（材料学专业论文）钢管混凝土脱空机理研究.pdf

摘要 本文针对钢管混凝土脱空问题，从材料选择、养护环境与使用环境( 主要为 温度变化) 等方面着手展开系统研究，为解决实际工程所面临这一难题进行了攻 关。 首先，考察了水分对膨胀混凝土变形性能的影响。不同养护环境混凝土线膨 胀试验结果表明，非封闭养护环境下膨胀混凝土膨胀大；封闭养护环境下膨胀混 凝土膨胀小。封闭养护环境下，同种类陶粒混凝土线膨胀试验结果表明，存在最 佳陶粒掺量，掺5 0 鹤岗陶粒混凝土膨胀大、体积稳定性好；不同种类陶粒混凝 土线膨胀试验结果表明，吸水率大、粒径小、弹模高的陶粒混凝土膨胀大。得出 水分是影响核心混凝土膨胀的主要因素。 其次，考察了温度对钢管混凝土试件脱空的影响。钢管混凝土试件高、低温 循环试验结果表明，核心混凝土径向收缩随混凝土横截面积的增大而减小；核心 混凝土径向收缩随含钢率增大而增加；经历高、低温循环后，核心混凝土收缩大， 外钢管体积变化很小。 最后，考察了温度对钙矾石、延迟钙矾石的影响。对比不同养护环境水泥净 浆试样，经7 天标养、3 天高温( 8 0 。c ) 蒸养后恢复至室温( 2 0 ) 养护7 天这一 过程，钙矾石及延迟钙矾石生成量，衍射试验结果表明，8 0 。c 蒸养3 天后水泥净 浆试样中均出现大量稳定存在的单硫型水化硫铝酸钙( a f m ) ；再经2 0 c 养护7 天， 封闭养护环境下水泥净浆试样中存在的延迟钙矾石( d e f ) 现象并不显著。 经理论分析认为荷载导致钢管混凝土弹性脱空理论值很小。 关键词：钢管混凝土脱空养护环境水分温度线膨胀钙矾石延迟钙矾石 摘要 a bs t r a c t t h ep a p e rm a i n l ya n a l y s e sc a v i t yp r o b l e mo f c o n c r e t e f i l l e ds t e e lt u b e ( c f s t ) d e e p r e s e a r c h e sa r em a d eo nt h ec h o o s eo fm a t e r i a l 、m a i n t e n a n c ee n v i r o n m e n ta n de x t e r i o r s u r r o u n d i n g s ( m a i n l yf o rc h a n g e so ft e m p e r a t u r e ) w h i c hh e l ps o l v i n gt h i sk i n d o f p r a c t i c a lp r o j e c t s f i r s t ，t h e r u l et h a tm o i s t u r ea f f e c t ss h r i n k a g ea n de x p a n s i o no fc o n c r e t ei s s t u d i e d t h er e s u l to fc o n c r e t el i n e a re x p a n s i o ne x p r i m e n t si nd i f f e r e n tm a i n t e n a n c e e n v i r o n m e n t ss h o w st h a tc o n c r e t ee x p a n s i o ni sl a r g e ri nu n - s e a l i n gt r e a t m e n tt h a ni n s e a l i n gt r e a t m e n t i ns e a l i n gt r e a t m e n t ，t h er e s u l to fd i f f e r e n tk i n d so fh a y d i t ec o n c r e t e l i n e a re x p a n s i o ne x p r i m e n t ss h o w st h a tw h e nw a t e ra b s o r b e n c yr a t ei sl a r g e ，h a y d i t e c o n c r e t ee x p a n s i o no fs m a l lg r a i nd i a m e t e ra n dh i g he l a s t i cm o d u l u si sl a r e g e r t h e r e s u l to ft h es a m eh a y d i t ec o n c r e t el i n e a re x p a n s i o ne x p r i m e n t ss h o w st h a tt h e r ee x i s t s b e s tb l e n d i n ga m o u n t c o n c r e t ee x p a n s i o ni sl a r g ea n dv o l u m es t a b i l i t yi sg o o di nb e s t b l e n d i n ga m o u n t s om o i s t u r ei st h em a i nf a c t o rw h i c h a f f e c t sc o r ec o n c r e t ee x p a n s i o n s e c o n d ，t h er u l et h a tt e m p e r a t u r ea f f e c t sc a v i t yo fc f s ts p e c i m e n si ss t u d i e d t h e r e s u l to f t h eh i g ha n dl o wt e m p e r a t u r ec i r c u l a t i n ge x p r i m e n t so fc f s ts p e c i m e n ss h o w s t h a tr a d i a ls h r i n k a g eo fd i f f e r e n tc r o s ss e c t i o n si nc o r ec o n c r e t ed i m i n i s h e sw h e nc r o s s s e c t i o n a la r e ag r o w sl a r g e r a d i a ls h r i n k a g eo ft h es a m ec r o s ss e c t i o ni nc o r ec o n c r e t e d i m i n i s h e sw h e ns t e e lc o n t a i n i n gr a t eg r o w sl a r g e b u ta f t e rc i r c l eo fh i g ha n dl o w t e m p e r a t u r e ，s h r i n k a g eo fc o r ec o n c r e t ei sl a r g e a n dt h ec h a n g eo fv o l u m eo fo u t s i d e s t e e li ss m a l l l a s t ，t h er u l et h a tt e m p e r a t u r ea f f e c t st h ef o r m a t i o na n de x i s t e n c eo fe t t r i n g i t ea n d d e l a y e de t t r i n g i t ei ss t u d i e d c e m e n tp a s t e si nd i f f e r e n tm a i n t e n a n c ee n v i r o n m e n t sa r e c o m p a r e d a f t e rs e v e nd a y sr o o mt e m p e r a t u r e ( 2 0 。c ) s t e a mc u r e d ，t h e nt h r e ed a y sh i g h t e m p e r a t u r e ( 8 0 。c ) s t e a mc u r e da n db a c kt or o o mt e m p e r a t u r e ( 2 0 。c ) ，f o r m a t i o na m o u n t o fe t t r i n g i t ea n dd e l a y e de t t r i n g i t ei ss t u d i e d t h er e s u l to fx - r a yd i f f r a c t i o ne x p r i m e n t s h o w st h a tt h e r ei sp l e n t yo fa f mi nc e m e n tp a s t eb yt h r e ed a y sh i g ht e m p e r a t u r e ( 8 0 。c ) s t e a mc u r e di nd i f f e r e n tm a i n t e n a n c ee n v i r o n m e n t s w h e nb a c kt o2 0 ，d e fa p p e a r s l e s si nc e m e n tp a s t ei ns e a l i n gm a i n t e n a n c ee n v i r o n m e n t 目录 i i k e y w o r d s ：c o n c r e t ef i l l e ds t e e lt u b e ( c f s t ) ；c a v i t y ；m o i s t u r e ；t e m p e r a t u r e ； m a i n t e n a n c ee n v i r o n m e n t ；l i n e a re x p a n s i o n ；e t t r i n g i t e ；d e l a y e de t t r i n g i t e 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 口，年月yh 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论 文。 学位论文作者签名： 日期： 哆年? 月 乏牛 他f i 1 指剥币躲始昝抄 日 第一章绪论 第一章绪论弟一早三百t 匕 1 1 钢管混凝土结构的特点及发展现状 1 1 1 钢管混凝土结构的特点 钢管混凝土( c o n c r e t ef i l l e ds t e e lt u b e ，简称c f s t ) 是指在钢管中填充混凝土 而形成的构件。按截面型式不同，可分为圆钢管混凝土、方形钢管混凝土、矩形 钢管混凝土和多边形钢管混凝土等。 实际结构中，根据钢管作用的差异，钢管混凝土构件又可以分为两种形式： 一是组成钢管混凝土的钢管和混凝土在受荷初期就共同受力；二是外加荷载仅作 用在核心混凝土上，钢管只起对核心混凝土起约束作用，即所谓的钢管约束混凝 土柱( s t e e lt u b e c o n f i n e dc o n c r e t e ，简称s t c c ) t 1 1 。 钢管混凝土利用钢管和混凝土两种材料在受压过程中的相互作用，即钢管对 其核心混凝土的约束作用，使混凝土处于复杂应力状态之下，从而使混凝土的承 载力得以提高，塑性和韧性性能得到改善；同时，由于混凝土的存在，可以延缓 或避免钢管过早的发生局部屈曲，从而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，钢管还可以作为浇注其核心混凝土的模板，与钢筋 混凝土相比，可以节省模板费用，加快施工速度。总之，通过钢管和混凝土组合 而成的钢管混凝土结构，不仅可以弥补两种材料各自的缺陷，而且能充分发挥二 者的优点。 钢管混凝土结构具有如下特点： 构件的承载力高：由于钢管产生的紧箍效应，钢管混凝土中的核心混凝土， 抗压强度可以提高一倍；而整个构件的抗压承载力约为钢管和核心混凝土单独承 载力之和的1 7 2 0 倍【2 】。此外，钢管混凝土的抗剪和抗扭性能良好，对构件的受 力更加有利。 具有良好的塑性和韧性：单纯受压的混凝土属于脆性破坏，但管内核心混 凝土在钢管的约束下，不但使工作阶段时提高了弹性性质，扩大了弹性工作阶段， 而且破坏时产生了很大的塑性变形。从整个构件来说，呈现弹性工作塑性破坏的 特征。 经济效益显著：与钢结构柱子相比，钢管混凝土结构可节约钢材5 0 左右： 与钢筋混凝土柱相比，不需要模板，节约混凝土5 0 以上，减轻结构自重5 0 以 上【2 】。因此，经济效益极其显著。 第一章绪论 2 施工方便：钢管混凝土柱不管是单管柱还是组合柱，与普通钢柱相比，零 部件少，焊缝少，而且柱脚结构简单，可以直接插入混凝土基础的预留杯口中， 免去了复杂的柱脚结构；与钢筋混凝土柱相比，免去了支模、绑扎钢筋和拆模等 工序，只要焊缝满足要求，也不用担心浇注时会发生漏浆现象。 良好的抗火性能：由于管内存在混凝土，能吸收热量，故耐火性能高于钢 结构，为耐火而增加的保护材料比钢柱少。 钢管混凝土结构由于具有以上的优异特性，因而广泛的应用于单层或多层工 业厂房柱、高层或超高层建筑以及大跨度桥梁等结构中，取得了良好的经济效益 和建筑效果。 1 1 2 钢管混凝土结构的发展概况 钢管混凝土是在劲性钢筋混凝土及螺旋配筋混凝士的基础上演变和发展起来 的。它的出现，可以追溯到1 9 世纪7 0 年代，1 8 7 9 年英国赛文( s e v e n ) 铁路桥桥 墩，在钢管内填充混凝土以防止锈蚀并承受压力。后来，在建造一些高层钢结构 中，出于防火的要求，在钢梁和钢柱的外面包上了混凝土，形成了组合梁和组合 柱，但在当时并未考虑混凝土的受力。1 8 8 9 年，美国芝加哥建成的9 层全钢框架 高楼，1 8 9 1 年建造的2 0 层钢结构麦索尼克教堂( m a s o n i ct e m p l e ) ，以及随后在英 国和欧洲陆续兴建的一些高层钢结构等。从此，钢管混凝土结构得以广泛应用。 对钢管混凝土力学性能进行较深入的研究始于2 0 世纪六七十年代，早期钢管 混凝土中采用的钢管大多是热扎钢管，钢管的壁厚一般都比较大，由于当时钢管 内混凝土的浇注工艺未得到很好的解决，因而应用钢管混凝土的经济效益并不明 显，从而使钢管混凝土的推广应用受到一定影响。2 0 世纪8 0 年代，国外学者研究 了钢管混凝土构件的抗震性能和耐火极限，此外还有关于钢管和混凝土之间粘结 性能的研究报告。近十几年来，对长期荷载作用下钢管混凝土力学性能的研究取 得了新的进展，对钢管混凝土耐火性能和抗火设计方面的研究也取得了不少成绩。 此外，对采用高强钢筋和高强混凝土的钢管混凝土的力学性能以及钢管局部屈曲 对钢管混凝土力学性能的影响等研究。前苏联在2 0 世纪五六十年代对钢管混凝土 结构进行了系统的研究，并在工业厂房、空间结构和拱桥结构中应用；在西欧一 些国家，如英国，德国和法国等，主要以研究方钢管混凝土、圆钢管混凝土和矩 形钢管混凝土结构的核心混凝土为素混凝土，或在核心混凝土中配置配筋或型钢 为主；在美国和加拿大，以研究方钢管混凝土和圆钢管混凝土为主，核心混凝土 为素混凝土；1 9 2 3 年日本关西大地震后，发现钢管混凝土结构在该次地震中的破 坏并不明显，故在以后的建筑，尤其是( 多) 高层建筑中，钢管混凝土得到大量应 用，尤其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 第一章绪论 3 土的研究迸一步成为热门课题之一，在日本，主要研究方钢管混凝土、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配筋混凝土；澳大利亚学 者对薄壁钢管混凝土结构也进行了研究【3 】。 目前，国际上常见的钢管混凝土设计规程主要有：欧洲的e c 4 ( 1 9 9 6 ) 1 4 ；英国 的b s 5 4 0 0 【5 】：美国的a c d l 9 8 9 【6 1 、a i s c l r f d 【7 1 日本的a i j ( 1 9 9 7 ) 【8 1 等。 钢管混凝土结构自2 0 世纪6 0 年代进入我国以来，从厂房柱迅速推广应用到 各种工业建筑中，同时结合工程需要，也开始了一些基础性和施工中遇到的技术 性问题的研究；从8 0 年代钢管混凝土结构开始推广应用到高层建筑和公路桥梁领 域，发展十分迅速，同时在理论研究方面取得了突破性的进展，逐步形成了较为 完善的理论体系和独立的科学体系。表1 1 列出了我国跨径大于2 0 0 米的钢管混凝 土拱桥实例。1 9 5 9 年，原中国科学院土木建筑研究所最先开始钢管混凝土基本性 能的试验研究；1 9 6 3 年建筑材料工业部建筑科学研究水泥制品研究室( 现建材局 苏州混凝土水泥制品研究院) 与北京地下铁道工程局( 现北京市城建设计研究院) 合作，对钢管混凝土短柱的基本力学性能进行了试验研究；1 9 7 0 年清华大学抗震 抗爆研究所与北京地下铁道工程局合作，对钢管混凝土短柱的抗爆性能进行了试 验研究；1 9 8 0 年，中国建筑科学研究院结构所、哈尔滨建筑工程学院等单位为建 立一套能满足设计需要的钢管混凝土结构计算理论和设计方法，开展了一系列较 系统的研究；1 9 8 4 年中国建筑科学研究院结构所与海军工程设计研究局协作，开 始了c 7 5 - - - c 8 5 级钢管高强混凝土基本性能的试验研究；最近1 0 多年，对钢管混 凝土结构的研究更是涉及到钢管混凝土的抗火性能、高强混凝土结构、温度对钢 管力学性能的影响、收缩徐变以及钢管混凝土的初应力等诸多方面，取得了令人 瞩目的成绩【9 】，而现代钢管混凝土技术自身也在工程实践中得到了新的发展。 钢管混凝土拱桥( c f s t ) 最早出现在苏联，但是发展最快、应用最广泛的却是 在中国。继四川桥梁工作者于1 9 9 0 年成功建成第一座钢管混凝土拱桥跨径 1 1 5 m 的四川旺苍东河大桥后，钢管混凝土拱桥以其跨越能力与适应能力强、承载 力大、经济合理、施工方便、外形美观等优点，在国内得到普遍使用，短短十多 年间就设计和建造了2 0 0 多座不同跨径、不同结构体系、不同截面形式的钢管混 凝土拱桥，把拱桥这种古老的结构形式表现得淋漓尽致，钢管混凝土拱桥得到了 迅猛发展。自上世纪9 0 年代以来，在不到1 5 年的时间里，已建的和在建的钢管 混凝土拱桥已达2 0 0 多座。其中有1 9 9 5 年建成的广东南海三山西大桥，主跨2 0 0 m ； 19 9 8 年建成的广西三岸邕江大桥，主跨2 7 0 m ；2 0 0 0 年建成的广州丫髻沙珠江大 桥，主跨3 6 0 m ，为当时最大跨径的钢管混凝土拱桥；2 0 0 0 年建成的武汉江汉五桥， 主跨 2 4 0 m ；2 0 0 2 年建成的合川合阳嘉陵江大桥( 跨径组合为1 3 0 m + 2 0 0 m + 1 3 0 m ) ；于 第一章绪论 4 2 0 0 5 年1 月8 日建成通车的巫山长江大桥，主跨为4 6 0 m ，是世界上最大跨径钢管 混凝土拱桥。这些大跨径桥梁的兴建标志着我国钢管混凝土拱桥的发展已经达到 了世界先进水平。 表1 1 中国2 0 0 m 以上钢管混凝土拱桥 t a b l e1 1c f s ta r c h e db r i d g ea b o v e2 0 0 mi nc h i n a 序号桥名建成时间 主跨( m ) 矢跨比结构型式 1重庆巫山长江大桥2 0 0 34 6 0 l 3 8 中承式 2 湖南茅草街大桥 施工中3 6 6 l 5 3 广州丫髻沙( 珠江) 大桥 2 0 0 03 6 01 4 5中承式 4 广西南宁大桥施工中 3 3 81 5 5 浙江淳安南浦大桥 2 0 0 33 0 81 5 5下承式 6 重庆奉节梅溪河大桥 2 0 0 12 8 81 5 上承式 7武汉江汉三桥 2 0 0 12 8 01 5 下承式 8广西三岸邕江大桥1 9 9 82 7 0 1 5 中承式 9 湖北秭归青干河大桥 2 0 0 02 5 6 1 4 中承式 1 0 浙江三门健跳大桥 2 0 0 12 4 51 5中承式 l l 武汉江汉五桥 2 0 0 02 4 01 5 中承式 1 2 浙江象山铜瓦门大桥 1 9 9 92 3 81 4 8 2 中承式 1 3 贵州水柏铁路北盘江大桥 2 0 0 12 3 61 4 上承式 1 4江苏邳州京杭运河人桥 2 0 0 12 3 51 4 中承式 1 5广西六景郁江大桥1 9 9 92 2 01 5中承式 1 6 湖北恩施南泥渡大桥 2 0 0 32 2 01 5上承式 在我国，目前己先后由国家建材总局、中国工程建设标准化协会、国家经济 贸易委员会和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，分别 是d b j l 3 - 1 5 - 2 0 0 3 ( 2 0 0 3 ) ，j c j 0 1 8 9 ( 1 9 8 9 ) ，c e c s 2 8 ：9 0 ( 1 9 9 2 ) ，d l 5 0 8 5 t - 1 9 9 9 ( 1 9 9 9 ) 和g j b ( 2 0 0 1 ) 。目前，钢混凝土组合结构( 包括钢管混凝土) 已被列 入国家科技成果重点推广项目。为进一步在实际工程中推广应用钢管混凝土结构 创造条件。 1 2 钢管混凝土脱空机理研究现状 钢管混凝土的工作状态分为3 种：钢管与核心混凝土径向挤压、径向临界、 第一章绪论 5 径向脱空。其中钢管混凝土脱空，也称为脱粘，指钢管与核心混凝土在界面处分 离开来或者是核心混凝土内部出现空洞、不密实等现象。在桥梁上，钢管混凝土 脱空主要是指拱肋中的钢管与混凝土发生脱空，这种脱空不仅有径向的，还有纵 向的。对于钢管混凝土拱肋脱空的研究主要是两个问题：对于钢管混凝土这种 结构，脱空问题是否一定会发生。如果不可避免要发生脱空，那么在构件的计 算上怎样减少或消除脱空的影响并采取适当的补救措施。目前对以上问题在国内 尚未有统一的看法和理论。 钢管混凝土构件能够发挥其优越性能的前提是钢管与混凝土两者能够协同工 作。由于钢管混凝土由钢管和混凝土两种材料组成，两者组合界面存在剪切作用， 因此两者要能够共同工作，必须具有足够的剪切粘结强度。在钢管混凝土构件组 合界面剪切粘结强度方面有一些比较系统的研究和相应的抗剪强度计算式文献。 有些学者认为，在钢管混凝土构件的两端焊接钢板，同时保证核心混凝土的密实 就可以保证钢管与混凝土的共同工作。有些学者认为，在初期阶段钢管对混凝土 能产生套箍作用，从而保证两者能共同工作，提高承载力。 钢管混凝土拱肋脱空的分类一般认为，钢管混凝土拱桥拱肋的脱空问题包括 两大类情况：一是在泵送管内混凝土时，由于泵送系统或其他原因，使混凝土输 送不到位或者密实度不够，从而导致成桥后管内核心混凝土产生空洞，形成脱空； 另一类情况是钢管拱肋内部核心混凝土本身密实性良好，但是在桥梁运营过程中， 由于受到轴向压力、温度变化( 包括温升和温降) ，或者是混凝土收缩、徐变以及 微膨胀剂失效等方面的影响，使得钢管与混凝土在接触面处产生裂隙，两者脱离。 1 ) 第一类脱空是钢管混凝土管内核心混凝土不密实或是有空洞。比较常见的 有拱脚处混凝土密实度差，拱顶处混凝土产生空洞及拱肋混凝土密实度不均匀， 或是出现分层离析等。这种情况多是因为混凝土压注时各构件连接不当、混凝土 配合比不适当或者混凝土压注位置和压注方向不适合等造成。总的来说，泵送混 凝土不到位，或者混凝土搅拌质量未达到要求都会导致核心混凝土不密实或内部 产生空洞。在目前国内桥梁建设中，通过施工过程中严格仔细的施工控制基本上 可以有效避免此类脱空。 2 ) 第二类脱空是钢管与混凝土在交界面处脱离，是钢管混凝土构件的主要脱 空形式。在目前的技术水平下，国内的钢管混凝土拱桥的拱肋存在这种脱空。钢 管与混凝土界面脱离可以发生在整个拱肋或其中某几段，其脱离的宽度因核心混 凝土性能( 如收缩性、膨胀剂效应等) 不同而可能不同。钢管混凝土拱肋界面脱 离还包括两种情况：一种是钢管与混凝土在径向的脱空；另一种是纵向脱空，即 在对拱肋钢管分仓浇筑混凝土时，分仓隔板处容易发生纵向脱空。上述两种情况 中，前一种脱空形式目前已经受到关注，而后一种尚未受到较多关注，但这种脱 第一章绪论 6 空也可能导致危险的后果发生。 有些学者认为，脱空的原因是多方面的，如构件承受轴向压力、混凝土本身 的质量、施工过程中的泵送质量、温度变化( 包括温升和温降) 、添加剂的选择及 用量、核心混凝土收缩徐变等各方面因素都有可能引起钢管与混凝土的脱空。童 林等人讨论了钢管混凝土拱脱空的原因，并对钢管混凝土受轴压作用、核心混凝 土温度下降、外钢管温度上升三种因素引起脱空的机理进行了详细分析。在3 种 因素中，温度的升降变化( 核心混凝土的温度下降及钢管外部的温度升高) 较轴 压荷载更容易引起钢管混凝土的脱空。林春姣等人研究表明钢管混凝土拱桥的拱 肋混凝土施工方法也可能使结构产生脱空现象。管内混凝土常用的浇筑方法有手 工逐段浇筑、高位抛落不振捣和泵送顶升浇筑法等，大跨径拱桥主要采用泵送顶 升法，即用混凝土输送泵将混凝土从低处往高处顶升( 一般当加载程序是从拱脚 往拱顶一次浇筑时，从两端拱脚向拱顶泵送；当泵送项升高度较高时，采用分级 泵送) 。在浇筑过程中，随着混凝土在管内上升，管内空气密度不断增加，若是排 气孔设计不当或其他原因导致空气来不及从排气孔排尽，在管内极有可能形成气 孔缺陷，造成脱空；混凝土收缩也易造成钢管与混凝土脱空。钢管混凝土构件的 核心混凝土大多由微膨胀高强混凝土灌注。高强混凝土收缩率一般较大，膨胀剂 的作用与混凝土收缩很难同步，因此桥梁建成初期不容易出现脱空现象，而经若 干时段后，混凝土的收缩徐变可能成为钢管混凝土桥梁拱肋钢管与混凝土脱空的 主要原因。 近十几年，钢管混凝土在我国桥梁( 尤其是拱桥) 中有着广泛的应用。其自 身优越性能成功地解决了拱桥发展面临跨度和施工两大难题，把拱桥这种古老的 结构形式表现得淋漓尽致。但随时间的推移，“脱空 问题已经大量出现在实际工 程中，尤其是早期建造的钢管混凝土拱桥，脱空现象更为严重，成为钢管混凝土 拱桥潜在的安全隐患。对脱空机理深入研究，为成功地解决现实工程中所面临这 一难题发挥一定作用。 第一章绪论 7 1 3 课题来源以及本文研究的内容 1 3 1 课题来源 本文以交通部西部交通科技项目“自应力钢管混凝土开发应用试验研究 为 依托，就项目中专题一“低应力状态下钢管混凝土脱空机理研究”，开展内外因素 对钢管混凝土脱空影响的试验研究。 1 3 2 本文主要内容及研究思路 第一章绪论 钢管混凝土第一类“脱空”主要由于施工原因造成，本文主要研究第二类“脱 空 ，即以密实的钢管混凝土构件为研究对象，对有可能造成其“脱空 的因素进 行研究。本文主要考虑以下因素对“脱空 的影响： 水分影响 无论是补偿收缩混凝土还是自应力混凝土，国内外研究的膨胀剂或大多是针 对一般环境下的，而对于钢管内混凝土这种处于封闭状态下的膨胀混凝土研究甚 少，相关资料也很少。 处于封闭状态下的钢管内混凝土既没有水分散失又得不到水分补充，这一点 与一般混凝土有很大不同，由此导致管内混凝土收缩也与一般混凝土有很大不同。 根据已有钢管混凝土的收缩试验结果，处于封闭养生的钢管混凝土，自由收缩总 量为( 2 0 0 - - - 2 5 0 ) x1 0 击，远小于空气中养生的混凝土收缩总量。更重要的是，由于 没有额外水分的补充，影响了膨胀体钙矾石的二次形成，是造成目前钢管混凝土 脱空的主要原因之一，但目前的研究中没有解决好这个问题。 温度的影响 1 ) 物理作用 与工民建厂房内的钢管混凝土柱不同，钢管混凝土拱桥构件处在大气环境中， 直接承受阳光、昼夜和季节温差的变化。相关调查资料表明，外钢管表面温度高 达8 0 ，内部核心混凝土5 0 ，一般情况下钢管混凝土构件受日照、混凝土水化 热影响引起的局部温差可达2 0 - 3 0 ，最高可达5 0 ，特殊环境下局部温差更大。 然而，钢管与核心混凝土两种材料有其各自的热膨胀系数，前者大于后者，经历 温差变化时，外钢管与核心混凝土的热胀冷缩变形非同步，温度降低时，外钢管 收缩大于核心混凝土收缩，对核心混凝土产生径向挤压，加剧了混凝土收缩；温 度回升，核心混凝土恢复变形明显滞后于外钢管，两种材料界面产生温度应力， 随着钢管混凝土使用年限的增加，温度应力不断积累，当应力大于钢管与核心混 凝土的粘结强度时，可能造成局部脱空。可见，温度有可能导致大直径钢管中外 钢管和核心混凝土脱空( 即钢管与核心混凝土分离) ，特别是在拱顶部位，这种情 况将使整个钢管混凝土拱受力模式产生重大变化。 目前相关方面的资料甚少，现有的资料中只是通过理论计算分析了温度变化 对脱空的影响。本文通过设计试验模型，并模拟使用环境温度的变化，研究了温 度对脱空的影响。 2 ) 化学作用 水泥水化产物之一的钙矾石( a f t 分子式3 c a o a 1 2 0 3 3 c a s 0 4 3 2 h 2 0 ) 在 混凝土中主要发挥快硬早强、补偿收缩的作用。根据现有国内外的研究结果，钙 矾石稳定存在的临界温度区间为6 5 - - - 7 0 左右，7 0 是一个关键温度，超过这一 第一章绪论 9 温度区间钙矾石就会发生分解，核心混凝土体积收缩，进而导致核心混凝土与外 钢管脱空。 前人已有大量相关研究成果，本文将主要针对封闭环境下钙矾石、延迟钙矾 石稳定存在的条件( 温度) 进行探讨。 第二章原材料性能和试验方法 1 0 第二章原材料选择与试验方法 2 1 混凝土原材料 2 1 1 胶凝材料 水泥：重庆拉法基水泥厂生产的p 0 4 2 5 r 水泥，四川乐山富祥建材有限公 司生产的快硬硫铝酸盐水泥。性能指标见表2 1 表2 2 。测试结果表明，水泥的 所测性能满足现行标准硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥( g b l 7 5 1 9 9 9 ) 规定的技 术要求。 表2 1 普通硅酸盐水泥的主要性能 t a b l e2 1m a i np r o p e r t i e so fp o r t l a n dc e m e n t 凝结时间标准稠度 抗折强度抗压强度 细度安定性烧失量 ( h ：m i n ) 需水量 ( m p a )( m p a ) ( )( 饼法)( ) 初凝终凝 ( ) 3 天2 8 天3 天 2 8 天 1 20 2 ：3 50 3 ：4 52 7 0良好 0 7 558 72 85 1 7 表2 2 普通硅酸盐水泥化学全分析( ) t a b l e2 2c h e m i c a lc o m p o s i t i o n so fp o r t l a n dc e m e n t l i 0 2s i 0 2a 1 2 0 3f e 2 0 3 c a o m g o s 0 3k 2 0n a 2 0s u mn a 2 0 e q 4 1 92 0 1 25 4 22 3 25 9 0 22 6 42 9 6 0 9 20 1 39 7 7 2o 7 3 表2 3 硫铝酸盐水泥的主要性能 t a b l e2 3m a i np r o p e r t i e so fs u l p h a t ea l u m i n i u mc e m e n t 凝结时间抗折强度抗压强度 细度m g o安定性 烧失量 ( 1 l ：m i n )( m p a )( m p a ) ( )( )( 饼法)( ) 初凝终凝l 天3 天 1 天 3 天 1 90 0 ：1 20 0 ：2 1 1 合格16 5 6 84 0 94 7 8 粉煤灰：重庆珞璜电厂i i 级粉煤灰，性能指标见表2 - 3 。测试结果表明，所 选粉煤灰符合用于水泥和混凝土中的粉煤灰( g b l 5 9 6 2 0 0 5 ) 规定的i i 级灰技 术要求。 第二章原材料性能和试验方法 l l 表2 4 重庆珞璜电厂粉煤灰的性能指标 t a b l e2 4p e r f o r m a n c ei n d e xo ff l ya s h o fc h o n q i n gl u o h u a n gp o w e r - s t a t i o n 细度( )含水率( )需水量比( )烧失量( ) 2 00 0 39 91 4 5 2 1 2 集料 细集料 岳阳中砂，含泥量2 ，细度模数2 6 ，砂的颗粒级配曲线见图2 1 。可见，该 砂的性能满足建筑用砂( g b 厂r 1 4 6 8 4 2 0 0 1 ) 规定的i i 类砂技术要求。 一筛分曲线一下限一上限 1 2 0 0 1 0 0 0 芝8 0 0 彗6 0 o 明4 0 0 2 0 o 0 o 4 7 52 3 61 1 80 60 30 1 5 筛孔m m 图2 1 细集料级配曲线 f i g 2 1g r a d i n gc u r v eo ff r e ea g g r e g a t e 粗集料 石灰岩碎石，性能指标见表2 2 ；级配曲线见图2 2 。 表2 5 石灰岩碎石物理性能指标 t a b l e2 5p h y s i c a lp e r f o r m a n c ei n d i c a t o r so fl i m e s t o n ea g g r e g a t e 产地铸氏含泥量压碎值表观密度自然堆积密度振动堆积密度 ( )( )( )( g c m 3 )( g e r a 3 )( g e r a 3 ) 巨成 7 = 5 1 0 0 0 轻细骨料 5 人造的 5 1 0 0 0 天然的 ( 1 0 3 ) 宜昌陶粒( 4 2 ) 。 计算陶粒带入混凝土中的水( m 。) 。 w = m i - t o o 1 0 0 = m o 式中：w 4 骨料l 小时吸水率，；计算精确至o 1 ； m 。浸水试样质量，g ； m 。烘干试样质量，g 。 所w = m 一m 。2 面w 而o 朋- ( 3 - 5 ) 经过计算得出三种陶粒带入混凝土中的水量大小见图3 1 4 。 第三章水分对钢管混凝土脱空的影响 4 1 b o 二 姻 长 莲 蓉 3 0 2 5 5 0 宜昌陶粒重庆陶粒鹤岗陶粒 单位体积混凝土( m 3 ) 图3 1 4 陶粒吸附水量 f i g 3 1 4w a t e ra d s o r p t i o no f h a y d i t e 图3 5 3 8 可以看出，鹤岗陶粒粒径小，且为圆形颗粒，比表面积大，在相 同掺量情况下，鹤岗陶粒所吸附的水分最多，后期可以释放的水量也最大；宜昌 陶粒于重庆陶粒粒径相差不大，由于重庆陶粒为圆形，而宜昌陶粒为碎石形状， 前者吸水量略大于后者。 以上分析结果与图3 1 4 中计算结果吻合。 陶粒在混凝土内含有一定数量的水分，随着水泥浆体内部相对湿度的降低， 陶砂内的水分就会及时予以补充，实现由内至外的养护，起到减小和延迟白干燥 的作用。初始含水量越高，陶粒提供水分的持续时间越长，减小白干燥的作用越 明显，所以低吸水率陶粒对于减小自收缩的作用则不如高吸水率陶粒突出。 结合图3 1 2 ( 封闭条件下三种陶粒不同龄期混凝土线膨胀变化) 得出以下分 析：封闭环境下，三种陶粒混凝土都发挥了补偿收缩的作用，说明陶粒可以向混 凝土中提供一定的水分，使膨胀混凝土作用得以发挥。之所以重庆、宜昌两种陶 粒混凝土早期线膨胀值较鹤岗陶粒混凝土线膨胀值大，可能是在提供一定水分自 养护的前提下，混凝土收缩、膨胀主要与陶粒自身收缩和陶粒释水速率有关。 陶粒释水速率 1 ) 混凝土内部湿度 陶粒中水分在早期水化阶段不参加化学反应，随着水化的不断进行，体系中 第三章水分对钢管混凝土脱空的影响 4 2 的自由水逐步减少，此时混凝土体系湿度降低，而当混凝土体系中的自由水分降 低至一定程度时，陶粒才开始释放水分，提供a f t 所需水分，随着钙矾石生成量 的增加，即可达到补偿收缩，进而产生膨胀，混凝土宏观表现为体积膨胀。 2 ) 陶粒表面结构 陶粒结构比较复杂，有的陶粒表层结构与内部结构大致相同，有的陶粒内外 结构有明显的区别。黏土陶粒的表层疏松多孔，且孔径比较大；页岩陶粒有一层 质地致密的外壳。有关研究发现，页岩陶粒外壳的硅钙比为2 6 4 3 ，其内部为1 2 2 l ； 黏土陶粒表层和内部的硅钙比没有明显差别，说明页岩陶粒的外部有一层以二氧 化硅玻璃体为主要成分的外壳，而黏土陶粒则没有外壳。致密的外壳的存在使页 岩陶粒的释水速率非常低，释水持续时间比较长。 3 4 硫铝酸盐水泥混凝土工作性能调整 如3 3 3 中分析可知，采用硫铝酸盐水泥的混凝土较普通硅酸盐水泥混凝土有 更优的体积稳定性，可作为解决由混凝土收缩引起钢管与核心混凝土产生“脱空” 措施之一。但硫铝酸盐水泥坍损制约了其在实际工程中的使用。相关行业标准规 定快硬硫铝酸盐水泥的初凝时间不早于2 5 m i n ，终凝时间不迟于1 8 0 m i n 。本次试 验所采用硫铝酸盐水泥配制的混凝土6 0 m i n 坍损值大于3 c m ；9 0 m i n 坍损值大于 5 c m ，很难满足泵送要求。因此，在本节主要对硫铝酸盐水泥的凝结时间和混凝土 坍损值进行调整工作。所采用的措施是找到适合硫铝酸盐水泥的缓凝剂。 表3 1 5 硼砂掺量为0 3 - - - 0 5 混凝土配合比 t a b l e3 1 5m i xp r o p o r t i o n ( 0 3 0 5 ) o f b o r a xo f c o n c r e t ec o m p o s i t i o n 序胶凝材料细集料粗集料水泵送剂m g o硼砂 号 ( k g m 3 )( k g m 3 )( k g m 3 )( k g m 3 )( k g m 3 ) 膨胀剂 ( k g m 3 ) 水泥粉煤灰 z y ( k g m 3 ) 14 6 59 72 87 0 91 0 2 81 9 57 0 82 80 24 6 59 72 87 0 91 0 2 81 9 57 0 82 81 4 34 6 59 72 87 0 9 1 0 2 8 1 9 5 7 0 8 2 81 8 6 4 4 6 59 72 87 0 91 0 2 81 9 57 0 82 82 3 3 第三章水分对钢管混凝土脱空的影响 4 3 2 7 0 2 6 0 2 5 0 量2 4 0 越 瓣2 3 0 密 2 2 0 2 l o 2 0 0 o0 3 硼砂掺量( ) 0 40 5 图3 1 5 混凝土坍落度、扩展度随硼砂掺量变化 f i g 3 1 5t h ec h a n g eo f s l u m pl o s s i nc o n c r e t ew i t hm i xp r o p o r t i o no f b o r a x o0 3 硼砂掺量( ) 0 40 5 图3 1 6 混凝土坍落度损失值随硼砂掺量变化 f i g 3 1 6 t h ec h a n g eo f s l u m pl o s si nc o n c r e t ew i t hm i xp r o p o r t i o no f b o r a xw i t h i n3 0r a i n s 【山e一越噬辖 踮 两 加 酷 6 6 6 6 6 6 6 2 0 8 6 4 2 o 8 6 4 筋 忿 筋 筋 巧 筋 衢 孔 殂 孔 一ee一越撼容 第三章水分对钢管混凝土脱空的影响 0 4 ：4 8 0 4 ：1 9 0 3 ：5 0 0 3 ：2 l 0 2 ：5 2 0 2 ：2 4 0 l ：5 5 0 l ：2 6 0 0 ：5 7 0 0 ：2 8 o o ：0 0 00 30 4 硼砂掺量( ) 图3 1 7 混凝凝结时间随硼砂掺量变化 f i g 3 1 7t h ec h a n g eo f s e t t i n gt i m ew i t hm i xp r o p o r t i o no f b o r a x 硼砂掺量与水泥凝结时间关系如图3 7 所示，水泥的凝结时间随硼酸掺量的增 加而延长；而掺量小于0 3 时，硼酸的缓凝作用并不很明显：掺量达o 3 以上 后，水泥凝结被显著延缓。掺量在o 3 、0 4 、0 5 下，终凝分别为3 h ：1 5 m i n ， 3 h ：4 5 m i n 。 3 5 本章小结 通过对比各个龄期，封闭与非封闭养生环境，硫铝酸盐水泥混凝土线膨胀 值得出，非封闭养生环境，硫铝酸盐水泥的主要矿物是硫铝酸钙，水化产物以大 量钙矾石为主的体系，混凝土线膨胀值大；封闭养生环境，硫铝酸盐水泥混凝土 线膨胀值小，未产生预期的膨胀。 通过对比分析封闭条件下不同种类陶粒混凝土线膨胀值得出，同种类陶粒， 混凝土线膨胀值随陶粒掺量加大而增加，超过一定掺量，混凝土线膨胀值减小； 不同种类陶粒，当陶粒混凝土内部湿度一定的情况下，陶粒混凝土