摻合料對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粉煤灰、硅粉和鋼纖維對不銹鋼管混凝土柱承載性能的影響。采用正交試驗方法，對評價指標進行極差分析、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:超細粉煤灰、硅粉和鋼纖維三者組合能提高核心混凝土強度，當(dāng)超細粉煤灰、硅粉和鋼纖維摻量分別為20%、10%和1%時，核心混凝土強度最高。通過對不銹鋼管混凝土柱進行數(shù)值模擬，驗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)的強度也需要加強，因此，研究如何提高核心混凝土強度十分必要，其中對不銹鋼管混凝土中的核心混凝土配合比進行優(yōu)化尤為重要。

  在提高混凝土強度方面國內(nèi)學(xué)者一般采用提高混凝土強度等級的方法，但混凝土強度等級的提高需要減少水灰比，致使混凝土自身流動性減小，水泥用量增加，不利于環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實施，因此，本文從加入摻合料方面提高混凝土強度，進而提高不銹鋼管混凝土柱的承載力。學(xué)者們在單摻料方面已經(jīng)做了大量研究，研究了在20℃水中養(yǎng)護條件下，粉煤灰混凝土相對于普通混凝土在強度方面的變化。結(jié)果顯示，養(yǎng)護7天時，粉煤灰混凝土強度偏低，28天時，強度增加不大，90天時，強度遠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，其強度顯著增強，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，強度卻幾乎沒有增強，二者結(jié)合在一起能提高彼此的性能。證實了在持續(xù)荷載作用下?lián)饺脘摾w維后的混凝土梁對抑制結(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，但對于超細粉煤灰、硅粉和鋼纖維復(fù)摻的研究較少。本文從核心混凝土著手，先配制基準混凝土，在此基礎(chǔ)上依據(jù)正交表摻入超細粉煤灰、硅粉和鋼纖維，然后對混凝土坍落度和強度進行極差分析、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，將模型坐標系改為柱坐標系，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到極限狀態(tài)，此時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)力值已分別達到58MPa，鋼管也已達到345 MPa，說明不銹鋼管和混凝土均已達到屈服，此時柱已經(jīng)破壞。

 由圖可知，橫坐標代表位移，縱坐標代表力，荷載-位移曲線大致有3個階段:在鋼管混凝土柱初期受到應(yīng)力時，由于鋼管和混凝土都處于彈性工作階段，兩者單獨受力，混凝土對鋼管壁產(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)力達到一定值時，進入彈塑性階段，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，這時鋼管對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，鋼管混凝土柱荷載-位移曲線開始進入平緩段，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，隨著超細粉煤灰摻入量增加，坍落度不斷增加，7天強度不斷降低，28天強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，強度卻不斷增強，硅粉比鋼纖維增強作用更加明顯。摻合料超細粉煤灰、硅粉和鋼纖維三者組合對混凝土強度的改善有顯著效果，最佳組合為超細粉煤灰、硅粉和鋼纖維摻入量分別為20%，10%和1%?；跀?shù)值模擬的計算結(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。