钢管混凝土组合是将钢材强度高和延性大的特点与混凝土的高抗压性进行复合，既克服了钢管结构易发生局部屈服的缺点，又使混凝土三向受力，有效地抑制了脆性破坏，提高了抗压强度，使钢管混凝土结构在力学上具有一定的优势^{[1, 2]}。因此，在高层房屋、多层工业厂房、高架输电塔、大跨桥梁等结构中大量应用。随着钢管混凝土结构的普遍应用，徐变效应对钢管混凝土组合结构受力行为的影响引起了工程界的普遍关注。由于徐变特性是混凝土一种基本的长期特性，在实际结构中，徐变引起结构变形增大、预应力损失、内力重分布等突出问题，直接影响结构的长期使用性能和设计寿命。关于混凝土徐变，许多学者进行了大量的研究：黄国兴^[3]等系统地分析了混凝土徐变的影响因素，徐变机理、计算模型，对比了不同国家徐变计算方法； 在解释徐变机理方面^[4]，主要有黏弹性理论、渗出理论、黏性流动理论、内力平衡理论及微裂缝理论等；在探索解释徐变现象过程中，许多学者提出了各自的假设：C.E.Kesler假设、W.Ruetz假设、Z.N.Cilosani假设、R.F.Feldman和P.J.Sereda假设、O.Ishai假设等；在徐变表达式方面主要有：幂函数、对数函数、双曲线函数、指数函数、幂指数函数及多项式函数；赵金钢^[5]推导证明了可以将核心混凝土的自由徐变应变作为钢管混凝土徐变计算的基本变量；

赵庆新^{[6, 7]}分别研究了粉煤灰掺量和水胶比、磨细矿碴掺量对高性能混凝土徐变的影响，同时应用扫描电镜阐述了其中的内在机理；张戎令^[8]等研究了复配外加剂对高性能混凝土基本性能及收缩性能的对比试验，给出了各外加剂的最优建议掺量；钟善桐^[9]根据试验结构计算出了轴压短柱徐变变形的经验公式；韩林海^[10]采用龄期调整的有效弹性模量法，对钢管混凝土轴压构件的徐变特性进行了理论研究；王元丰^{[11, 12]}建立了钢管混凝土轴心受压构件以及变应力作用下高性能混凝土的徐变模型；王文达^[13]利用ABAQUS 软件建立了长期荷载作用下的矩形钢管混凝土轴压构件的数值分析模型；樊健生^[14]等研究了混凝土收缩、徐变和开裂对组合梁长期受力性能的影响。

由于钢管混凝土为组合结构，为了防止混凝土收缩而避免混凝土与钢管脱黏，在实施应用中，往往添加膨胀剂，以达到限制收缩和微膨胀的目的。但是关于膨胀剂对钢管混凝土徐变的影响及其机理研究，目前相关报道较少。

本文以试验为基础，分析不同膨胀剂掺量对钢管混凝土徐变的影响，并结合扫描电镜对不同膨胀剂掺量水化程度、矿物组份进行对比，探讨了膨胀剂对钢管混凝土徐变影响的机理。

在做试验之前将所有原材料的性能按照规范^{[15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23]}进了实测，以便准确定量地分析各膨胀剂在一定的地材下，对高性能混凝土徐变性能的影响规律。采用天山P.O42.5低碱硅酸盐水泥；采用玛纳斯电厂生产的Ⅰ级F类粉煤灰；采用雁池新型建材生产的S95矿粉；细骨料为兵团建设集团沙场的天然砂，细度模数为2.9；粗骨料为鑫宝矿山开发中心破碎玄武岩，5～20 mm连续级配。水泥、粉煤灰、矿粉、粗细骨料各项性能指标实测值见表 1。

减水剂和引气剂采用北京建筑工程研究院生产的AN4000聚羧酸减水剂和AN1引气剂，采用UEA-H型膨胀剂，其各项实测指标见表 2、表 3。 表 1 各原材料实测性能指标

在混凝土配合比中，水胶比为0.3，膨胀剂掺量分别为4%,8%,12%，钢管直径为140 mm，长度为500 mm和350 mm，壁厚分别为1.3,2.0和3.0 mm。混凝土配合比见表 4。试件标准养护28 d后，采用弹簧式三杆徐变仪加载，加载值为棱柱体强度的40%。用千分表和弦式应变计测量混凝土和钢管混凝土的徐变变形，试验温度为(20±1)℃。试验加载、测点布置及试验过程见图 1～图 4。

图 1 试验装置图 Fig. 1 Test equipment

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图 2 徐变试验 Fig. 2 Creep test

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图 3 8%膨胀剂试验试件 Fig. 3 Test sample of 8% expansion agent dosage

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图 4 不同长度试验试件 Fig. 4 Test samples with different lengths

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根据国家规范《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》(GBT50082—2009)测得混凝土的徐变度(徐变应变与徐变应力之比)，在不同膨胀剂掺量下钢管混凝土徐变度变化规律如图 5所示。

图 5 不同膨胀剂掺量对钢管混凝土徐变的影响 Fig. 5 Effect of different expanding agent dosages on creep of CFST

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由图 5可知：钢管混凝土在不同膨胀剂掺量时，随着膨胀剂掺量的增加，徐变度减小。其中膨胀剂掺量为4%的徐变度约为膨胀剂掺量为12%的徐变度的1.40倍；掺量为8%的徐变度约为掺量为12%的徐变度的1.14倍，早期徐变变化明显，后期变化相对较稳定。

由此可得：膨胀剂4%掺量时，钢管混凝土徐变度最大；8%掺量时，钢管混凝土徐变度次之；12%掺量时，钢管混凝土徐变度最小，但是膨胀剂掺量为8%和12%时，钢管混凝土徐变度总体来说，相差不大，这说明膨胀剂掺量为12%时，其补偿收缩和微膨胀相比膨胀剂掺量8%提高并不明显。膨胀剂掺量对钢管混凝土徐变度的影响规律基本一致，即膨胀剂掺量越大，钢管混凝土徐变度越小。

UEA膨胀剂主要由硫酸铝、氧化铝、硫酸钙等无机复合的混合物。在充足的Ca(OH)₂硫铝酸钙类膨胀剂在水泥水化硬化过程中，生成三硫型水化硫铝酸钙晶体，即钙矾石，产生体积膨胀，对混凝土起到补偿收缩和微膨胀的作用，反应方程式见式(1):

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其产物生成的钙矾石属于六方晶系，呈六方片状，使混凝土产生微膨胀，在外侧钢管的约束下，钢管混凝土中的混凝土自身产生预压应力，这一预压应力可大致抵消混凝土在硬化过程中产生的收缩拉应力，同时，推迟了收缩的产生过程。当结构中混凝土开始收缩时，这一预加应力可以抵抗收缩应力，从而防止或减少混凝土收缩开裂，同时缓解或避免混凝土与钢管在界面处脱空，而且产生的钙矾石使混凝土更加致密，从而大大提高了钢管混凝土结构的受力性能。

采用膨胀剂掺量分别为4%,8%,12%的水泥净浆在水胶比一定的条件下成型，标准养护28 d后，取出试样经过抽真空和喷金处理后，在SEM下观测剖断面形貌，如图 6所示。

图 6 水泥净浆28 d龄期的SEM图 Fig. 6 SEM image of cement paste after curing 28 d

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对比不同膨胀剂掺量下水泥净浆的SEM形貌，当膨胀剂掺量为4%时，AFt为细小针状，散乱少量结合于毛细孔中，水泥石整体结构较为疏松；当膨胀剂掺量为8%时，AFt为细针状和长杆状共存，簇生于水泥浆体中的毛细孔、接触处的孔穴中，水泥石整体结构较为致密；当膨胀剂掺量为12%时，多量花状或棒状簇AFt生于孔隙中，水泥石整体结构密实。通过以上分析可知：由于膨胀剂中的主要成分是明矾石和石膏，在水泥水化过程中，膨胀剂反应生成钙矾石所需的CaSO₄是由UEA-H自身代入，反应中所需要的Ca(OH)₂是由C₃S和C₂S水化反应生成的，C₃S和C₂S水化反应加速进行，使水泥强度和膨胀发展相对较协调，形成大量钙矾石，一方面可以补偿收缩，有效地防止混凝土径向收缩，避免造成混凝土与管壁脱空；另一方面填充在毛细孔中具有微膨胀的能力。因此，随着膨胀剂掺量的增加，密实度增加，混凝土徐变度减小，但是根据SEM形貌图及生产物质分析，可看出膨胀剂掺量为8%和12%时，结构致密程度相差不大，这印证了试验研究中，膨胀剂掺量为8%和12%时，钢管混凝土徐变度较为接近。

利用能谱仪在采谱过程中自动识别和标识元素谱的功能，确定不同膨胀剂掺量下，水泥石基体中各种元素的百分含量变化情况，根据电子束打在试样上激发出的X-射线不同能量(E=hc/λ)以分析试样的成分。图 7为不同膨胀剂掺量时水泥石基体能谱成分分析谱，表 5是不同膨胀剂掺量时水泥石基体各元素百分含量。

图 7 不同膨胀剂掺量时能谱成分分析谱 Fig. 7 EDS spectra in different expanding agent dosages

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通过图 7和表 5可以看出：在基体中，Si元素的质量百分含量随着膨胀剂掺量增加而增加，但Ca元素的质量百分比则随着膨胀剂掺量的增加而降低，造成这样的原因可能是由于膨胀剂中含有较高比例的Si元素，膨胀剂高掺量在水泥石中Si元素的高含量，有利于生成C-S-H凝胶和提高结构致密程度。

(1)本次试验中，钢管混凝土在其他条件一定的情况下，膨胀剂4%掺量时，钢管混凝土徐变度最大；8%掺量时次之；12%时最小，即徐变度随着膨胀剂掺量的增加而减小。

(2)膨胀剂作用机理可以认为：其反应生成钙矾石(具有膨胀性能)填充在毛细孔的同时使试体产生膨胀，起到补偿收缩和微膨胀的作用。

(3)在试验研究时，同时进行了膨胀剂掺量为0%的试验研究，其试验数据变化和膨胀剂掺量为4%，8%，12%相比较离散，钢管混凝土徐变机理有待进一步完善。