（材料学专业论文）利用硫铝酸盐水泥制备早强、膨胀稳定钢管混凝土的研究.pdf

武汉理工硕士硕士学位论文 摘要 钢管混凝土( s t e e lt u b e c o n f i n e dc o n c r e t e ，s t c c ) 结构具有承载力高、自 重轻、朔性好、耐疲劳、抗震性能好，并能充分发挥钢材和混凝土两种材料的力 学性能等优点，因而在现代高层建筑和大跨径拱桥中得到了广泛的应用。在钢 管高强膨胀混凝土中，由于掺入的膨胀剂因缺水而难以有效发挥膨胀效用及核 心混凝土收缩和徐变等因素的影响，钢管对核心混凝土的套箍作用下降，从而 导致钢管混凝土构件承载力降低。本文提出以硫铝酸盐水泥作核心混凝土的胶 凝材料，充分利用其早强和微膨胀特性，改善核心混凝土膨胀性能，解决钢管 混凝土因核心混凝土收缩和徐变而引起的性能下降问题。 本文围绕围绕早强膨胀稳定钢管混凝土开展了大量的实验和系统的研究工 作，主要的工作及取得的成果为： ( 1 ) 提出硫铝酸盐水泥制各早强膨胀稳定钢管混凝土的性能优化设计原则和 方法，通过控制水泥中a 1 2 0 3 s 0 3 值以保证水泥石的强度与膨胀相匹配，实现混 凝土早强与膨胀稳定的双重目标； ( 2 ) 研制出用于配制泵送硫铝酸盐水泥混凝土的缓凝保塑高效减水剂 w u t - g ( i i ) ，该缓凝保塑高效减水剂可保证新拌混凝土初始坍落度达到2 0 c m 以 上，初始扩展度达6 0 e r a 以上，3 小时坍落度损失小于5 c m ，混凝土的初凝时间 约1 8 小时，终凝时间约2 1 小时： ( 3 ) 制备出c 5 0 、c 6 0 硫铝酸盐水泥钢管混凝土，该混凝土不仅工作性能良 好，而且还具有早强和膨胀稳定的特性：c 5 0 混凝土3 d 强度达设计强度的1 0 9 ， c 6 0 混凝土3 d 强度达设计强度1 0 4 ；c 5 0 、c 6 0 混凝土自由膨胀率在7 d 前增 长较快，此后膨胀缓慢增加，2 1 d 后膨胀基本稳定，至6 0 d 时分别为3 4 1 1 酽、 3 1 7 x 1 0 。4 。c 5 0 、c 6 0 混凝土2 8 d 弹性模量分别为4 2 1 g p a 、4 3 8 g p a ；在7 d 加 载持荷的条件下，持荷1 5 0 d 后c 5 0 、c 6 0 混凝土徐变值分别为4 8 6 1 惦、4 0 6 u ：， 徐变系数分别1 1 、1 0 ； ( 4 ) 对e b 研究了c 5 0 、c 6 0 普通钢管膨胀混凝土构件与早强膨胀稳定钢管混 凝土构件的力学性能。结果表明，在本试验条件下，与相同强度等级的普通钢 管膨胀混凝土短柱相比，c 5 0 、c 6 0 早强膨胀稳定钢管混凝土短柱极限承载力的 提高幅度7 6 以上，在实际工程设计中可作为结构构件的安全储备或适当考虑 承载力的提高。 关键词：硫铝酸盐水泥，钢管混凝土，优化设计，早强，膨胀稳定 武汉理工硕士硕士学位论文 a b s t r a c t t h es t e e lt u b e - c o n f i n e dc o n c r g t e ( s t c c ) s t r u c t u r eh a sb e e na p p l i e di nm a n y m o d e r nt a l lb u i l d i n g sa n dl a r g es p a na r c h e db r i d g e sn o to n l yb e c a u s ei th a sh i g h l o a d - b e a r i n gc a p a c i t ya n dl e s sw e i g h t a sw e l la ss o m ep e r f e c tp r o p e r t i e ss u c ha s e a r t h q u a k er e s i s t a n c ep e r f o r m a n c ea n dt h ea b i l i t y o ff a t i g u er e s i s t i n g ，b u ta l s o b e c a u s et h em e c h a n i c a lf u n c t i o no fb o t hs t e e la n dc o n c r e t ec a nb ef u l l yd i s p l a y e di n t h i sc o m b i n a t i o ns t r u c t u r e a st ot h eh i g hs t r e n g t hs t e e lt u b e - c o n f i n e dc o n o r e t 6 e ( h s s t c c ) ，t h ed e c r e a s eo fc o n f i n e df u n c t i o no fs t e e lt u b ec a u s e db ys h r i n k a g ea n d c r e e po ft h ec 0 1 ec o n c r e t ea sw e l la se x p a n s i v ea g e n tf a i l u r et ow o r ka t t r i b u t i n gt o l a c k i n go fe n o u g hw a t e r , w o u l dl i k e l yl e a dt od e c l i n eo fl o a d b e a r i n gc a p a c i t yo ft h e s t c cs t r u c t u r e a i m i n ga tt h em a i np r o b l e m so fh s s t c c w ep u tf o r w a r dt h a tu s i n g s u l p h o a l u m i n a t ec e m e n t a sb i n d e rh ih s s t r ct oi m p r o v ee x p a n s i o no fc o r e c o n c r e t ea c c o u n t i n gt oi t sp e r f o r m a n c e so fh i g he a r l y - s t r e n g t ha n de x p a n s i o n c h a r a c t e r i s t i c i nt h i sp a p e r , w ec a r r i e do u tag r e a td e a lo fe x p e d m e n t sa n ds y s t e m a t i cr e s e a r c h w o r k sc e n t e r i n go nt h es t c cw i t hh i g he a r l y - s t r e n g t ha n ds t a b l ee x p a n s i o n t h e m a i n w o r ka n dt h ea c h i e v e m e n ti n c l u d e da sf o l l o w s ： t h ep r i n c i p l e sa n dm e t h o do fo p t i m i z a t i o nd e s i g nf o rp r e p a r a t i o no fs t c cw i t h 1 l i g he a r l y s t r e n g t ha n d s t a b l e e x p a n s i o nu s i n gs u l p h o a l u m i n a t ec e m e n tw e r e p r o p o s e di nt h i sp a p e ra n dt h eg o a l so fb o t hh i 曲s t r e n g t ha n ds t a b l ee x p a n s i o n p e r f o r m a n c e so fs t c cw e r eo b t a i n e dt h r o u g hc o n t r o l l i n gt h ea 1 2 0 ds 0 3r a t i oo f s u l p h o a l u m i n a t ec e m e n tu s e di nc o n c r e t ep r e p a r a t i o ni no r d e rt og u a r a n t e ec o n c r e t e e x p a n s i o nm a t c h i n gp a s t es t r e n g t hd e v e l o p m e n t an e wt y p e o fh i g h e f f e c t i v e r e t a r d e ra n dw a t e r - r e d u c e rw u t - g ( i i ) f o rs u l p h o a l u m i n a t ec e m e n tw a sd e v e l o p e d i nt h i sp a p e r b yu s i n gw u t - g ( i i ) f o rs u l p h o a h i r n l n a t ec e m e n tc o n c r e t ep r c p a r a t i o n ， t h em i x t u r eh a dap e r f e c tw o r k a b i l i t y , s u c ha si t ss l u m pw a sa b o v e2 0 c ma n di t sf l o w w a sh i g h e rt h a n6 0 c m m o r e o v e r ，t h ei n i t i a la n df m a ls e t t i n gt i m ew a sa b o u t1 8 h a n d 2 1 l lr e s p e c t i v e l y c 5 0a n dc 6 0s u l p h o a l u m i n a t ec e m e n ts t c cw e r ep r e p a r e di nt h i s p a p e r e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ec o r ec o n c r e t en o to n l yh a sap e r f e c tw o r k a b i l i t y b u ta l s oh a ss o m ef m em e c h a n i c a la n dp h y s i c a lp r o p e r t i e s ，s u c ha ss t a b l ee x p a n s i o n a n dh i 业e a r l y s t r e n g t h t h ec o m p r e s s i v es t r e n g t h ea ta g eo f3d a y so fc 5 0a n dc 6 0 武汉理工硕士硕士学位论文 r e a c h e1 0 9 a n d1 0 4 o f d e s i g n e ds t r e n g t h ，r e s p e c t i v e l y a n dt h ef r e ee x p a n s i o no f c 5 0a n dc 6 0g r o wq u i c k l ym lt h ea g eo f7d a y s t h e ni n c r e a s e ss l o w l ya n dt e n d st o s t a b i l i t ya tt h ea g eo f2 1d a y s ，a n dh i t s3 4 1 x l 酽，3 1 7 x 1 0 4a tt h ea g eo f6 0 d a y s ， r e s p e c t i v e l y m o r e o v e r , e l a s t i c i t ym o d u l u sf o r2 8d a y so fc 5 0a n dc 6 0c o n c r e t ca l e 4 2 1 x 1 0 5 m p aa n d4 3 8 x 1 0 5 m p a , a n du n d e rt h ec o n d i t i o n su s e di nt h i sp a r e r , t h e c r e e po fc 5 0a n dc 6 0c o n c r e t eb e i n gl o a d e df o r1 5 0d a y sa r e4 8 6 t t ea n d4 0 6 1 峪， r e s p e c t i v e l y t h em e c h a n i c a la n dp h y s i c a lp r o p e r t i e so fb o t hh i g he a r l y - s t r e n g t ha n ds t a b l e e x p a n s i o ns t c ca n dn o r m a le x p a n s i v es t c cw e r es t u d i e d t h er e s u l ti n d i c a t e dt h a t u n d e rt h et e s tc o n d i t i o nu s e di nt h i sp a p e r , t h el o a d b e a r i n gc a p a c i t yo fc 5 0a n dc 6 0 e n h a n c e da tl e a s t7 6 t h a nt h o s eo fn o n n a ls t c c w h i c hc a nb ec o n s i d e r e ds u i t a b l e e n h a n c e m e n to fl o a d b e a r i n gc a p a c i t yo rs a f e t yc o e f f i c i e n tf o rs t c cs t r u c t u r ei n p r a c t i c a le n g i n e e r i n gd e s i g n k e y w o r d s ： s u l p h o a l u m i n a t ec e m e n t , s t e e l t u b e c o n f i n e d c o n c r e t e ， o p t i m i z a t i o nd e s i g n ，e a r l ys t r e n g t h ，s t a b l ee x p a n s i o n 1 i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究 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或撰写过的研究 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 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：趁星叁函曰期望型：篁：兰 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 其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生签名：塾些璺导师签名： 妥埠日期趔：9 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 钢管混凝土概述 第1 章绪论 钢管套箍混凝土( s t e e l1 u b e c o n f i n e dc o n c r e t e ) 简称钢管混凝土，它是将 混凝土填入薄壁圆形钢管内而形成的组合结构，是套箍混凝土( c o n f i n e d c o n c r e t e ) 的一种特殊形式u - 3 1 。目前，钢管混凝土是在高层建筑和大跨度桥梁中 应用高强混凝土的一种最有效和最经济的结构形式。与传统的钢筋混凝土结构 相比，它具有承载力高、重量轻、塑性韧性好、施工方便及节省水泥木材等诸 多优点【u l 。因此近年来这种新型结构形式正在继钢结构、钢筋混凝土结构及木 结构之后作为第四结构一组合结构之中的一种，愈来愈受到人们的重视，在 国内外得到了较深入的研究及广泛的推广应用。 1 1 1 钢管混凝土的特点及发展应用概况 钢管混凝土利用钢管和混凝土两种材料在受力过程中的相互作用，即钢管 对混凝土的约束作用使混凝土处于复杂应力状态之下，从而使混凝土的强度得 以提高，塑性和韧性性能大为改善。同时，由于混凝土的存在可以避免或延缓 钢管发生局部屈曲，可以保证其材料性能的充分发挥；此外，在钢管混凝土的 施工过程中，钢管还可以作为浇筑其核心混凝土的模板。与钢筋混凝土相比， 采用钢管混凝土可节省模板费用，加快施工速度。通过钢管和混凝土组合而成 为钢管混凝土，不仅可以弥补两种材料各自的缺点，而且能够充分发挥二者的 优点，这也正是钢管混凝土组合结构的优势所在。 钢管混凝土主要用作受压构件，其优势在于可以更充分发挥钢管与混凝土 两种材料的受力性能。混凝土受到钢管的横向约束而处于三向受压的状态，具 有更高的抗压强度和变形能力：钢管壁较薄，在受压状态下容易局部失稳，在 其中填实了混凝土后，则显著增强了钢管壁的稳定性，其承载力的潜力也得到 充分利用。 钢管混凝土结构以其优越的受力性能显示了广阔的发展前景。其优点1 1 】有： 1 承载力高、重量轻、塑性好、耐疲劳、耐冲击； 武汉理工大学硕士学位论文 2 可以使用高强混凝土。三向压应力避免了核心高强混凝土的脆性破坏： 3 钢管混凝土截面为轴对称，在各个方向上的惯性矩、承载力均相同，因而 很适合用于承受地震、风载等作用方向不确定的结构： 4 钢管兼有纵筋和箍筋的双重作用。制作钢管比制作钢筋骨架要方便得多； 5 钢管内的核心混凝土部分不设钢筋，浇灌混凝土方便。钢管本身就可作为 模板，省工省料，并且很适合使用泵送混凝土； 6 钢管在施工阶段可起支撑作用，从而可以简化旌工安装工艺，节省部分支 架，有利于减少工序、缩短工期： 7 替代钢结构的受压杆件可大量节约钢材。若替代钢筋混凝上结构，则在用 钢量大体相同的情况下可减小截面5 0 左右，相应节省了大量混凝土。 最早在工程中应用钢管混凝土结构的是1 8 7 9 年完工的英国赛文( s e v e n ) 铁路 桥桥墩。当时在空钢管中内填混凝土的目的只是为了防锈。在二十世纪初，美 国也在一些单层和多层建筑中采用了称为“l a l l yc o l u m n ”的钢管混凝土柱。而对 钢管混凝土结构力学性能较为深入的研究，以及这类结构被大范围推广应用主 要是在六十年代以后2 3 。 前苏联在五六十年代对钢管混凝土结构进行了大量的研究，但其主要集中 在方钢管混凝土、圆钢管混凝土和矩形钢管混凝土结构，核心混凝土为素混凝 土或在混凝土中配筋或配型钢。美国则主要研究方钢管混凝土和圆钢管混凝土， 核心混凝土以素混凝土为主，已修订了设计规程a c l 3 1 9 8 9 ，s s l c ( 1 9 7 9 ) ，l r f d 0 1 9 9 4 ) 。日本在1 9 2 3 年关西大地震后，发现钢管混凝土结构在该次地震中破坏 并不严重，故在以后的建筑中，尤其在多高层建筑中得到了大量的应用。特别 是1 9 9 5 年阪神地震后，钢管混凝土更显示了其优越的抗震性能，钢管混凝土进 一步成为热门话题。日本主要以方钢管混凝土、圆钢管混凝土、矩型钢管混凝 土结构为主，内填素混凝土或配筋混凝土。其设计规程主要为a u ( 1 9 8 0 ，1 9 9 7 ) 等。澳大利亚和加拿大等国学者对薄壁钢管混凝土结构进行了系统深入的研究， 目前也在编制自己的设计规程。 我国钢管混凝土结构的研究开始于六十年代，并首先应用于北京市地铁工 程中。在这方面最早开展工作的是原中国科学研究院哈尔滨土建研究所。1 9 6 3 年以后，原建筑材料研究院( 现苏州混凝土与水泥制品研究院) 、北京地下铁路工 程局、哈尔滨建筑大学、冶金工业部建筑研究总院、电力工业部电力研究所以 及中国建筑科学院等单位，都先后对钢管混凝土基本构件的工作性能、设计方 法、节点构造和施工技术开展了比较系统的研究，取得了一定的成果。在这以 2 武汉理工大学硕士学位论文 后，钢管混凝土结构在工业厂房、高炉和锅炉构架以及变电和输电塔架得到了 较为广泛的应用。1 9 7 8 年钢管混凝土结构第一次被列入国家科学发展规划。从 此以后，我国对钢管混凝土结构的研究和设计施工均进入了一个新的发展时期。 八十年代，我国在钢管混凝土结构领域的研究工作进一步深入，工程应用 进一步推广。1 9 8 5 年由原哈尔滨建筑工程学院组织召开了首次钢管混凝土结构 国际学术讨论会，到会专家对我国在这一领域所取得的成就给予了高度的评价。 1 9 8 8 年又由原哈尔滨建筑工程学院组织，在哈尔滨举行第二次国际学术讨论会， 并经各国与会代表协商组建成立了国际钢一混凝土组合结构合作研究协会，我 国钟善桐教授当选为该协会首届主席。1 9 9 1 年在日本福网举行了第三次学术讨 论会。1 9 9 4 年又在斯洛伐克克塞斯举行了第四次学术讨论会。在这四次学术讨 论会上，我国均有多篇学术论文参加交流，其中有关钢管混凝土结构研究方面 的成果受到国外学者的高度重视，得到很好的评价。 从八十年代后期开始，钢管混凝土结构在土木工程中开拓两个新的应用领 域。一是公路和城市桥梁。自1 9 9 0 年在四川省建成了跨度1 1 0 米的下承式系秆 钢管混凝土拱桥一旺苍东河大桥以来，钢管混凝土拱桥在我国迅速发展，十余 年间相继建成了数十座钢管混凝土拱桥。如，1 9 9 7 年建成通车的四川省万县长 江大桥，跨度达4 2 0 米：2 0 0 4 年建成通车的巫山长江大桥，跨度4 6 0 米，是迄 今为止跨度世界第一的钢管混凝土公路拱桥。二是高层和超高层建筑。在我国 采用钢管混凝土结构建造的第一座高层建筑是1 9 9 2 年建成的泉州市邮电大楼。 采用框架一剪力墙结构体系，高8 7 5 米，地下一层及地上二层营业厅的八根柱 子采用了圆钢管混凝土柱，其它柱子采用钢筋混凝土柱。1 9 9 8 年底建成的深圳 塞格广场大厦，地下四层，地上7 0 层，高2 7 8 8 m ，建筑面积达1 6 力m s 。这是 迄今为止全部采用钢管混凝土柱的世界最高建筑物。 我国关于钢管混凝土结构的研究正日趋深入，特别是近十年来取得了令人 瞩目的成就，构件性能和理论研究在国际上是领先的。到目前为止，己先后由 国家建材总局、建设都、国家经贸委、中国人民解放军总后勤部颁布发行了有 关钢管混凝土结构的设计规程。其中主要有j c a 0 1 。8 9 ：f 1 9 8 9 ) 、c e c s 2 8 ：9 0 ( 1 9 9 2 ) 、d l t 5 0 8 5 1 9 9 9 和g j bc1 9 9 9 ) 。同时，钢一混凝土组合结构己被列入 国家科技成果重点推广项目，为钢管混凝土结构进一步在实际工程中推广应用 创造了有利条件。 3 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 2 钢管混凝土的工作机理 钢管混凝土结构是用水泥混凝土填入薄壁钢管内形成的组合结构，通常不 必配置钢筋。钢管混凝土结构能充分发挥混凝土和钢材各自的优点，受力合理， 节省材料。其基本原理有二：一是借助核心混凝土增强钢管壁的稳定性，二是 借助钢管对核心混凝土的约束作用，使混凝士处于三向受压状态，提高混凝土 的强度和变形能力【l 驯。 图1 1 是一根钢管混凝土短试件，受轴心压力n 作用。随着纵向压力的增 大，钢管和核心混凝土的纵向应力和纵向应变都增大，同时将产生横向变形。 横向应变与纵向应变的关系为： 占i ，= ，占知1 钆= 肛靶， ( 1 - 1 ) 式中，8 3 ，1 分别为纵、环向应变；p 为材料的泊松比；角标s 、c 分别代 表钢管和核心混凝土。 在轴心压力n 作用下，钢管和核心混凝土的变形协调，即3 s _ 3 。钢材的 泊松比在弹性阶段为常数( o 2 8 3 ) 【2 】，进入塑性阶段时，增大到0 5 而保持 不变。混凝土的横向变形系数p 。则约为变数，由低应力时的0 1 7 逐渐增大到o 5 ， 又增大到1 0 甚至大于1 0 。由式( 1 - 1 ) 可见，钢管混凝土在轴心压力n 作用下， 开始时r t l a c ，故b 1 s 8 l 。瓯们；但p - 。很快赶上，则肛c _ ，即is - - l 。随后r t c l - t s ， 即g l s g l 。，这说明，钢管混凝土在压力n 作用下，混凝土向外的横向变形大于 一p ， 图1 - 1 钢管混凝土轴压时的内力状态 钢管向外的横向变形，钢管约束了混凝土，这就在钢管与混凝土之间产生了相 4 势势 武汉理工大学硕士学位论文 互作用力p ，称为紧箍力。因而钢管轴向和径向受压而环向受拉，混凝土则三向 皆受压，二者皆处于三向应力状态。三向受压混凝土的抗压强度大大提高，同 时塑性增大，在工作性质上起了质的变化，由原来的脆性材料转交为塑性材料。 因此，钢管混凝土工作机理的实质在于钢管及其核心混凝土间的相互作用和协 同互补，由于这种相互作用，使钢管混凝土具有一系列优越的力学性能。 1 1 3 钢管混凝土对核心混凝土的要求 钢管混凝土结构正以适应现代工程结构向大跨、高耸、重载发展和承受恶 劣条件，符合现代施工技术的工业化要求，越来越广泛地应用于单层和多层工 业厂房柱、设备构架柱、各种支架、栈桥柱、地铁站台柱、送变电杆塔、桁架 压杆、桩、空间结构、高层和超高层建筑以及桥梁结构中，都取得了良好的经 济效果1 翔。 如前所述，钢管混凝土结构能充分发挥混凝土和钢材各自的优点是因为以 下两个原因：一是核心混凝土增强了钢管壁的稳定性，减轻了钢管在受压情况 下的弯曲等结构失效变形现象；二是钢管对核心混凝土的约束作用，使核心混 凝土处于三向受压状态，消除了核心混凝土在极限受压情形下的横向失稳现象。 正因为如此，钢管混凝土组合结构才能大幅提高其极限承载力及耐冲击、耐疲 劳性能。 在钢管混凝土实际工程应用中，核心混凝土多采用泵送顶升施工工艺，属 于免振捣施工范畴。特殊的施工工艺对核心混凝土的工作性能和硬化性能指标 提出了特殊的要求【7 ：首先，要求混凝土具有良好的可泵性和可操作性，即不仅 初凝时间必须满足混凝土泵送顶升所需要的时间，而且新拌混凝土在较长时间 内的坍落度损失应较小，以保证混凝土的施工操作；第二，要求混凝土具有合 适的补偿收缩性能和一定的自密实性能，以保证混凝土与钢管有良好的粘接面 具有整体性，共同参与受力；第三，针对钢管混凝土拱桥施工的特殊加载程序， 核心混凝土应具有早强特性和合适的刚度，以确保在顺序灌注钢管混凝土时， 特别是灌注多根钢管组成的桁架式拱肋过程中拱肋的线形。在设计中确定混凝 土的微膨胀率和如何设计其配合比是关键【s j a 5 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 钢管膨胀混凝土的研究现状及存在的主要问题 1 2 1 钢管膨胀混凝土的研究现状 钢管膨胀混凝土是国内外学者的一个研究热点和重点，也取得了系列的 研究成果。已有的研究结果表明，目前研制和工程应用的钢管高强膨胀混凝土， 其膨胀性能是通过在混凝土中掺入u e a 、c a s 等膨胀剂、粉煤灰等矿物掺合料、 高效减水裁靛方法，利用硅酸盐系水泥配制高性能微膨胀混凝土来实现的。到 目前为止，钢管高强膨胀混凝土的研究应该说还处于初级阶段，国际上只有日 本的高桥诚于1 9 8 5 年在日本的混凝土技术年报上发表过一篇关于膨胀混凝土在 钢管内性能的初步探讨，此外，尚未见其他报导。国内哈尔滨建筑大学、苏州 水泥制品研究院、南京工程兵学院对此也进行了研究，但不同研究者的研究方 法和侧重点有所不同： 1 哈尔滨建筑大学 王湛1 9 1 等通过试验研究了核，t l , 混凝土为c 3 0 c 5 0 强度级别的钢管膨胀混凝 士以下几个方面的内容：核心混凝土的显微结构；钢管膨胀混凝土的本构关系； 铜管膨胀混凝土轴心受压构件的屈曲荷载、稳定系数和稳定曲线：钢管膨胀混 凝土的受弯构件工作性能：钢管膨胀混凝土压弯构件的工作性能：钢管膨胀混 凝土的徐变性能。得出的主要结论为： ( 1 ) 钢管膨胀混凝土性能改善主要是由于核心混凝土内部结构的改变和初应 力的存在，而前者占主导地位； ( 2 ) 钢管膨胀混凝土的弹性模量高于普通钢管混凝土，在弹性阶段可高达2 0 以上： ( 3 ) 钢管膨胀混凝土的徐变性能与普通钢管混凝土基本相同： ( 4 ) 在受弯和偏心构件中，铜管膨胀混凝土与普通钢管混凝土的承载力基本 相同，但其变形明显减少。 2 苏州水泥制品研究院 招炳泉 1 0 , i l l 配制了具有二种不同膨胀率的钢管膨胀混凝土以及作为对比的 普通钢管混凝土试件，测定了在向受限条件下的核心混凝土抗压强度，在此基 础上，利用测到的有效自应力值结合普通钢管混凝土理论，给出了轴压短柱的 轴心抗压强度提高系数k 和短柱承载力n 。发表的文献认为由于钢管约束下的 核心混凝土性能不随钢管长度而变化，故长柱极限承载力计算可基于钢管短柱 6 武汉理工大学硕士学位论文 极限承载力来进行。 3 南京工程兵学院 陈建明f 1 2 】等根据试验结果分析了水灰比、膨胀剂掺量及含钢率对材料性能 的影响，试验中选择了钢管的含钢率、混凝土水灰比和膨胀剂掺量三个因素， 每个因素选三个水平进行了正交试验设计，通过回归分析给出了钢管混凝土强 度，得到了以下一些结论： ( 1 j 自应力钢管混凝土结构中核心混凝土的径向自应力值等于钢管对它施加 的主动紧箍力，可以通过限制膨胀来确定。 ( 2 ) 自应力钢管混凝土结构中，膨胀核心混凝土的限制膨胀率随水灰比增大 而线性减小。在水灰比一定的条件下，限制膨胀混凝土的强度与外掺膨胀剂量、 含钢率有关，当限制与膨胀相匹配时，限制膨胀混凝土的强度、弹性模量比相 应水灰比下的普通混凝土高，提高值均为1 0 左右。 ( 3 ) 自应力钢管混凝土轴压短柱的名义强度和弹性模量比普通钢管混凝土 大，二者的提高值为1 5 。 1 0 0 m p a ) ，掺加硅灰是一种极其有效的方法，硅灰是一种非晶质 材料，( s 0 2 含量在9 0 左右) ，其平均粒径为0 1 9 m 左右，用氮吸附法测得比表 面积约为2 0 2 5 x 1 0 m 2 k g ，比水泥颗粒细度小得多。由于硅灰是一种超微粒子， 火山灰活性高，能与水泥水化过程中产生的c “o h ) 2 迅速反应，在水泥浆的微小 空隙中生成水化硅酸钙凝胶，因此可以获得高强度。一般硅灰的掺入量为1 5 3 0 时，与高效减水剂共同使用，能得到抗压强度1 0 0 m p a 以上的高强混凝土。 3 2 3 本课题中制备钢管高强混凝土的技术路线 3 2 3 1 掺加高效减水剂和缓凝保塑剂 水灰比是配制高强混凝土时控制混凝土强度的重要参数。水灰比愈小，配 出的混凝土强度愈高。但随之而来的问题是：水灰比越小，混凝土的工作性能 越差，因而施工就越困难。为了达到既降低水灰比同时又能满足混凝土施工和 易性的目的，掺加高效减水剂是一个简便可行的办法。高效减水剂掺量大小与 强度增长率有关，掺量愈大，减水效果愈好。但由于减水剂都是表面活性剂， 因而当掺量超过某一极限值时，强度增长率会由于减水剂过量而降低，而且减 水剂的超量也易造成混凝土离析泌水，劣化混凝土的性能。 掺加高效减水剂的高强混凝士一般坍落度损失较快，因而控制坍落度的经 时损失是保证混凝土工作性的关键，通常是将不同种类的保塑剂复合高效减水 荆共同使用，以达到减水保塑的目的，本研究中也采用了这一方法。 本文中所要配制的高强混凝土的强度等级确定为c 5 0 - - c 6 0 ，选用外加剂是 课题组自行研制的缓凝保塑高效减水剂w u t - g ( i i ) ，试验中w u t - g ( 1 i ) 的掺量 通过实验来确定。 3 2 3 2 控制强度和膨胀之间的协调发展 要研制出具有合适膨胀率的混凝土，保证混凝土膨胀与强度的协调发展， 即是要求混凝土既达到设计要求的膨胀值，又能不显著影晌混凝土的强度，保 证混凝土的强度等级。本课题通过调整硫铝酸盐水泥中a h 0 3 s 0 3 的比值，控制 膨胀率和抗压强度，利用正交试验方法进行混凝土配合比优化设计，对膨胀性 能与强度的优选，研制出强度和膨胀协调发展的兼具早强和膨胀稳定的钢管高 强混凝土。 武汉理工大学硕士学位论文 3 3 早强膨胀混凝土的制备 3 3 1 试验原料与方法 3 3 1 1 原料 ( 1 ) 水泥：选用如表2 一l 所示的硫铝酸盐水泥，记为a ，表3 - 1 所示的自应 力硫铝酸盐水泥4 2 5 ，记为e 。通过调整石膏掺量得到a 1 2 0 3 s 0 3 为1 3 、1 2 、 1 1 的五种普通硫铝酸盐水泥，分别以b 、c 、d 表示。 ( 2 ) 砂：选用河砂，细度模数2 6 0 。 ( 3 ) 碎石：选用连续级配的碎石，粒径范围是5 2 5 m r n ，压碎值9 7 。 ( 4 ) # b h n 剂：选用本课题组研制用于硫铝酸栽水泥的缓凝保塑高效减水剂 w u t - g ( i i ) 。 ( 5 ) 粉煤灰：武汉市青山热电厂i i 级粉煤灰，需水量比1 0 5 。 3 3 1 2 试验方法 混凝土的抗压强度按g b 厂r 5 0 0 8 1 2 0 0 2 进行；坍落度按g b j 8 0 8 5 标准方法 进行；混凝土自由膨胀率的测试按g b j 8 2 - - 8 5 方法进行，试件尺寸为 1 0 0 x 1 0 0 x 5 1 5 m m ，试件成型后室内静停2 4 小时脱模，先用潮湿的棉布包裹三层， 然后再用塑料薄膜包裹密封好，只露出铜探头，试件放入相对湿度9 5 土5 的养 护箱中养护，用精度为o 0 0 1 m m 的千分表测试各龄期试件的自由膨胀值。 3 3 2 混凝土配合比设计及结果分析 在混凝土的配合比设计时，一般有两种思路：一是控制水泥的单方用量不 变，总胶凝材料量可变；二是控制总胶凝材料单方用量不变，水泥及其他混合 材用量可变。本研究主要目的是制备出c 5 0 、c 6 0 的早强膨胀混凝土，采用第二 种思路进行配合比设计，控制总胶凝材料单方用量5 5 0 k g m 3 不变，水泥及粉煤 灰用量可变。水灰比是控制混凝土强度最为重要的一个参数，在满足施工和易 性的前提下，应尽量降低水次比以获得高强度。配制c 5 0 - - c 6 0 硫铝酸盐水泥混 凝土时，适宜水灰比在o 3 2 0 3 8 之间【2 6 j 。在高强混凝土中，由于胶凝材料的用 量偏大，所以砂率低于普通中低强度混凝土。对于泵送混凝土可以适当放大砂 率，以防止混凝土离析。另外，砂率也应根据胶凝材料量的不同，而做适当的 武汉理工大学硕士学位论文 调整，如果胶凝材料量较多，则要适当的降低砂率，以减少泵送压力，反之亦 然。本研究采用胶凝材料总量不变的思路进行配合比设计，胶凝材料总量相对 较少，所以砂率控制在0 3 6 - , 0 4 2 之间。 3 3 2 1 自应力硫铝酸盐水泥混凝土的制备 配合比设计采用正交试验方法，四个考虑因素：水灰比、粉煤灰掺量、砂 率、外加剂w 1 限g ( i i ) 掺量，各因素水平见表3 - 2 ，混凝土配合比见表3 3 表3 - 2 因素水平表 10 3 000 3 61 2 2o 3 3l oo 3 91 4 30 3 6 1 50 4 21 6 耋! ：!鱼查垄堕堡堕盐查运望堑圭堡金些! 笙g 壁! n o 水胶比水水泥 f a 砂碎石w u t - g ( i i ) 以混凝土坍落度和3 d 抗压强度为考核指标，试验结果及各指标的方差分析 见表3 - 4 。由表3 - 4 中坍落度和r 3 分析可以看出，当水灰比取高值时，坍落度最 大，但强度不高；水灰比取中值时，强度较高而且坍落度也较大，满足泵送要 求，故水灰比取中值。粉煤灰掺量对混凝土强度和坍落度的影响不同。综合考 虑各项因素及指标值，最后确定的最优混凝土配合比为水灰比、粉煤灰、 砂率、w u t - g ( i i ) ，最优配合比及其试验结果见表3 5 。由表3 5 结果可知， e 水泥a 1 2 0 a s 0 3 为1 0 ，具有较高的膨胀率( 图3 2 ) ，但所制备的混凝土强度相 对较低，因此早强膨胀稳定钢管混凝土的研制要选择适当组分的硫铝酸盐水泥， 武汉理工大学硕士学位论文 控制越2 0 3 s 0 3 ，以同时满足早强和膨胀稳定的目标。 墨! 兰垡墼箜墨量坌堑 基管f a 管w u 鬻“ 蒜盎a 盎。 表3 - 5 最优混凝土配合比( 蝇，m 3 ) 及其试验结果 3 3 2 2 早强膨胀稳定钢管混凝土配合比优化设计 混凝土配合比设计仍采用讵交试验方法，采用控制总胶凝材料单方用量 5 5 0 k g m 3 不变。考虑三因素：水泥中a 1 2 0 3 s 0 3 、水灰比、砂率，因素水平见表 3 - 6 ，混凝配合比及设计见表3 7 ，混凝土拌合物的试验结果及分析见表3 8 ： 4 1 武汉理工大学硕士学位论文 表3 - 6 因素水平 l 2 3 1 3 1 2 1 1 o 3 0 o 3 3 0 - 3 6 0 3 6 0 3 9 o 4 2 耋! ：2 望堑圭墼鱼堕! 垒垒壁! 菩a s l 2 。0 ，3 7 水灰比水砂碎石 表3 - 8 试验结果 零淼b c d 粼紫盎。韫 1 1 3 o 3 03 6 1 9 5 9 17 5 6 2 1 3 o 3 33 9 1 8 5 6 45 9 8 31 3 0 3 6 4 2 1 94 8 35 7 4 4 l 。2 o 3 03 93 15 2 37 0 1 51 2o 3 34 23 44 6 ，65 9 8 6 1 2 o 3 63 6 3 2 4 3 85 9 7 1 1 o 3 04 25 75 0 06 6 3 8 1 10 3 33 6 5 4 4 6 25 9 8 91 1o 3 63 95 84 0 95 7 6 由表3 - 9 所示分析结果可知，对3 d 强度而言，水灰比影响最大，水灰比愈 小愈好；其次是a 1 2 0 9 s 0 3 比，a 1 2 0 3 s 0 3 比越大越好；砂率的影响较小。对2 8 d 膨胀率而言，a 1 2 0 3 s 0 3 比影响最大，其值愈小愈好：砂率和水灰比的影响小。 表3 1 0 列出了3 d 强度和2 8 d 膨胀率的方差分析结果，水灰比和a 1 2 0 3 s 0 3 比是 武汉理工大学硕士学位论文 影响混凝土3 d 强度的显著性因素，而m s 比是影响混凝土2 8 d 膨胀率的显著性 因素。a 1 2 0 3 s 0 3 比的大小决定了水泥石中钙矾石的最大生成量( 理论计算值) ， 大量钙矾石的生成，虽然能获得较大的膨胀率，但由于会在混凝土内部产生微 裂纹，从而对强度产生不利影响。因此，a 1 2 0 3 s 0 3 比不仅对混凝土的膨胀性能 有重要影响，而且对混凝土强度影响也很显著。由以上试验结果，综合考虑各 项因素及指标值，确定最优混凝土的配合比为水灰比、a 1 2 0 3 s 0 3 、砂率。 表3 9 早强膨胀混凝土配合比优化设计的极差分析 表3 - 1 0 早强膨胀混凝土配合比优化设计的方差分析 3 3 2 3 早强膨胀稳定钢管混凝土的制备 根据以上试验结果及上一章中关于混凝土工作性能的优化设计，制备了 c 5 0 、c 6 0 早强膨胀稳定钢管混凝土。试验中所用原料为：水泥采用a 1 2 0 3 s 0 3 为1 2 的4 2 5 硫铝酸盐水泥：粉煤灰为武汉青山热电厂i i 级灰，需水量比为1 0 5 ； 细集料选用河砂，细度模数2 6 0 ：粗集料选用连续级配的碎石，粒径范围是 武汉理工大学硕士学位论文 5 2 5 m m ，压碎值9 7 。外加剂选用本课题组研制用于硫铝酸盐水泥的缓凝保塑 高效减水剂w u t - g ( i i ) 。混凝土配合比及性能见表3 1 1 。 表3 - 1 1 早强膨胀稳定钢管混凝土配合比瓜gr 一 试验结果表明，实验中所制备的c 5 0 、c 6 0 早强膨胀稳定钢管混凝土均具有 良好工作性能f 表3 - 1 2 ) ：初始坍落度2 3 c m ，扩展度6 0 6 3 c m ，3 h 后坍落度仍达 1 8 c m 以上，且混凝土和易性好，不离析、不泌水。混凝土初凝时间约1 8 h ，终 凝时间约2 1 h ，能够满足钢管混凝土泵送施工工艺的要求。同时，混凝土的强度 发展很快，其3 d 抗压强度就能达到设计标号以上：c 5 0 达设计强度的1 0 9 ， c 6 0 达设计强度的1 0 4 ；c 5 0 、c 6 0 两种强度等级混凝土2 8 d 弹性模量值列于 表3 1 2 中。由以上实验结果可知。该混凝土完全满足的泵送施工和冈度要求。 表3 1 2 早强膨胀稳定钢管混凝土的性能 实验中还测试了两组未掺粉煤灰混凝土的自由膨胀率，以c 5 0 混凝土为例； 其膨胀率在7 d 前增长较快。此后膨胀缓慢增加，1 4 d 后仍有少量膨胀，2 1 d 后 膨胀基本稳定，2 8 d 自由膨胀率3 2 x 1 0 4 ，至6 0 d 时为3 4 1 x 1 0 4 ，这样有利于提 高钢管混凝土结构的承载力等性能1 1 5 】。c 6 0 混凝土膨胀性能的