配筋钢管掺沙漠砂混凝土短柱力学性能研究学习体会

一、文献概况与研究背景

近年来，沙漠地区基础设施建设需求激增，沙漠砂作为天然细骨料因其粒径分布良好、碱活性低、硅含量高，被广泛关注为河砂的替代材料。然而，沙漠砂中往往含有较高比例的泥质颗粒和微量有害元素，直接用于混凝土会显著影响其工作性和力学性能。本文选取配筋钢管约束下的沙漠砂混凝土短柱为研究对象，通过轴压试验系统考察了沙漠砂掺量、钢管约束效应以及配筋率对短柱承载力、延性和破坏模式的影响，为沙漠地区钢管混凝土结构的应用提供了宝贵的试验数据支撑。

二、关键技术参数与试验方案

2.1 材料参数

2.2 试验方案要点

试验采用轴心受压加载方式，加载速率控制在 0.5～1.0 kN/s，位移控制阶段采用 0.1 mm/s。试件表面粘贴应变片监测钢管与混凝土的应变分布，并通过引伸计测量轴向变形。沙漠砂替代率设置为 0%、50%、100% 三组，每组设置不同配筋率（0%、1.2%、2.5%）进行对比。

三、核心发现与机理分析

3.1 沙漠砂对混凝土基体性能的影响

沙漠砂的细度模数与河砂相近，但其颗粒表面较为光滑、棱角较少，导致混凝土拌合物黏聚性略低，坍落度损失较大。试验表明，沙漠砂掺量达 100% 时，混凝土 28 d 抗压强度较河砂对照组降低约 8%～12%，但弹性模量基本持平。从微观角度分析，沙漠砂中较高的 SiO₂ 含量有利于后期硅灰石反应，使 90 d 强度可回升至河砂对照组的 95% 以上，这为长期性能评估提供了重要参考。

3.2 钢管约束效应

钢管对混凝土的约束效应是钢管混凝土结构的核心优势。在沙漠砂混凝土条件下，钢管约束使混凝土处于三轴受压状态，有效提高了混凝土的极限压应变和峰值强度。试验数据显示，钢管约束使沙漠砂混凝土的峰值强度提高约 15%～25%，而极限压应变可提高 2～3 倍。钢管与混凝土之间的黏结滑移在沙漠砂混凝土中略有增大，这与沙漠砂混凝土表面光滑度较高有关。

3.3 配筋率的影响

配筋率从 0% 提高到 2.5% 时，短柱的延性系数提高约 40%，承载力提高约 10%。值得注意的是，在沙漠砂混凝土中，配筋对延性的改善效果比在河砂混凝土中更为显著，这是因为沙漠砂混凝土的脆性相对较大，钢筋的约束作用更加关键。

四、焊接与钢管制造方面的思考

从钢管制造和焊接工艺角度，本研究的钢管试件通常采用 ERW（电阻焊）或 HFW（高频焊）工艺生产的焊接钢管。在沙漠地区使用钢管混凝土结构时，钢管的腐蚀防护尤为重要。沙漠环境干燥、昼夜温差大，但沙尘磨蚀和偶发性盐雾腐蚀会加速钢管外壁的损伤。建议采用热浸镀锌或环氧粉末涂层进行防腐处理，涂层厚度不低于 120 μm。对于钢管的环焊缝和直焊缝，应严格按照 GB/T 3091 或 SY/T 5037 标准进行质量检验，焊缝探伤等级不低于 B 级。

钢管与混凝土的界面黏结是钢管混凝土结构性能的关键薄弱环节。在沙漠砂混凝土中，界面黏结强度可能较常规混凝土降低 10%～15%。工程实践中可通过以下措施改善：

• 钢管内壁采用喷砂除锈至 Sa2.5 级，增加表面粗糙度；
• 混凝土中掺加聚丙烯纤维（0.9 kg/m³）增强界面黏结；
• 钢管内壁涂覆界面胶，提高黏结强度。

五、与工程实践的结合

在沙漠地区的桥梁、输油管道支架、风电基础等工程中，钢管混凝土短柱是一种经济高效的承重构件。本研究的成果为沙漠砂混凝土在钢管约束条件下的安全使用提供了试验依据。建议在工程设计中，当沙漠砂替代率达到 100% 时，钢管壁厚应适当增加 10%～15% 以补偿约束效率的损失。同时，对于承受动荷载或疲劳荷载的构件，应进行额外的疲劳试验验证。

六、学习心得与启示

本研究的价值在于将两种"非常规"材料——沙漠砂和钢管约束——结合起来进行系统研究。沙漠砂的利用是资源节约和环境保护的重要途径，而钢管混凝土结构在沙漠地区的特殊环境下具有独特的优势。从焊接和钢管制造的角度看，钢管的质量控制是保证结构性能的前提。沙漠砂混凝土的流动性较差，对钢管的焊接质量和内壁平整度提出了更高要求。建议在实际工程中，钢管内壁粗糙度应控制在 Ra≤6.3 μm，焊缝余高不超过 1.5 mm，以避免应力集中影响钢管混凝土的整体性能。总体而言，本研究为沙漠地区钢结构与混凝土组合结构的设计提供了有价值的参考数据，但仍有大量工作需要在实际工程规模上进一步验证。