預(yù)應(yīng)力混凝土鋼管混凝土短柱的試驗(yàn)研究

預(yù)應(yīng)力混凝土鋼管混凝土短柱的試驗(yàn)研究

管道混凝土結(jié)構(gòu)具有承受高、重復(fù)使用、精心設(shè)計(jì)、施工技術(shù)和抗疲勞防滑性能好等優(yōu)點(diǎn)。因此，它在現(xiàn)代高層建筑和大傾角工程中得到了廣泛應(yīng)用。在對(duì)管道混凝土結(jié)構(gòu)和性能的研究中，主要混凝土的組成、結(jié)構(gòu)和性能是焦點(diǎn)之一。管道混凝土通常采用泵送式提拔法進(jìn)行。對(duì)中心混凝土性能的特殊要求是：（1）好的泵和操作；（2）適當(dāng)?shù)奈U(kuò)展性和自致密性。（3）早熟性能和適當(dāng)?shù)膭傂?。因此，確定合適的微擴(kuò)脹率，以及混凝土的配合比設(shè)計(jì)是管道混凝土制備的關(guān)鍵。硫鋁酸鹽水泥具有早期強(qiáng)度高的特點(diǎn),且其后期強(qiáng)度仍能穩(wěn)步增長(zhǎng).此外,通過(guò)調(diào)節(jié)水泥中石膏的摻量,還能賦予水泥微膨脹、膨脹或自應(yīng)力等性能,使混凝土產(chǎn)生適度膨脹、補(bǔ)償混凝土收縮或形成自應(yīng)力.若采用硫鋁酸鹽水泥制備微膨脹鋼管混凝土,不僅無(wú)需加入其他膨脹材料而配制出符合膨脹性能設(shè)計(jì)要求的核心混凝土,而且還能使混凝土具有較高的早期強(qiáng)度,提高鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的承載力.因此,可以認(rèn)為硫鋁酸鹽水泥對(duì)鋼管混凝土具有較好的適用性,是一種具有很大發(fā)展?jié)摿Φ匿摴芑炷聊z凝材料.本文對(duì)硫鋁酸鹽水泥早強(qiáng)微膨脹鋼管高強(qiáng)混凝土的制備進(jìn)行了探討,分析研究了該種混凝土的早強(qiáng)和微膨脹特性,最后測(cè)試分析了用硫鋁酸鹽水泥成型的C50,C60鋼管混凝土短柱試件的承載力,并與普通鋼管混凝土進(jìn)行了對(duì)比.1原料和方法的試驗(yàn)1.1硫鋁酸鹽水泥的化學(xué)組成水泥:湖北孝感鳳凰水泥股份有限公司生產(chǎn)的4種硫鋁酸鹽水泥,其Al2O3與SO3的質(zhì)量比分別為1.3,1.2,1.1,1.0,依次記為B,C,D,E,其中,E為40級(jí)自應(yīng)力硫鋁酸鹽水泥,其化學(xué)組成見(jiàn)表1;砂:中粗河砂,細(xì)度模數(shù)2.6;碎石:5～25mm連續(xù)級(jí)配碎石,其針片狀含量6.8%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),本文中的含量、組成等均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)),壓碎值9.7%;外加劑:自行研制的硫鋁酸鹽水泥專用緩凝保塑高效減水劑WUT-G(Ⅱ);Ⅱ級(jí)粉煤灰:武漢市青山火電廠產(chǎn),需水量比102%.1.2試件與試件制備混凝土坍落度試驗(yàn)按GB/T50080—2002進(jìn)行;抗壓強(qiáng)度和彈性模量試驗(yàn)按GB/T50081—2002進(jìn)行;膨脹率試驗(yàn)按GBJ82—85進(jìn)行.試件尺寸為100mm×100mm×515mm,成型時(shí)兩端預(yù)埋可拆卸式銅探頭,成型后室內(nèi)靜停24h脫模.用3層潮濕棉布包裹試件,外面再用塑料薄膜密封,只露出銅探頭,然后放入相對(duì)濕度為(95±5)%的養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù).用精度為0.001mm的千分表測(cè)量養(yǎng)護(hù)前的試件長(zhǎng)度(初始長(zhǎng)度)及其余齡期試件長(zhǎng)度.水泥水化試樣為40mm×40mm×40mm凈漿試塊,水灰比0.33,試塊成型后置于(20±3)℃,相對(duì)濕度大于90%的養(yǎng)護(hù)室中,24h后脫模并養(yǎng)護(hù)至相應(yīng)齡期,用刀將其劈成約3～5mm的顆粒,立即放入無(wú)水乙醇中浸泡3～5d以終止水化,再選取適當(dāng)大小的顆粒供SEM分析用.鋼管混凝土短柱承載力測(cè)試在武漢理工大學(xué)結(jié)構(gòu)工程實(shí)驗(yàn)中心500t壓力機(jī)上進(jìn)行,每組混凝土成型3根尺寸為Φ180mm×3mm×630mm(直徑×壁厚×高度)的短柱試件,28d齡期時(shí)采用軸心加載方式對(duì)各短柱試件進(jìn)行分級(jí)加載,每級(jí)加載持荷3～5min,直至短柱試件破壞,加載過(guò)程中的最大荷載值即為短柱試件的極限承載力.2結(jié)果與討論2.1混凝土的共體比設(shè)計(jì)2.1.1配合比的性能測(cè)試普通鋼管混凝土結(jié)構(gòu)中,常因收縮等因素而引起核心混凝土與鋼管壁的脫粘,因此,為確?；炷辆哂休^高的膨脹率,選用前述4種水泥中膨脹能最高的水泥E進(jìn)行C50,C60早強(qiáng)微膨脹混凝土的配制試驗(yàn).同時(shí),為確保所制備混凝土的工作性和早期強(qiáng)度能滿足泵送頂升施工法的要求,以混凝土初始坍落度S0及其3d抗壓強(qiáng)度f(wàn)c,3d為考核指標(biāo),考慮水膠比、粉煤灰摻量、砂率、減水劑WUT-G(Ⅱ)摻量對(duì)S0和fc,3d的影響.試驗(yàn)時(shí),用正交設(shè)計(jì)方法進(jìn)行配合比設(shè)計(jì),各因素水平見(jiàn)表2,混凝土配合比、試驗(yàn)結(jié)果與考察指標(biāo)的極差分析見(jiàn)表3.由表3并綜合考慮各因素和指標(biāo),確定采用水泥E時(shí)的混凝土配合比為:水膠比②,粉煤灰②,砂率①,減水劑①.按該配合比重新拌制混凝土并進(jìn)行其性能測(cè)試,結(jié)果見(jiàn)表4.由表4可知,用自應(yīng)力硫鋁酸鹽水泥E制備的混凝土具有較高膨脹率,但其強(qiáng)度較低,達(dá)不到C60強(qiáng)度等級(jí)的要求.原因在于:硫鋁酸鹽水泥的水化產(chǎn)物主要為鈣礬石、C-S-H凝膠和鋁膠Al2O3·H2O(gel).一般認(rèn)為,水泥石體積膨脹的驅(qū)動(dòng)力包括兩個(gè)方面,即水泥石中凝膠狀鈣礬石的吸水腫脹作用和結(jié)晶狀鈣礬石的結(jié)晶膨脹作用.而漿體中鈣礬石的生成對(duì)水泥石結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有兩方面影響:一是有利于漿體在早期獲得較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度;二是在水泥石內(nèi)部產(chǎn)生一定的膨脹壓力(吸水腫脹和結(jié)晶膨脹),易形成微裂紋,從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有一定程度的降低.由水泥E的水化硬化體微觀結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖1)可知,E水泥漿體中存在較多的微裂紋.正是由于這些微裂紋的存在,使得水泥石在承受外部荷載時(shí),因微裂紋的擴(kuò)展和延伸而加快了水泥石結(jié)構(gòu)的破壞.因此,用水泥E制備的混凝土就很難達(dá)到較高強(qiáng)度.此外,由圖1還可看出,在水泥E的28d水化硬化體中含有較多鈣礬石晶體,而3d水化硬化體只在凝膠孔中存在少量鈣礬石晶體.其原因是:在水化早期的水泥漿體中,形成的鈣礬石以凝膠狀為主、結(jié)晶狀為輔,凝膠狀的鈣礬石在水泥凝膠區(qū)中形成,而只有少量的鈣礬石以結(jié)晶狀態(tài)在凝膠孔或水泥石的孔縫中生成;在水化后期,漿體中水分很少,鈣礬石主要以結(jié)晶狀形成.因而,在早期水化樣微觀結(jié)構(gòu)中,只能在凝膠孔或孔縫中觀察到有較少量鈣礬石晶體存在,而后期漿體中則有較多量的鈣礬石晶體,也正是由于水泥E的水化硬化體中能生成較多鈣礬石,所制備的混凝土才具有較高的膨脹率.綜上可知,制備早強(qiáng)高強(qiáng)微膨脹混凝土?xí)r,必須同時(shí)滿足混凝土微膨脹和早強(qiáng)高強(qiáng)兩方面的性能要求.水泥石的實(shí)際膨脹量同時(shí)受鈣礬石生成量、產(chǎn)物分布與形貌等因素的影響,而理論上鈣礬石生成量又主要與水泥中Al2O3,SO3含量有關(guān),其生成量隨水泥中Al2O3與SO3質(zhì)量比的減小而增大.然而,水泥石的膨脹對(duì)其強(qiáng)度有較大負(fù)面影響.因此,制備硫鋁酸鹽水泥早強(qiáng)微膨脹混凝土?xí)r,應(yīng)控制Al2O3與SO3的質(zhì)量比在某一適當(dāng)值,以同時(shí)滿足對(duì)混凝土強(qiáng)度和膨脹性能的要求.根據(jù)以上試驗(yàn)并結(jié)合前期研究成果,應(yīng)控制水泥中Al2O3與SO3的質(zhì)量比不低于1.1.2.1.2d28d纖維原料的制備根據(jù)以上研究分析,選用B,C,D這3種硫鋁酸鹽水泥(Al2O3與SO3質(zhì)量比分別為1.3,1.2,1.1)制備早強(qiáng)微膨脹鋼管混凝土.為保證所制備混凝土的早強(qiáng)和微膨脹特性,以混凝土3d抗壓強(qiáng)度f(wàn)c,3d和28d膨脹率ε28為考察指標(biāo),采用與上節(jié)相同的正交設(shè)計(jì)方法,考察水泥中Al2O3與SO3質(zhì)量比、混凝土水膠比、砂率這3個(gè)參數(shù)對(duì)fc,3d和ε28的影響.試驗(yàn)時(shí)3個(gè)參數(shù)的設(shè)計(jì)值分別是:Al2O3與SO3質(zhì)量比分別為1.3,1.2,1.1;水膠比分別為0.30,0.33,0.36;砂率分別為36%,39%,42%.通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn):水泥中Al2O3與SO3質(zhì)量比為1.2時(shí),可以滿足所制備混凝土微膨脹和早強(qiáng)高強(qiáng)兩方面性能;同時(shí)確定C50和C60混凝土的最佳配合比為:水膠比分別為0.33和0.30,Al2O3與SO3質(zhì)量比為1.2,砂率為39%.2.2鋼管混凝土力學(xué)性能由以上試驗(yàn),選用水泥C按表5中的配合比P1～P4制備了C50,C60早強(qiáng)微膨脹鋼管混凝土,同時(shí)按表5中配合比C1,C2制備了普通鋼管混凝土.這兩種鋼管混凝土的性能見(jiàn)表6.由表6可見(jiàn),采用Al2O3與SO3質(zhì)量比為1.2的硫鋁酸鹽水泥,可制備出C50,C60早強(qiáng)微膨脹混凝土.該混凝土不僅工作性優(yōu)良,而且具有較高的彈性模量;其初始坍落度23cm,擴(kuò)展度60～64cm,3h后坍落度仍達(dá)18cm以上,且混凝土和易性好,不離析、不泌水.混凝土初凝時(shí)間約18h,終凝時(shí)間約21h,可滿足鋼管混凝土泵送施工的要求.同時(shí),該混凝土強(qiáng)度發(fā)展很快,其3d抗壓強(qiáng)度即可達(dá)設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào):C50達(dá)設(shè)計(jì)強(qiáng)度的109%,C60達(dá)設(shè)計(jì)強(qiáng)度的104%;兩種強(qiáng)度等級(jí)混凝土的28d彈性模量均達(dá)到42GPa以上,能滿足泵送施工對(duì)其強(qiáng)度和剛度的要求.采用表5中各組混凝土成型規(guī)格為Φ180mm×3mm×630mm的鋼管混凝土短柱,在混凝土28d齡期時(shí)對(duì)各短柱進(jìn)行極限承載力測(cè)試,以考察早強(qiáng)微膨脹鋼管混凝土短柱和普通鋼管膨脹混凝土短柱的承載力大小區(qū)別,各短柱的承載力檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表7.由表7可知,相對(duì)于普通鋼管膨脹混凝土試件,用硫鋁酸鹽水泥制備的早強(qiáng)微膨脹鋼管混凝土有利于提高鋼管短柱試件的極限承載力,其中P2試件比C1試件提高12%;P4試件比C2試件提高7.6%.因此,在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中可以此作為結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安全儲(chǔ)備或適當(dāng)考慮承載力的提高.試驗(yàn)中還測(cè)試了未摻粉煤灰的兩組早強(qiáng)微膨脹混凝土(P1,P3)的膨脹率,如圖2所示.由圖2可知,混凝土膨脹率在7d前增長(zhǎng)較快,此后則緩慢增加,14d后仍有少量膨脹,21d后基本趨于穩(wěn)定,這樣有利于提高鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的承載力等性能.對(duì)C50混凝土,其28d自由膨脹率為3.2×10-4,至60d齡期時(shí)為3.41×10-4,C60混凝土膨脹率略低,60d時(shí)為3.17×10-4.以上研究結(jié)果表明,用硫鋁酸鹽水泥制備微膨脹鋼管高強(qiáng)混凝土?xí)r,應(yīng)控制水泥中Al2O3與SO3質(zhì)量比為1.2,以充分利用硫鋁酸鹽水泥的早強(qiáng)和微膨脹特性.這樣,既可滿足工程中對(duì)核心混凝土早強(qiáng)和合適剛度的要求,又能使混凝土具有較高的膨脹率,有利于改善鋼管混凝土中鋼管與核心混凝土之間的相互作用,提高鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的整體承載力.因此,選用具有適宜Al2O3與SO3質(zhì)