 比设计方法主要有以水灰比、单位用水量和砂率三个基本参数为特征的普通混 凝土配合比设计1 4 0 】，陈建奎、王栋民的全计算法1 4 1 1 ，台湾科技大学黄兆龙的密 实骨架堆积设计方法 4 2 1 ，美国混凝土协会( a c i ) 2 1 1 委员会制订的采用一系列不 同胶凝材料比例和用量进行试拌，从而得到最佳配合比的“使用粉煤灰和硅酸 盐水泥的高强混凝土设计指南”1 4 3 】，法国路桥中心实验室( l c p c ) 提出的在模型 材料上进行大量的实验，用胶结浆体进行流变试验并用砂浆进行力学试验的配 合比设计方法。美国的m e h t apk 提出的一种半经验半试验性的配合比设计方 法 4 4 1 和英国的d o m o n ep lj 等提出的基于最大密实度理论的配合比设计方法【4 5 】 等。本论文超高强钢管混凝土的配合比主要是基于密实骨架堆积方法和富裕浆 体理论所进行的配合比设计，并进行了大量试验验证。 3 1 1 全计算法混凝土配合比设计方法 全计算法通过建立普遍适用的混凝土体积模型，经数学推导得出用水量和 砂率计算公式，以此为基础建立的混凝土全计算配合比设计新方法【4 。依据全 计算法得到的超高强钢管混凝土的配合比见表3 1 所示： 表3 。1 超高强钢管混凝土的配合比 注：选用碎石最大粒径为2 0 m m ，混凝土初始坍落度为2 2 c m 。 3 1 2 普通混凝土配合比设计规程方法 传统的混凝土配合比设计依据j g j 5 5 2 0 0 0 ：普通混凝土配合比设计规程 所规定的步骤进行【4 0 、4 6 1 ，得到的超高强钢管混凝土配合比见表3 2 和表3 3 所 示： 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 8 0 ( a 4 ) 9 0 ( a 5 ) 5 7 5 6 1 3 1 1 5 1 7 5 7 7 8 8 5 8 4 8 7 51 8 41 1 5 00 2 4 5 4 0 8 1 01 8 41 4 8 9o 2 1 1 0 0 ( a 6 ) 6 7 71 9 49 75 8 1 8 7 21 8 41 9 3 60 1 9 表3 3 超高强钢管混凝土设计方法( 体积法) 设计强度 材料川量( k g m 3 ) ( m p a ) 水泥粉煤灰石圭灰砂 石水减水剂 水胶比 8 0 5 7 51 1 57 75 8 i 8 8 1 1 8 4 1 1 5 00 2 4 9 0 6 1 31 7 58 85 4 0 8 1 3 1 8 4 1 4 8 90 2 1 1 0 06 7 71 9 49 7 5 7 58 8 7】8 4 1 9 3 6 0 1 9 3 1 3 基于密实骨架堆积和富裕浆体理论的超高强钢管混凝土配合 比设计方法 密实骨架堆积配合比设计使混凝土中的固态材料处于最紧密堆积状态，可 以节省水泥，成型后的混凝土更密实，有利于强度和耐久性，并且由于粉煤灰 和高效减水剂的双掺改善了混凝土拌合物的流动性【4 0 1 。 1 、密实骨架堆积模式试验数据及结果分析 逆填法的物理意义：口= m s研，+ 聊。 垅，- i - m ym s - t - m s 4 - m g ( 3 1 ) 式中：m 、m ，、分别为粉煤灰、砂、石的质量；o f 为粉煤灰加至中砂 中的填塞率；为粉煤灰与中砂的混合物d i l , z 碎石中的填塞率。逆填模式试验 的填塞率及相应的单位重见表3 4 所示： 表3 4 逆填模式试验数据 - - _ - _ - _ _ _ - - _ _ 一i _ _ _ - _ - _ l - l - - l - _ _ - - _ l _ _ l _ _ _ l - - - _ _ _ - - - _ - _ _ - l _ _ _ - l l _ _ l _ l _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - i _ _ _ _ l _ _ _ - - - _ - l _ - l _ _ _ _ _ - l - _ _ l i - _ - u 。( k g m 3 ) u 。( k g m 3 ) 0 0 2 0 0 4 0 0 6 o 0 8 o 0 9 o 1 0 1 7 1 2 7 1 7 5 6 7 1 7 7 3 2 1 7 6 5 3 1 7 5 2 7 1 7 2 4 2 0 3 4 o 3 6 0 3 8 0 4 0 0 4 3 0 4 6 2 1 3 7 3 2 1 5 1 7 2 1 6 0 o 2 1 7 0 0 2 1 7 6 7 2 1 6 2 3 0 1 1 1 7 0 0 0 0 5 0 2 1 3 5 7 逆填模式的填塞率口与容重u 。关系曲线见图3 1 ，逆填模式的填塞率与 1 5 武汉理工大学硕十学位论文 容重u 。关系曲线见图3 2 。 图3 1 口与u 。的关系曲线 图3 2 。与u 。的关系曲线 对口与【，。的关系的二次曲线进行一次微分，并令为零，可得口。7 ，此 时u w 1 7 8 1 k g m 3 ；对。与u 。的关系的二次曲线进行一次微分，并令为零，可 得4 2 ，此时u 。2 1 6 9k 咖3 ；将口= o 0 7 ，= 0 4 2 代入式3 2 1 可得m ， 1 5m 。，mr 0 0 8m s 。逆填模式中物质的质量比为m ，：m ： 。= o ：l ：1 5 。s m 0 8 2 、超高强钢管混凝土配合比 高性能混凝土的胶凝材料用量宜采用4 5 0 6 0 0 k g m 3 1 4 8 1 ，掺入高效减水剂降 低水胶比，以消除水泥石一集料界面因大量多余水而形成的孔隙，提高混凝土 的强度，配制超高强混凝土需采用较低的水胶比和较高的胶凝材料用量【3 9 1 。 1 、水泥浆量放大倍数n 值的确定： 致密骨架堆积以大量稳定的集料作为骨架，以粉煤灰和砂作为细集料和石 子进行填充试验确定集料的最紧密堆积状态，当水胶比固定时，改变水泥浆量 时，所有材料用量均改变，随着水泥浆量的增大，集料用量减少，但砂石用量 比例不变，维持集料的致密状态【4 2 1 。由富裕浆体理论知，水泥浆体放大倍数n 值需要根据混凝土工作性的要求进行多次试配确定，当n 值过小时，集料整体 质量大，密实度高，但混凝土的工作性太差，浆体量不能完全包裹集料，不能 满足施工要求；当n 值过大时，浆料用量过多，虽然有很好的工作性，但胶凝 材料用量过多，既不能满足耐久性要求也不经济。因此n 值应在一定得范围， 此时混凝土既具有优异的工作性能，又具有良好的耐久性能和经济性能。n 值 与混凝土工作性的关系见图3 3 所示： 由图3 3 可以得出，新拌混凝土的初始坍落度和扩展度都随n 值的增加而 增大，n 值越大，包裹粗集料表面的水泥浆体的量就越多。根据富裕浆体理论， 综合考虑耐久性和经济性等因素，确定合理的n 值为1 6 5 1 7 0 。 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 图3 3n 值与新拌混凝土工作性的关系 2 、超高强钢管混凝土的配合比： 将口。= o 0 7 ，= 0 4 2 ，u 。，2 1 6 9k g m 3 ，聊g 1 5 m ，m ，o 0 8 m ，n = i 7 分别代入密实骨架堆积公式得到的超高强钢管混凝土配合比见表3 5 所示： 表3 5 超高强钢管混凝土的配合比( 密实骨架堆积) 3 、几种配合比设计方法设计的混凝土基本性能对比 试验方法：( 1 ) 强度测试：测试3 d 、7 d 、2 8 d 的抗压强度。( 2 ) 工作性测 试：测定新拌混凝土的坍落度、扩展度。试验结果见表3 6 和图3 4 所示： 表3 6 几种配合比设计方法设计的混凝土基本性能 1 7 武汉理t 火学硕士学位论文 图3 4c 8 0 、c 1 0 0 强度等级混凝土2 8 d 龄期强度对比图 由表3 6 和图3 4 可以看出：工作性最好的是密实骨架堆积配合比设计的混 凝土、其实是传统混凝土配合比设计的混凝土，最后是全计算法设计的混凝土； 各个龄期的混凝土强度值大小顺序是：密实骨架堆积 传统混凝土配合比设计 全计算法。全计算法设计的混凝土工作性能普遍较差，这种混凝土配合比设计 得到的砂