（材料物理与化学专业论文）改善钢管高强混凝土膨胀性能方法的研究.pdf

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 ) 是在钢管中填入混凝土 所形成的一种组合结构。钢管混凝土构件承载力高，具有良好的塑性和韧性，在 大跨与高层结构中得到广泛应用。在高强钢管混凝土中，由于核心混凝土收缩大， 掺入的膨胀剂因缺水难以发挥膨胀作用，钢管对核心混凝土的套箍作用下降，造 成钢管混凝土构件承载力及弹性模量下降等问题。本文提出以高强、高吸水率轻 集料作为释水因子，部分或全部取代普通集料，在混凝土中引入水，为钢管混凝 土核心混凝土中未水化水泥颗粒及膨胀剂水化提供水，并降低混凝土因自干燥引 起的自收缩，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而引 起的性能下降问题。 本文围绕轻集料对高强钢管膨胀混凝土力学性能及体积变形性能的影响，开 展了大量研究工作，主要的工作及成果有： 提出高强钢管膨胀混凝土及高强轻集料钢管混凝土的原料选择原则，c 5 0 、 c 6 0 高强钢管膨胀混凝土及c 5 0 轻集料钢管混凝土的性能设计。 建立了混凝土分层模型及混凝土分层评价体系，系统研究了混凝土水胶比、 释水因子体积掺量、砂率、释水因子粒径、纤维掺量、硅类掺量、增粘剂掺量对 次轻混凝土分层度的影响，提出了混凝土分层控制技术措施；研究了释水因子取 代率、水泥用量及释水因子级配等因素对于混凝土物理力学性能的影响，提出掺 释水因子高强混凝土配合比设计方法；研究了释水因子体积掺量、硅灰掺量对于 高强钢管膨胀混凝土物理力学性能的影响，以及释水因子粒径对钢管高强膨胀混 凝土体积变形性能的影响，提出c 5 0 、c 6 0 钢管高强膨胀混凝土中释水因子的掺 量范围；制备出1 8 0 天膨胀率分别达达6 0 0 x1 0 1 、4 5 0 x1 0 的c 5 0 、c 6 0 钢管高 强膨胀混凝土；对比研究了不掺释水因子的c 5 0 、c 6 0 钢管高强膨胀混凝土与掺 释水因子的c 5 0 、c 6 0 钢管高强膨胀混凝土构件的性能。 研究轻集料级配、轻集料吸水率及膨胀剂掺量对于钢管高强轻集料混凝土膨 胀性能的影响，提出控制钢管高强轻集料混凝土体积变形性能的技术方法；对比 研究了c 5 0 普通钢管膨胀混凝土及c 5 0 轻集料钢管混凝构件的力学性能。 关键词：混凝土，钢管混凝土，释水因子，轻集料，膨胀 a b s t r a c t s t e e lt u b e - c o n f i n e dc o n e r e t e ( s t c c ) i sak i n dc o m b i n es t r i l c n h ei nw h i c h c o n c r e t ea r es t u f f e di nt h es t e e lp i p e t h es t c ch a v eh i 曲l o a d i n g b e a rc a p a c i t y , g o o dp l a s t i c i t ya n dt e n a c i t y , b e i n ga p p l i e di nl o n gs p a na n dh i g hr i s ec o n s t r u c t e x t e n s i v e l y i nt h eh i g hs t r e n g t hs t c c ，c o n s t r i n g e n c yb e c a u s eo fh i g hs h r i n k a g eo f c o r ec o n c r e t ea n dw a t e rs h o r t a g e ，s t c cp e r f o r m a n c ed e s c e n d ，w h i c hl e a dt ot h e p e r f o r m a n c ed e s c e n do fs t c c ，s u c ha sl o a d i n gc a p a e i t ya n de l a s t i cm o d u l u sd e s c e n d i nt h i sp a p e rh i g hs t r e n g t ha n dh i g hw a t e r - a b s o r b i n gr a t el i g h t w e i g h ta g g r e g a t e ( l w a ) w a sa p p l i e d 鹪w a t e r - e n t r a i n e dm a t e r i a l ( w e m ) w h i c hp r o v i d et h eu n d e r - h ) ，d r a t e d c e m e n tp a r t i c l e sa n de x p a n s i o na g e n ta d d i t i o n a lw a t e rt of u r t h e rt h e i rh y d r a t i o n ，a n d c u td o w nt h ea u t o g e n o u ss h r i n k a g ew h i c ha r ec a u s eb ys e l f - d e s i c c a t i o ni nc o n c r e t e ，t o i m p r o v et h ee x p a n s i o no fc o r ec o n c r e t e ， a n dd i m i n i s hp e r f o r m a n c ed e s c e n d b e c a u s eo fc o r ec o n c r e t es h r i n k a g e i nt 】1 i sp a p e r , as e r i e so fr e s e a r c hw e r ec o n d u c t e da b o u ti n f l u e n c eo fl w ao n p e r f o r m a n c eo fh i 。g hs t r e n g t hs t c cc o r ec o n c r e t e ，m a i nw o r ka n dc o m p l i m e n t so f t h i sp a p e ra r e - r a wm a t e r i a lc h o i c ep r i n c i p l eo fh i g hs t r e n g t hs t c cc o r ec o n c r e t e a n d p r i n c i p l eo fc 5 0 ，c 6 0h i g hs t r e n g t hs t c cc o r ec o n c r e t ep e r f o r m a n c ea n dm i x p r o p o r t i o nd e s i g nw e r ei n t r o d u c e d ae v a l u a t i o ns y s t e mo fc o n c r e t ea g g r e g a t es e g r e g a t i o nw a se s t a b l i s h e d ，a n d i n v e s t i g a t i o no ni n f l u e n c eo fw a t e rt oc e m e n tr a t i o ，v o l u m ef r a c t i o no fw e m ，s a n d r a t i o ，p a r t i c l es i z eo fl w a ，f i b e rc o n t e n t , s i l i c af u m ec o n t e n ta n dv i s c o s i t ye n h a n c e a g e n tc o n t e n to nd e g r e eo fs p cw a sc o n d u c t e d ；t e c h n i q u er e d u c i n ga g g r e g a t e s e g r e g a t i o nw a sp u tf o r w a r d ；s i l i c af b m ec o n t e n ta n dw e mv o l u m ef r a c t i o nr a n g eo f c 5 0 ，c 6 0h i g hs t r e n g t hs t c cc o r ec o n c r e t ew f l sp u tf o r w a r db a s e do nt h et e s t c 5 0 h i g hs t r e n g t hs t c cc o r ec o n c r e t ew i t l lav o l u m ee x p a n s i o no f6 0 0 x 1 0 4 a n dc 5 0 h i g hs t r e n g t hs t c cc o r ec o n c r e t ew i t hav o l u m ee x p a n s i o no f 4 5 0 x 1 0 - 6w a sp r e p a r e d ； t h es t u d yo nm e c h a n i c a lp e r f o r m a n c eo fh i g hs t r e n g t hs t c cw a sc o n d u c t e d c o m p a r i n gt oo r d i n a r yh i g hs t r e n g t hs t c c p e r f o r m a n c eo fl i g h t w e i g h ta g g r e g a t e c o r ec o n c r e t ea n ds t c cw a s i n v e s t i g a t e d k e y w o r d s ：c o n c r e t e ，s t e e lt u b e - c o n f i n e dc o n c r e t e ，w a t e r - e n t r a i n e dm a t e r i a l ， l i g h t w e i g h ta g g r e g a t e ，e x p a n s i o n 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：塑坌盈日期幽：! ：1 2 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：望兰垒导师签名： 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 概述 第1 章绪论 1 1 1 钢管混凝土的概念 钢管混凝土是在钢管中填入混凝土而形成的一种组合结构。按截面形状钢 管混凝土分为圆钢管混凝土、方钢管混凝土及多边形钢管混凝土【l 】，其中圆钢管 混凝土和方钢管混凝土较为常用。 不同形状的钢管对混凝土的约束 作用的大小不同。圆形钢管对混凝土 的套箍作用强，结构承载力大，而钢 管之间的连接较难，因此较少用于房 屋建筑中，一般用于大跨径结构中。 方形钢管对于混凝土的约束作用较 弱，但是相互之间的连接较为容易， 因此一般用于房屋建筑中。 | 岛 ii ：l ：f | i ：! li ：l l f ，三鼻、一 ，钢管 7 1 ，： 卜：- 一卜 、 = ； ，、 混凝土 钢管混凝土在国外有两种名称【2 1 ， 一种是s t e e l1 u b e - c 。n f i n e dc 0 n c r e t e ( 钢管 图1 1 钢管混凝土( s t c c ) 套箍混凝土，s t c c ) ，一种是c o n c r e t e - f i l l e d s t e e lt u b e ( 混凝土填心钢管，c f s t ) 。这两种不同的叫法包括了不同种类的钢管 钢管 钢管 混凝土混凝土 圆形正方形矩形 图l - 2 常用钢管混凝土截面形式 钢管 混凝土 武汉理工大学硕士学位论文 混凝土。s t c c 是指钢管对混凝土有较强约束作用的圆钢管混凝土，而c f s t 只 表述了混凝土对钢管的填充，它不仅包括了圆钢管混凝土，而且包括了钢管对 混凝土约束作用较弱的方钢管混凝土。本文所研究和讨论的钢管混凝土仅限于 钢管混凝土拱桥中所用的圆钢管混凝土。 1 1 2 钢管混凝土的特点 钢管混凝土在本质上属于三向应力混凝土【3 1 ，它具有非常优异的力学 性胄2 【4 】【5 l ： ( 1 ) 钢管混凝土构件承载力高。钢管混凝土构件在承受轴压作用时，钢管 对混凝土产生紧限制作用，混凝士的强度大大提高，而钢管又能充分发挥强度 作用，构件的承载力高。实验研究和分析表明，钢管混凝土中的核心混凝土在 受压过程中由于受到钢管混凝土的限制作用，其抗压强度可提高一倍，整个构 件的承载力等于混凝土和钢管单独受力时承载力之和的1 7 2 0 倍。 ( 2 ) 钢管混凝土构件具有良好的塑性和韧性。混凝土属于脆性材料，而且 其抗压强度越高，脆性越明显。而钢管混凝土的核心混凝土在受压过程中由于 受到钢管的限制作用，其弹性阶段扩大，而且破坏形式也向塑性破坏转化。 ( 3 ) 钢管本身就是模板，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，而且易于泵送施工。 ( 4 ) 钢管本身起到了钢筋的作用，它兼有纵向钢筋和横向箍筋的作用，而 且钢管可以预先在工厂制作，其钢用量也相对于钢筋骨架来说要少，因此缩短 了工期，节约了原材料。 ( 5 ) 钢管本身是劲性承重骨架，在施工阶段可起到劲性骨架的作用，而且 其焊接工作量较一般劲性骨架少，吊装质量轻，可简化施工安装工艺，节省脚 手架，缩短工期，减少施工用地。 理论分析和工程实践都表明，与普通钢筋混凝土结构相比，在保持用钢量 相近、承载力相同的条件下，钢管混凝土构件的横截面积可减小约一半，混凝 土的用量及结构自重相应可减少约百分之五十，这对于大跨径结构特别是大跨 径桥梁来说，是一种最有效和最经济的结构形式。 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 钢管混凝土工作原理 1 2 1 混凝土材料的断裂 从理论上来说，固体材料的强度取决于其原子键的强度。从断裂能的角度 出发，可以计算出混凝土材料的理论强度为2 1 0 0 m p a 左右1 6 ，但是混凝土的实 际强度要远远低于这个值。造成这一现象的原因是混凝土在未受压之前内部已 经存在裂缝，裂缝在荷载下的扩展是混凝土破坏的原因。 目前，国际上关于混凝土强度的理论有分子理论、唯象理论、统计理论、 构造理论和模拟理论等【3 】。各种不同的强度理论对混凝土材料断裂的解释基于不 同的假定：一种理论把混凝土视为匀质的各向同性的材料，另一种将之视为非 匀质的各向异性材料；有的将混凝土的破损同在受荷过程中出现不连续点联系 起来分析研究，也有的将之视为是一个整体的、连续的逐渐累积的过程。 虽然各种混凝土强度理论对于混凝土的破损机理有不同的解释，但是它们 在以下几点上是一致的【3 j f 7 j ： ( 1 ) 混凝土的破损起始于混凝土在受荷前已存在的缺陷( 裂缝) 。 ( 2 ) 混凝土在外荷载作用下，内部的微裂缝( 不论其处于粗集料与水泥石 的界面还是水泥石中) 由于应力集中的作用而不断扩展，微裂缝的不断扩展的 结果，导致了混凝土材料的破损。 ( 3 ) 混凝土在承受轴向荷载后，其横向将产生拉伸应力和应变，当其达到 极限后即引起材料的破坏，这是混凝土受压破损的力学特性。 混凝土受压作用下的破坏过程可分为四个阶段：裂缝的闭合、裂缝引发、 裂缝缓慢扩展与裂缝快速扩展。 ( 1 ) 裂缝的闭合。混凝土中的裂缝在加荷初期由于应力值较低，部分裂缝 因受到压缩而闭合，混凝土变得更密实，体积减小，弹性模量有所提高。 ( 2 ) 裂缝引发。在加荷初期至强度极限的3 0 左右，其内部原有的裂缝在 这样的应力水平下十分稳定，几乎没有扩展的倾向。但是，混凝土中局部拉应 变高度集中的各点会产生新微裂缝，而这些裂缝在低应力时也能保持稳定。 ( 3 ) 裂缝的稳定扩展。在混凝土荷载为极限荷载3 0 5 0 是时，混凝土 内部的集料与水泥石之间的界面裂缝开始缓慢扩展，且其扩展多数仍在界面过 渡区。如果保持应力水平不变，则裂缝就会停止扩展。当混凝土所受的荷载一 旦超过5 0 ，裂缝就会到水泥石中。随着水泥石的开裂，原有的界面裂缝也在 武汉理工大学硕士学位论文 扩展，并开始贯通，形成一个连续的裂缝体系。 ( 4 ) 裂缝的快速扩展。当混凝土承受的荷载超过其极限荷载的7 5 以后， 水泥石中的裂缝迅速扩展并延伸，在裂缝稳定扩展阶段所形成的裂缝体系成为 不稳定的状态，最终引起的破坏。在此阶段，即混凝土所受的荷载不继续增加， 裂缝的扩展也会自发进行下去。 1 2 2 钢管混凝土工作原理 通过对混凝土断裂过程及机理的研究，可以得出一个明确的概念，即如果 能够限制或约束混凝土在轴向载荷作用下产生的横向拉伸变形，也即是限制或 约束了混凝土在受压过程中内部裂缝的扩展或延伸，使混凝土的内部结构在较 高的轴压荷载作用下仍然能够保持其连续性，从而提高混凝土的抗压承载能力。 根据广义虎克定律，当各种材料受到双向或三向各向同性的应力时，材料 中各单元体的各棱边的总变形均比单向应力时的棱边变形小，因此，同一材料 在三向应力状态下工作时，由于其各向的应变值减小，承载力能得到大幅度的 提高。实验证明【”，在混凝土中配置了预应力螺旋筋以后，混凝土的纵向极限压 缩变形和横向极限拉伸变形值都得到大大提高。 基于同样的原理，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。，： 钢管在弹性工作阶段其泊松比 从= o 2 5 o 3 0 ，平均值为o 2 8 ，达 钢管 i 年兰= 习 到塑性阶段时其u 。= 0 5 0 。而混凝土r ：卜_ l 的泊松比t 则随着纵向压应力的大。? l _ f；一一40 小而变化，低应力时为o 1 7 ，而随着 a ， 0 一 应力的增长而增大至o 5 ，其后继续 混凝土i i “。，叫：= j 增大，到达极限状态时以由于混凝_ 广- = ： 土的开裂而大于kq一 钢管混凝土受轴心荷载作用，开 l “ ： 始受力时蜱 以，混凝土的纵向变形大于钢管的纵向变形，钢管与混凝 土相互靠近；荷载达到一定值，混凝土的纵向变形已经大于钢管的纵向变形， 钢管对混凝土的纵向变形产生约束，由此丽产生了钢管与混凝土之闻的相互作 用力p ，称之为紧箍力( 如图1 2 ) 。这就使钢管和混凝土都处于三向受力状态： 钢管纵向受压( 03 ) ，径向受压( o2 ) ，环向受拉( oi ) ：混凝土纵向、径向、 环向皆受压( o3 、o2 。、o1 ) 。 钢管混凝士轴心受压时产生紧箍作用是钢管混凝土具有优良力学性能的基 本原因【4 1 。钢管混凝土在轴心压力作用下，钢管和核心混凝土都处于三向应状态 下，与单向受压时不同，材料的性能发生了变化。在三向应力状态下，钢材的 屈服强度降低，极限应变增大，即强度下降，而塑性变形能力增强：混凝土处 于三向应力状态下，其抗压强度大大提高，弹性模量也得到提高，而且逆性变 形能力增强。 总之，用作受压构件的钢管混凝土，由于钢管对混凝土的紧箍作用，混凝 士的材料性能发生了质的变化，不光提高了混凝土的强度，而且还使其由脆性 转变为塑性材料。同时，薄壁钢管的承载力决定于薄壁的局部稳定，其强度不 能得到充分发挥。而在钢管混凝土中，填充的核心混凝土可以提高钢管壁的局 部稳定性，使其强度能得到比较充分的发挥。在钢管混凝土构件中，钢管与混 凝土能相互弥补对方的缺点，发挥各自的长处，是钢与混凝土的最佳组合结构。 基于以上分析，钟善桐、蔡绍怀等人提出了解释钢管混凝土工作原理的紧 箍理论j ： ( 1 ) 借助钢管对核心混凝土的套箍作用，使核心混凝土处于三向受压状态， 从而使核心混凝土具有更高的抗压强度和压缩变形能力； ( 2 ) 借助内填混凝土的支撑作用，增强钢管壁的几何稳定性，改变钢管的 失稳模态，从而提高其承载能力。 1 3 钢管高强混凝土存在的问题 1 3 1 高强钢管混凝土的收缩 普通混凝土主要具有六种收缩变形噶3 ： ( 1 ) 化学收缩，它是指水泥矿物在水化时，由于反应体系的体积产生绝对 的减小而引起的混凝土体积收缩。化学收缩是水泥胶凝材料水化的固有特征， 武汉理工大学硕士学位论文 因水泥各种矿物的化学收缩不同，因此不同的水泥其化学收缩的高低不一样。 ( 2 ) 自收缩，它是混凝土在恒温绝湿条件下，由胶凝材料的水化作用引起 的体积变形，普通混凝土的自收缩值一般在( 4 0 - 1 0 0 ) 1 0 范围内，如果以混凝 土线膨胀系数为l o x1 0 1 计，相当于湿峰4 一1 0 所引起的温度变形，这充分 说明混凝土自收缩的严重性。自收缩是由混凝土的自干燥所引起的。在混凝土 水化过程中，混凝土内的自由水由于水化的进行被水泥颗粒结合发生水化反应， 混凝土内部相对湿度随之降低，混凝土内部毛细孔内部的水由饱各状态变为不 饱和状态，产生毛细管拉应力，水泥石在此拉应力作用下产生收缩。 混凝土的自收缩受水胶比影响很大。水胶比越低，混凝土的自收缩越大， 其在总收缩中所占的比例越大。有资料表明，混凝土的水胶比为0 4 时，自收 缩在总收缩中所占的比例为4 0 ，而水胶比为0 1 7 时，自收缩所占的比例为 1 0 0 。 ( 3 ) 冷缩：混凝土随温度下降而发生的收缩变形称为温度收缩变形，简称 为冷缩。对于大体积混凝土。裂纹的产生主要是由于温度变化引起的，因此， 如何尽量减少其温度变形是一个极其重要的问题； ( 4 ) 干燥收缩：置于未饱和空气中的混凝土因水分散失而引起的体积缩小 变形，称为干燥收缩变形； ( 5 ) 碳化收缩，大气中的c o , 在有水分的条件下，与水泥的水化产物发生 化学反应产生c a c o 。和游离水等，从而引起收缩； ( 6 ) 沉缩，由于颗粒沉降而产生的收缩。在短期外荷载作用下，混凝土有弹 性变形、塑性变形、假塑性变形及极限拉伸变形等四种变形。另外还有长期载 荷作用下的徐变变形。 对于钢管膨胀混凝土而言，在不受外荷载作用下，由于钢管的密闭作用， 干燥收缩、碳化收缩以及沉缩等不是主要的收缩形式，因此可以不必考虑。另 外，由于膨胀混凝土在钢管的限制作用下将产生较大的自应力( 2 m p a ) ，长期在 这种载荷的作用下，核心混凝土会发生徐变变形。因此，冷缩、自收缩和徐变 是造成混凝土体积收缩变形的主要因素。 1 3 2 核心混凝土收缩对钢管混凝土性能的影响 钢管对核心混凝土的套箍作用是钢管混凝土具有优异力学性能的原因。从 钢管混凝土受力过程中钢管与混凝土变形分析可知，如果由于混凝土收缩而在 钢管与混凝土之问产生空隙，那么这种套箍作用将被大大削弱，钢管混凝土结 6 武汉理工大学硕士学位论文 表1 1空隙宽度对钢管混凝土构件承载力的影响 注：构件截面尺寸为中2 2 0 x 2 4 构的性能将会劣化。叶跃忠的实验研究表明 9 1 ，在钢管与混凝土之间产生空隙后， 钢管混凝土短柱会出现以下的性能劣化： ( 1 ) 钢管混凝土构件的承载力下降，且下降的幅度随着长径比的增大而增 大。 ( 2 ) 钢管混凝土构件在轴压下的变形出现不连续性，应力应变曲线出现出 现台阶，即在某些阶段出现荷载不增加而变形增大的情况。 ( 3 ) 钢管混凝土构件在轴压下的侧向挠度增大，且随着空隙宽度的增大而 增大。构件长径比较大时，挠度曲线形态出现沿柱长不对称的现象，这种现象 加剧了构件的局部变形失稳。 ( 4 ) 钢管混凝土构件弹性模量下降。长径比为3 的钢管混凝土构件在空隙 宽度为l m m 、2 n u n 、3 m m 的情况下相对于未产生空隙的构件其弹性模量分别下 降了3 7 2 、4 8 o ，5 3 1 。 钢管混凝土内部出现空隙，将严重影响钢管混凝土构件的力学性能，并且 长径比越大，脱粘宽度越大，造成的危害越严重，这样的性能下降幅度已不能满 足设计要求，安全性已变得较差。钢管混凝土内部混凝土脱粘引起承载力下降、 挠度及纵向变形增大，主要原因是内部混凝土没有填充密实，导致钢管和混凝土 不能很好地共同受力。空隙宽度较小时，受力后可很快进行调整，钢管和混凝 土重新共同作用，危害还比较小。但当脱粘宽度较大时，受力调整己不能保证共 同作用，挠度及纵向变形的不连续发生，使钢管表面产生不规则的凸皱现象， 柱体偏心扩大，承载力进一步下降，形成恶性循环。长细比较大的柱体，这种 7 武汉理工大学硕士学位论文 现象越发严重。 韩林海的研究也表明“们，混凝土灌入钢管后进行有效的振捣，钢管与混凝 土之间越密实，钢管混凝土的承载力也越高。 1 4 研究现状及存在的问题 现有改善钢管混凝土中钢管与核心混凝土之间的密实性有三种方法，一 是通过钢管的收缩在钢管与混凝土之闻产生自应力，称为机械自应力钢管混 凝土【l u ；二是通过混凝土的膨胀在钢管怀混凝土之间产生白应力，称为化学 自应力钢管混凝土【l2 】；第三，在钢管与混凝土之间产生空隙后通过灌浆来达 到钢管混凝土的密实 9 1 。 机械自应力钢管混凝土通过钢管的收缩来产生自应力。混凝土注入钢管 之前先将钢管加热，使其产生膨胀，待混凝土硬化后，钢管收缩产生应力。 但是这种方法较为复杂，钢管制备难度大。如何在混凝土硬化前保持钢管的 膨胀、如何协调钢管收缩与混凝土强度发展的关系都需要研究。而且实际工 程中所用的钢管多数是大直径，大长细比的钢管，要在如此庞大的钢管上用 加热的方法使其产生膨胀并保持到混凝土硬化无疑是极其困难的，不仅增加 了施工难度，而且也会使施工费用大幅度上升。因此，这种施加应力的方式 仅可用于试验研究和一些小直径、小长细比的钢管混凝土。 化学自应力钢管混凝土是在混凝土中加入膨胀剂，通过膨胀剂水化反应 生成钙矾石( a f t ) ，使混凝土产生膨胀。工程中常用的u e a 、c s a 类混凝土 膨胀剂，其膨胀能力不足，作用有限，一般仅起到补偿收缩作用。钢管膨胀混 凝土中的核心混凝土虽掺有膨胀剂，但由于所使用的膨胀剂水化反应生成钙矾 石需要大量水，而核心混凝土水胶比低，且处于密闭状态，无法得到水分补充， 核心混凝土仅在早期产生膨胀，后期由于收缩而与钢管脱粘。仅靠膨胀剂的作 用难以有效改善钢管混凝土中核心混凝土的膨胀性能。 灌浆可以使产生空隙的钢管混凝土性能得到恢复，但是在实际应用中也存 在不少问题。钢管混凝土拱桥中应用的钢管混凝土柱不仅直径大( 其直径在l1 1 1 左右) ，而且长度较长( 一般超过1 0 0 m ) ，钢管与核心混凝土之间产生的空隙又 比较小，用灌注的方法填充这些空隙，使钢管混凝土的密实性较好，就必须在 钢管混凝土柱的不同位置开口进行灌浆，这对结构具有一定的破坏性。 因此，研究种既不对钢管混凝土结构造成破坏，同时在工程实际中便于 应用、不增加工序和施工难度，而且能有效解决钢管与核心混凝土之间脱开的 武汉理工大学硕士学位论文 钢管混凝土设计方法是必要的。 1 5 本文的研究思路 为了解决低永胶比混凝土自干燥作用引起的开裂，国外一些研究人员通 过用饱水多孔材料的内养护作用减小混凝土的收缩【1 3 】【4 】【1 5 】1 1 6 】f 1 7 】【1 钔。他们的研 究表明，通过用高吸水率的多孔材料取代部分碎石或砂，可以使密闭条件下 的混凝土早期收缩大为减小甚至发生膨胀。研究还发现，多孔材料的粒径对 其养护作用有较大影响，集料颗粒越细，其早期养护作用越强。同时，从补 偿化学收缩的角度出发，提出了多孔材料补偿收缩的补水量计算公式。但是 这些研究都集中在混凝土七天龄期以内，缺乏对混凝土长期体积变形的研究， 而且这些研究没有与混凝土力学性能的研究结合起来，因此还需要更为深入 和系统的研究。 在此基础上，本文根据胡曙光老师及丁庆军老师提出的“释水因子” ( w a t e r - e n t r a i n e dm a t e d a l ) 的概念，从释水因子的内养护作用出发，通过合 理选择原材料，在混凝土中用释水因子取代一部分普通集料，或全部用释水 因子作为粗集料，并应用一种新型膨胀剂，利用释水因子的内养护作用为混 凝土中的膨胀剂和水泥水化提供额外水分，实现钢管混凝土中核心混凝土的 持续稳定膨胀。 1 6 本文的研究目标及内容 随着钢管混凝土拱桥向大直径、大跨径、高强度的方向发展，桥梁的安全 越来越重要。研究采用部分参加及全部采用释水因子的方法来解决钢管混凝土 构件因核心混凝土收缩而产生的性能劣化，可以进一步提高钢管混凝土拱桥的 安全性，推动钢管混凝土技术的发展。 1 6 1 研究目标 ( 1 ) 通过对钢管混凝土组成的设计及性能的优化设计，提出c 5 0 、c 6 0 高 强钢管膨胀混凝土的配合比设计方法； ( 2 ) 系统研究各种因素对c 5 0 、c 6 0 高强钢管膨胀混凝士及钢管混凝土短 柱性能的影响，掌握高强钢管混凝土的制备技术 ( 3 ) 研究各种因素对c 5 0 轻集料钢管混凝土及其短柱性能的影响，掌握其 9 武汉理工大学硕士学位论文 配合比设计方法及制备方法。 1 6 2 研究内容 ( 1 ) 进行高强钢管膨胀混凝土原材料的选择；高强钢管膨胀混凝土的工作 性能、力学性能以及体积稳定性的优化设计；高强钢管混凝土配合比的设计： ( 2 ) 建立混凝土集料分层模型，系统研究各种因素对高强钢管膨胀混凝土 集料分层的影响；研究水胶比、释水因子掺量等因素对混凝土容重、强度、弹 性模量的影响：研究释水因子掺量、硅灰掺量等对高强钢管膨胀混凝土强度、 弹性模量的影响：研究释水因子对高强钢管膨胀混凝土膨胀性能、徐变变形性 能的影响：研究释水因子的加入对胶凝材料水化及生成物的影响；对比研究c 5 0 、 c 6 0 普通高强钢管混凝土与高强钢管膨胀混凝土短柱的力学性能； ( 3 ) 进行钢管高强轻集料混凝土的组成与性能设计；系统研究钢管高强轻 集料混凝土的工作性能、力学性能与膨胀性能；研究c 5 0 钢管高强轻集料混凝 土短柱的力学性能。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章钢管高强嘭胀混凝土的材料组成 2 1 钢管高强膨胀混凝土的材料组成 2 1 1 水泥 一般来说，钢管混凝土拱桥中核心混凝土性能设计主要考虑其抗压强度、 弹性模量和工作性能，其余如水化温升的问题，一般不予考虑。而且对于钢管 高强膨胀混凝土来说，由于水胶比低( 一般在0 3 0 0 3 8 范围内) 【19 】【1 2 0 1 1 2 n ，混 凝土的早期强度高，因此对于水泥早强抗压的要求不高。在选用水泥时，一般 选用普通硅酸盐水泥。 要制备c 5 0 及以上的高强混凝土，应用e o 4 2 5 及以上标号的水泥【竭。考虑 成本和力学性能的要求，配制c 5 0 钢管高强膨胀混凝土时选用e o 4 2 5 水泥，配 制c 6 0 钢管高强膨胀混凝土时选用e o 5 2 5 水泥。 2 1 2 矿物掺合料 2 1 2 i 粉煤灰 在钢管混凝土的制备中，常用粉煤灰作为矿物掺合料，以新拌混凝土的工 作性能i 矧。由于钢管混凝土拱桥采用泵送顶升施工工艺，对混凝土的工作性能 有较高的要求。为保证混凝土的工作性能和力学性能，钢管混凝土中所用的粉 煤灰为一级粉煤灰。 2 1 2 2 硅灰 释水因子是一种具有特殊孔结构的轻集料，在其代瞀一部分普通集料掺入 混凝土中后，实际上混凝土可以被称为次轻混凝- i - 1 2 4 2 5 】麟】【2 钉，其强度与未掺释 水因子的普通混凝土相比要低。而且释水因子较水泥浆体轻，普通集料较水泥 浆体重，因此出现释水因子上浮、普通集料下沉的现象，即出现集料分层现象。 为了有效控制这种集料分层的现象，增加水泥浆体粘度和新拌混凝土的稳定性， 同时也为了改善因释水因子掺入而出现的混凝土强度下降等情况，以硅灰作为 矿物掺合料代替一部分水泥掺入混凝土中。 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 3 外加剂 2 1 3 1 高效减水剂在混凝土中的作用 高效减水剂是制备高强高性能混凝土的一个重要原材料。高效减水剂在混 凝土中可以起到以下两个作用： ( 1 ) 改善混凝土工作性能，提高新拌混凝土的流动性。 ( 2 ) 降低混凝土水胶比，提高混凝土的强度，改善耐久性。 高效减水剂的这两个作用，推动了混凝土向高强化、高流态化、高耐久性 方向发展，使得混凝土的高强高性能化成为可能。 2 1 3 2高效减水剂的减水机理 不同的高效减水剂有不同的减水机理，概括起来，主要是以下五个方面【2 s 1 ： ( 1 ) 降低水泥颗粒固液界面能。减水剂通常为表面活性剂，性能优良的减 水剂在水泥一水界面上具有很强的吸附能力。减水剂吸附在水泥颗粒表面能够 降低水泥颗粒固液界面能，降低水泥一水分散体系的总能量，从而提高分散体 系的热力学稳定性，这样有利于水泥颗粒的分散。 ( 2 ) 静电斥力作用。新拌混凝土中掺人减水剂后，减水剂分子定向吸附在 水泥颗粒表面，部分极性基团指向液相。出于亲水极性基团的电离作用，使得 水泥颗粒表面带上电性相同的电荷，并且电荷量随减水剂浓度增大而增大直至 饱和，从而使水泥颗粒之间产生静电斥力，使水泥颗粒絮凝结构解体，颗粒相 互分散，释放出包裹于絮团中的自由水，从而有效增大拌合物的流动性。带磺 酸根( 一s 0 3 一) 的离子型聚合物电解质减水刑，静电斥力作用较强；带羧酸根 离子( - 0 0 一) 的聚合物电解质减水剂，静电斥力作用次之；带羟基( 一0 h ) 和 醚基( o 一) 的非离子型表面活性减水剂，静电斥力作用最小。 ( 3 ) 空间位阻斥力作用。聚合物减水剂吸附在水泥颗粘表面。则在水泥颗 粒去团形成一层有一定厚度的聚合物分子吸附层。当水泥颗粒相互靠近，吸附 层斤始重叠，即在颗粒之间产生斥力作用，重叠越多，斥力越大。这种由于聚 合物吸附层靠近重叠而产生的阻止水泥颗粒接近的机械分离作用力，称之为空 间位阻斥力。一般认为所有的离子聚合物都会引起静电斥力和空间位阻斥力两 种作用力，它们的大小取决于溶液中离子的浓度以及聚 ( 4 ) 水化膜润滑作用。减水剂大分子含有大量极性基团，如木质素磺酸盐 含有磺酸基( 一s 0 3 一) 、胺基卜- n h 2 ) 和醚基( _ p 一) ：磺酸盐甲醛缩合物和三聚 氰胺磺酸盐甲醛缩合物含有磺酸基；氨基磺酸盐甲醛缩台物含有磺酸基、胺基( _ 一 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 n i - 1 2 ) 和羟基( o h ) ；聚羧酸赫减水剂含有羧基( c o o 一) 和醚基等。这些极性 基团具有较强的亲水作用，特别是羟基、羧基和醚基等均能与水形成氢键，故 其亲水性更强。因此，减水剂分子吸附在水泥颗粒表而后由于极性基的亲水 作用，可使水泥颗粒表面形成一层具有一定机械强度的溶剂化水膜。水化膜的 形成可破坏水泥颗粒的絮凝结构，释放包裹于其中的拌和水，使水泥颗粒充分 分散，并提高水泥颗粒表面的润湿性，同时对水泥颗粒及骨料颗粒的相对运动 起到润滑作用，所以在宏观上表现为新拌混凝土流动性增大。 ( 5 ) 引气隔离“滚珠”作用。木质素磺酸盐、腐植酸盐、聚羧酸盐系及氨 基磺酸盐系等减水剂，由于能降低液气界面张力，故具有一定的引气作用。这 些减水剂掺入混凝土拌合物后，不但能吸附在固液界面上，而且能吸附在液气 界面上，使混凝土拌合物中易形成许多微小气泡。减水剂分子定向排列在气泡 的液气界面上，使气泡表面形成一层水化膜同时带上与水泥颗粒相同的电荷。 气泡与气泡之间，气泡与水泥颗粒之间均产生静电斥力，对水泥颗粒产生隔离 作用，从面阻止水泥颗粒凝聚。而且气泡的滚珠和浮托作用，也有助十新拌混 凝土中水泥颗粒、骨料颗粒之间的相对滑动。因此，减水剂所具有的引气隔离 “滚珠”作用可以改善温凝土拌合物的和易性。 2 1 3 3 常用减水剂的种类及特性 ( 1 ) 木质素磺酸钙( 简称木钙) 。木钙是亚硫酸盐法生产纸浆的副产品。 木质素磺酸盐减水剂在混凝土中的掺量一般为水泥质量的0 2 o 3 ，适宜掺 量为o 2 5 。由于木钙具有降低液气表面张力的能力，其引气作用较强，掺量为 0 3 时其引气量达到4 。因木材生产中会产生糖，因此木钙具有缓凝作用。 ( 2 ) 萘系高效减水剂。萘系高效减水剂水剂是阴离子型高分子表面活性剂， 具有较强的固液界面活性作用，其吸附于水泥颗粒表面后，能使水泥颗粒的 一负电位大幅度降低( 绝对值增大) 。因此萘系高效减水利分散减水作用机理是 以静电斥力作用为主，兼有其他作用；萘系减水剂的气一液界面活性小，几乎 不降低水的表面张力，因此起泡作用小，对混凝土几乎无引气作用。萘系减水 剂由于不含有羟基( o h ) 羧基( - t o o 一) 等亲水性强的极性基团，故对水泥无 缓凝作用。荼系高效减水剂掺量为水泥质量的0 3 1 5 ，最住掺量为o 5 1 0 ，减水率在1 5 3 0 之间。 ( 3 ) 氨基磺酸盐类减水剂。氨基磺酸靛系高效减水剂的掺量一般为水泥质 量的0 2 1 o ，最佳掺量为o 5 o 7 5 。在此掺量下，对流动性混凝土的 减水率为2 8 3 2 ，对塑性混凝土凝土的减水率为1 7 2 3 。该类减水剂在 武汉理工大学硕士学位论文 水泥颗粒表面呈环状、引线状和齿轮状吸附，能显著降低水泥颗粒表面的一 负电位。因此其分散减水作用机理以静电斥力为主，并具有较强的空间位阻斥 力作用。同时，由于减水剂具有强亲水基羟基( o h ) ，能在水泥颗粒表面形成 较厚的水化膜，故具有较强的水化膜润滑分散减水作用。氨基磺酸盐系减水剩 无引气作用，内于分子结构中具有羟基( 勺h ) ，故具有轻微的缓凝作用。 ( 4 ) 聚羧酸系高效减水剂。聚羧酸系高效减水剂的分散减水作用机理以空 间位阻斥力作用为主，其次是水化膜润滑作用和静电斥力作用，同时还具有一 定的引气隔离“滚珠”效应和降低固一液界面能效应。聚羧酸系高效减水剂减 水率高，一般为2 5 3 5 ，最高可以达到4 0 。 聚羧酸系高效减水剂，与其他高效减水剂相比，除了掺量小，对水泥颗粒 的分散作用强，减水率高等优点外，该类减水剂最大的一个优点还是傈塑性强， 能有效地控制混凝土拌合物的坍落度经时损失，而对混凝土硬化时间影响不大。 该类减水剂含有许多羟基( o h ) 、醚基卜伊_ ) 和羧基( - 0 0 一) 等亲水性基团， 故具有一定的液气界面活性作用。因此聚羧酸系减水剂具有一定的引气性和 轻微的缓凝性。 2 1 3 4 钢管混凝土的外加剂选取原则及常用的外加剂 外加剂的选择对于钢管混凝土的制备至关重要。一般钢管混凝土外加剜的 选择应遵循以下几条原则： ( 1 ) 减水率高，混凝土的坍落度，扩展度大，拌合物保塑性好，无离析泌 水现象。 ( 2 ) 具有缓凝作用，能较好地控制混凝土的坍落度经时损失。钢管混凝土 拱桥混凝土的灌入采用泵升项升施工的方法，从拌合到灌入钢管中直到整根钢 管施工完毕，混凝土都要保持一定的流动性。 ( 3 ) 引气量低。在钢管混凝土的泵送施工中，混凝土中的气体在压力作用 下会吸附于钢管表面并在钢管与混凝土之间的界面处富集成气膜，从而抵消了 核心混凝土的膨胀量，造成钢管与混凝土的脱粘。 钢管混凝土中常用复合了缓凝保塑剂的萘系高效减水剂和聚羧酸减水剂作 为外加剂。萘系减水剂和聚羧酸减水剂的减水率高，引气量低，能有效满足钢 管混凝土工作性能的要求。值得注意的是，虽然氨基磺酸盐系减水剂减水率高， 且引气量低，但氨基磺酸赫系列减水剂单独使用容易导致混凝土离析泌水现象 的发生，对于钢管混凝土而言，离析泌水现象将导致钢管混凝土不均匀，水泥 浆体上浮聚集到钢管上段，碎石下沉到底部，在施工中易堵管，且钢管混凝土 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 强度、弹性模量差异大，达不到设计要求，影响承载力。 2 1 4 释水因子 2 1 4 。l 释水因子的概念 释水因子是一种具有特 殊孔结构的轻集料，它能预先 储存一定量的水分，通过结构 设计使水分在早期水化阶段 不参与化学反应，当后期自由 水分用完时，能释放出水分维 持混凝土膨胀继续进行。在提 供或不提供水分的情况下，释 水因子本身都能作为混凝土 的组分之一，保持良好的粘结 性能。 06 0 1 2 0 1 8 0 2 4 0 3 0 0 g p ，d 图2 - 1 水胶比对混凝土相对湿度变化的影响 释水因子在混凝土中释水的动力有两个。在高强混凝土中，伴随着水化的 进行，混凝土内部的湿度明显下降，这个过程被称为白干燥2 9 l 【3 0 1 3 1 】【3 2 】。混凝土 的自干燥是引起混凝土自收缩的原因。在自干燥过程中，混凝土毛细孔中的水 因为湿度下降而成为弯液面。根据k e l v i n 公式，混凝土毛细孔内部湿度与毛细 孔有如下关系【1 6 】【3 3 】： l n ( r 日) 2 i - 2 y f v , ( 2 1 ) 其中：r h 一混凝土内部相对湿度 ，一毛细孔溶液表面张力 圪一毛细孔溶液摩尔体积 ，一毛细孑l 半径 胄一气体常数 r 一绝对湿度 把毛细孔假设为一圆柱体，那么因自干燥过程而引起的毛细孔拉应力仃为： 口：翌：二墨碘坚盟( 2 - 2 2 2 ) 口= o = i 二-、 厂 y 肃 武汉理工大学硕士学位论文 这个拉应力在混凝土毛细孔和释水因子内部孔隙之间产生了压力差，释水 因子内部的水在这个压力差作用下从释水因子内部流向混凝土。同时，毛细孔 拉应力也是高强混凝土自收缩的直接原因。 释水因子释水的另一个动力是释水因子与混