型鋼與地聚合物混凝土粘結(jié)滑移性能研究

孫 航,陳 娟,胡現(xiàn)岳,胡鵬兵

(長江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院,荊州 434023)

0 引 言

隨著全球變暖的加劇，節(jié)能減排已成為世界關(guān)注的重點。全球每年消耗混凝土遠超過170億t，生產(chǎn)硅酸鹽水泥所釋放的CO2占全球CO2排放量的7%[1-3]，為了減少生產(chǎn)水泥導(dǎo)致的環(huán)境污染，發(fā)展新型綠色混凝土材料迫在眉睫，地聚合物混凝土的出現(xiàn)為這個問題提供了解決途徑。地聚合物是以含硅鋁酸鹽物質(zhì)的天然礦物或工業(yè)固體廢物為原料，在堿性條件下反應(yīng)形成的無機聚合物，使用這種材料作為膠凝材料制備的地聚合物混凝土具有早強、耐高溫、耐腐蝕等特點[4-6]，而且制備過程中能源消耗少，CO2排放量低[7-8]，這些優(yōu)點使其替代水泥能成為一種可能。

目前有關(guān)地聚合物混凝土的研究主要集中在材料性能方面，但將它應(yīng)用到結(jié)構(gòu)中時，地聚合物混凝土需要和鋼材結(jié)合使用，鋼材和地聚合物混凝土的粘結(jié)錨固問題是地聚合物混凝土應(yīng)用于實際工程需要解決的首要問題。目前已有學(xué)者研究了鋼筋與地聚合物混凝土的粘結(jié)性能，如2011年，Sarker[9]研究了鋼筋直徑和地聚合物混凝土的抗壓強度對鋼筋與地聚合物混凝土粘結(jié)性能的影響。2015年，Castel等[10]對比研究了光圓鋼筋和變形鋼筋與地聚合物混凝土的粘結(jié)性能。2016年，張海燕等[11]研究并提出了鋼筋-地聚合物混凝土的粘結(jié)-滑移本構(gòu)模型。2019年，閆佳等[12]通過梁式試驗研究了鋼筋與地聚合物混凝土的粘結(jié)性能。2022年，趙軍等[13]研究了BFRP筋與地聚合物混凝土的粘結(jié)性能。盡管學(xué)者們已經(jīng)在鋼筋與地聚合物混凝土的粘結(jié)性能方面取得了一些研究成果，但目前有關(guān)鋼筋與地聚合物混凝土粘結(jié)性能的研究仍然較少，且尚未見到國內(nèi)外學(xué)者對型鋼與地聚合物混凝土粘結(jié)性能的研究報道，型鋼和地聚合物混凝土之間的粘結(jié)滑移規(guī)律尚不清楚。

型鋼混凝土結(jié)構(gòu)因其具有承載力高、抗震性能好等特點，目前已被廣泛應(yīng)用在高層建筑中。將型鋼和地聚合物混凝土兩種材料組成綠色環(huán)保的型鋼地聚合物混凝土結(jié)構(gòu)，不僅可以發(fā)揮型鋼混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)越的力學(xué)性能，還可以利用地聚合物混凝土早強、耐高溫、耐腐蝕的特點，使型鋼地聚合物混凝土結(jié)構(gòu)可以應(yīng)用于普通或特殊的使用環(huán)境中。為了確保型鋼與地聚合物混凝土能夠共同工作，研究型鋼與地聚合物混凝土之間的粘結(jié)滑移規(guī)律，建立型鋼-地聚合物混凝土的粘結(jié)-滑移模型至關(guān)重要。

本文設(shè)計了9個型鋼地聚合物混凝土柱推出試件，以地聚合物混凝土抗壓強度、型鋼的保護層厚度、型鋼的錨固長度和配箍率作為主要參數(shù)，分析型鋼地聚合物混凝土試件的破壞形態(tài)和各設(shè)計參數(shù)對試件粘結(jié)強度的影響，建立了型鋼-地聚合物混凝土粘結(jié)-滑移本構(gòu)模型，研究成果可為型鋼地聚合物混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計與應(yīng)用提供參考。

1 實 驗

1.1 試件設(shè)計

試驗共設(shè)計9個型鋼地聚合物混凝土柱試件，試件的詳細尺寸見圖1,設(shè)計參數(shù)見表1。采用粉煤灰(fly ash, FA)、偏高嶺土(metakaolin, MK)、NaOH固體和Na2SiO3溶液制備地聚合物，骨料采用中粗河砂和粒徑5～20 mm均勻級配的碎石，水采用自來水，各強度等級的地聚合物混凝土均預(yù)留3個標準立方體試塊。根據(jù)文獻[14]中地聚合物混凝土的配合比，以FA與MK的質(zhì)量比值、堿激發(fā)劑模數(shù)(溶液中Na2O和SiO2的質(zhì)量比值)和水膠比作為變量，設(shè)計了11個不同的地聚合物混凝土配合比，研究不同配合比的地聚合物混凝土的力學(xué)性能和工作性能，各配合比的設(shè)計參數(shù)及標準立方體試塊抗壓強度值見表2，最終選擇編號為3、4、11的配合比作為試驗配合比，其材料用量及試塊28 d抗壓強度值見表3。型鋼采用兩個10號槽鋼和兩塊6 mm厚鋼板經(jīng)環(huán)氧樹脂粘結(jié)在一起組成的H型鋼，縱筋采用直徑14 mm的HRB335級鋼，對稱布置共4根，箍筋選用直徑為6 mm的HPB300級鋼，鋼材的力學(xué)性能見表4。

圖1 試件尺寸示意圖Fig.1 Schematic diagram of specimen size

表1 試件設(shè)計參數(shù)Table 1 Design parameters of specimens

表2 不同配合比的地聚合物混凝土性能Table 2 Performance of geopolymer concrete with different mixture ratios

表3 地聚合物混凝土的配合比及28 d抗壓強度Table 3 Mixture ratio and 28 d compressive strength of geopolymer concrete

表4 鋼材的力學(xué)性能Table 4 Mechanical properties of steel

1.2 試件加載

采用推出試驗研究型鋼與地聚合物混凝土的粘結(jié)滑移性能。試驗在5 000 kN伺服液壓機上進行，加載方式采用位移加載，加載速度為0.3 mm/min，加載裝置如圖2所示。試件被放置在自制的鋼支座上，鋼支座上開有洞口，使得加載時型鋼能在鋼支座的孔洞中向下移動而地聚合物混凝土被固定不動。試驗過程中加載平臺向上移動，荷載直接作用于試件上端型鋼上，型鋼受力后將荷載傳遞至地聚合物混凝土，故試件上端為加載端，下端為自由端。試驗前將加載端型鋼和自由端混凝土打磨平整，確保加載時試件軸心受壓。加載前在試件兩端的型鋼上各固定一個鋼片，采用型號為YHD-50的位移傳感器測量鋼片的位移來獲得型鋼與地聚合物混凝土的相對滑移，使用水平尺確保鋼片加載時處于水平狀態(tài)，鋼片上開有小孔，位移計指針抵在鋼片的孔內(nèi)并與鋼片垂直，該裝置能保證位移計指針在加載過程中不會滑動且始終保持豎直。試驗前給予位移計一個初始示數(shù)，隨著加載平臺上升，加載端位移計讀數(shù)增大，增大的數(shù)值即為加載端的滑移量；自由端位移計讀數(shù)減小，減小的數(shù)值即為自由端的滑移量。荷載數(shù)據(jù)和位移計數(shù)據(jù)分別由液壓機和應(yīng)變箱采集，當荷載下降速率達到穩(wěn)定時，試驗結(jié)束。

圖2 試驗加載裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of test loading devices

2 結(jié)果與討論

2.1 試驗現(xiàn)象

加載初期，試件兩端鋼片的位移計示數(shù)無明顯變化；當荷載增大至極限荷載的40%～60%時，加載端鋼片的位移計示數(shù)出現(xiàn)較大變化，部分試件側(cè)面出現(xiàn)細小的裂縫；當荷載上升至極限荷載時，自由端鋼片的位移計示數(shù)出現(xiàn)明顯變化，裂縫從加載端向自由端快速發(fā)展形成通縫，試件破壞時有明顯的劈裂聲；隨后荷載迅速下降，試件的滑移量快速增長，裂縫寬度繼續(xù)增大。試驗過程中自由端混凝土出現(xiàn)剝落，部分試件有較大的地聚合物混凝土塊與型鋼一起被推出。

試件破壞模式為地聚合物混凝土劈裂破壞，有斜向劈裂裂縫、水平劈裂裂縫和垂直劈裂裂縫三種形式的裂縫產(chǎn)生。試件的典型破壞形態(tài)如圖3所示，大部分試件的破壞形態(tài)與圖3(a)中試件GC-C40-Cs60-Le540-ρ0.2類似，加載端混凝土裂縫呈現(xiàn)多種形態(tài)，以斜向裂縫為主，大多形成表面裂縫，較少形成通長裂縫。水平裂縫和垂直裂縫發(fā)展至地聚合物混凝土側(cè)表面后，會沿直線由加載端向自由端發(fā)展，最后形成通長裂縫。地聚合物混凝土強度對裂縫發(fā)展的影響較明顯，混凝土強度較高的試件，如圖3(b)中試件GC-C50-Cs60-Le540-ρ0.2，其加載端裂縫數(shù)量相對較少且以垂直裂縫為主，裂縫發(fā)展至地聚合物混凝土側(cè)表面后沿直線向下形成通長裂縫。

圖3 試件典型破壞形態(tài)Fig.3 Typical failure mode of specimens

2.2 荷載-滑移曲線

圖4(a)～(d)展示了試件加載端的荷載-滑移(P-S)曲線，觀察發(fā)現(xiàn)試件P-S曲線的發(fā)展趨勢相似，歸納后得到試件典型P-S曲線如圖4(e)所示，可將其分為無滑移段(OA)、荷載上升段(AB)、荷載下降段(BC)和水平殘余段(CD)四個階段。加載初期，型鋼無滑移產(chǎn)生，此時試件處于無滑移階段(OA)；隨著荷載增大，加載端型鋼產(chǎn)生滑移并隨荷載增加，此時試件處于荷載上升階段(AB)；試件載荷到達極限荷載后開始迅速下降，滑移量進一步增大，此時試件處于荷載下降階段(BC)；隨著試驗繼續(xù)進行，試件進入水平殘余階段(CD)，此時荷載趨于穩(wěn)定并維持在極限荷載的30%～50%。定義P-S曲線中初始滑移點A的荷載為初始荷載Ps，峰值點B的荷載為極限荷載Pu，殘余點C的荷載值為殘余荷載Pr，各試件荷載特征值見表5。由圖4(a)～(c)和表5中結(jié)果可知，隨著地聚合物混凝土抗壓強度、型鋼的保護層厚度和型鋼錨固長度的提高，試件的三個特征荷載值均呈上升趨勢。圖4(d)顯示，隨著配箍率的提高，試件的極限荷載出現(xiàn)先減小后

圖4 試件荷載-滑移曲線Fig.4 Load-slip curves of specimens

增大的現(xiàn)象，但初始荷載和殘余荷載仍隨配箍率的提高而增大，分析認為試件GC-C50-Cs60-Le540-ρ0.25存在一定的缺陷，隨著配箍率提高，試件的極限荷載也應(yīng)呈上升趨勢。不同設(shè)計因素對試件特征荷載的影響存在差異，型鋼的錨固長度對特征荷載的影響最大，配箍率對特征荷載的影響最小。

3 型鋼-地聚合物混凝土粘結(jié)性能研究

3.1 特征粘結(jié)強度分析

在試驗過程中，型鋼與地聚合物混凝土在錨固長度方向上的粘結(jié)力的分布是不均勻的，故以平均粘結(jié)強度作為加載過程中型鋼與地聚合物混凝土界面的粘結(jié)性能指標，具體計算如式(1)所示。

(1)

表5 試件特征值Table 5 Characteristic values of specimens

3.2 特征強度值影響因素分析

與型鋼-普通水泥混凝土的粘結(jié)機理類似[15]，型鋼與地聚合物混凝土之間的粘結(jié)力也由化學(xué)膠結(jié)力、摩擦阻力和機械咬合力三部分組成，不同設(shè)計參數(shù)對粘結(jié)強度的影響反映在對粘結(jié)力各組成部分的作用上，圖5給出了特征粘結(jié)強度與各設(shè)計參數(shù)的關(guān)系。

3.2.1 地聚合物混凝土抗壓強度

圖5(a)展示了地聚合物混凝土抗壓強度與試件特征粘結(jié)強度的關(guān)系。隨著混凝土抗壓強度增加，試件的各特征粘結(jié)強度均呈上升趨勢。試驗初期，加載端型鋼未產(chǎn)生滑移前，型鋼與地聚合物混凝土之間的粘結(jié)力主要由化學(xué)膠結(jié)力提供，混凝土抗壓強度越高，型鋼與地聚合物混凝土界面的化學(xué)膠結(jié)力就越高，因此隨著地聚合物混凝土抗壓強度的提高，試件的初始粘結(jié)強度和極限粘接強度上升趨勢顯著。隨著荷載繼續(xù)增加，在加載端型鋼產(chǎn)生滑移后，型鋼與地聚合物混凝土的粘結(jié)界面被破壞，化學(xué)膠結(jié)力開始逐漸喪失；加載后期，自由端型鋼產(chǎn)生滑移后，化學(xué)膠結(jié)力完全喪失，殘余粘結(jié)強度隨地聚合物混凝土抗壓強度提高而提高的幅值很小。

3.2.2 型鋼的保護層厚度

圖5(b)展示了型鋼的相對保護層厚度(型鋼的保護層厚度Cs與型鋼的截面高度h之比)與試件特征粘結(jié)強度的關(guān)系。隨著型鋼相對保護層厚度增加，試件的各特征粘結(jié)強度均呈增加趨勢。型鋼的保護層厚度提高會增大地聚合物混凝土對型鋼橫向變形的約束作用，從而提高型鋼和地聚合物混凝土粘結(jié)界面上的正應(yīng)力，導(dǎo)致型鋼和地聚合物混凝土之間的摩擦阻力增大，試件的平均粘結(jié)強度得到提高，因此隨型鋼相對保護層厚度的增加，試件的初始粘接強度和極限粘接強度均顯著增大；加載后期，試件裂縫快速發(fā)展且寬度較大，混凝土對型鋼的約束作用較差，殘余粘結(jié)強度隨型鋼相對保護層厚度增大而提升的幅度最小。

3.2.3 型鋼的錨固長度

圖5(c)展示了型鋼的相對錨固長度(型鋼的錨固長度Le與型鋼的截面高度h之比)與試件特征粘結(jié)強度的關(guān)系。隨著型鋼錨固長度的增加，試件的各特征粘結(jié)強度均呈增大趨勢，且型鋼錨固長度對試件極限粘結(jié)強度的影響最為顯著。在普通型鋼混凝土中，隨著型鋼錨固長度的增大，試件的極限承載力會提高，但平均粘結(jié)強度一般呈下降趨勢，這是因為型鋼的錨固長度增加，會導(dǎo)致型鋼和混凝土粘結(jié)界面上粘結(jié)應(yīng)力的分布變得更加不均勻，高應(yīng)力區(qū)會變短，平均粘結(jié)強度降低[16]。由式(1)可知，特征粘結(jié)強度由特征荷載值和型鋼錨固面積的比值決定，由于型鋼的錨固長度增大使得荷載特征值的提高幅度大于錨固面積的增大幅度，因此在本試驗中隨著型鋼錨固長度的增大，試件的特征粘結(jié)強度得到提高。

3.2.4 配箍率

圖5(d)展示了配箍率和試件特征粘結(jié)強度的關(guān)系。隨著配箍率的上升，試件的初始粘結(jié)強度和殘余粘結(jié)強度都呈上升趨勢，但極限粘結(jié)強度出現(xiàn)先下降后上升的現(xiàn)象，通過對特征荷載的分析，認為是試件GC-C50-Cs60-Le540-ρ0.25存在一定缺陷所導(dǎo)致，試件的極限粘結(jié)強度也應(yīng)隨配箍率的增大而上升。箍筋能延緩試件內(nèi)部裂縫的發(fā)展，起到約束型鋼橫向變形的作用，也能提高型鋼與地聚合物混凝土界面上的正應(yīng)力，從而增大了型鋼和地聚合物混凝土之間的摩擦阻力，達到提高平均粘結(jié)強度的作用。由于箍筋在加載初期對地聚合物混凝土的約束作用是最強的，故配箍率的提高對初始粘結(jié)強度的影響最為突出，隨著試驗的進行，地聚合物混凝土逐漸被破壞，箍筋的約束作用下降，極限粘結(jié)強度和殘余粘結(jié)強度的增長趨勢相對較小。

圖5 特征粘結(jié)強度和設(shè)計參數(shù)的關(guān)系Fig.5 Relationship between bond strength and designed parameters

3.3 特征粘結(jié)強度值計算公式

根據(jù)四個設(shè)計因素與特征粘結(jié)強度的相關(guān)關(guān)系，采用統(tǒng)計回歸得到了三個特征粘結(jié)強度值的計算公式，其數(shù)學(xué)表達式如式(2)～(4)所示。

(2)

(3)

(4)

表6 特征粘結(jié)強度計算結(jié)果與試驗結(jié)果對比Table 6 Comparison of calculated characteristic bond strength and experimental results

3.4 粘結(jié)滑移本構(gòu)模型研究

目前國內(nèi)外已有大量學(xué)者進行了型鋼與水泥混凝土粘結(jié)-滑移模型的研究[17-20]，但尚未見到有關(guān)型鋼-地聚合物混凝土粘結(jié)-滑移模型方面的研究報道，本文借鑒文獻[21]中型鋼與再生混凝土的粘結(jié)-滑移模型，以加載端滑移值作為型鋼在加載過程中的滑移指標，定義特征滑移值Su、Sr分別為特征荷載Pu、Pr對應(yīng)的滑移值，采用三階段的模型來描述型鋼-地聚合物混凝土粘結(jié)-滑移關(guān)系，該模型如圖6所示。

圖6 粘結(jié)-滑移模型Fig.6 Bond-slip model

該模型數(shù)學(xué)表達式如式(5)～(7)所示。

(5)

(6)

(7)

根據(jù)試驗的特征粘結(jié)強度值和特征滑移值，計算得到了試件粘結(jié)-滑移曲線的擬合曲線并與試驗曲線進行比較，結(jié)果如圖7所示。圖中擬合曲線和試驗曲線吻合度較高，說明采用該本構(gòu)模型所得到的粘結(jié)-滑移曲線可以真實地反映出試件粘結(jié)-滑移曲線的發(fā)展趨勢，滿足計算要求。

圖7 試件粘結(jié)-滑移擬合曲線與試驗曲線的比較Fig.7 Comparison of calculated and measured bond-slip curves of specimens

4 結(jié) 論

(1)各試件的荷載-滑移曲線外形相似，可劃分為無滑移段、荷載上升段、荷載下降段和水平殘余段四個階段。試件的特征荷載與四個設(shè)計變量均為正相關(guān)，其中型鋼的錨固長度對特征荷載的影響最大，配箍率對特征荷載的影響最小。

(2)試件的破壞模式為地聚合物混凝土劈裂破壞，裂縫發(fā)展受地聚合物混凝土強度影響較明顯，隨著地聚合物混凝土強度的提高，裂縫的種類和數(shù)量減少。

(3)特征粘結(jié)強度隨地聚合物混凝土抗壓強度、型鋼保護層厚度和配箍率的增加而提高，與普通型鋼混凝土不同，型鋼地聚合物混凝土的平均粘結(jié)強度也會隨型鋼錨固長度的增加而增加。

(4)建立了特征粘結(jié)強度的計算公式，提出了三階段的型鋼-地聚合物混凝土粘結(jié)-滑移本構(gòu)模型，模型曲線和試驗曲線吻合度較高，說明該模型可以較好地反映試件粘結(jié)-滑移曲線的發(fā)展規(guī)律。