鋼管堿礦渣混凝土短柱軸壓力學(xué)性能試驗(yàn)研究

袁曉輝，石艷羽，蘆 峰，張 欣

(信陽師范學(xué)院 建筑與土木工程學(xué)院， 河南 信陽 464000)

0 引言

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)免模板施工的特點(diǎn)使其較傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有更快的施工速度，同時(shí)其良好的承載力和延性性能，使其在土木結(jié)構(gòu)中得以大范圍應(yīng)用[1]。堿礦渣混凝土是利用廢棄尾礦渣作為膠凝材料，通過強(qiáng)堿激發(fā)劑激發(fā)其活性替代水泥并與砂子和石子混合而成的綠色建筑材料，其最大的優(yōu)點(diǎn)是快硬和早強(qiáng)[2]，1～2 h強(qiáng)度可達(dá)30～50 MPa。堿礦渣混凝土與鋼管結(jié)合形成鋼管堿礦渣混凝土結(jié)構(gòu)，該新型材料結(jié)構(gòu)能夠充分發(fā)揮二者的優(yōu)勢(shì)，在應(yīng)急搶修搶建工程中會(huì)發(fā)揮巨大的優(yōu)勢(shì)。近年來一些學(xué)者也開展了鋼管堿礦渣混凝土結(jié)構(gòu)力學(xué)性能相關(guān)方面的研究工作。劉慶施等[3]以核心混凝土強(qiáng)度、含鋼率和礦渣替代率為參數(shù)進(jìn)行了12根薄壁鋼管礦渣混凝土短柱軸壓試驗(yàn)，結(jié)果顯示薄壁鋼管礦渣混凝土短柱具有良好的軸壓承載力和延性性能，具有進(jìn)一步研究的價(jià)值。陳夢(mèng)成等[4]研究了11根鋼管再生礦渣混凝土柱的軸壓力學(xué)性能，研究結(jié)果表明鋼管再生礦渣混凝土柱的承載力要高于普通鋼管混凝土柱。于麗明等[5]對(duì)鋼管堿礦渣混凝土柱進(jìn)行了低周往復(fù)加載破壞試驗(yàn)，結(jié)果顯示鋼管堿礦渣混凝土具有良好的抗震性能。YUAN等[6]的研究認(rèn)為摻入膨脹劑能夠有效改善鋼管堿礦渣混凝土的界面黏結(jié)性能。

堿礦渣混凝土作為一種綠色建筑材料，其力學(xué)性能和工作性能均會(huì)有別于傳統(tǒng)的硅酸鹽水泥混凝土，其同鋼管結(jié)合后形成的新材料結(jié)構(gòu)的軸壓極限承載力,現(xiàn)行普通鋼管混凝土規(guī)范計(jì)算公式是否適用,需要進(jìn)行詳細(xì)的研究。鋼管與堿礦渣混凝土二者要協(xié)同工作，界面黏結(jié)性能是影響其工作性能非常重要的因素之一，保證二者界面緊密接觸的常規(guī)做法是在核心混凝土中加入膨脹劑，但膨脹劑的引入會(huì)產(chǎn)生膨脹類水化產(chǎn)物，相應(yīng)的水化產(chǎn)物將改變混凝土的內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，從而影響核心混凝土的力學(xué)性能，最終影響構(gòu)件的整體力學(xué)性能，而掌握鋼管堿礦渣混凝土新型材料結(jié)構(gòu)的軸壓力學(xué)性能是開展相關(guān)結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

鑒于此，本文以膨脹劑摻量為變量，制作鋼管堿礦渣混凝土軸壓短柱試件，對(duì)其軸壓力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，分析了各種規(guī)范軸壓短柱極限承載力計(jì)算公式的適用性，并對(duì)核心混凝土微裂縫做了微觀電鏡掃描(SEM)分析。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了5個(gè)圓鋼管混凝土短柱試件，試件核心混凝土與鋼管端面應(yīng)保證在同一水平面，鋼管選用Q235級(jí)鋼材，長(zhǎng)度L=495 mm，直徑D=165 mm，厚度t=4 mm，長(zhǎng)徑比L/D=3<4屬于短柱，核心混凝土強(qiáng)度等級(jí)設(shè)計(jì)為C60，試件套箍約束系數(shù)ξ[1]為0.197。砂、石均為市場(chǎng)購買，石子試驗(yàn)前用自來水清洗干凈，砂子經(jīng)篩分試驗(yàn)最終確定細(xì)度模數(shù)為2.72，為中砂，礦渣來自武漢青山火電廠，測(cè)試等級(jí)為S95級(jí)。激發(fā)劑為液體水玻璃、NaOH和水的混合溶液，其質(zhì)量比例為100∶12.3∶61.5。膨脹劑(EA)為硫鋁酸鈣氧化鈣類高性能膨脹劑。原材料主要成分見表1所示。軸壓短柱試件混凝土配合比如表2所示。

表1 原材料化學(xué)成分Tab. 1 Oxide composition of materials %

表2 堿礦渣混凝土配合比Tab. 2 Alkali-activated slag concrete mix proportion

1.2 試驗(yàn)方法

鋼管核心混凝土分3次依次澆筑、振搗、密實(shí)成型，每組預(yù)留3個(gè)100 mm立方體試件用于核心混凝土強(qiáng)度測(cè)試。成型后試件端部用保鮮膜覆蓋置于自然環(huán)境條件下養(yǎng)護(hù)28 d。軸壓過程中，縱向應(yīng)變片按照截面180°方向均勻布置于試件側(cè)壁。試件另外對(duì)稱兩側(cè)布置電測(cè)位移計(jì)，用于測(cè)試軸壓過程中試件的變形量。試件測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。

圖1 測(cè)點(diǎn)布置圖Fig. 1 Layout of measuring points

試驗(yàn)采用200 t電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)分級(jí)加載，試驗(yàn)加載機(jī)制如下：預(yù)加載，采用10～15 kN的預(yù)加載力進(jìn)行往復(fù)加載，盡量消除接觸孔隙；彈性加載，每級(jí)荷載為極限荷載的1/10；彈塑性加載，每級(jí)荷載為極限荷載的1/20，待達(dá)到極限荷載后降低加載速度進(jìn)行持續(xù)加載直至試件破壞。試件加載過程中同步記錄應(yīng)變片及電測(cè)位移計(jì)數(shù)據(jù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

試件加載初期無明顯變化，荷載位移曲線呈線性關(guān)系。當(dāng)荷載增大至極限荷載70%～80%左右，黏附在試件表面的混凝土漿體逐漸剝落，并伴隨有清脆的響聲，此時(shí)荷載位移曲線不再為線性關(guān)系，試件表現(xiàn)出較為明顯的彈塑性性能。隨著荷載繼續(xù)增大，試件縱向變形增長(zhǎng)速度加劇，鋼管逐漸屈服。在端部，因加載板和試件間橫向摩阻力產(chǎn)生的約束作用，試件出現(xiàn)了明顯的鼓曲現(xiàn)象。隨著荷載持續(xù)增大，試件中部截面出現(xiàn)鼓曲變形或剪切變形，此后變形迅速增加，直至試件破壞，個(gè)別試件破壞時(shí)因焊縫爆裂發(fā)出巨響。圖2為試件軸壓典型破壞形態(tài)圖。

圖2 試件典型破壞形態(tài)圖Fig. 2 Typical failure pattern of specimens

2.2 極限承載力分析

各組預(yù)留混凝土立方體試件28 d強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果如表3所示。由表3中數(shù)據(jù)可見,隨膨脹劑摻量的增加堿礦渣混凝土強(qiáng)度呈現(xiàn)降低-增大-降低的趨勢(shì)，并無明顯的規(guī)律。產(chǎn)生這樣的結(jié)果主要是因?yàn)椴捎玫呐蛎泟┲饕煞譃镃aO，一方面，在水化的過程中會(huì)消耗漿體中的水分，造成漿體硬化過程中有缺陷產(chǎn)生，降低強(qiáng)度；另一方面，膨脹劑在水化的過程中會(huì)產(chǎn)生膨脹產(chǎn)物Ca(OH)2，這些板狀或針棒狀物會(huì)填充混凝土內(nèi)部缺陷，提高強(qiáng)度，如果膨脹產(chǎn)物過多則會(huì)使混凝土自身產(chǎn)生較大的應(yīng)力，導(dǎo)致混凝土開裂，進(jìn)而降低強(qiáng)度。且混凝土的制備過程也會(huì)影響其強(qiáng)度。

表3 試件試驗(yàn)結(jié)果表Tab. 3 Test results of specimens

軸壓試件屈服荷載及極限荷載如表3所示。由表3中數(shù)據(jù)可見,極限承載力最高的為膨脹劑摻量為2%的試件，4%膨脹劑摻量試件極限荷載與2%試件基本一樣，膨脹劑摻量為6%和8%的試件，其極限承載力均略低于空白樣試件。除上述膨脹劑摻入對(duì)材料力學(xué)性能的影響外，膨脹劑摻入會(huì)降低混凝土初凝時(shí)間，影響試件的成型質(zhì)量，對(duì)鋼管與核心混凝土界面間的黏結(jié)力也會(huì)造成一定的影響，另外成型過程人為因素的影響，這些因素的共同作用無法保證試件試驗(yàn)的初始條件絕對(duì)的完全一致，故最終的極限荷載變化規(guī)律不是特別明顯，但從試驗(yàn)結(jié)果總體上來看膨脹劑在一定摻量下會(huì)提高構(gòu)件的極限承載力，超過一定摻量后就會(huì)降低其極限承載力。試件軸壓荷載-位移曲線如圖3所示。

圖3 荷載-位移曲線Fig. 3 Load-displacement curve

由圖3可見，曲線可分為彈性階段、彈塑性階段、塑性階段及破壞階段四個(gè)階段。彈性階段，從加載初期至極限荷載的70%～80%，荷載和位移曲線保持線性關(guān)系，鋼管表面縱向應(yīng)變保持在彈性變形范圍內(nèi)；彈塑性階段，當(dāng)荷載超過極限荷載的70%～80%時(shí)，鋼管逐漸屈服，鋼管與核心混凝土受壓應(yīng)力不再按剛度比例進(jìn)行分配，鋼管與核心混凝土橫向變形不再一致，核心混凝土變形超過鋼管變形時(shí)，混凝土三向約束效應(yīng)形成，此階段試件縱向位移增加速率增大，荷載位移曲線不再保持線性關(guān)系；塑性階段，試件達(dá)到極限荷載后，荷載逐漸緩慢降低，但位移增長(zhǎng)迅速，試件端部和中部可見明顯鼓曲或剪切變形；破壞階段，試驗(yàn)保持荷載繼續(xù)，突然一聲巨響，位移急劇增大，試件破壞。

2.3 應(yīng)變分析

圖4為鋼管表面縱向應(yīng)變隨荷載變化曲線，由圖4可見，與荷載位移曲線相似，加載初期荷載與應(yīng)變保持較好的線性關(guān)系，應(yīng)變達(dá)到1600～1900 με時(shí)，荷載應(yīng)變曲線開始表現(xiàn)出塑性性能，當(dāng)應(yīng)變達(dá)到2500～3000 με時(shí)，極小的荷載增量會(huì)引起巨大的應(yīng)變變化，達(dá)到極限荷載后，因鋼管表面變形過大，應(yīng)變片退出工作，讀數(shù)失效。

圖4 荷載-應(yīng)變曲線Fig. 4 Load-strain curve

2.4 延性分析

為研究鋼管堿礦渣混凝土短柱軸壓延性性能，引入鋼管堿礦渣混凝土短柱軸壓延性系數(shù)DI，其計(jì)算公式如式(1)：

DI=ΔU/ΔY,

(1)

其中：ΔU為鋼管堿礦渣混凝土短柱軸壓極限荷載對(duì)應(yīng)的軸向位移；ΔY為鋼管堿礦渣混凝土短柱軸壓屈服荷載對(duì)應(yīng)的軸向位移。

表4為堿礦渣混凝土短柱軸壓延性系數(shù)表，圖5為延性系數(shù)DI與膨脹劑摻量間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖5 DI與膨脹劑摻量關(guān)系曲線Fig. 5 Relationship between DI and content of EA

表4 軸壓延性系數(shù)表Tab. 4 Ductility coefficient of axial pressure

可見各組試件均具有較好的延性性能，試件延性隨膨脹劑摻量增加而逐漸增加，其中延性性能最好的為膨脹劑摻量為8%的試件，膨脹劑摻量從6%增加到8%時(shí)延性系數(shù)增長(zhǎng)幅度變快，分析原因主要是因?yàn)榕蛎泟搅吭龆喈a(chǎn)生的膨脹產(chǎn)物也會(huì)隨之增多，鋼管與核心混凝土接觸更加緊密，甚至?xí)霈F(xiàn)一定的自應(yīng)力，提高了鋼管堿礦渣混凝土的延性性能。

2.5 軸壓極限承載力理論計(jì)算

目前對(duì)于普通鋼管混凝土柱軸壓極限承載力的計(jì)算方法和計(jì)算理論已相對(duì)成熟，形成了一系列的規(guī)范，各規(guī)范采用的主要適用理論為套箍理論、統(tǒng)一理論和疊加理論。各理論對(duì)應(yīng)規(guī)范理論極限承載力計(jì)算值如表5所示。在常規(guī)鋼管混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)通常取屈服荷載作為結(jié)構(gòu)的極限承載力，考慮軸壓構(gòu)件安全儲(chǔ)備，并結(jié)合軸壓試驗(yàn)結(jié)果及理論計(jì)算結(jié)果，其中安全儲(chǔ)備最大的為歐洲規(guī)范Eurocode4(1994)，其他規(guī)范理論計(jì)算值在試驗(yàn)值附近上下波動(dòng)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果我國規(guī)范CECS28:2012在計(jì)算鋼管堿礦渣混凝土軸壓力學(xué)性能方面依然適用，但當(dāng)膨脹劑摻量超過6%時(shí)，需賦予極限承載力一定的安全系數(shù)。

表5 軸壓承載力理論計(jì)算結(jié)果Tab. 5 Theoretical calculation results of axial bearing capacity

3 微觀分析

圖6為核心混凝土微觀測(cè)試SEM掃描圖，從圖中可以清晰地看到混凝土表面微裂縫的存在，且隨著膨脹劑摻量的增加微裂縫逐漸減少直至消失，主要是因?yàn)樵趬A礦渣混凝土中加入本文所用的膨脹劑后會(huì)產(chǎn)生水化產(chǎn)物Ca(OH)2[13]，其會(huì)使混凝土體積產(chǎn)生膨脹，降低混凝土的收縮應(yīng)力，膨脹劑摻量越多，這種效應(yīng)也會(huì)越明顯。此外鋼管與核心混凝土界面黏結(jié)應(yīng)力也會(huì)影響混凝土的收縮變形。

圖6 核心混凝土SEM圖(100 μm)Fig. 6 Core concrete scanning electron microscope (100 μm)

4 結(jié)論

(1)本文進(jìn)行了5根鋼管堿礦渣混凝土短柱軸壓力學(xué)性能試驗(yàn)，結(jié)果表明其軸壓力破壞過程主要分為彈性段、彈塑性段、塑性段和破壞段。

(2)膨脹劑的加入對(duì)鋼管堿礦渣混凝土短柱軸壓承載力有提高也有降低，其原因受混凝土水化過程、制作過程和試驗(yàn)過程等多方面因素的影響，但膨脹劑的摻入會(huì)提高構(gòu)件的延性性能。

(3)在計(jì)算鋼管堿礦渣混凝土軸壓極限承載力方面，我國規(guī)范CECS28:2012可做參考，但當(dāng)膨脹劑摻量超過6%時(shí)，需要賦予其一定的安全系數(shù)。

(4)微觀測(cè)試結(jié)果顯示，膨脹劑的加入可有效減少鋼管核心混凝土微裂縫的數(shù)量。