摻合料對(duì)不銹鋼管混凝土柱承載性能的影響

 為提高巷道底角大直徑鉆孔不銹鋼管混凝土聯(lián)排樁基的穩(wěn)定性，研究了混凝土中摻入摻合料超細(xì)粉煤灰、硅粉和鋼纖維對(duì)不銹鋼管混凝土柱承載性能的影響。采用正交試驗(yàn)方法，對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行極差分析、方差分析和綜合分析，并選出了摻合料的最優(yōu)組合。結(jié)果表明:超細(xì)粉煤灰、硅粉和鋼纖維三者組合能提高核心混凝土強(qiáng)度，當(dāng)超細(xì)粉煤灰、硅粉和鋼纖維摻量分別為20%、10%和1%時(shí)，核心混凝土強(qiáng)度最高。通過對(duì)不銹鋼管混凝土柱進(jìn)行數(shù)值模擬，驗(yàn)證了摻入摻合料后的不銹鋼管混凝土柱承載性能有較大提高。

   近年來，我國在開采深部煤炭時(shí)面臨著巨大壓力，礦井災(zāi)害發(fā)生頻繁，特別是沖擊地壓，對(duì)安全高效開采造成了巨大威脅。為了防止沖擊地壓災(zāi)害的發(fā)生，必須解決深部煤層開采高水平構(gòu)造應(yīng)力頻繁誘發(fā)底板沖擊事故和巷道大變形問題，研發(fā)巷道底角大直徑鉆孔鋼管混凝土聯(lián)排樁基技術(shù)可以較好解決這一問題。為了使聯(lián)排樁基的穩(wěn)定性更高，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度也需要加強(qiáng)，因此，研究如何提高核心混凝土強(qiáng)度十分必要，其中對(duì)不銹鋼管混凝土中的核心混凝土配合比進(jìn)行優(yōu)化尤為重要。

  在提高混凝土強(qiáng)度方面國內(nèi)學(xué)者一般采用提高混凝土強(qiáng)度等級(jí)的方法，但混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高需要減少水灰比，致使混凝土自身流動(dòng)性減小，水泥用量增加，不利于環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施，因此，本文從加入摻合料方面提高混凝土強(qiáng)度，進(jìn)而提高不銹鋼管混凝土柱的承載力。學(xué)者們?cè)趩螕搅戏矫嬉呀?jīng)做了大量研究，研究了在20℃水中養(yǎng)護(hù)條件下，粉煤灰混凝土相對(duì)于普通混凝土在強(qiáng)度方面的變化。結(jié)果顯示，養(yǎng)護(hù)7天時(shí)，粉煤灰混凝土強(qiáng)度偏低，28天時(shí)，強(qiáng)度增加不大，90天時(shí)，強(qiáng)度遠(yuǎn)超過普通水泥配制的混凝土。浙江至德鋼業(yè)有限公司研究了在混凝土中摻入硅粉，其強(qiáng)度顯著增強(qiáng)，但脆性也隨之增加，而在混凝土摻入聚丙烯纖維，脆性有所改善，強(qiáng)度卻幾乎沒有增強(qiáng)，二者結(jié)合在一起能提高彼此的性能。證實(shí)了在持續(xù)荷載作用下?lián)饺脘摾w維后的混凝土梁對(duì)抑制結(jié)構(gòu)變形和阻止裂縫開裂具有良好效果。

  雖然國內(nèi)外學(xué)者在單摻一種摻合料方面已經(jīng)研究很多，但對(duì)于超細(xì)粉煤灰、硅粉和鋼纖維復(fù)摻的研究較少。本文從核心混凝土著手，先配制基準(zhǔn)混凝土，在此基礎(chǔ)上依據(jù)正交表摻入超細(xì)粉煤灰、硅粉和鋼纖維，然后對(duì)混凝土坍落度和強(qiáng)度進(jìn)行極差分析、方差分析和綜合分析，并找出3種摻合料的最優(yōu)組合，最后用模擬不銹鋼管混凝土柱，比較摻合料摻入前后其承載力的大小。為了直觀看出不銹鋼管混凝土的應(yīng)力變化，將模型坐標(biāo)系改為柱坐標(biāo)系，求出極限承載力，通過模型位移加載試算，使鋼管和核心混凝土都達(dá)到極限狀態(tài)，此時(shí)柱所承受的力即為極限承載力。從馮米澤斯應(yīng)力云圖(可以看出，摻合料前后核心混凝土的應(yīng)力值已分別達(dá)到58MPa，鋼管也已達(dá)到345 MPa，說明不銹鋼管和混凝土均已達(dá)到屈服，此時(shí)柱已經(jīng)破壞。

 由圖可知，橫坐標(biāo)代表位移，縱坐標(biāo)代表力，荷載-位移曲線大致有3個(gè)階段:在鋼管混凝土柱初期受到應(yīng)力時(shí)，由于鋼管和混凝土都處于彈性工作階段，兩者單獨(dú)受力，混凝土對(duì)鋼管壁產(chǎn)生擠壓幾乎為零，因此，荷載-位移曲線呈直線上升;當(dāng)鋼管混凝土柱受到的應(yīng)力達(dá)到一定值時(shí)，進(jìn)入彈塑性階段，構(gòu)件開始發(fā)生變形，又由于混凝土裂縫不斷發(fā)展且向外擠壓鋼管內(nèi)壁，這時(shí)鋼管對(duì)混凝土有一定約束作用，荷載-位移曲線的斜率發(fā)生變化，曲線偏離直線呈彎曲形狀，在位移加載到1.5mm左右時(shí)，鋼管混凝土柱荷載-位移曲線開始進(jìn)入平緩段，加入摻料前的極限承載力約2626kN，加入摻料后的極限承載力約3283kN，提高了657kN，因此可以認(rèn)為在混凝土中摻入摻合料能提高不銹鋼管混凝土柱的承載力。膠凝材料總量保持不變時(shí)，隨著超細(xì)粉煤灰摻入量增加，坍落度不斷增加，7天強(qiáng)度不斷降低，28天強(qiáng)度呈先增加后減小趨勢;隨著硅粉和鋼纖維摻入量增加，坍落度降低，強(qiáng)度卻不斷增強(qiáng)，硅粉比鋼纖維增強(qiáng)作用更加明顯。摻合料超細(xì)粉煤灰、硅粉和鋼纖維三者組合對(duì)混凝土強(qiáng)度的改善有顯著效果，最佳組合為超細(xì)粉煤灰、硅粉和鋼纖維摻入量分別為20%，10%和1%。基于數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果，相較于加入摻料前，加入摻料后的不銹鋼管混凝土柱極限承載力顯著提高，提高了657kN，摻合料的加入有利于提高鋼管混凝土柱的承載能力。