活性粉末混凝土(Reactive Power Concrete，简称RPC)是以水泥、细骨料、矿物掺合料等活性粉末材料、外加剂、钢纤维、水等原材料生产的高强增韧混凝土。在钢管内灌入RPC形成钢管RPC，可以充分发挥钢管的抗拉性能和活性粉末混凝土的抗压性能，两者组合能极大地提高结构的界面粘结强度，能显著提高结构的受压承载力，有望解决在实际工程中钢管混凝土结构界面粘结性能不足的问题。钢管与RPC之间的界面作用比较复杂，已有学者得出了影响钢管RPC界面作用的因素有养护温度和钢管的径厚比，但是对钢管和RPC的界面作用机理研究不够深入，对于化学胶结力、机械咬合力及摩擦力如何工作、在受力过程中各部分所起的作用还不清楚。

　　 目前国内外学者开展了一系列关于钢管混凝土界面作用的研究，主要如下:1999年，Roeder等^[1]对钢管混凝土的界面作用进行了研究，研究结果表明界面的粘结强度与混凝土干缩和钢管的径厚比有关。2013年，华东交通大学马腾^[2]对11根圆钢管混凝土进行试验;试验结果表明，钢管内壁的粗糙状态对钢管混凝土的界面粘结力影响较大，钢管内壁不打磨的极限破坏荷载比内壁有机械打磨的极限荷载大142%。2014年，武汉理工大学郑瑛英^[3]通过改变膨胀剂掺量，进行了6根钢管混凝土的试验;结果表明，4%和6%膨胀剂掺量的试件的粘结力比0%掺量的试件分别提高48.6%和137.9%。2016年，湖南大学许志海^[4]通过改变钢材尺寸、养护温度，进行5根钢管RPC试件的推出试验，获得了钢管与RPC的荷载-滑移曲线。

　　 目前对于钢管RPC研究的不足之处如下:1)界面作用机理不详。对钢管和RPC的界面作用机理研究不够深入，对于化学胶结力、机械咬合力及摩擦力如何工作、在受力过程中各部分所起的作用还不清楚，仅提出了一个简单的计算钢管RPC粘结强度的公式^[5]，但此公式还不具有普遍适用性，公式的适用范围还需要进一步的深入研究和分析。2)影响界面粘结强度的主要因素不能确定。钢管RPC的界面作用比较复杂，已有学者^[5]得出了影响钢管RPC界面作用的因素有养护温度和钢管的径厚比，但是主要的影响因素目前还没有确定，对于钢管的不同截面形状对界面作用的影响目前还是空白，有待深入研究。3)缺乏有限元分析。目前对于钢管RPC界面作用主要是依据试验研究，而且试验数据少，缺乏相应的有限元分析，因此还需对钢管RPC界面作用进行有限元模拟与分析，以期与试验进行对比分析，得到更准确的结论。

　　 鉴于上述情况，本文制作39个钢管RPC试件对其进行推出试验，拟揭示钢管RPC的约束本质，为工程设计和施工奠定基础。

　　 本试验选择钢管截面厚度、钢纤维掺量和养护温度作为试验的参数，制作39个钢管RPC试件进行推出试验，钢管试件尺寸为外径165mm、钢管截面厚度3,3.5,4mm，高度400mm。

　　 制备试件所用水泥、钢纤维等其他材料如图1所示。圆钢管采用20#无缝钢管，钢管材料性能参数如表1所示，硅灰性能参数如表2所示。所用的钢纤维为抗腐蚀铣削型钢纤维，长度25mm，宽度2.0～2.6mm，厚度0.4～0.8mm，抗拉强度700MPa以上，掺入钢纤维，能加大混凝土的抗拉强度。RPC的配合比如表3所示。

　　 先将砂、硅灰和水泥依次倒入搅拌机内，干拌2min使之混合均匀，接着掺入钢纤维，搅拌3min，最后将溶有聚羧酸减水剂的水缓慢加入搅拌机，均匀搅拌成混凝土浆体，搅拌3min。

　　 搅拌完成后依次将混凝土浆体浇入钢管试件中，钢管顶部预留50mm空钢管作推出空间，用抹刀沿管壁抹平，用直尺测量预留的距离，直至浇筑到满足设计要求为止。用混凝土插入式振动棒将装好料的钢管进行振动，振动到混凝土密实为止，密实的标志是混凝土停止下陷，不再冒出气泡，表面呈现平坦、乏浆，然后将试件进行养护。养护分为标准养护、夏季常温养护、蒸汽养护，标准养护是将试件放入养护温度(20±2)℃、湿度为95%以上的标准养护室按照28d龄期进行养护;夏季常温养护就是放入养护温度(30±2)℃、湿度为95%以上的养护室按照28d龄期进行养护;蒸汽养护是将试件放入养护温度(20±2)℃、湿度为95%以上标准养护室养护1d，然后放入60℃蒸汽养护2d，再移入上述标准养护室养护25d。试件整体照片图如图2所示。

　　 钢管混凝土的界面粘结强度主要与钢管截面厚度、混凝土强度、养护条件、钢管表面的粗糙程度等因素有关。本试验选择钢管截面厚度、钢纤维掺量和养护温度作为试验的参数。第一组试验的目的是为了研究钢管截面厚度对钢管RPC界面粘结强度的影响，试件系列及编号见表4。第二组试验的目的是为了研究钢纤维掺量对钢管RPC界面粘结强度的影响，试件系列及编号见表5。第三组试验的目的是为了研究养护温度对钢管RPC界面粘结强度的影响，试件系列及编号见表6。试件编号中C代表钢管混凝土构件试件，其后的数字代表钢管截面厚度;V代表钢纤维掺量的体积，其后的数字代表钢纤维体积掺量，Y1代表标准养护，Y2代表夏季常温养护，Y3代表蒸汽养护。

　　 试验在力学实验室的电液伺服万能试验机上进行。本试验加载制度采用位移控制，加载速率为0.6mm/min，当位移达到25mm或者钢管屈曲时停止加载，在加载过程中每0.5mm位移时记录一次数据^[5]。力和位移的数据通过与试验机相连的计算机输出，然后利用ORIGIN绘图软件绘制。本试验采用推出试验，即在钢管上部预留50mm左右的空余部分，在下部钢管和混凝土下表面上放置的内径略比钢管小的钢垫板。试验时，试件上部钢管受压，下部钢垫板给混凝土施加轴向压力，通过压力将核心混凝土推出钢管。在推出过程中，在钢管与混凝土之间的界面上有剪力产生，此剪力即为钢管和RPC之间的作用力。加载过程和应变数据采集分别如图3、图4所示。

　　 对39个试件进行推出试验，得到24个试件的有效数据。

　　 试件整体和局部破坏图分别如图5、图6所示。

　　 在试件下部加载端安装位移计，测定钢管与RPC的相对位移值。以荷载传感器测得的推出荷载为纵坐标、位移计测得的钢管与RPC相对位移量为横坐标做出的荷载-位移(N-s)曲线如图7～14所示。

　　 分析各试件的荷载-位移曲线可以发现，钢管RPC的界面受力分为如下三个阶段:

　　 (1)初始阶段:该阶段的主要特征是线性变化，力与位移成正比，界面作用主要由化学粘附力和钢管与RPC的咬合力组成，随着荷载的增加，界面出现轻微相对滑动，化学粘附力逐渐变小，曲线出现第一个转折点时化学粘附力完全消失，此时界面作用主要由RPC与钢管之间的摩擦力和咬合力承担，转折点荷载为初始滑动荷载^[6]。

　　 (2)摩擦滑移阶段:该阶段的主要特征是试件进入非线性状态，随着荷载的增加，钢管内壁与RPC相互挤压，使钢管横向产生拉应力，同时两者有相对滑动趋势，为阻止RPC滑动，摩擦力逐渐增大，曲线到达第二个转折点时，摩擦力达到最大值，此时曲线出现的荷载定义为界面粘结破坏荷载^[7]。

　　 (3)破坏阶段:该阶段的主要特征是荷载逐渐下降，钢管与RPC整体发生相对滑动，RPC与钢管之间的摩擦系数降低，摩擦力逐渐减小，此时的界面作用主要由部分摩擦力和咬合力组成^[8]，随着时间的增加，当位移达到25mm左右时，荷载急剧下降，试件完全破坏，此时的荷载定义为极限破坏荷载。

　　 从图7～14可以看出，在试验施加荷载初期，RPC与钢管壁粘结较好，没有明显破坏特征，荷载-位移曲线为直线状态，仅在试件端部有微小的位移，随着荷载继续增大，钢管与RPC之间出现相对滑移，曲线出现第一个转折点，直线变成曲线。随荷载继续增大，少部分试件荷载呈直线下降趋势，说明随着钢垫块进入钢管，钢管与RPC之间的摩阻力不再起作用^[9]。大部分试件随荷载继续增大，曲线会出现第二个转折点，但是荷载上升趋势逐渐变缓，并在达到峰值点后下降，在位移达到15mm左右时荷载下降明显。

　　 为了研究钢管与RPC的界面作用沿着钢管横向和纵向的发展规律，在钢管试件上下距端部50mm处各贴横向和竖向应变片2片，主要测量混凝土推出过程中管壁的应变。对每个系列试件的应变、位移取平均值后绘制了纵向和横向应变-位移曲线，见图15～22，规定拉应变为正，压应变为负。

　　 从图15～22可以看出，钢管的纵向应变为负值，说明在推出试验过程中，钢管的纵向处于受压状态;随着位移的增大，纵向应变逐渐增大，应变增加值较小。横向应变为正值，说明随着钢管与RPC的相互作用，钢管约束RPC的变形，导致钢管的横向应变持续增大，钢管对RPC产生被动约束，随着RPC逐渐被推出，钢管端部的横向变形逐渐增大。

　　 分别从钢管截面厚度、钢纤维掺量和养护温度3个因素分析其对钢管RPC界面粘结强度的影响。

　　 (1)钢管截面厚度对界面作用的影响

　　 如表7所示，在除钢管截面厚度不同外，其他条件完全一样的情况下，界面粘结破坏荷载随着钢管厚度增大而逐渐增大，峰值位移随着钢管厚度增大而有所减小，说明随着钢管厚度增大，结构的稳定性逐渐增加。通过观察图7～9试件系列C3V2Y1,C3.5V2Y1,C4V2Y1(钢纤维掺量为2%、标准养护，钢管厚度分别为3,3.5,4mm)的荷载-位移曲线可知，钢管截面厚度为3mm和3.5mm的试件界面粘结破坏荷载在130～150kN之间;钢管截面厚度为4mm的试件系列C4V2Y1中有一个试件的界面粘结破坏荷载个别达到了170kN左右。从图7～9中还可以看出，在截面厚度较薄时，同试件系列的初始滑动荷载和界面粘结破坏荷载离散性较大，说明钢管越薄，钢管截面厚度对试验结果的影响越大;钢管截面厚度对初始滑动荷载的影响比较小，对界面粘结破坏荷载的影响比较大。主要原因在于在加载初期，界面作用力主要由化学粘附力和钢管与RPC的咬合力承担，钢管截面厚度对化学粘附力和钢管与RPC的咬合力影响较小，加载后期，界面作用力主要由摩擦力和机械咬合力承担，钢管截面越厚，钢管对RPC的约束力越大，也就增大了钢管与RPC的摩擦力^[10]，因此钢管截面厚度对界面粘结破坏荷载影响较大。

　　 (2)钢纤维掺量对界面作用的影响

　　 如表8所示，随着钢纤维掺量逐渐增大，界面粘结破坏荷载逐渐增大，峰值位移呈上升趋势，部分离散性较大。通过观察试件C4V0Y1,C4V1Y1,C4V2Y1,C4V3Y1系列(钢管截面厚度4mm，钢纤维掺量分别为0%,1%,2%,3%，标准养护)的荷载-位移曲线可知，钢纤维掺量为0%时，荷载-位移曲线的离散性较大，初始滑动荷载平均为90kN左右，界面粘结破坏荷载平均为97kN左右，钢纤维掺量为1%时，初始滑动荷载平均为100kN左右，界面粘结破坏荷载平均可达138N左右;钢纤维掺量为2%时，初始滑动荷载平均为120kN左右，界面粘结破坏荷载平均可达150kN左右;钢纤维掺量为3%时，初始滑动荷载平均为130kN，界面粘结破坏荷载平均在175kN左右，界面粘结破坏荷载最大为196.450kN。钢纤维掺量从0%增大到1%时，初始滑动荷载平均增大11.1%，界面粘结破坏荷载平均增大42.3%，但钢纤维掺量从1%增大到3%时，初始滑动荷载平均增大30%，界面粘结破坏荷载平均增大26.8%，说明增加钢纤维掺量是提高钢管RPC界面粘结破坏破坏荷载的一个有效措施。

　　 (3)养护温度对界面作用的影响

　　 通过观察试件C4V2Y1,C4V2Y2,C4V2Y3系列(钢管截面厚度4mm，钢纤维掺量2%，分别为标准养护、夏季常温养护和蒸汽养护)荷载-位移曲线可知，标准养护和夏季常温养护两者的初始滑动荷载和界面粘结破坏荷载变化不大，夏季常温养护的荷载-位移曲线离散性较大;相对于标准养护、夏季常温养护，蒸汽养护的初始滑动荷载平均值由120kN增加到150kN，提高了25%，界面粘结破坏荷载平均值由140kN增加到165kN，提高了17.9%，表明养护温度对初始滑动荷载的影响大于对界面粘结破坏荷载的影响。主要原因是经过高温养护，RPC中的化学成分得到充分反应，钢管与RPC之间的化学粘附力得到提高，加载初期，界面作用主要由化学粘附力和咬合力承担，加载末期，界面作用主要由摩擦力和机械咬合力承担^[11]，因此养护温度对界面粘结破坏荷载的影响比较小。

　　 (1)钢管RPC的受力分为初始阶段、摩擦滑移阶段和破坏阶段，界面作用力由化学粘附力、机械咬合力和摩擦力组成。钢管的纵向应变为压应变，应变增加值较小，横向应变随荷载的增大持续增大，整体上试件下部的应变大于上部的应变，中部的应变大于两端的应变，但局部有突变。

　　 (2)钢管截面厚度对初始滑动荷载的影响比较小，对界面粘结破坏荷载的影响比较大，初始滑动荷载和界面粘结破坏荷载随着钢管截面厚度的增大而增大，钢管壁越薄，对初始滑动荷载和界面粘结破坏荷载影响越小。

　　 (3)钢纤维掺量从0%增大到1%，初始滑动荷载增大11.1%，界面粘结破坏荷载增大42.3%，但钢纤维掺量从1%增大到3%，初始滑动荷载增大30%，界面粘结破坏荷载增大26.8%，说明增加钢纤维掺量是提高钢管RPC初始滑动荷载的一个有效措施，一定程度上增大了钢管RPC结构的稳定性。

　　 (4)相对于标准养护、夏季常温养护，蒸汽养护的初始滑动荷载平均值由120kN增加到150kN，提高了25%，界面粘结破坏荷载平均值由140kN增加到165kN，提高了17.9%，养护温度对初始滑动荷载的影响大于对界面粘结破坏荷载的影响。

　　 由于试验条件的限制，本试验还有需要改进的地方，如位移和应变的测量手段有待进一步改进，以便获取更准确的钢管RPC破坏过程。样本总量不够，只有24个有效试件，需要借助于有限元进行数值模拟，以便对钢管RPC的破坏机理进行更详细的分析。