鋼管赤泥混凝土粘結(jié)滑移影響因素*

武 斌，譚卓英，王 舜，佟明來

(1. 北京科技大學 土木與資源工程學院，北京 100083；2. 遼寧省交通高等?？茖W校 建筑工程系，沈陽 110122；3. 沈陽大學 建筑工程學院，沈陽 110044；4. 萊蒙國際集團有限公司 設計部，廣東 深圳 518003)

赤泥混凝土[1]是一種新型的環(huán)保節(jié)能材料，它是利用鋁工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生的廢料赤泥經(jīng)過研磨、烘干后替代部分水泥加工制作而成，但是經(jīng)過有關(guān)學者的研究，赤泥混凝土具有一定的缺陷，如耐久性差、吸水率高、離散性大、輻射性比普通混凝土略高等[2-3]，影響了其在工程中的推廣應用，為了克服赤泥混凝土的缺陷，本文提出鋼管赤泥混凝土的概念，將鋼管和赤泥混凝土結(jié)合，形成鋼管赤泥混凝土，充分利用鋼管混凝土的優(yōu)點[4]來改善赤泥混凝土的缺陷.

各國學者對鋼管混凝土的粘結(jié)滑移性能進行了較系統(tǒng)的研究，主要集中在試驗研究、理論研究和數(shù)值模擬研究三個方面.其中，Zhong等[5]進行了方鋼管和圓鋼管混凝土的推出試驗；Qu等[6]進行了矩形鋼管混凝土的推出試驗，提出改善界面的類型可以有效地提高粘結(jié)性能；徐金俊等[7]通過15個試件的試驗研究總結(jié)了鋼管再生混凝土粘結(jié)破壞機理并回歸分析了粘結(jié)強度的承載力計算公式；姜封國等[8]利用有限元軟件Ansys模擬了在地震力作用下鋼管混凝土柱的粘結(jié)性，得出試件的耗能能力隨著粘結(jié)強度的提高而增強.

由于鋼管與赤泥混凝土的界面粘結(jié)滑移問題關(guān)系到鋼管赤泥混凝土界面的傳力可靠性問題，因此，在研究鋼管赤泥混凝土靜力性能之前，首先探討鋼管與赤泥混凝土界面的粘結(jié)滑移問題，本文進行了30個鋼管赤泥混凝土的推出試驗，來探討鋼管赤泥混凝土界面的粘結(jié)滑移性能.

1 試驗概況

1.1 試驗材料及配合比

鋼管為無縫鋼管，按《金屬材料室溫拉伸試驗方法》(GB/T228-2010)確定鋼材的屈服強度fy、抗拉強度fu、彈性模量Es，如表1所示.

表1 鋼管性能Tab.1 Properties of steel tubes

水泥采用亞泰牌P.O42.5普通硅酸鹽水泥；粗骨料為連續(xù)級配的碎石，最大粒徑為20 mm；細骨料為中砂；水為普通自來水；赤泥為山東魏橋北海氧化鋁拜耳法赤泥；外加劑為遼寧堅峰實業(yè)有限公司生產(chǎn)的混凝土增效劑；赤泥質(zhì)量替代率分別為0%、5%、10%、15%、20%；按《普通混凝土配合比設計規(guī)程》(JGJ55-2011)進行混凝土配合比設計，配合比如表2所示.表2中，序號“RMC-0”中字母“RMC”表示赤泥混凝土；字母后數(shù)字分別表示赤泥替代率為0%、5%、10%、15%、20%.

表2 赤泥混凝土的配合比Tab.2 Mixture proportion of red mud concrete (kg·m-3)

1.2 試件設計與制作

試驗共設計了30個試件，考慮了截面形式、赤泥替代率、混凝土強度、長徑比(埋置長度)、寬(徑)厚比5個變化參數(shù)，具體如表3所示.試件澆筑時，將鋼管放置于平整的鋼板上，赤泥混凝土分層澆筑振搗，當赤泥混凝土澆筑到距離鋼管頂端40 mm時，停止?jié)仓㈨斆婺ㄆ?，同時將澆筑的立方體赤泥混凝土試塊與鋼管赤泥混凝土試件在同條件下進行養(yǎng)護，澆筑的部分試件如圖1所示.

1.3 加載裝置與加載制度

試驗采用遼寧省建設科學研究院的200t微機控制壓力試驗機進行推出試驗加載，采用位移控制的加載方式，加載速率為0.01 mm/s.加載時，在加載端赤泥混凝土面上放置一塊60 mm厚鋼墊板，其尺寸比鋼管內(nèi)截面尺寸略小.試驗時，加載端赤泥混凝土受壓，自由端鋼管受壓，將赤泥混凝土推出鋼管，加載裝置如圖2所示.

1.4 測量內(nèi)容與測點布置

試驗前在鋼管外壁粘貼電阻應變片，測量推出試驗全過程的鋼管應變.利用鋼管應變差梯度，獲得粘結(jié)應力的分布規(guī)律.在鋼管側(cè)壁開設小孔，澆筑赤泥混凝土時，將鋼筋棒預埋入赤泥混凝土中并外伸出去，進行位移計的架設，測量鋼管與赤泥混凝土的相對滑移，如圖3所示(單位：mm).

表3 試件主要參數(shù)Tab.3 Main parameters of specimens

圖1 部分試件Fig.1 Part of specimens

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 試驗現(xiàn)象

圖2 加載裝置Fig.2 Loading device

2.2 荷載滑移曲線

圖4 方鋼管赤泥混凝土N-S曲線Fig.4 N-S curves of red mud concrete square steel tubes

圖5 圓鋼管赤泥混凝土N-S曲線Fig.5 N-S curves of red mud concrete circular steel tubes

兩種截面的鋼管赤泥混凝土試件在推出過程中，當化學膠結(jié)力和機械咬合力喪失后，鋼管與赤泥混凝土之間的粘結(jié)主要是靠二者間的摩擦力起主要作用，曲線較平緩地呈現(xiàn)下降趨勢，此時曲線處于下降段.這是由于隨著荷載的增大，當達到峰值荷載以后，試件已經(jīng)處于粘結(jié)破壞狀態(tài)，荷載下降而位移增加，呈現(xiàn)下降趨勢.

3 變化參數(shù)影響分析

3.1 赤泥替代率的影響

鋼管赤泥混凝土粘結(jié)破壞極限荷載與赤泥替代率的關(guān)系如圖6所示.由圖6可知，試件S-1～S-5的粘結(jié)破壞峰值荷載隨赤泥替代率的提高先增加后降低，提高幅度大約在20%～46%之間.試件C-1～C-5的粘結(jié)破壞極限荷載隨赤泥替代率的提高先增加后降低，提高幅度大約在5%～17.5%之間.赤泥替代率為5%時，粘結(jié)峰值荷載達到最大；赤泥替代率為20%時，粘結(jié)峰值荷載與標準鋼管混凝土相當.粘結(jié)荷載變化的原因主要是赤泥的替換，增加了膠結(jié)材料吸水的能力，導致二次水化的發(fā)生，提高了混凝土強度，從而增加了化學膠結(jié)力.

圖6 赤泥替代率與粘結(jié)荷載的關(guān)系Fig.6 Relationship between red mud replacement ratio and bond load

3.2 混凝土強度的影響

鋼管赤泥混凝土粘結(jié)破壞峰值荷載與混凝土強度的關(guān)系如圖7所示.由圖7可知，在相同寬(徑)厚比、長徑比(埋置長度)及赤泥替代率情況下，C50等級赤泥混凝土的粘結(jié)峰值荷載大于C30赤泥混凝土的粘結(jié)峰值荷載.根據(jù)文獻[8]可知化學膠結(jié)力與混凝土強度有關(guān)，當赤泥混凝土強度提高較大時，化學膠結(jié)力相應提高較大，故鋼管赤泥混凝土粘結(jié)荷載隨混凝土強度的提高而提高.

圖7 混凝土強度與粘結(jié)荷載的關(guān)系Fig.7 Relationship between concrete strength and bond load

3.3 長徑比(埋置長度)的影響

鋼管赤泥混凝土粘結(jié)破壞峰值荷載與長徑比(埋置長度)的關(guān)系如圖8所示.由圖8可知，在相同赤泥替代率、寬(徑)厚比及混凝土強度情況下，試件長徑比在1.86～2.93之間時，粘結(jié)峰值荷載隨長徑比的增加而增加，這與文獻[9]結(jié)論相符.

圖8 長徑比與粘結(jié)荷載的關(guān)系Fig.8 Relationship between length to diameter ratio and bond load

3.4 寬(徑)厚比的影響

鋼管赤泥混凝土粘結(jié)破壞峰值荷載與寬(徑)厚比的關(guān)系如圖9所示.由圖9可知，在相同赤泥替代率、混凝土強度及長徑比(埋置長度)情況下，方鋼管赤泥混凝土試件寬厚比在34.3～40之間，圓鋼管赤泥混凝土試件徑厚比在40～46.7之間時，試件粘結(jié)峰值荷載隨寬(徑)厚比的增加而降低，這是由于隨著寬(徑)厚比增加，套箍系數(shù)相應減小，導致了試件的粘結(jié)峰值荷載降低.

圖9 寬(徑)厚比與粘結(jié)荷載的關(guān)系Fig.9 Relationship between width (diameter) to thickness ratio and bond load

3.5 截面形式的影響

通過推出試驗發(fā)現(xiàn)，兩種不同的截面形式隨著推出荷載的提高，表現(xiàn)出不同的破壞形式，圓截面試件緩慢滑移到峰值點，然后平緩下降；方截面試件則達到峰值荷載后迅速下降，再上升達到次峰值荷載，而后進入平緩下降段.因此，圓截面的粘結(jié)滑移性能優(yōu)于方形截面，其主要原因為圓截面試件的約束均勻，僅達到一次峰值荷載，滑移承載力提高；方截面試件的約束主要集中在角部，對赤泥混凝土的約束較差，滑移先出現(xiàn)在中部，而后向角部擴展，因此產(chǎn)生了二次滑移即產(chǎn)生了次峰值荷載.這與文獻[10]結(jié)論相符.

4 結(jié) 論

本文通過分析得出以下結(jié)論：

2) 鋼管與赤泥混凝土界面之間的粘結(jié)峰值荷載隨赤泥替代率的提高先增加后降低，赤泥替代率為5%時，粘結(jié)峰值荷載達到最大；赤泥替代率為20%時，粘結(jié)峰值荷載與標準鋼管混凝土相當.

3) 粘結(jié)峰值荷載隨試件赤泥混凝土強度及長徑比的增加而增加，隨寬(徑)厚比的增加而減小.

4) 圓截面試件的粘結(jié)滑移性能優(yōu)于方截面試件的粘結(jié)滑移性能.