型鋼再生混凝土界面粘結(jié)滑移試驗研究

楊卓強，劉元珍

（1.太原科技大學(xué) 交通與物流學(xué)院，山西 太原 030024；2.太原理工大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，山西 太原 030024）

0 引 言

再生混凝土即利用廢棄混凝土破碎加工處理形成的再生骨料，部分或者全部取代天然骨料制備而成的混凝土[1-2]。隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)速度進一步提速，混凝土骨料的需求量也越來越大，大量的開山采石嚴重破壞了生態(tài)環(huán)境[3-4]。與此同時，建筑業(yè)產(chǎn)生的廢棄物排放量也持續(xù)增加，占據(jù)了大量土地資源，引起環(huán)境及社會問題[5]。再生混凝土較好地解決了建筑資源節(jié)約及建筑廢棄物處理兩大難題，實現(xiàn)建筑資源可持續(xù)發(fā)展。目前，再生混凝土材料配合比、基本力學(xué)性能及各類構(gòu)件承載力與抗震性能均得到了較多研究，形成了相對完善的體系[6-7]。

型鋼再生混凝土由型鋼和再生混凝土組合形成，具有型鋼混凝土結(jié)構(gòu)承載力高、剛度大的優(yōu)點，同時又實現(xiàn)了廢棄混凝土資源的再利用，型鋼再生混凝土的應(yīng)用推廣有著重要的意義。目前型鋼與再生混凝土間粘結(jié)性能的研究還相對較少，型鋼與再生混凝土協(xié)同工作性能尚需進一步明確?；诖耍驹囼為_展型鋼再生混凝土界面粘結(jié)滑移相關(guān)研究，研究變化參數(shù)包括再生骨料取代率、保護層厚度、橫向配箍率、錨固長度等因素，開展靜力加載試驗，探討型鋼再生混凝土粘結(jié)滑移受力機理，為型鋼再生混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用推廣提供參考。

1 試驗

1.1 原材料及配合比

水泥：獅頭牌P·O42.5水泥，28 d抗壓強度48.9 MPa；河砂：中砂，細度模數(shù)2.8；碎石：粒徑5～20 mm，級配良好；再生粗骨料：來自某既有建筑拆遷廢棄混凝土，粒徑5～20 mm，表觀密度2490 kg/m3，壓碎指標16%；普通熱軋工字鋼Ⅰ10；試件縱向鋼筋采用HRB35鋼筋，水平箍筋選用HPB300鋼筋。

試驗中再生骨料取代率分別為0、30%、50%、100%，混凝土配合比和28 d抗壓強度、軸心抗拉強度如表1所示。

表1 混凝土配合比和28 d抗壓強度、軸心抗拉強度

1.2 試驗方案

本試驗共設(shè)計10組型鋼再生混凝土推出試件，試件截面設(shè)計如圖1所示。各試件變化參數(shù)包括：再生骨料取代率（r）、保護層厚度（a）、箍筋配置、錨固長度（l）。試驗設(shè)計如表2所示。SRRC-1～SRRC-4試件對比不同再生骨料取代率的影響，SRRC-4～SRRC-6試件對比保護層厚度的影響，SRRC-4、SRRC-7、SRRC-8試件對比橫向配箍率的影響，SRRC-4、SRRC-9、SRRC-10試件對比錨固長度的影響。

圖1 試件截面設(shè)計示意

表2 試件設(shè)計參數(shù)

試件采用YAW-5000 kN力學(xué)試驗機加載，通過位移控制單調(diào)加載，加載速度為0.002 mm/s。試驗過程中，通過粘結(jié)于型鋼腹板表面的應(yīng)變片采集型鋼粘結(jié)應(yīng)力分布，應(yīng)變片布置間距為50 mm。應(yīng)變片粘貼完成后，采用薄鋼片粘貼于應(yīng)變片表面，用以保護應(yīng)變片，同時減小應(yīng)變片粘貼對型鋼和混凝土界面的破壞。通過在試件加載端和自由端安裝位移計，測試試件的滑移值。加載裝置示意如圖2所示，圖2中的鋼支座預(yù)先開設(shè)出大于型鋼尺寸的洞口。應(yīng)變片布置如圖3所示。

圖2 試件裝置示意

圖3 應(yīng)變片布置

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 加載過程分析

在試驗加載初期，型鋼與再生混凝土間并未出現(xiàn)滑移，試件表面未出現(xiàn)肉眼可見的裂縫，此時型鋼與再生混凝土間的粘結(jié)應(yīng)力主要為化學(xué)膠結(jié)力。當(dāng)荷載增大至峰值荷載的40%～60%時，試件加載端首先出現(xiàn)滑移，試件進入局部滑移階段，滑移逐漸向自由端擴展，隨著滑動區(qū)域的擴展，試件的化學(xué)膠結(jié)力逐漸降低，型鋼與再生混凝土之間的摩阻力及機械咬合力逐漸發(fā)揮作用。當(dāng)荷載接近峰值荷載時，試件側(cè)面出現(xiàn)的裂縫逐漸發(fā)展成為貫通整個試件高度的主裂縫。當(dāng)荷載達到峰值荷載后，試件發(fā)出巨響，荷載突然下降30%～40%，試件進入全滑移階段，試件加載端與滑移段位移相差較小，荷載下降較為平緩，直至整個試驗結(jié)束。

2.2 試件破壞形態(tài)

圖4為部分典型試件裂縫分布情況，試件裂縫首先在試件端部產(chǎn)生，隨后逐漸發(fā)展延伸，直至貫通整個試件長度范圍。對型鋼翼緣所在側(cè)貫通裂縫觀察可知，裂縫均呈現(xiàn)外寬內(nèi)窄，可以推斷裂縫由外向內(nèi)逐漸發(fā)展。在試件的自由端及加載端型鋼的肢尖存在向角部方向延伸的裂縫，此類裂縫的形成及發(fā)展受不同箍筋配置及保護層厚度等因素影響，截面配箍率較高、保護層厚度較大的構(gòu)件，裂縫長度相對較短，裂縫發(fā)展受到限制。

圖4 典型試件裂縫分布

2.3 荷載-滑移曲線

由于不同型鋼再生混凝土試件的荷載-滑移曲線變化規(guī)律相差不大，圖5列舉了典型試件SRRC-2、SRRC-4、SRRC-8加載端荷載-滑移曲線。

圖5 典型試件荷載-滑移曲線

對圖5進行分析可知，加載端荷載-滑移曲線分為4個階段，即無滑移階段、荷載上升階段、荷載快速下降階段和荷載平緩下降階段。在試件加載初期，加載端并未出現(xiàn)滑移，直至達到極限荷載的40%～60%時，加載端才開始產(chǎn)生滑移，首次出現(xiàn)滑移時對應(yīng)的荷載即初始滑移荷載。隨著荷載的增加，加載端滑移逐漸增大，上升段曲線斜率逐漸下降，直至達到峰值荷載，此階段即荷載上升階段，對應(yīng)的峰值荷載即為極限荷載。荷載超過峰值荷載后，曲線迅速跌落，荷載突然降低30%～40%，即荷載快速下降階段。此后，試件滑移進一步增大，荷載下降速度較為緩慢，試件進入荷載平緩下降階段，對應(yīng)的此階段的起點即為殘余荷載。

2.4 特征粘結(jié)強度

型鋼再生混凝土特征粘結(jié)強度如表3所示。其中Pc為開裂荷載，對應(yīng)試件出現(xiàn)首條裂縫時刻的荷載；Pu為峰值荷載，對應(yīng)試件荷載-滑移曲線的最高點荷載；Pr為殘余荷載，對應(yīng)荷載-滑移曲線進入平緩下降階段的初始荷載?；谠囼灲Y(jié)果，通過式（1）計算得出對應(yīng)的開裂平均粘結(jié)應(yīng)力τc、峰值平均粘結(jié)應(yīng)力τu、殘余平均粘結(jié)應(yīng)力τr。

式中：τ——試件平均粘結(jié)應(yīng)力，MPa；

C——型鋼橫截面周長，mm。

表3 型鋼再生混凝土試件的粘結(jié)強度

2.5 粘結(jié)應(yīng)力

通過粘貼于型鋼表面的應(yīng)變片采集型鋼應(yīng)變沿型鋼腹板長度方向分布規(guī)律，典型試件SRRC-2、SRRC-4、SRRC-8的應(yīng)變沿型鋼長度方向呈指數(shù)分布（見圖6）。

基于試驗結(jié)果，擬合出SRRC-2、SRRC-4、SRRC-8試件在Pu和70%Pu應(yīng)力水平應(yīng)變分布函數(shù)表達式，擬合函數(shù)與試驗結(jié)果吻合良好，各擬合公式如表4所示。

表4 應(yīng)變擬合曲線結(jié)果

圖6 應(yīng)變分布及擬合曲線

基于應(yīng)變分布規(guī)律及圖7所示受力分析簡圖，建立出單元應(yīng)力平衡方程如下式（2）所示：

圖7 型鋼受力簡圖

綜合上述公式，整理得出型鋼再生混凝土粘結(jié)應(yīng)力分布函數(shù)，如式（3）所示：

式中：A——型鋼的截面面積，mm2；

E——鋼材的彈性模量，N/mm2。

由式（3）計算得出沿型鋼長度方向應(yīng)力分布如圖8所示，由圖8可知，型鋼最大粘結(jié)應(yīng)力位置在加載端附近，并向自由端逐漸遞減，遞減速度逐漸下降。

圖8 粘結(jié)應(yīng)力隨型鋼長度的分布

3 型鋼再生混凝土粘結(jié)強度影響因素分析

3.1 再生骨料取代率的影響

由表3可知，隨著再生骨料取代率增大，試件粘結(jié)強度逐漸降低。結(jié)合表1中不同再生骨料取代率混凝土的抗壓強度可知，型鋼再生混凝土粘結(jié)強度與再生混凝土的抗壓強度隨再生骨料取代率變化規(guī)律基本一致，再生骨料取代率對試件粘結(jié)強度的影響因素主要在于混凝土抗壓強度的變化。隨著混凝土抗壓強度的降低，混凝土內(nèi)部缺陷相對增多，致密性下降，混凝土與型鋼間粘結(jié)性能隨之受到影響。

3.2 保護層厚度的影響

由表3可知，隨著保護層厚度增大，極限粘結(jié)強度、殘余粘結(jié)強度均隨之提高。當(dāng)保護層厚度為100 mm時，峰值粘結(jié)強度和殘余粘結(jié)強度較保護層厚度為50 mm的分別提高7.0%、27.8%。型鋼保護層厚度增加，混凝土對型鋼包裹效應(yīng)隨之增大，型鋼與混凝土界面壓力有所提高，試件粘結(jié)強度得到增大。同時保護層厚度增加，試件抗裂性能也得到提高，這也有利于試件粘結(jié)強度提高。

3.3 橫向配箍率的影響

由表3可知，當(dāng)橫向配箍率由0.36%分別提高到0.59%、0.71%時，試件極限粘結(jié)強度分別提高了3.62%和6.74%。隨著橫向配箍率的增加，箍筋對混凝土的約束作用逐漸增強，當(dāng)受到外界荷載作用時，型鋼與混凝土接觸界面受到箍筋套箍作用，對混凝土裂縫的發(fā)展具有抑制作用，有利于提高試件粘結(jié)強度。

3.4 錨固長度的影響

由表3可知，隨著錨固長度增大，試件峰值粘結(jié)強度降低，且降低速率隨錨固長度增大而增大；錨固長度對殘余粘結(jié)強度影響較小。

4 粘結(jié)強度計算

根據(jù)本次試驗結(jié)果，通過回歸分析，得出型鋼再生混凝土粘結(jié)強度計算公式如下：

采用式（4）的計算值與實測值的比較如表5所示，由表5可知，式（4）計算值與實測值比值為0.98～1.03，計算值與實測值較為接近，吻合較好。

表5 極限粘結(jié)強度計算值與實測值比較

5 結(jié) 論

（1）型鋼再生混凝土粘結(jié)滑移破壞過程可以分為無滑移、局部滑移和全滑移3個階段。

（2）型鋼再生混凝土推出試驗中，試件端部裂縫表現(xiàn)為劈裂破壞，裂縫的形成及發(fā)展受保護層厚度、截面配箍率等因素影響。

（3）型鋼再生混凝土粘結(jié)強度隨著再生骨料取代率的增大而降低，這與混凝土抗壓強度變化規(guī)律相一致，再生骨料取代率對試件粘結(jié)強度的影響主要在于混凝土抗壓強度的變化。

（4）隨著保護層厚度、橫向配箍率的增加，型鋼再生混凝土粘結(jié)強度相應(yīng)提高。隨著錨固長度增大，試件峰值粘結(jié)強度降低，且降低速率隨錨固長度增大而增大，錨固長度對殘余粘結(jié)強度影響較小。

（5）通過回歸分析，擬合得出型鋼再生混凝土粘結(jié)強度計算公式，粘結(jié)強度計算值與實測值的比值為0.98～1.03，吻合較好。