卓金管件有限公司钢管煤矸石混凝土中核心混凝土强度准则及本构关系文献学习体会
二、文献概况与研究背景
本文由李帼昌、刘之洋、杨良志等学者撰写，发表于2002年《东北大学学报（自然科学版）》第23卷第1期，研究编号5663。该研究针对钢管煤矸石混凝土组合材料中核心混凝土的强度准则和本构关系进行了系统的理论分析与试验研究。
煤矸石是煤炭开采和加工过程中产生的固体废弃物，其资源化利用是循环经济的重要组成部分。将煤矸石作为混凝土骨料，可以大量消纳煤矸石，减少环境污染，同时降低混凝土成本。然而，煤矸石混凝土的力学性能通常低于普通混凝土，这限制了其在工程中的应用。
该研究的核心创新在于：将煤矸石混凝土与钢管相结合，利用钢管的约束效应弥补煤矸石混凝土的强度不足，形成"钢管煤矸石混凝土"组合材料。这一思路体现了"扬长避短"的工程智慧——利用钢管的高约束能力来弥补煤矸石混凝土的强度缺陷。
二、强度准则与本构关系推导
2.1 理论分析框架
该研究采用理论分析与试验研究相结合的方法，推导出核心混凝土的强度准则和本构关系。在钢管约束下，核心混凝土处于三向受压应力状态，其强度显著高于单轴抗压强度。
钢管煤矸石混凝土的约束效应可以用以下模型描述：
- 约束压力：钢管对核心混凝土的径向约束压力$p$与钢管的环向应力$\sigma_\theta$相关，$p = \sigma_\theta \cdot t / D$，其中$t$为钢管壁厚，$D$为钢管内径。
- 约束混凝土强度：根据Mander模型，约束混凝土抗压强度$f_{cc} = f_c \cdot [1 + 5 \cdot (p / f_c)]$，其中$f_c$为单轴抗压强度。
2.2 含钢率与强度的影响规律
研究分析了含钢率及混凝土轴心抗压强度对钢管约束下煤矸石混凝土极限抗压强度的影响规律。
| 影响因素 | 影响趋势 | 机理分析 | 工程建议 |
|---|---|---|---|
| 含钢率增加 | 极限强度提高 | 约束压力增大 | 含钢率建议≥5% |
| 煤矸石混凝土强度降低 | 极限强度提高 | 紧箍效应更充分 | 选用低强度煤矸石混凝土 |
| 钢管径厚比增大 | 约束效应减弱 | 钢管刚度降低 | 径厚比建议≤20 |
| 煤矸石掺量增加 | 单轴强度降低 | 骨料强度降低 | 需配合钢管约束使用 |
2.3 关键结论：低强度混凝土更适合
研究指出了一个重要结论：低强度的煤矸石混凝土更适合与钢管相结合形成钢管煤矸石混凝土，以充分发挥紧箍效应。这一结论看似反直觉，实则具有深刻的力学逻辑。
从约束效应角度分析：
- 高强度煤矸石混凝土在受压时径向膨胀较小，钢管约束压力较低，约束效应不充分；
- 低强度煤矸石混凝土在受压时径向膨胀较大，钢管约束压力较高，约束效应更充分；
- 钢管约束可以显著弥补低强度煤矸石混凝土的强度不足，使其达到工程可用水平。
这一结论对工程设计具有重要指导意义：在选择煤矸石混凝土作为核心混凝土时，不应盲目追求高强度，而应根据钢管约束条件选择合适的强度等级。
三、从钢管制造视角的技术分析
3.1 钢管约束的力学性能要求
对于钢管煤矸石混凝土结构，钢管的力学性能要求如下：
| 性能指标 | 技术要求 | 对应标准 | 检测方法 |
|---|---|---|---|
| 屈服强度 | ≥235 MPa | GB/T 8163 | 拉伸试验 |
| 伸长率 | ≥20% | GB/T 8163 | 拉伸试验 |
| 冲击韧性 | ≥27 J（20℃） | GB/T 229 | 夏比冲击 |
| 壁厚均匀性 | 偏差≤±5% | GB/T 3639 | 超声波测厚 |
| 表面质量 | 无裂纹、无折叠 | GB/T 8162 | 目视+PT |
3.2 钢管选型与制造工艺
针对煤矸石混凝土的特殊性，钢管的选型和制造工艺需特别考虑：
- 材料选择：煤矸石混凝土中含有硫化物等腐蚀性成分，钢管应选用具有良好耐腐蚀性的材料。建议采用Q235B或Q345B无缝钢管，必要时可考虑不锈钢管（如304L）或复合钢管（内衬不锈钢）。
- 制造工艺：煤矸石混凝土的流动性较差，钢管内壁应进行光滑处理（Ra≤0.8 μm），以减少混凝土浇筑时的摩擦阻力。冷拔无缝钢管的内壁光洁度优于热轧无缝钢管。
- 端部处理：钢管端部应进行密封处理，防止煤矸石混凝土在浇筑过程中渗漏。可采用焊接封头或螺栓连接方式。
- 防腐处理：钢管外壁应进行防腐处理，可采用环氧涂层、镀锌或涂漆处理。内壁防腐处理可根据煤矸石混凝土的腐蚀性确定。
四、工程应用与循环经济价值
4.1 煤矸石消纳量估算
以一座年产300万吨的煤矿为例，年产生煤矸石约60万吨。若将其中30%（18万吨）用于生产煤矸石混凝土，每吨混凝土含煤矸石约600 kg，则可消纳煤矸石约10.8万吨。若这些煤矸石混凝土全部用于钢管混凝土结构，则年消纳量可达10万吨以上，具有显著的环境效益。
4.2 经济性分析
| 成本项目 | 普通钢管混凝土 | 钢管煤矸石混凝土 | 节约比例 |
|---|---|---|---|
| 混凝土材料 | 基准 | 降低20%～30% | 20%～30% |
| 钢管材料 | 基准 | 基准 | 0% |
| 施工成本 | 基准 | 降低5%～10% | 5%～10% |
| 综合造价 | 基准 | 降低12%～18% | 12%～18% |
4.3 工程应用建议
基于该研究的结论，我提出以下工程应用建议：
- 适用范围：钢管煤矸石混凝土结构适用于非承重或低承重结构，如临时建筑、低层厂房、农业设施等。对于高承重结构，需进行详细的力学验算。
- 设计参数：含钢率建议控制在5%～10%之间，煤矸石混凝土强度等级建议为C20～C30，钢管径厚比建议≤20。
- 质量控制：煤矸石混凝土的原材料质量控制是关键。煤矸石的含硫量应≤1.5%，含碳量应≤3%，粒径应≤20 mm。
- 耐久性评估：煤矸石混凝土的耐久性（抗冻性、抗渗性、抗碳化性）需进行专项评估，确保结构在设计寿命内的安全。
五、学习心得与反思
该研究发表于2002年，距今已有二十余年。回顾该研究，我认为其核心价值在于提出了"钢管约束弥补低强度混凝土"的创新思路。这一思路至今仍然具有指导意义，特别是在当前"双碳"目标和循环经济的背景下，利用钢管约束技术消纳工业固废（如煤矸石、粉煤灰、矿渣等）具有广阔的应用前景。
从钢管制造的角度，该研究也提出了新的市场需求：为煤矸石混凝土结构配套的专用钢管产品。这类钢管需要兼顾力学性能、耐腐蚀性和经济性，是钢管制造企业可以重点开发的产品方向。
特别值得反思的是，该研究指出"低强度混凝土更适合与钢管结合"这一结论。在实际工程中，我们往往倾向于使用高强度材料，而忽视了结构形式的优化。这一结论提醒我们：在工程设计中，材料性能与结构形式的匹配比单纯追求材料强度更为重要。