预应力混凝土钢管混凝土短柱的试验研究

预应力混凝土钢管混凝土短柱的试验研究

管道混凝土结构具有承受高、重复使用、精心设计、施工技术和抗疲劳防滑性能好等优点。因此，它在现代高层建筑和大倾角工程中得到了广泛应用。在对管道混凝土结构和性能的研究中，主要混凝土的组成、结构和性能是焦点之一。管道混凝土通常采用泵送式提拔法进行。对中心混凝土性能的特殊要求是：（1）好的泵和操作；（2）适当的微扩展性和自致密性。（3）早熟性能和适当的刚性。因此，确定合适的微扩胀率，以及混凝土的配合比设计是管道混凝土制备的关键。硫铝酸盐水泥具有早期强度高的特点,且其后期强度仍能稳步增长.此外,通过调节水泥中石膏的掺量,还能赋予水泥微膨胀、膨胀或自应力等性能,使混凝土产生适度膨胀、补偿混凝土收缩或形成自应力.若采用硫铝酸盐水泥制备微膨胀钢管混凝土,不仅无需加入其他膨胀材料而配制出符合膨胀性能设计要求的核心混凝土,而且还能使混凝土具有较高的早期强度,提高钢管混凝土结构的承载力.因此,可以认为硫铝酸盐水泥对钢管混凝土具有较好的适用性,是一种具有很大发展潜力的钢管混凝土胶凝材料.本文对硫铝酸盐水泥早强微膨胀钢管高强混凝土的制备进行了探讨,分析研究了该种混凝土的早强和微膨胀特性,最后测试分析了用硫铝酸盐水泥成型的C50,C60钢管混凝土短柱试件的承载力,并与普通钢管混凝土进行了对比.1原料和方法的试验1.1硫铝酸盐水泥的化学组成水泥:湖北孝感凤凰水泥股份有限公司生产的4种硫铝酸盐水泥,其Al2O3与SO3的质量比分别为1.3,1.2,1.1,1.0,依次记为B,C,D,E,其中,E为40级自应力硫铝酸盐水泥,其化学组成见表1;砂:中粗河砂,细度模数2.6;碎石:5～25mm连续级配碎石,其针片状含量6.8%(质量分数,本文中的含量、组成等均为质量分数),压碎值9.7%;外加剂:自行研制的硫铝酸盐水泥专用缓凝保塑高效减水剂WUT-G(Ⅱ);Ⅱ级粉煤灰:武汉市青山火电厂产,需水量比102%.1.2试件与试件制备混凝土坍落度试验按GB/T50080—2002进行;抗压强度和弹性模量试验按GB/T50081—2002进行;膨胀率试验按GBJ82—85进行.试件尺寸为100mm×100mm×515mm,成型时两端预埋可拆卸式铜探头,成型后室内静停24h脱模.用3层潮湿棉布包裹试件,外面再用塑料薄膜密封,只露出铜探头,然后放入相对湿度为(95±5)%的养护箱中养护.用精度为0.001mm的千分表测量养护前的试件长度(初始长度)及其余龄期试件长度.水泥水化试样为40mm×40mm×40mm净浆试块,水灰比0.33,试块成型后置于(20±3)℃,相对湿度大于90%的养护室中,24h后脱模并养护至相应龄期,用刀将其劈成约3～5mm的颗粒,立即放入无水乙醇中浸泡3～5d以终止水化,再选取适当大小的颗粒供SEM分析用.钢管混凝土短柱承载力测试在武汉理工大学结构工程实验中心500t压力机上进行,每组混凝土成型3根尺寸为Φ180mm×3mm×630mm(直径×壁厚×高度)的短柱试件,28d龄期时采用轴心加载方式对各短柱试件进行分级加载,每级加载持荷3～5min,直至短柱试件破坏,加载过程中的最大荷载值即为短柱试件的极限承载力.2结果与讨论2.1混凝土的共体比设计2.1.1配合比的性能测试普通钢管混凝土结构中,常因收缩等因素而引起核心混凝土与钢管壁的脱粘,因此,为确保混凝土具有较高的膨胀率,选用前述4种水泥中膨胀能最高的水泥E进行C50,C60早强微膨胀混凝土的配制试验.同时,为确保所制备混凝土的工作性和早期强度能满足泵送顶升施工法的要求,以混凝土初始坍落度S0及其3d抗压强度fc,3d为考核指标,考虑水胶比、粉煤灰掺量、砂率、减水剂WUT-G(Ⅱ)掺量对S0和fc,3d的影响.试验时,用正交设计方法进行配合比设计,各因素水平见表2,混凝土配合比、试验结果与考察指标的极差分析见表3.由表3并综合考虑各因素和指标,确定采用水泥E时的混凝土配合比为:水胶比②,粉煤灰②,砂率①,减水剂①.按该配合比重新拌制混凝土并进行其性能测试,结果见表4.由表4可知,用自应力硫铝酸盐水泥E制备的混凝土具有较高膨胀率,但其强度较低,达不到C60强度等级的要求.原因在于:硫铝酸盐水泥的水化产物主要为钙矾石、C-S-H凝胶和铝胶Al2O3·H2O(gel).一般认为,水泥石体积膨胀的驱动力包括两个方面,即水泥石中凝胶状钙矾石的吸水肿胀作用和结晶状钙矾石的结晶膨胀作用.而浆体中钙矾石的生成对水泥石结构强度有两方面影响:一是有利于浆体在早期获得较高的结构强度;二是在水泥石内部产生一定的膨胀压力(吸水肿胀和结晶膨胀),易形成微裂纹,从而导致结构强度有一定程度的降低.由水泥E的水化硬化体微观结构(见图1)可知,E水泥浆体中存在较多的微裂纹.正是由于这些微裂纹的存在,使得水泥石在承受外部荷载时,因微裂纹的扩展和延伸而加快了水泥石结构的破坏.因此,用水泥E制备的混凝土就很难达到较高强度.此外,由图1还可看出,在水泥E的28d水化硬化体中含有较多钙矾石晶体,而3d水化硬化体只在凝胶孔中存在少量钙矾石晶体.其原因是:在水化早期的水泥浆体中,形成的钙矾石以凝胶状为主、结晶状为辅,凝胶状的钙矾石在水泥凝胶区中形成,而只有少量的钙矾石以结晶状态在凝胶孔或水泥石的孔缝中生成;在水化后期,浆体中水分很少,钙矾石主要以结晶状形成.因而,在早期水化样微观结构中,只能在凝胶孔或孔缝中观察到有较少量钙矾石晶体存在,而后期浆体中则有较多量的钙矾石晶体,也正是由于水泥E的水化硬化体中能生成较多钙矾石,所制备的混凝土才具有较高的膨胀率.综上可知,制备早强高强微膨胀混凝土时,必须同时满足混凝土微膨胀和早强高强两方面的性能要求.水泥石的实际膨胀量同时受钙矾石生成量、产物分布与形貌等因素的影响,而理论上钙矾石生成量又主要与水泥中Al2O3,SO3含量有关,其生成量随水泥中Al2O3与SO3质量比的减小而增大.然而,水泥石的膨胀对其强度有较大负面影响.因此,制备硫铝酸盐水泥早强微膨胀混凝土时,应控制Al2O3与SO3的质量比在某一适当值,以同时满足对混凝土强度和膨胀性能的要求.根据以上试验并结合前期研究成果,应控制水泥中Al2O3与SO3的质量比不低于1.1.2.1.2d28d纤维原料的制备根据以上研究分析,选用B,C,D这3种硫铝酸盐水泥(Al2O3与SO3质量比分别为1.3,1.2,1.1)制备早强微膨胀钢管混凝土.为保证所制备混凝土的早强和微膨胀特性,以混凝土3d抗压强度fc,3d和28d膨胀率ε28为考察指标,采用与上节相同的正交设计方法,考察水泥中Al2O3与SO3质量比、混凝土水胶比、砂率这3个参数对fc,3d和ε28的影响.试验时3个参数的设计值分别是:Al2O3与SO3质量比分别为1.3,1.2,1.1;水胶比分别为0.30,0.33,0.36;砂率分别为36%,39%,42%.通过试验发现:水泥中Al2O3与SO3质量比为1.2时,可以满足所制备混凝土微膨胀和早强高强两方面性能;同时确定C50和C60混凝土的最佳配合比为:水胶比分别为0.33和0.30,Al2O3与SO3质量比为1.2,砂率为39%.2.2钢管混凝土力学性能由以上试验,选用水泥C按表5中的配合比P1～P4制备了C50,C60早强微膨胀钢管混凝土,同时按表5中配合比C1,C2制备了普通钢管混凝土.这两种钢管混凝土的性能见表6.由表6可见,采用Al2O3与SO3质量比为1.2的硫铝酸盐水泥,可制备出C50,C60早强微膨胀混凝土.该混凝土不仅工作性优良,而且具有较高的弹性模量;其初始坍落度23cm,扩展度60～64cm,3h后坍落度仍达18cm以上,且混凝土和易性好,不离析、不泌水.混凝土初凝时间约18h,终凝时间约21h,可满足钢管混凝土泵送施工的要求.同时,该混凝土强度发展很快,其3d抗压强度即可达设计标号:C50达设计强度的109%,C60达设计强度的104%;两种强度等级混凝土的28d弹性模量均达到42GPa以上,能满足泵送施工对其强度和刚度的要求.采用表5中各组混凝土成型规格为Φ180mm×3mm×630mm的钢管混凝土短柱,在混凝土28d龄期时对各短柱进行极限承载力测试,以考察早强微膨胀钢管混凝土短柱和普通钢管膨胀混凝土短柱的承载力大小区别,各短柱的承载力检测结果见表7.由表7可知,相对于普通钢管膨胀混凝土试件,用硫铝酸盐水泥制备的早强微膨胀钢管混凝土有利于提高钢管短柱试件的极限承载力,其中P2试件比C1试件提高12%;P4试件比C2试件提高7.6%.因此,在实际工程设计中可以此作为结构构件的安全储备或适当考虑承载力的提高.试验中还测试了未掺粉煤灰的两组早强微膨胀混凝土(P1,P3)的膨胀率,如图2所示.由图2可知,混凝土膨胀率在7d前增长较快,此后则缓慢增加,14d后仍有少量膨胀,21d后基本趋于稳定,这样有利于提高钢管混凝土结构的承载力等性能.对C50混凝土,其28d自由膨胀率为3.2×10-4,至60d龄期时为3.41×10-4,C60混凝土膨胀率略低,60d时为3.17×10-4.以上研究结果表明,用硫铝酸盐水泥制备微膨胀钢管高强混凝土时,应控制水泥中Al2O3与SO3质量比为1.2,以充分利用硫铝酸盐水泥的早强和微膨胀特性.这样,既可满足工程中对核心混凝土早强和合适刚度的要求,又能使混凝土具有较高的膨胀率,有利于改善钢管混凝土中钢管与核心混凝土之间的相互作用,提高钢管混凝土结构的整体承载力.因此,选用具有适宜Al2O3与SO3质