钢管混凝土柱内部混凝土脱空问题之浅见——王立军

   上周处理了一个项目的钢管混凝土柱内部混凝土脱空问题，因而有机会将这一问题深究一下。说深究，其实就是以结构工程师的角度，用结构工程师的语言，记录一下学习的心得体会，离专业研究这一问题还相距甚远。

钢管混凝土柱内部混凝土脱空是该类构件司空见惯的问题，长期以来困扰着工程界。想对这一问题有一个全面分析，首先要了解一下混凝土的形成和发展过程。

   混凝土的形成和发展过程属材料研究领域的内容，讲清楚的话比较复杂，这里仅从结构工程师的实用角度对这一问题加以理解和说明。

   混凝土的形成和发展过程可分为三个阶段，凝结前的水化阶段，凝结过程的初凝至终凝阶段和凝结后的强度增长阶段。水化阶段混凝土散热是一个膨胀过程；凝结阶段包括初凝和终凝两个关键环节，普通水泥的混凝土初凝时间约为2小时，终凝时间约为7小时。初凝时间为水泥加水搅拌，至水泥浆开始失去塑性所需的时间。终凝时间为水泥加水搅拌，至水泥完全失去塑性并开始产生强度所需的时间。强度增长阶段为混凝土结束凝结后的阶段。

   由此看来，要保持钢管混凝土内部混凝土与钢管壁不脱空，以上三个阶段都要有措施保障。第一阶段为混凝土凝结前的水化阶段，这一阶段水泥水化散热膨胀，不直接与混凝土的收缩相关，因而我们这里不对水化阶段进行讨论。

混凝土的收缩包括塑性收缩、温度收缩、自身收缩、干燥收缩、碳化收缩。塑性收缩发生在混凝土终凝前，此时混凝土处于塑性状态；温度收缩是由于温度下降引起，又叫冷缩；自身收缩是混凝土在密封与外界无水分交换条件下，因水泥水化产生的收缩；干燥收缩是混凝土在干燥情况下由于内部毛细水分扩散消失所致；碳化收缩是由于水泥水化物中的结晶体碳化沉淀所造成，一般发生在混凝土表面，易引起混凝土保护层开裂，造成钢筋锈蚀。为简化起见，我们将钢管混凝土内部混凝土的收缩分成两个阶段,即凝结阶段的收缩和强度增长阶段的收缩.

   可以想象，凝结阶段的收缩量不小，因而要保证混凝土与钢管壁不脱空，混凝土要加入一定的膨胀剂，以抵御收缩。只要配合比合适，凝结阶段的收缩可由混凝土的微膨胀加以抵消。这时，如果在具有上述保障情况下混凝土在凝结阶段还出现脱空，就是混凝土浇筑质量问题了。浇筑过程中产生混凝土离析是造成脱空的重要原因。终凝后，混凝土无塑性，此时膨胀剂完成了其防收缩的使命,混凝土进入强度增长阶段。这一阶段混凝土的收缩是必然的，也是正常的，关键点在于如何选择合适的配合比使这一收缩控制在不影响钢管混凝土柱强度的范围之内。经测算，韩林海教授主编的GB／T 51446-2021《钢管混凝土混合结构技术标准》给出了这一阶段合理的收缩值为0.025%，这个值是经对混凝土进行合理的配比所能达到的收缩值，同时试验也证明这一收缩下钢管混凝土的强度基本不降低。以一个1600mm直径的圆钢管混凝土柱来说，此时脱空为0.025%⨯1600=0.4mm。需要说明的是，这一脱空仅可为混凝土与钢管壁之间沿环向的局部脱空，不能是沿环向的贯通脱空，后者将使混凝土与钢管之间完全失去粘结而不能传力。

由此，我们得到一个简单的结论：如果混凝土与钢管之间形成的非贯通脱空在限值0.025%之内，可不考虑脱空对构件的影响，也不用究其脱空原因。这的确是一个好概念.

   然而，实际所遇到的问题并非如此简单，原因是大多数脱空很容易超过0.025%的限值。这时就要采取处理措施。但如果脱空小于2mm，采用在钢管壁与混凝土之间钻孔压力注浆的方法难以操作，原因是脱空太小浆注不进去。这时合理的解决方法是进行脱空下结构构件的承载力核算，这时要考虑脱空后钢管混凝土柱强度和刚度均出现下降的问题。如果脱空超过限值不是很多，比如说超过限值1倍以内，这时强度的降低可能在10%以内，刚度的降低可能在5%以内，这个幅度的降低值一般还在设计安全度范围之内，结构还能满足强度和刚度要求，因而无需进行加固处理。上周论证的那个项目就是按此办理的。

   这里顺便谈一下脱空的检测问题。目前常规的做法有敲击法，超声波法，CT法等，但任何一种方法只能测出是否存在脱空，不能直接给出脱空值。要想知道真实的脱空值，只能将钢管壁切开直接量测。当然，将检测与量测结合起来，在其直接建立起一定的关系从而减少量测工作量也是一个好办法。例如用敲击法记录出敲击的音频，将音频与脱空量建立起关系曲线，从而由敲击直接判定脱空值而无需大规模量测。几种检测方法中，敲击法最直接、最简便、最有效。但有一点要注意，就是要掌握敲击的时机。从前面混凝土凝结的过程看，最好在混凝土完成终凝，还没有开始形成强度之际进行敲击，早了混凝土还处于塑性状态，一敲会变形反而形成脱空，晚了混凝土形成强度，一敲混凝土与钢管壁直接弹性碰撞反而可能出现脱空。

   以上是本人作为一个结构工程师从工程角度对钢管混凝土柱脱空问题的一点浅见，因跨出专业的内容不少，误判在所难免，还请大家批评指正。