自应力钢管混凝土简介

自应力钢管混凝土

1、自应力混凝土概述

膨胀混凝土由法国的H．Lossier于1936年发明并获得专利，经过30多年的起起落落，直到上世纪60年代才有了较大的发展。1955年左右前苏联研究者创造了硅酸盐自应力水泥，并开始应用于地下工程、机场、公路、大跨度薄壳等结构；美国的A．Klein研制了硫铝酸盐膨胀水泥并在工程中得到大量的工程应用；日本也在上世纪60-70年代发展膨胀水泥。中国最早是中国建材研究院于1957年研制成功硅酸盐自应力水泥，其后一直停滞，直到改革开放才取得较快的发展。

膨胀混凝土具有体积膨胀性，有膨胀就必定有外部约束作用。在不同形式的约束下膨胀混凝土就会呈现不同宏观性能，内部结构就会不同程度的发生变化。混凝土膨胀时会对其约束体施加拉应力，根据作用力与反作用力的原理，约束体对其产生相应的压应力，由于此压应力是利用混凝土自身的化学能(膨胀能)张拉钢筋或其他约束体产生的，有别于外部施加的机械预应力，所以称之为自应力。

按自应力大小不同可将膨胀混凝土划分为补偿收缩混凝土和自应力混凝土两大类。补偿收缩混凝土的自应力较小，主要用于补偿混凝土收缩和填充灌注，自应力一般为O．2～1 MPa，这时由于自应力很小，所以在结构设计中一般不考虑自应力的影响。自应力混凝土的自应力较大，在结构设计中需要考虑自应力的影响。目前，自应力混凝土的适用范围较狭窄，在结构中作为部分预应力或发挥减少收缩的辅助作用。自应力混凝土的膨胀能大，在约束条件下能产生自应力，提高混凝土的抗裂能力，因此作为自应力混凝土压力管中的材料，代替金属管材应用于市政输水、工业用排灰排气管、输气管线工程、农业用输水管中。经过长期的应用，积累了丰富的实践经验，形成了一套成熟的自应力混凝土管设计、制造、施工体系。

中国建筑材料科学研究院是我国膨胀混凝土的发源地，从1965年起，开展了硅酸盐自应力水泥(M型)的研究，混凝土自应力值为2～3MPa。1974起，该院陆续研制成功自应力铝酸盐水泥(ASC)和自应力硫铝酸盐水泥(SAEC)，混凝土自应力值为

4～8MPa。1980年又研制成功出明矾石自应力水泥(AEC)，成果均用于工业生产中。吴中伟院士曾预言，如果把膨胀、自应力混凝土开发的好，预制产量可达到普通混凝土的10％。但目前国内，膨胀混凝土的总用量只占全部混凝土用量的不到0．5％，这是由于自应力混凝土产生的自应力低于机械预应力，如何提高自应力值及扩大自应力混凝土的应用范围是制约自应力混凝土发展的重要问题。

刘江宁研究了不同限制条件下膨胀混凝土的变形及力学性能，对于单向限制膨胀混凝土得出如下结论：膨胀混凝土的限制膨胀率与时间的关系可划分为四个阶段：塑性膨胀阶段，加速膨胀阶段，膨胀平衡阶段和徐变控制阶段；膨胀混凝土的自应力水平，膨胀能和限制条件三者之间互相联系和制约。对于三向限制膨胀试验得出如下结论：三向限制膨胀混凝土的纵向膨胀率和自应力受到纵向和侧向约束的影响；三向限制条件下膨胀混凝土的强度大幅度提高，分别比自由膨胀和单项限制膨胀混凝土提高2.2倍和1.7倍。

黄承逵等人2001年利用有限元分析法研究了配筋自应力混凝土膨胀特性，人为自应力混凝土的有效自由膨胀值可用有效膨胀系数表示；自应力计算有限元模型，考虑了膨胀和徐变时间过程，可适应各种边界条件和配筋形式，能够给出结构不同部位混凝土自应力发展过程，是对一般自应力混凝土结构进行力学分析的有效方法啪1。2004年黄承逵等又对钢纤维自应力混凝土的膨胀特性进行试验研，结果表明：自应力混凝土的限制膨胀变形随配筋率的提高而降低，但到一定配筋率后，其降低的幅度趋于平缓，呈现指数的发展规律。

2、自应力钢管混凝土特点

实现钢管混凝土自应力方法主要有两种形式：使核心混凝土膨胀，或使钢管收缩(这些变化是由结构的部件自身产生，故称为自应力)。钢管收缩方式原理为：利用事先热膨胀的钢管，填满混凝土后，使钢管降温，利用钢管回缩对混凝土产生一个较大的侧压力，这种侧压力是一种相对永久的压力。对比于混凝土膨胀方式，工艺过于复杂。混凝土膨胀方式原理为：将膨胀剂添入普通混凝土中，利用膨胀能和钢管的套箍作用产生自应力。本文主要讨论由膨胀混凝土产生自应力的方式。混凝土膨胀方式不但能够解决高强混凝土在性能上存在的诸多问题，而且还能改善钢管混凝土的工作性能。其主要特点如下：

①决钢与混凝土材料结合问题

对于普通钢管混凝土而言，混凝土硬化后存在一定程度的体积固有收缩，影响了混凝土和钢管的互相结合，混凝土和钢管之间出现脱空；受荷载初期，由于核心混凝土的横向变形系数较小约在0．16,-9．25之间，而钢材的横向变形系数在0．283左右，所以在同样的纵向压应变下钢管的横向应变要大于核心混凝土的横向应变，因此在受荷载初期钢管的径向及环向应变呈负值，人们习惯称之为负紧箍力。自应力钢管混凝土利用核心混凝土膨胀能，在加载前就使钢管与核心混凝土之间产生紧箍力，这种特性可以解决钢管混凝土脱空问题，弥补钢管混凝土紧箍力出现太迟的缺陷，改善组合材料的工作性能。

②改善核心混凝土性能

三向限制能够充分利用膨胀能，这不仅能使自应力得到大幅度提高，还可以改善混凝土各项性能。凝结硬化期间核心混凝土处于三向受压状态，密实度及力学性能大为改善；钢管中核心混凝土浇筑后基本处于密封状态，这有利于混凝土水化作用，因此混凝土的徐变也将小于普通混凝土；因钢管的约束限制作用和阻隔作用，切断了核心混凝土与外界的水分交换，这样不但避免表面泌水造成的裂纹，消除了由于养护不及时而造成施工问题，而且也不必担心核心混凝土后期膨胀造成的体积破坏。

③改善钢管混凝土力学性能

钢管混凝土轴心受压时产生套箍力，是钢管混凝土具有优越性能的原因。但普通钢管混凝土结构，在混凝土横向变形系数随荷载的增加到一定程度时才会出现套箍力。自应力钢管混凝土在加载初期，由于膨胀能和钢管限制约束的互相作用套箍力已经存在。钢管对核心混凝土的套箍力控制了加载初期核心混凝土微裂缝的产生和发展，增长了钢管混凝土弹塑性工作区，使其轴压极限承载力较普通钢管混凝土高。

3、自应力钢管混凝土研究现状

王湛等通过试验手段，研究了核心混凝土、自应力钢管混凝土轴心受压构件的屈曲荷载，试验表明：钢管膨胀混凝土性能的改善主要是由于核心内部结构的改变，初应力也起一部分作用；自应力钢管混凝土的弹性模量较普通钢管混凝土