1个8MM的塑料膨胀头膨胀螺丝一般能吊多少重量

刘晓丹1，2 陶兴华1 牛新明1

（1.中国石化石油工程技术研究院，北京 100101；2.中国石油大学，北京 102249）

摘 要 本文旨在研究如何提高膨胀管抗挤强度，分别从材料和强度影响外部因素入手进行分析。首先，提出高性能膨胀管材料选择的主要依据，基于此研究了膨胀管抗挤强度的外部影响因素，采用实验分析、微观理论剖析、模拟计算相结合的手段，诠释了其对抗挤强度的影响及敏感性。其次，研究了不同膨胀工艺对膨胀后管体性能的影响规律，给出了选择工艺的基本依据。另外，本文在充分吸收国内外该领域先前研究的基础上，尝试性提出了新型膨胀管材料，探索了膨胀管技术未来发展的方向，旨在获得综合性能良好的膨胀管，为拓展其应用领域做好前瞻性准备。

关键词 膨胀管 材料 力学性能 抗挤强度 影响因素

Expandable Tubular Materials and StudyingProgress on Improving Collapse Strength

LIU Xiaodan1，2，TAO Xinghua1，NIU Xinming1

（1.SINOPEC Research Institute of Petroleum Engineering，Beijing 100101 ，China；2.China University of Petroleum，Beijing 1 02249，China）

Abstract The purpose of this article is to improve the collapse strength of expandable tubular.The analysis is beginning from how to choose expandable tubular materials and how the external factors affecting the collapse strength.First，it gives out the principle on which the materials are selected.Based on this the main relative factors of collapse strength are studied.In the process the methods as test，micro-theory analysis，simulation are used.Thus the effects on collapse strength of all the factors and their sensitivity are analyzed.Then the laws of the how the expandable technology effected collapse strength are also studied.It gives out how to choose the proper method under some circumstance.In the other hand，the paper learns from the former and gives out the new expandable tubular materials，explores the future development of expandable tubular technology.The main purpose is to obtain the expandable tubular of good comprehensive performance in order to enlarge the operating fields.

Key words Expandable tubular；materials；mechanical properties；collapse strength；effective factors

膨胀管技术是在钻井施工过程中，将小于上层套管内径的特殊管下入井内，在井下通过液压式或机械式方式推动膨胀锥头，使管柱径向发生永久变形，内径增大，从而达到封固复杂地层、修补破损套管等目的。国外膨胀管技术研究开始于20世纪70～80年代。随后发展迅速，早在1993年已经进行了膨胀管技术概念性试验。1998年Shell公司在Gasmer Test Well井进行了型号为J55、尺寸为133/8套管的原型试验，膨胀和密封获得成功［1］。1999年便达到了商业化的水平，2004年6月，Enventure公司已在世界20个国家为58家用户完成了247次技术服务，累计胀管长度达到258755ft，可靠性超过95％。国内研究起步较晚，基础薄弱。2000年开始引入膨胀管概念，跟踪研究发现国内需求市场较大。因此，西南、大港等机构科研院所进行了相关课题研究和试验。2004年，中国石化胜利石油管理局钻采工艺研究所首次进行实体可膨胀管试验并取得成功［2］。之后，因其应用规模不断拓展，受到越来越多科研机构的青睐。该技术优势核心：一是可以节约井眼尺寸；二是可用于套管修补、完井以及采油等作业的全过程；三是具灵活的作业程序、广泛的适用性、显著的经济性。因此，被业界赞誉为 “21世纪石油钻采行业的核心技术之一”［3］。

膨胀管必须具备良好的力学性能，即较高的强度、良好的塑形等。大量试验和力学模拟结果表明，套管膨胀后抗挤强度会有较大程度降低，降幅一般为30％～50％。为提高作业安全性，拓展其使用范围，需要更高抗挤强度的膨胀管。鉴于此，本文围绕提高膨胀管抗挤强度的核心，首先提出了从内因着手，分析并提出高性能膨胀管材料选择的主要依据。其次剖析影响膨胀管抗挤强度的外部主要因素，采用实验分析、微观理论剖析、模拟计算相结合的手段，诠释了主要外部影响因素对抗挤强度的敏感性。本文吸收了国内外该领域前辈研究的精华，提出了新型膨胀管材料，尝试性探索了膨胀管技术未来发展的方向。旨在改善和提高膨胀管的性能，拓展其应用领域。

1 膨胀管材料性能要求

回顾关于膨胀管材料方面的研究，国外花费了大约6年的时间，系统地研究了管体材料、膨胀方式、膨胀后热处理等对膨胀管机械性能、残余应力和抗外挤性能的影响［4～7］。通常使用的膨胀管材料包括普通低碳合金钢、高压锅炉钢以及专门用于膨胀管的材料，如目前常用的N80、L80、K55等。部分资料显示高强度管线钢X-95和套管材料P110也可以作为膨胀管材料使用。为了模拟和预测钢管膨胀后抗外挤性能，根据ASTM E9-89标准，进行了膨胀管的压缩试验，图1反映了膨胀对不同材料钢管压缩屈服强度和硬度的影响。由图1a可见，P110和X95膨胀后屈服强度降低最为明显，降低大约30％，其原因是由于加工硬化作用不明显（图1b），无法弥补由于Bauschinger效应引起的屈服强度的降低。K55、L80、N80膨胀前后屈服强度变化不大，推断其原因是由于加工硬化作用与Bauschinger效应相抵消。图2为膨胀前后钢管冲击韧性变化曲线，膨胀后不同钢级钢管冲击韧性都出现了一定程度的降低，但都能够满足API标准的要求。

综上所述，国外科研机构对膨胀管材料硬度、屈服强度、抗拉强度、屈强比和伸长率等进行了详细研究，总结出了膨胀管材料具备的基本性能。为满足膨胀管使用时较大的塑性变形要求，膨胀管管体材料应满足以下几点要求：(1)良好的塑性变形能力；(2)较高的抗拉强度；(3)较低的屈服强度；(4)较高的加工硬化指数；(5)膨胀后管材（膨胀率一般为10％～25％）力学性能应满足API的要求。这为膨胀管在不同膨胀工艺下、不同作业环境中的使用提出了材料选择的基本原则，对进一步改善膨胀管材料性能和提高管体强度具有重要的借鉴作用。

图1 膨胀对不同钢级管材屈服强度和硬度的影响

2 膨胀管膨胀工艺适应性研究

为研究膨胀工艺对管材性能和强度的影响，国外某研究机构开展了专题研究。本文着重分析研究膨胀加载方式对管体抗挤强度的影响。试验采用专有成分C-Mn钢50钢管，外径193.7mm，壁厚9.5mm，膨胀率15％。

不同方式膨胀后管体尺寸变化、残余应力和抗挤强度结果见表1。

试验结果表明：膨胀后管体抗挤强度下降47％～55％。膨胀方式对膨胀后管体残余应力、径厚比、抗挤强度影响显著。方式d，膨胀后径厚比和残余应力在几种膨胀方式中处于中间水平，膨胀后抗挤强度最高。方式e，残余应力较低，径厚比较高，抗挤强度最低。方式f，膨胀后径厚比最高，残余应力较低，抗挤强度较高。该试验为有条件使用膨胀管提供了切实可行的膨胀工艺。为确保膨胀管具有良好的性能，在膨胀过程中要增加膨胀管润滑措施，尽量居中，膨胀速度适宜（最佳膨胀速度为7.6～18m/min）。

图2 膨胀对不同钢级管材冲击韧性的影响

表1 膨胀和加载方式对膨胀后管体尺寸、残余应力及抗挤强度的影响

注：a为膨胀前；b为单独在膨胀锥前施加压缩载荷；c为在膨胀锥后水力膨胀，在膨胀锥前施加压缩载荷；d为固定膨胀锥后面的管端，拉拔膨胀锥膨胀；e为在膨胀锥后水力膨胀；f为固定管子两端，在膨胀锥后水力膨胀。

3 膨胀管抗挤强度关键影响因素分析

因膨胀管自身工艺具特殊性，使抗挤强度的不利影响因素变得更为复杂。现就管体结构、屈服强度、应变时效、Bauschinger效应等对膨胀后管体抗挤强度的影响进行研究，并对各因素的敏感性进行分析。

3.1 复杂几何形状膨胀管管体结构影响

膨胀管在制造、运输或者作业过程中，比厚壁套管更容易受到外界划拉、磕碰，作业中不可避免地受到钻柱等磨损。计算表明：膨胀管内壁磨损缺陷的存在，一方面降低了膨胀管本身的抗外挤强度，另外，如果外部地层为岩盐地层，因磨损改变了膨胀管管体径向不同方向的刚度，造成膨胀管外壁应力分布的不均匀性更加严重，非均匀载荷和内壁磨损缺陷的存在共同加剧了对膨胀管本体抗外挤强度的损伤。对型号为P110、壁厚12.7mm的套管，假设内壁缺陷的最大厚度为0、0.5、1、1.5、2、2.5mm，分别计算磨损后套管的抗挤强度表明，在磨损半径一定的情况下，磨损量达到2.5mm时，套管抗外挤强度下降约45％（图3）。另外，椭圆度也是影响膨胀管抗挤强度的重要因素之一，膨胀过程中椭圆度和壁厚不均度会继续保持甚至增强，膨胀后径厚比的增大也是导致膨胀后管体抗挤强度降低的原因。

图3 磨损对膨胀管抗挤强度的影响

3.2 膨胀管材料屈服强度的影响

如前所述，P110和X95材料膨胀后屈服强度降低较为明显，约30％，尤其是膨胀前期（膨胀率在10％之内）对管体影响显著。究其原因，是由于加工硬化作用不明显，无法弥补由于Bauschinger效应引起的屈服强度的降低。由于加工硬化作用与 Bauschinger 效应相抵消，K55、L80、N80膨胀前、后屈服强度变化不大。因此，材料的加工硬化率越高，膨胀后压缩屈服强度降低得越少。同时，根据Hall-Petch方程，即

油气成藏理论与勘探开发技术：中国石化石油勘探开发研究院2011年博士后学术论坛文集.4

式中：σy为屈服应力；σ0为晶格摩擦力；K为常数；d为晶粒直径。

结合试验得到的低碳钢加工硬化指数n与晶粒直径之间的经验关系式，即

油气成藏理论与勘探开发技术：中国石化石油勘探开发研究院2011年博士后学术论坛文集.4

得到屈服应力与加工硬化指数之间存在如下关系：

油气成藏理论与勘探开发技术：中国石化石油勘探开发研究院2011年博士后学术论坛文集.4

由式（3）可见，材料加工硬化指数越高，屈服强度越低。因此在保持抗拉强度基本不变的前提下，尽量降低膨胀管材料的屈服强度、提高材料加工硬化指数对提高膨胀管抗外挤强度具有积极意义。国外研究认为在考虑材料非线性、加载历史、椭圆度、壁厚不均匀度条件下，在径厚比大于20时，材料的屈服强度并不是影响膨胀管抗挤强度的关键因素。

3.3 应变时效的影响

应变时效主要发生在低碳钢和低合金钢中，是指在塑性变形时或变形后，固溶状态的间隙溶质（C、N）与位错交互作用，钉扎位错阻止变形，导致强度提高、韧性下降的力学冶金现象。应变时效对膨胀管抗挤强度有重要影响，下面以L80膨胀管为例定量分析。表2为膨胀及应变时效对L80套管压缩屈服强度的影响。由于膨胀管是在温度环境为50 ～350℃井下进行膨胀施工，因此试验考察了在一定温度下的膨胀管应变时效作用。由表2可见，当管体膨胀20％后，压缩屈服强度由原来的632MPa降低为505MPa，降低约20％，出现所谓反载软化现象。在150℃温度下时效1.5h，屈服强度损伤恢复约14％，在该温度下时效作用5h，压缩屈服强度提高到639MPa，与膨胀前管体屈服强度相近。保持时效时间为5h，温度升高至175℃，屈服强度不再继续提高。这种现象说明膨胀管在井下使用过程中，膨胀初期抗外压强度会出现较大程度的降低。但经过一段时间时效后，抗外挤强度又会在一定范围内提高。

表2 膨胀和应变时效对L80套管屈服强度的影响

3.4 膨胀过程中的Bauschinger效应

膨胀管服役期间，它将受到内压力、外挤力以及拉力的作用。管子承受内压的方向和膨胀方向相同，而承受外挤力的方向和初始膨胀方向相反，所以Bauschinger效应会导致膨胀后的管体抗内压能力增强，抗外挤能力下降。影响机理如下：

Bauschinger效应大小与金属材料塑性变形量密切相关，在一定范围内，Bauschinger效应随塑性变形量增加而增大。但当塑性变形量超过易滑移区时，因位错增殖和难于重分布，则在随后反向加载时，Bauschinger效应可迅速降低甚至消失。因此，研究Bauschinger效应值与金属材料塑性变形量之间的关系对提高膨胀管抗挤毁强度有重要的意义。

3.5 膨胀后管体内产生的残余应力

管体膨胀过程中，环向、轴向均产生塑性变形，这种塑性变形一般是不均匀的，不均匀变形在管体内产生附加应力，膨胀后残留在管体内形成残余应力。张建兵等对35CrMo钢管和J55套管膨胀后残余应力的测量和分析结果表明［8］，膨胀后管体存在显著的环向残余压缩应力（其值约为200MPa），其效应相当于直接降低了管体的横向压缩屈服强度，它是导致膨胀后管体抗挤强度下降的一个重要因素。

3.6 膨胀管抗挤强度影响因素敏感性分析

力学模拟分析和和室内试验均表明，由于膨胀产生的残余应力和 Bauschinger 效应共同作用，膨胀后管体抗外挤强度有较大程度降低。膨胀后因管壁有不同程度的减薄。因此，原有的损伤或后续作业可能造成的磨损等缺陷都更加严重地影响膨胀后管体的抗挤强度。对于径厚比大于20的膨胀管，磨损深度比磨损半径影响程度更大；材料的屈服强度对膨胀管抗外挤强度的影响并不大。其他因素如Bauschinger效应、残余应力等相互影响，以及其对套管抗外挤强度的影响，有待于进一步的定量分析研究。

4 提高膨胀管抗挤强度新思路的探索

为了提高膨胀管作业的安全性，获得良好的膨胀管综合性能，现从材料热处理、管体结构优化、管体膨胀整形等角度提出增强抗外挤强度的新思路。

4.1 膨胀管材料热处理工艺优化

一般情况下，随着钢级的提高，加工硬化率降低，屈服强度比提高，这会导致膨胀后抗挤强度大幅度降低。可以通过对普通套管制定合适的热处理改善其力学性能。例如，可以对显微组织为铁素体＋珠光体的低碳钢或低合金钢套管进行亚温淬火，即将材料加热到奥氏体与铁素体之间两相区（Ac1—Ac3之间），保温后淬火以获得铁素体和马氏体两相组织［9，10］。这种组织状态的钢具有强度高、屈服点低、连续屈服、加工硬化率高和延伸率高等特点［11］。研究表明，铁素体＋马氏体双相组织钢与普通铁素体＋珠光体组织钢相比膨胀后具有更高的抗挤强度［12］。

4.2 膨胀前后管体结构优化

如前所述，膨胀管缺陷的存在使其抗挤强度大大降低，在膨胀后相应缺陷的不利影响更加恶劣。因此，在膨胀管选择前应设定更加严格的标准，加大整形力度，力求获得近似理想圆形膨胀管。在膨胀管服役期间，要优化工艺措施，防止钻柱或其他作业管串磨损膨胀管内壁。

4.3 膨胀管膨胀后消除残余应力

膨胀管因为加工和作业过程的影响，导致存在一定的残余应力，这对于膨胀管的抗挤强度会造成不可忽视的不利影响。因此，应采取主动措施将残余应力降至最低。下井前残余应力消除工艺及方法比较成熟。井下膨胀后残余应力消除是目前较新的认识。其中，超声冲击是相对有效的方法。膨胀芯下面连接超声波装置，随膨胀工艺自下而上移动并旋转，采用20kHz以上的高频大功率超声波，使膨胀管表层发生较大的压缩塑性变形，能够有效降低残余应力，提高膨胀管的综合性能。

5 膨胀管新材料研究展望

如前所述，膨胀管材料需要良好的强度和塑性匹配以及优良的加工硬化能力，可以采用强塑积（抗拉强度与延伸率的乘积）作为衡量膨胀管材料性能的指标。国际上Shell公司最先推出的膨胀管用钢LSX80，其强塑积达到30GPa％。先进的汽车用钢与膨胀管材料性能要求相似，可以引入到新型的膨胀管材料开发中。第二代汽车用钢材料中的TWIP钢和奥氏体不锈钢属于高合金钢的范畴，它的组织结构主要是软相奥氏体。通过利用奥氏体的TWIP效应将钢的强度提高800～1000MPa，塑性达到50％～80％，因而其强塑积达到50～70GPa％的水平［13］。目前我国自主研发的第三代汽车用钢，通过中锰碳钢的合金化设计及奥氏体逆相变等措施，制备出含30％左右的亚稳奥氏体与超细晶基体的双相复合组织钢。其室温抗拉强度在0.8～1.6GPa级，断后延伸率为30％～45％的水平，而其强塑积为30～48GPa％［14］。将这些先进材料引入石油行业，作为未来高性能膨胀管材料具有广阔的前景。

6 结 论

1）通过分析膨胀前后P110、X95、K55钢管的硬度、屈服强度、Bauschinger效应及其相互影响对管体抗外挤性能的影响，给出了膨胀管材料具备的基本性能，为高性能膨胀管材料开发提供了主要依据。

2）结合5种不同膨胀试验加载方式，分析了膨胀工艺对膨胀管结构和综合性能的影响。据此，结合实际工况能够为选择合适的膨胀工艺提供重要参考依据，从而获得具有良好综合性能的膨胀管。

3）膨胀工艺不同造成膨胀后残余应力的分布和大小变化较大，不仅严重影响膨胀管抗外挤强度，而且直接影响其他后续工艺的效率。本文提及的井下消除残余应力的方法提供了改善管体强度的新思路。

4）膨胀管制造和加工都可能不同程度地造成管体的变形，即使入井后后续作业也可能造成膨胀管内壁的磨损，这都将严重影响膨胀波纹管抗外挤强度，而且这种缺陷对强度的影响将在膨胀后恶化。

5）如果不考虑其他影响因素，膨胀管材料屈服强度比越低，加工硬化率越高，膨胀后抗挤强度损失越小。可以通过对普通套管制定合适的热处理工艺（如亚温淬火）来提高其抗挤强度。

6）将第二代汽车用钢和新型第三代汽车用钢引入石油行业膨胀管技术领域，创新了该方面的理论研究思路，补充和扩展了原有膨胀管选材范围，具有重要的启发意义和导向作用。

参考文献

［1］孟庆昆，谢正凯，冯来，等.可膨胀套管技术概述［J］.钻采工艺，2003，26（4）：67～68，74.

［2］李作会.膨胀管关键技术研究及首次应用［J］.石油钻采工艺，2004，26（3）：17～19.

［3］Dupal K K，Campo D B，Lofton J E，et al.Industry experience with solid expandable tubular technology［J］.World Oil，2001，222：7～8.

［4］Filippov A，Mack R，Cook L，et al.Expandable tubular solutions［J］.SPE 56500，1999.

［5］Mack R D，Terry Mccoy，Lev Ring.How in situ expansion affects casing and tubing properties［J］.World Oil，1999，220：69～71.

［6］Mack R，Filippov A，Kendziora L，et al.In-situ expansion of casing and tubing-effect on mechanical properties and resistance to sulfide stress cracking［J］.Corrosion，2000，3：26～31.

［7］Mack R D.The effect of tubular expansion on the mechanical properties and performance of selected OCTG-results of laboratory studies［J］.OTC 17622，2005.

［8］张建兵，韩建增，陈建初，等.膨胀套管中的残余应力问题［J］.石油钻采工艺，2005，27（2）：18～20.

［9］张树坤，张利民.36Mn2V钢石油套管的亚温淬火强韧化处理工艺［J］.钢管，2005，34（3）：20～22.

［10］王冀恒，李惠，谢春生，等.35CrMo钢亚温淬火强韧化组织与性能研究［J］.热加工工艺，2009，38（6）：144～146.

［11］马鸣图，吴宝榕.双相钢——物理和力学冶金［M］.北京：冶金工业出版社，2009.

［12］Pavlina E J，Van Tyne C J，Hertel K.Hydraulic bulge testing of dual phase steel tubes produced using a novel processing route［J］.Journal of Materials Processing Technology，2008，201 ：242～246.

［13］Frommeyer G，Brux U，Neumann P.Super-ductile and high-strength manganese -TRIP/TWIP steels for high energy absorption purposes［J］.ISIJ Inter .，2003，43（3）：438 ～446.

［14］董瀚，曹文全，时捷，等.第三代汽车钢的组织与性能调控技术［J］.钢铁，2011，46（6）：1 ～1.1

可用16毫米大的钻头。

对于这种膨胀螺丝，选择比其大4毫米的钻头就行了。例如8毫米的膨胀螺丝，选用12毫米的钻头，而10毫米的膨胀螺丝，选用14毫米大的钻头，以此类推来选择。

膨胀螺丝一般说的是金属膨胀螺丝，膨胀螺丝的固定是利用楔形斜度来促使膨胀产生摩擦握裹力，达到固定效果。螺钉一头是螺纹，一头有锥度。

外面包一铁皮（有的是钢管），铁皮圆筒（钢管）一半有若干切口，把它们一起塞进墙上打好的洞里，然后锁螺母，螺母把螺钉往外拉，将锥度拉入铁皮圆筒，铁皮圆筒被涨开，于是紧紧固定在墙上，一般用于防护栏、雨篷、空调等在水泥、砖等材料上的紧固。

但它的固定并不十分可靠，如果载荷有较大震动，可能发生松脱，因此不推荐用于安装吊扇等。

固定原理：

膨胀螺丝由螺杆和膨胀管等部件组成，螺杆尾部为圆锥状，圆锥的内径大于膨胀管内径。当螺母拧紧的时候，螺杆向外移动，通过螺纹的轴向移动使圆锥部分移动，进而在膨胀管的外周面形成很大的正压力，加之圆锥的角度很小，从而使墙体、膨胀管及圆锥间形成摩擦自锁，进而达到固定作用。

膨胀螺丝上的弹簧垫是标准零件，因为它的开口错开并具有弹性，所以也叫弹簧垫圈，弹簧垫圈的作用是利用错口的锐利尖角刺入螺母和平垫中，防止螺母松动。

平垫也是标准件，它的作用是把螺母的压力均匀分布于被连接的零件上。

一般来说，大头膨胀螺栓使用的更为普遍，采购商如无特别说明，一般采购的都为大头膨胀螺栓。小头膨胀螺栓仅在某些区域内使用较多。小头膨胀螺栓使用较多的省份有：广东、广西、四川、贵州、重庆、云南，如采购商来自以上几个省份，需跟采购商确认好采购的是大头膨胀螺栓还是小头膨胀螺栓。

钢质材热膨胀系数为1.2 10的五次方/℃

钢管材质为Q235-B,热膨胀系数为1.2×lO-5/℃,是C40混凝土热膨胀系数O.7×lO-5/℃的1.7倍。

购买膨胀节意事项：

购买膨胀节时不要仅凭型号或代号，要向厂家提供数据，由厂家设计生产，方可保证使用寿命或质量。膨胀节属特种管道设备，购买时要选有资质的生产厂家或知名品牌产品，以免造成事故。

推荐厂家：河北伟业波纹管制造有限公司。

最近几年，我国在钢管拱桥应用技术方面发展很快，在许多大跨度的桥梁设计中都采用钢管拱桥施工技术。该桥型是目前国内风行的一种新型结构，其桥梁结构形态优美，工艺复杂，跨度大，既省材料又省时间，且在施工期间不影响下部正常的通行，发展前景十分广阔。该桥梁在设计中为了充分发挥钢管套箍作用，内灌注高性能微膨胀混凝土，以提高钢管的承载能力，提高构件的稳定性。在钢管中灌注的一般是C40～C50的高性能微膨胀混凝土。该混凝土施工要求早期强度高，高流态，缓凝，自密实及可泵性非常好，最为关键性问题是，该钢管混凝土为微应力混凝土。因三向应力混凝土的主要特性是强度高，变形性好，在外荷载作用下，由于钢管约束其内部核心混凝土的横向变形，使在三向应力作用下的核心混凝土的强度比普通浇注的混凝土提高了2～3倍。普通混凝土受压的压缩应变≥0.002时，出现纵向裂缝而破坏。三向应力作用下的混凝土可看作弹塑性材料，当压缩应变达0.002时，不但仍有承载能力，而且表面不发生裂缝，它是一种很好的抗震材料。所以设置微应力，可提高构件的承载力及改变普通灌注法造成混凝土和钢管间有间隙的现象。在设计中确定微膨胀率和如何设计该种配合比是关键因素。钢管内部混凝土质量对工程结构安全影响很大，稍有不慎，就会出现质量事故，造成泵送困难，内有空气，不饱满，混凝土和钢管间有收缩空隙及承重能力下降等现象。作者成功地主持了本单位两座钢管拱桥钢管微膨胀高性能混凝土的设计工作，根据已成功的经验对配制过程中需注意的事项进行分析说明。

1材料

1.1水泥

水泥是混凝土中的胶凝材料，可为混凝土提供活性。混凝土中的水泥用量过多会产生不良后果：如水化热过大，混凝土收缩过大产生裂缝及空隙。因此，设计高性能微膨胀混凝土的水泥用量不宜过大，选择水泥时应选择525R早强型水泥为主体。该种混凝土在施工时，一般都要求高早强、缓凝及掺加外加剂、外掺料。所以，设计中对水泥的品种、细度、化学组成含量以及矿物组成，都有比较高的要求。水泥矿物组成中C3A和C3S对水化速度和强度发挥起决定作用。C3S与水反应快，凝结硬化也快，早、后期强度都高。因此，控制C3S在40%～50%为宜；C2S与水反应慢，硬化也慢，早强低，但后期强度高，产生水化热低，C2S和C3S占水泥成分的70%～74%；C3A与水反非常快，水化热也高，但强度不高，所控制C3A在5%～9%；当减水剂加到水泥—水系统中，首先被吸附C3A，C3A含量高，吸附的就多，使C3S和C2S吸附的就少。因此，C3A含量高的，减水效果就差。而水泥中碱含量过高，使水泥凝结时间缩短，早强及流动性降低。水泥细度大，有利于减水剂增强效果。所以配制高性能微膨胀混凝土选择水泥时，应全面考虑，稍有不慎，会造成性能降低，膨胀值过大或过小，造成混凝土收缩，钢管内不饱满。

1.2细骨料

配制高性能微膨胀混凝土要求使用干净的河砂。使用时，必须考虑到砂中的云母含量、硫化物含量、含泥量和压碎指标值，该四种指标对混凝土强度和对钢筋的腐蚀性影响都非常大。因而，对该种河砂专门供应。对砂进行上述三种指标值的测定，严格按高标准控制砂中云母含量、硫化物含量、含泥量及压碎指标值，并且，此种混凝土对细度模数也有较高要求，细度模数选用2.6～3.1的中砂为宜。不宜选用砂岩类山砂、机制砂、海砂，此类砂对膨胀混凝土的膨胀率影响非常大。

1.3粗骨料

骨料的品质对高性能微膨胀混凝土有很大的影响，主要体现在骨料—砂浆界面粘结强度、骨料弹性模量和骨料的强度。在考虑该种混凝土的可泵性的同时，要考虑混凝土的早强性和后期强度。卵石混凝土的可泵性很好，但混凝土中砂浆和卵石的界面粘结力较差，强度较低，造成水泥用量过高。碎石混凝土的可泵性较差，但早期和后期强度较高。有的碎石采用含硅质的岩石，在此类岩石中由于SiO2对混凝土影响很大，所在设计中全面考虑影响因素，一般不用此类碎石。为提高混凝土和易性可以用碎石和卵石双掺的方法，也可以增大砂率用碎石单独作粗骨料。使用碎石需经过二次破碎，使碎石基本无棱角，并减少针片状颗粒的含量。碎石和卵石的粒径都控制在小于30mm。粗骨料中的含泥量以及本身的强度和骨料的弹性模量，在配制时，需引起重视。

1.4掺合料

在我国高性能混凝土使用粉煤灰已相当普遍。该材料来源广泛，价格便宜，可减少环境污染，是值得推广的外掺料。粉煤灰主要的四种化学成分，掺入混凝土内在水泥水化过程中，能与分解出来的Ca(OH)2起化学反应，生成具有胶凝性的水化产物。这些水化产物，能在空气中硬化，逐渐具有水硬性，所以也称二次水化反应。该新生凝胶封住了毛细管路，增强了混凝土的密实性。因此，粉煤灰能取代部份水泥，从而节约水泥，降低水化热，使混凝土升温降低15%～35%。二次水化反应主要取决于粉煤灰中的硅酸盐和铝硅酸盐微细颗粒的含量，同时也取决于粉煤灰的细度。细度越大，水化触及面越大，二次水化反应越充分，且二次反应产生的凝胶封堵了毛细管路，增强了密实性，提高了混凝土的耐久性。这种二次水化反应只有Ⅰ级粉煤灰和磨细粉煤灰可以彻底完成。所以掺加Ⅰ级或磨细粉煤灰是很有必要的。

但使用粉煤灰时，还应严格控制SO3的含量。因硫酸盐与硅酸盐发生反应后，生成钙矾石。如SO3含量过大，生成的钙矾石过多，则会引起混凝土的体积的不稳定性，降低混凝土耐久性。这种现象在学术上称为水泥杆菌。所以，配制高性能微膨胀混凝土时，粉煤灰中SO3含量应控制在0.5%～1.5%左右。并且在配制高等级高性能的微膨胀混凝土时，掺用粉煤灰，它可以起到减少水泥用量的作用，也可以起到增加混凝土的和易性、可泵性、提高混凝土的强度的作用，并可降低混凝土中的水化热，提高新拌及硬化混凝土性能。配制C50及以上的高性能微膨胀混凝土必须掺用外掺料，并应掺加Ⅰ级或磨细粉煤灰。如掺Ⅱ级及以下的粉煤灰，会造成强度降低，混凝土干缩增大。粉煤灰的技术指标，应符合现行国家标准《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》的规定。

1.5外加剂

高效减水剂能使水泥起到分散作用，以改善混凝土的和易性并相对地释放出一部分水，在维持W/C不变时，可以减少立方用水量，减少由于多余的水分蒸发而留下的毛细孔体积，且孔径变细，结构致密，同时水化使生成物分布均匀，这对于减少混凝土的收缩，提高混凝土的密实性是很有好处的。W/C不变，立方水泥用量可以减少，从而对于减少水化热、降低混凝土温度也起到很好的效果。有的减水剂掺有缓凝成份，能抑制水泥初期水化作用，这就有可能使温升速度缓慢，可改善混凝土的密实性、粘度等。所以，高效减水剂是配制高性能混凝土的主要成份。国内这种减水剂主要是萘系高效减水剂及密胺树脂类高效水剂。由于钢管混凝土在整个灌注期间，混凝土是蠕动性的，需一定的运输和泵送时间，且钢管混凝土在灌注后无法排出气泡及养护。所以对外加剂的选择尤为重要，因外加剂掺在不同膨胀剂的混凝土中产生的效果不同，选择外加剂一定要多次试验后方可使用。根据试验，缓凝型减水剂会降低混凝土膨胀率，所以，掺加缓凝型减水剂时应多次试验，认为混凝土膨胀率合适才可使用。配制高性能微膨胀混凝土选用的高效减水剂应具有缓凝作用或是高效减水剂和缓凝剂搭配使用，且是非引气型、低气泡的减水剂。此类高效减水剂的质量应符合现行国家标准《混凝土外加剂》规定。

1.6膨胀剂

混凝土中掺加膨胀剂，在水泥硬化过程中，形成大量的体积增大的结晶体—水化硫铝酸钙C3A-3CaSO4-32H2O(又名钙矾石)。它能产生一定的膨胀能，在有钢管约束条件下，在结构中建立0.2～0.3MPa预应力，可抵消混凝土在硬化过程中产生的收缩应力，从而能使混凝土中的孔隙减小，毛细孔径减小，提高混凝土的密实性，混凝土的抗压强度和轴心抗压强度也成倍地增长，这时膨胀能转变为自应力，使混凝土处于受压状态，从而提高抗裂能力。所以微膨胀混凝土在有应力情况下，自身的强度远远大于设计值，其强度保证率大于97%。

选择膨胀剂一定要多试验几个品种，膨胀剂应对混凝土后期强度及质量无损害，与所用水泥适应性好。在我国主要是使用U型膨胀剂、复合膨胀剂及明矾石膨胀剂。

2设计高性能膨胀混凝土的几个问题

2.1试配强度

混凝土的施工配制强度应高于设计要求的标准值，以满足强度保证率的需要。标准差的确定，可按一般高性能混凝土的设计方法进行配制强度的计算，不需要计算后按高一级强度等级的强度值作为施工配制强度，主要一点在于进行施工配合比的验证工作。该种微膨胀混凝土设计强度一般为C40～C50，根据以往的经验和高性能混凝土的设计原则，应控制水灰比，把水灰比确定为定值。由于W/C对钢管混凝土的膨胀系数影响很大，W/C小，膨胀时间延长，不利于钢管受力；W/C大，则膨胀发挥较早，强度下降，对提高结构受力不利。所以在设计过程中一定要根据多次试验，控制好W/C。然后，进行各种材料用量的调整。

2.2砂率的确定

由于在高性能混凝土的设计中，砂率是根据测得砂、石混合最小空隙率(a＝(表观密度-容重)/表观密度)计算而来，该计算值为最佳砂率。在配制高等级高性能混凝土过程中尤其重要。但钢管混凝土的灌注过程和一般高等级混凝土的灌注过程是不一样的，该种混凝土是采用在钢管中顶升灌注，在顶升的过程中，混凝土要有极好的和易性。粗骨料在顶升过程中不会由于自身的重力作用而下落，否则会造成顶升压力过大而失败。在设计混凝土配合比过程中混凝土中碎石应稍微呈悬浮状态，不能下沉。所以该种混凝土的砂率可提高一些。由于提高了砂率，会造成混凝土的水泥用量比原来要大些，膨胀率会小些。但只要能保证灌注的钢管混凝土后期为无应力或微应力即可。

2.3凝结时间的确定

由于钢管混凝土一般都采用顶升灌注法，在顶升的过程中，不允许混凝土初凝，所以在设计中就应考虑掺加高效减水剂或缓凝剂，以延缓混凝土的凝结时间。但掺加缓凝剂会减少混凝土的膨胀率，这样就产生了相互矛盾。为解决此问题，在膨胀值不符合设计要求的情况下，可掺加矾土水泥或石膏，或在现场进行模拟试验，在什么膨胀条件下，可保证钢管混凝土的饱和度，也可在允许的范围内，增大高效减水剂的掺量，使缓凝延长。但掺用范围应严格控制试验，掺量过大，会引起泌水及和易性降低。这样几个方面同时进行多次试验，就可解决缓凝条件下，混凝土的膨胀率问题。

2.4膨胀剂掺量

对膨胀混凝土来说，膨胀剂的掺量，直接关系到混凝土膨胀率的问题。以下是我部进行的试验研究(。

2.5膨胀值的确定

钢管拱桥混凝土一般都是在限制条件下膨胀，膨胀值小，则钢管中混凝土会与钢筋间产生空隙，造成钢管与混凝土无法连成整体，受力降低；而膨胀过大，则在钢管内部形成很大的自应力，就会破坏混凝土内部结构，钢管本身一直在横向自应力的受力情况下，对本身结构受力有很大影响。因此，膨胀混凝土应有一个宜于控制的较大的膨胀值范围。根据我们施工实践认为钢管混凝土设计为无应力或微应力时，膨胀混凝土限制膨胀率28天控制在(2～6)-10-4的膨胀值是合理的。经现场超声波检测达到饱满、密实、无空隙，经测试其动静载试验都达到设计要求。所以根据成功的事例证明，控制无应力或微应力钢管桥中膨胀混凝土的膨胀值时。可考虑较大范围，这样易于控制，不至于因膨胀值微小的变化，造成构件结构受力的破坏。

3结束语

我国在钢管拱桥施工方面有成功的例子，也有失败的。我认为失败的原因主要是微膨胀混凝土的设计失败造成的钢管混凝土饱和度很差，引起结构受力下降，当然还有钢管本身结构缺陷造成的受力下降。设计工作是非常重要的环节，但也不可忽视施工方面的因素。由于膨胀混凝土的特殊性，在拌制混凝土的过程中，材料计量很小的误差，就会造成混凝土强度波动，及膨胀率增大或减小，引起结构受力降低、及钢管混凝土饱和度下降等破坏事故。因此，在施工前，优化设计，严格施工控制，是钢管微膨胀混凝土施工生产中必不可少的两大重要环节。

更多关于工程/服务/采购类的标书代写制作，提升中标率，您可以点击底部官网客服免费咨询：https://bid.lcyff.com/#/?source=bdzd

延伸=原长度X系数X（加热后温度－原温度）系数是线膨胀系数（单位：1/度），得出结论是11.53/1000000。

膨胀系数是表征物体热膨胀性质的物理量。