钢管混凝土柱核心混凝土膨胀性对钢管与混凝土黏结性能的影响

作者：张岩李勇路一

单位：石家庄铁道大学四方学院经济管理系黄淮学院建筑工程学院威海海洋职业学院船舶工程系

摘要：钢管与混凝土之间的黏结性能是保证钢管混凝土结构或构件共同工作的基础, 但目前的试验中, 极少考虑核心混凝土膨胀性。在保证各试件其他条件相同的情况下, 在各试件的核心混凝土中掺入不同含量的膨胀剂, 实现核心混凝土的不同膨胀性。通过试验得到各试件的黏结滑移相关数据, 绘制荷载-滑移曲线, 以此研究核心混凝土的膨胀性对钢管混凝土黏结性能的影响。研究表明, 核心混凝土的膨胀性对钢管混凝土界面黏结性能影响较大, 在一定范围内, 核心混凝土膨胀性越大, 钢管混凝土界面黏结性能越好。

关键词：钢管混凝土柱膨胀性黏结性能试验研究

0 引言

　　由于具有力学性能好、省工省料、架设轻便以及施工快速等优点, 钢管混凝土在桥梁建筑等领域发展极快^[1,2,3]。钢管与核心混凝土间的界面黏合性能直接影响两者之间的协同效应, 从而影响其力学性能^[4,5,6,7]。因此为提高钢管混凝土的力学性能, 需研究其界面黏结性能的影响因素。

　　目前针对钢管混凝土黏结性能的研究有很多^[8,9], 但针对核心混凝土膨胀性这一影响因素的研究却极为少见。尹明^[10]研究了高性能机制砂混凝土在高速公路中的应用。陈丽华等^[11]根据国内外关于钢管混凝土黏结滑移性能的理论和试验研究成果, 介绍了钢管混凝土的黏结机理, 对钢管混凝土黏结强度的研究现状、黏结强度的取值和影响黏结强度的主要因素进行了综合分析和比较。赵强^[12] 对8根钢管再生混凝土柱界面黏结性能进行研究, 探讨再生骨料取代率及再生混凝土强度对钢管再生混凝土界面黏结性能的影响。张卫东等^[13] 为研究方钢管与再生混凝土界面黏结滑移性能, 以再生粗骨料取代率、再生混凝土强度等级及膨胀剂掺量为变化参数, 进行方钢管再生混凝土试件的推出试验, 获取了试件的荷载-滑移曲线, 分析各变化参数对黏结强度的影响。

　　本文在保证各试件其他条件相同的情况下, 在核心混凝土中掺入不同含量的膨胀剂, 实现核心混凝土不同的膨胀性, 通过试验得到各试件的黏结滑移相关数据, 绘制荷载-滑移曲线, 得出核心混凝土的膨胀性对钢管混凝土界面黏结性能的影响规律, 为提高钢管混凝土的力学性能提供参考。

1 试验概况

1.1 试件设计与制作

　　试验中钢管为普通Q235 焊管, 尺寸均为ϕ120×20×500, 核心混凝土的强度等级为C60, 采用UEA 型膨胀剂, 在各试件浇筑过程中, 要注意振捣紧密, 待浇筑完成, 对各钢管混凝土试件进行密封处理, 各试件的两端分别用钢板密封, 防止膨胀效果的减弱^[14,15]。

　　试验共设计4个试件, 各试件原料配合比如表1所示。

　　 表1 试件原料配合比 导出到EXCEL

　　 Table 1 The mix proportion of the raw materials kg·m^-3

试件编号	水	水泥	石子	砂	膨胀剂	减水剂	引气剂	硅灰	矿粉	粉煤灰
1	150	300	1 100	700	0	2	0.25	14	60	96
2	150	300	1 100	700	4	2	0.25	14	60	96
3	150	300	1 100	700	8	2	0.25	14	60	96
4	150	300	1 100	700	12	2	0.25	14	60	96

1.2 加载装置与测量

　　试验采用200t压力机进行加载, 施加荷载的方式为分级加载, 且单调增加。试验采用百分表测量钢管混凝土试件界面滑移量, 以此评价其黏结性能, 取得荷载值及相对滑移量, 并做出荷载-滑移曲线。试验分为低应力试验和高应力试验。低应力试验为:开始施加荷载时, 先施加荷载5kN, 使压力机上砧、钢管以及混凝土等紧密连接, 同时观察百分表和压力机测压设备的变化, 确保各设备正常工作。在推出试验时, 采用分级加载, 且每级荷载大小为6kN, 控制其施加荷载的速度为200N/s, 每级保持60～120s。高应力试验与低应力试验方式基本相同, 只是应力大小有异, 即:开始施加荷载时, 先施加荷载6kN, 使压力机上砧、钢管及混凝土等紧密连接, 同时观察百分表和压力机测压设备的变化, 确保各设备正常工作。推出试验时, 采用分级加载, 每级荷载大小为10kN, 控制其施加荷载的速度为200N/s, 每级保持60～120s。当核心混凝土产生非常明显的滑移现象后, 控制施加荷载的速度约为500N/s, 然后缓慢施加荷载, 直至核心混凝土的滑移量达15mm 以上。推出试验加载装置如图1所示。

　　 图1 加载装置 下载原图

　　 Fig.1 Loading device

2 试验结果及分析

2.1 试验现象

1) 低应力试验方式

　　各试件在初加载时, 核心混凝土与钢管之间的相对位移极小甚至可忽略不计。随着施加荷载逐渐增加, 核心混凝土与钢管之间的相对位移也逐渐增加。直至所施加荷载达到极限荷载的60%时, 各试件中钢管与核心混凝土的相对位移变得极明显, 并且发出清脆的声音。当所施加的荷载达到极限荷载后, 钢管与核心混凝土的相对位移迅速增加, 伴随极明显的摩擦声音, 相对位移迅速增加。整个试验过程中, 核心混凝土和钢管都没有发生塑性变形或屈服应变, 试验过后, 钢管与核心混凝土的摩擦痕迹较明显, 试验后典型试件如图2a所示。

2) 高应力试验方式

　　各试件在初加载时, 核心混凝土与钢管之间的相对位移极小甚至可忽略不计。随着施加荷载逐渐增加, 核心混凝土与钢管之间的相对位移也逐渐开始增加。当所施加荷载增加到极限荷载的82%时, 各试件中钢管与核心混凝土的相对位移变得极明显, 并伴随清脆的声音。此时钢管出现屈服变形, 与此同时, 钢管与核心混凝土的相对位移增加速度较快。当所施加荷载达极限荷载后, 钢管与混凝土间的相对位移急速增加, 并且伴随极明显的摩擦声音, 钢管中部屈服变形极明显。整个试验过程中, 钢管与核心混凝土的摩擦痕迹不明显, 试验后典型试件如图2b所示。

　　 图2 试验后典型试件 下载原图

　　 Fig.2 Typical specimens after test

2.2 荷载-位移曲线

　　对添加不同掺量的各钢管混凝土试件做推出试验, 按1.2节的加载方式进行加载, 得出各级荷载及其滑移量, 荷载-滑移曲线如图3所示。

　　 图3 不同核心混凝土膨胀性试件的荷载-滑移曲线 下载原图

　　 Fig.3 Load-slip curves of expansion specimens

　　如图3所示, 各钢管再生混凝土试件界面黏结破坏过程为: 当核心混凝土荷载低于黏结破坏荷载时, 趋势呈线性增长;当荷载达到黏结破坏荷载时, 曲线开始出现拐点, 且在一定范围内趋于水平, 荷载变化不大, 滑移量继续增加。根据各试件荷载-滑移曲线的对比, 可以明确看出核心混凝土的膨胀性对钢管混凝土界面黏结性能有较大影响。在一定范围内, 当钢管混凝土界面黏结性能与膨胀剂掺量即核心混凝土的膨胀性成正相关时, 核心混凝土的膨胀性越好, 钢管混凝土界面黏结性能越好。但当这种影响达到极限值后, 膨胀性的继续增加反而会对钢管混凝土界面黏结性能产生不利影响。

2.3 界面黏结力组成

　　钢管混凝土的界面黏结力主要包括化学胶结力、摩擦力以及机械咬合力3部分, 具体如下。

1) 化学胶结力

　　胶结强度的影响因素主要有水泥量、核心混凝土强度以及水灰比。由于化学胶结力很小, 因此在试验过程中, 在施加荷载初期, 钢管与核心混凝土基本没有相对滑移, 因此钢管混凝土的界面黏结力主要为化学胶结力;随着所施加荷载的逐渐增加, 钢管与核心混凝土逐渐产生相对滑移, 这时在产生相对滑移的位置, 化学胶结力为零。

2) 机械咬合力

　　机械咬合力的影响因素主要为钢管内表面的粗糙程度和核心混凝土的应力强度。钢管内表面的粗糙程度一般为10^-2mm数量级, 这种由钢管内表面粗糙程度不同所产生的界面黏结力为“微观咬合力”。

　　在试验过程中, 随着所施加荷载的逐渐增大, 钢管与核心混凝土会产生较明显的相对位移, 此时界面的化学胶结力逐渐破坏完全, 钢管混凝土的界面黏结力主要为机械咬合力, 如图4所示。

　　 图4 机械咬合力 下载原图

　　 Fig.4 Mechanical bite force

　　 3) 摩擦力

　　随着所施加荷载的继续增大, 钢管与核心混凝土之间会产生极明显的相对滑移, 钢管混凝土黏结力主要为摩擦力。

　　摩擦力的主要影响因素为钢管摩擦系数以及核心混凝土侧压力。钢管内表面的粗糙程度决定摩擦系数的大小, 粗糙程度越大, 其摩擦系数越大;侧压力产生的原因为:在受力过程中, 核心混凝土横向体积的增大对钢管造成挤压, 从而产生侧压力。

2.4 界面黏结力破坏过程分析

　　对试验得到的荷载-位移曲线进行分析, 钢管混凝土的受力过程可以分为以下3个阶段。

1) 胶结阶段

　　在施加荷载初期, 钢管与核心混凝土基本没有相对滑移, 因此钢管混凝土的界面黏结力主要为化学胶结力;随着所施加荷载的逐渐增加至极限荷载的14%～24%时, 钢管与核心混凝土逐渐产生相对滑移, 这时在产生相对滑移的位置, 化学胶结力为零。钢管混凝土的界面机械咬合力为钢管与核心混凝土界面的主要作用力。

2) 滑移阶段

　　随着所施加荷载的逐渐增大, 钢管与核心混凝土会逐渐产生相对位移, 至所施加的荷载达到极限荷载的 30%～50%时, 钢管与核心混凝土之间局部会产生相对滑移, 此时钢管混凝土的界面黏结力主要为化学胶结力 (界面上没有发生局部滑移处) 和机械咬合力, 其中化学胶结力主要存在于未发生相对滑移处。

3) 摩擦阶段

　　当所施加的荷载继续增加, 核心混凝土与钢管之间产生明显的相对滑移。此相对滑移是整个表面的相对滑移, 此时钢管混凝土界面上的化学胶结力和机械咬合力已被完全破坏, 对钢管混凝土的黏结性能失去作用, 钢管混凝土界面黏结力主要为摩擦力。当界面极限黏结力大于摩擦力时, 在荷载-位移曲线出现拐点之后, 曲线呈先水平后上升趋势。

2.5 黏结滑移极限值

　　根据图3所示不同核心混凝土膨胀性试件的荷载-滑移曲线, 得到钢管混凝土的极限黏结荷载, 各试件极限黏结滑移和荷载如表2所示。

　　 表2 各试件极限黏结滑移和荷载 导出到EXCEL

　　 Table 2 Ultimate bond slip and load of specimens

试件	极限滑移值/mm	极限黏结荷载/kN
1	2.252	201.3
2	2.408	225.7
3	2.611	256.3
4	2.873	278.5

　　由表2可知, 钢管混凝土界面极限黏结荷载随着核心混凝土膨胀性能的增强而增强, 增大程度可达30%以上。

3 结语

　　在保证各试件其他条件相同的情况下, 在核心混凝土中掺入不同含量的膨胀剂, 实现核心混凝土不同膨胀性, 通过试验得到各试件的黏结滑移相关数据, 绘制荷载-滑移曲线, 分析核心混凝土界面黏结力及在加载过程中界面黏结力的破坏过程。结果表明, 核心混凝土的膨胀性对钢管混凝土的界面黏结性能有较大影响, 在一定范围内, 核心混凝土膨胀性越大, 钢管混凝土界面黏结性能越好。

参考文献[1] DUXSON P, JOHN LP, GRANT CL, et al. The role of inorganic polymer technology in the development of green concrete[J]. Cement and concrete research, 2007 (37) : 1590-1597.

[2] 范小春, 刘东, 颜岩, 等. 无机聚合物混凝土路面板不同龄期抗压性能试验研究[J]. 混凝土, 2012 (4) : 69-71.

[3] 颜岩, 唐佩, 卢哲安, 等. 钢筋无机聚合物混凝土梁裂缝分形特性试验研究[J]. 混凝土, 2012 (8) : 47-50.

[4] XIONG Z H, LIU Y J, ZHANG N, et al. Structural performance of concrete-filled rectangular steel tubular joints with perfobond rib in bridges using damage model[J]. Geotechnical special publication, 2014 (253) :46-53.

[5] KANG X L, CHENG Y F, TU Y, et al. Experimental study and numerical analysis of bond-slip performance for concrete filled steel tube[J]. Engineering mechanics, 2010, 27 (9) :102-106.

[6] JIANG Z, SUN Z, WANG P. Autogenous relative humidity change and autogenous shrinkage of high-performance cement pastes[J]. Cement & concrete research, 2005, 35 (8) :1539-1545.

[7] 蔡绍怀. 现代钢管混凝土结构[M]. 北京: 人民交通出版社, 2003.

[8] 薛银生. 钢管自密实混凝土力学及黏结滑移性能研究[D]. 河北: 河北农业大学, 2012.

[9] GOURLEY B C, TORT C, DENAVIT M D. A synopsis of studies of the monotonic and cyclic behavior of concrete-filled steel tube beam columns: structural engineering report[R]. Urbana, Illinois: Department of Civil and Environmental Engineering, University of Illinois at Urbana-Champaign, 2008:179-180.

[10] 尹明. 高性能机制砂混凝土在高速公路中的应用[J]. 公路工程, 2014 (1) :180-183.

[11] 陈丽华, 戴吉祥, 娄宇, 等. 钢管混凝土黏结性能研综述分析[J]. 建筑结构, 2016, 46 (22) :78-83.

[12] 赵强. 方钢管再生混凝土界面黏结性能试验[J]. 华侨大学学报 (自然版) , 2016, 37 (1) :115-119.

[13] 张卫东, 王振波, 孙文彬, 等. 方钢管再生混凝土界面黏结滑移性能试验研究[J]. 建筑结构, 2015, 45 (8) :64-68.

[14] 康希良. 钢管混凝土组合力学性能及黏结滑移性能研究[D]. 西安: 西安建筑科技大学, 2008.

[15] 黄晖, 叶燕华, 杜艳静, 等. 钢管自密实混凝土黏结滑移性能试验研究[J]. 混凝土, 2010 (4) : 45-53.

920 0 0