鋼混構(gòu)件在不同溫差參數(shù)下的極限粘接強(qiáng)度測試研究

馬曉寧

(榆林職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 榆林 719000)

隨著近年來城鎮(zhèn)化進(jìn)程和建筑行業(yè)的快速發(fā)展，以及對(duì)節(jié)能環(huán)保等意識(shí)的逐漸增強(qiáng)，再生混凝土替代天然骨料進(jìn)行鋼混結(jié)構(gòu)制備已成為研究的熱點(diǎn)[1-3]，并已在城鄉(xiāng)改造、工業(yè)廠房和橋梁工程建設(shè)中得到成功應(yīng)用。然而，實(shí)際再生混凝土/鋼結(jié)構(gòu)的使用過程中，不可避免地需要經(jīng)歷自然環(huán)境中的低溫以及可能接觸到的高溫環(huán)境，對(duì)鋼混凝土結(jié)構(gòu)的粘接性能會(huì)產(chǎn)生明顯影響[4-7]。目前這方面的研究報(bào)道較少，此外，在整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，由于缺乏必要的試驗(yàn)數(shù)據(jù)參考以及影響因素較多，無法對(duì)鋼混結(jié)構(gòu)的粘接強(qiáng)度等進(jìn)行有效預(yù)測[8-10]。鑒于此，研究了溫度、高溫持續(xù)時(shí)間和再生骨料取代率對(duì)鋼混凝土構(gòu)件粘接性能的影響，并建立了鋼混結(jié)構(gòu)粘接強(qiáng)度與溫度、高溫持續(xù)時(shí)間和再生骨料取代率之間的關(guān)系。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)原料

普通硅酸鹽水泥：P.O32.5和P.O42.5級(jí)，浙江三獅集團(tuán)特種水泥有限公司提供；

河砂：細(xì)度模數(shù)2.70，浙江三獅集團(tuán)特種水泥有限公司提供；

碎石：連續(xù)級(jí)配5～25 mm，浙江三獅集團(tuán)特種水泥有限公司提供；

人工搗碎的再生混凝土粗骨料和自來水，浙江三獅集團(tuán)特種水泥有限公司提供；

圓鋼管：厚度3 mm，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為405、525 MPa，彈性模量為2.06×105MPa，天津大無縫鋼管廠。

1.2 試驗(yàn)儀器

SX2-15型箱式電阻爐，上海實(shí)焰電爐廠；YAW1000型液壓伺服壓力試驗(yàn)機(jī)，山東聯(lián)工檢測設(shè)備有限公司；DH3816型靜態(tài)應(yīng)變采集儀，江蘇東華測試技術(shù)股份有限公司。

1.3 試驗(yàn)制備

根據(jù)JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》配制強(qiáng)度等級(jí)C30和C40混凝土，具體配合比如表1所示。

表1 強(qiáng)度等級(jí)C30和C40混凝土的配合比Tab.1 Mix proportion of strength grade C30 and C40 concrete kg/m3

圓鋼管再生混凝土構(gòu)件中的鋼管錨固長度分別為260、410 mm，圓鋼管再生混凝土構(gòu)件的尺寸示意圖如圖1所示。鋼混凝土構(gòu)件的制作在學(xué)校結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，空鋼管垂直放置后澆筑混凝土，人工振搗密實(shí)后抹平并進(jìn)行自然養(yǎng)護(hù)[11]。采用箱式電阻爐進(jìn)行處理，構(gòu)件放置在電阻爐內(nèi)升溫至設(shè)定溫度200 ～800 ℃后開始計(jì)時(shí)，持續(xù)時(shí)間介于0.5～2 h，加熱結(jié)束后取出放置在空氣中冷卻至室溫備用。

(a)溫度

(b)時(shí)間

(c)再生骨料取代率

(d)混凝土強(qiáng)度等級(jí)

(e)錨固長度圖1 鋼混凝土組合構(gòu)件極限荷載的影響因素分析Fig.1 Analysis of influence factors on ultimate load of steel concrete composite members

1.4 測試與表征

(1)靜力單調(diào)加載試驗(yàn)：在山東聯(lián)工檢測設(shè)備有限公司生產(chǎn)的YAW1000型液壓伺服壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行鋼混凝土構(gòu)件的位移控制靜力單調(diào)加載試驗(yàn)，加載速率控制在0.05 mm/s；

(2)荷載-位移曲線和最大極限荷載：通過江蘇東華測試技術(shù)股份有限公司提供的DH3816型靜態(tài)應(yīng)變采集儀記錄拔出試驗(yàn)過程中的荷載-位移曲線和最大極限荷載；

(3)極限粘接強(qiáng)度τ計(jì)算：鋼管/混凝土之間的極限粘接強(qiáng)度τ可以用下式表示[12]：

(1)

式中：P表示極限荷載，MPa；C、l分別表示鋼管內(nèi)周長和鋼/混凝土的錨固長度，mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 極限荷載的影響因素

圖2為鋼混凝土組合構(gòu)件極限荷載的影響因素分析結(jié)果。

(a)溫度

(b)時(shí)間

(c)再生骨料取代率

(d)強(qiáng)度等級(jí)

(e)錨固長度圖2 鋼混凝土組合構(gòu)件極限粘接強(qiáng)度的 影響因素分析Fig.2 Analysis of influencing factors on ultimate bond strength of steel concrete composite members

從圖1(a)的構(gòu)件所受溫度對(duì)極限荷載的影響來看，當(dāng)再生骨料取代率為0%時(shí)，溫度分別為20、200、400、600和800 ℃時(shí)，極限荷載分別為53.81、77.5、110.21、124.23和162.24 MPa；由此可見，構(gòu)件的極限荷載會(huì)隨著溫度升高而逐漸增大。當(dāng)再生骨料取代率分別為50%和100%時(shí)，隨著溫度升高，混凝土構(gòu)件的極限荷載會(huì)逐漸增大，且取代率越高則相應(yīng)地相同溫度下構(gòu)件的極限荷載越大。

從圖1(b)的構(gòu)件所受高溫時(shí)間對(duì)極限荷載的影響來看，當(dāng)再生骨料取代率為0%時(shí)，時(shí)間分別為0.5、1和2 h時(shí)，構(gòu)件極限荷載分別為92.05、103.85和124.23 MPa；由此可見，構(gòu)件的極限荷載會(huì)隨著時(shí)間延長而逐漸增大。當(dāng)再生骨料取代率分別為50%和100%時(shí)，構(gòu)件的極限荷載也都會(huì)隨著時(shí)間延長而逐漸增大，且再生骨料取代率越高，則相應(yīng)地相同時(shí)間下構(gòu)件的極限荷載越大。

從圖1(c)的構(gòu)件再生骨料取代率對(duì)極限荷載的影響來看，當(dāng)溫度為20 ℃時(shí)，不同取代率下構(gòu)件的極限荷載較小，且表現(xiàn)為隨著取代率增加而增大的特征；當(dāng)溫度上升至200～800 ℃時(shí)，隨著再生骨料取代率增加，混凝土構(gòu)件的極限荷載逐漸增大其在相同再生骨料取代率下，溫度越高則相應(yīng)構(gòu)件的極限荷載越大。

從圖1(d)的構(gòu)件混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)極限荷載的影響來看，當(dāng)再生骨料取代率為0%時(shí)，C30和C40強(qiáng)度等級(jí)的構(gòu)件極限荷載分別為177.27、200.6 MPa，相同強(qiáng)度等級(jí)構(gòu)件的極限荷載隨著再生骨料取代率增加而逐漸增大。

從圖1(e)的錨固長度對(duì)構(gòu)件極限荷載的影響來看，當(dāng)再生骨料取代率為0%時(shí)，錨固長度分別為260、410 mm時(shí)，構(gòu)件的極限荷載分別為124.23、77.27 MPa，說明相同錨固長度構(gòu)件的極限荷載隨著再生骨料取代率的增加而逐漸增大。在再生骨料取代率為100%時(shí)，錨固長度分別為260、410 mm時(shí)，構(gòu)件的極限荷載分別為146.83、210.51 MPa。由此可見，錨固長度越大則相同再生骨料取代率試件的極限荷載越大，這主要是因?yàn)檩^長的錨固長度會(huì)使得混凝土與鋼管的接觸面積增加，相應(yīng)的與內(nèi)壁的摩擦力增加而增大構(gòu)件的極限荷載[13-16]。

2.2 極限粘接強(qiáng)度的影響因素

圖2為鋼混凝土組合構(gòu)件極限粘接強(qiáng)度的影響因素分析結(jié)果。

從圖2(a)的構(gòu)件所受溫度對(duì)極限粘接強(qiáng)度的影響來看，當(dāng)再生骨料取代率為0%時(shí)，溫度分別為20、200、400、600和800 ℃時(shí)，極限粘接強(qiáng)度分別為0.474、0.697、0.876、1.153和1.6 MPa，可見，構(gòu)件的極限粘接強(qiáng)度會(huì)隨著溫度升高而逐漸增大；當(dāng)再生骨料取代率分別為50%和100%時(shí)，構(gòu)件的極限粘接強(qiáng)度也都會(huì)隨著溫度升高而逐漸增大，且再生骨料取代率越高，則相應(yīng)地相同溫度下構(gòu)件的極限粘接強(qiáng)度越大。

從圖2(b)的構(gòu)件所受高溫時(shí)間對(duì)極限粘接強(qiáng)度的影響來看，當(dāng)再生骨料取代率為0%時(shí)，時(shí)間分別為0.5、1和2 h時(shí)，構(gòu)件極限粘接強(qiáng)度分別為0.812、0.975和1.153 MPa，構(gòu)件的極限粘接強(qiáng)度會(huì)隨著時(shí)間延長而逐漸增大；當(dāng)再生骨料取代率分別為50%和100%時(shí)，構(gòu)件的極限粘接強(qiáng)度也都會(huì)隨著時(shí)間延長而逐漸增大，且再生骨料取代率越高，則相應(yīng)地相同時(shí)間下構(gòu)件的極限粘接強(qiáng)度越大。

從圖2(c)的構(gòu)件再生骨料取代率對(duì)極限粘接強(qiáng)度的影響來看，當(dāng)溫度為20 ℃時(shí)，不同取代率下構(gòu)件的極限粘接強(qiáng)度較小，且表現(xiàn)為隨著取代率增加而增大的特征；當(dāng)溫度上升至200～800 ℃時(shí)，構(gòu)件的極限粘接強(qiáng)度也呈現(xiàn)隨著再生骨料取代率增加而增大的特征，其在相同再生骨料取代率下，溫度越高則相應(yīng)構(gòu)件的極限粘接強(qiáng)度越大。

從圖2(d)的構(gòu)件混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)極限粘接強(qiáng)度的影響來看，當(dāng)再生骨料取代率為0%時(shí)，C30和C40強(qiáng)度等級(jí)的構(gòu)件極限荷載分別為1.223、1.304 MPa時(shí)，隨著再生骨料取代率增加，相同強(qiáng)度等級(jí)構(gòu)件的極限粘接強(qiáng)度呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)。

從圖2(e)的錨固長度對(duì)構(gòu)件極限粘接強(qiáng)度的影響來看，當(dāng)再生骨料取代率為0%時(shí)，錨固長度分別為260、410 mm時(shí)，構(gòu)件的極限粘接強(qiáng)度分別為1.153、1.223 MPa。隨著再生骨料取代率的增加，相同錨固長度構(gòu)件的極限粘接強(qiáng)度呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，在再生骨料取代率為100%時(shí)，錨固長度分別為260、410 mm時(shí)，構(gòu)件的極限粘接強(qiáng)度分別為1.373、1.421 MPa。由此可見，錨固長度越大則相同再生骨料取代率試件的極限粘接強(qiáng)度越大。

綜合而言，隨著鋼混構(gòu)件所受溫度、經(jīng)歷高溫時(shí)間、再生骨料取代率、混凝土強(qiáng)度等級(jí)和錨固長度的增加，鋼混凝土構(gòu)件的極限粘接強(qiáng)度會(huì)呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)。這主要是因?yàn)樵谥苽滗摶炷翗?gòu)件以及后續(xù)受高溫過程中，構(gòu)件內(nèi)部會(huì)發(fā)生一些列的物理化學(xué)反應(yīng)，構(gòu)件內(nèi)部在膨脹或者收縮等作用下會(huì)出現(xiàn)鋼/混凝土咬合力增大的現(xiàn)象[9]，反應(yīng)在極限粘接強(qiáng)度上則表現(xiàn)為增大的特征。

2.3 溫度影響系數(shù)

鋼混構(gòu)件的粘接強(qiáng)度受溫度的影響較大，可以用溫度影響系數(shù)(KT)來表征受溫度影響的大小[17]：

(2)

式中：τu(T)和τu(800 ℃)分別表示溫度T和溫度800 ℃時(shí)的極限粘接強(qiáng)度。計(jì)算得到不同再生骨料取代率和溫度的鋼混凝土構(gòu)件的溫度影響系數(shù)，結(jié)果如表2所示。

表2 不同再生骨料取代率和溫度下鋼混凝土 構(gòu)件的溫度影響系數(shù)Tab.2 Temperature influence coefficient of steel concrete member under differentreplacement rate and temperature of recycled aggregate

將不同再生骨料取代率和溫度下鋼混凝土構(gòu)件的溫度影響系數(shù)(KT)與溫度(T)的關(guān)系曲線進(jìn)行線性擬合，可得到KT與溫度T的關(guān)系式：

KT=0.27+8.6×10-4T

(3)

2.4 時(shí)間影響系數(shù)

鋼混構(gòu)件的粘接強(qiáng)度同樣受高溫時(shí)間的影響，可以用時(shí)間影響系數(shù)(Kt)來表征受時(shí)間影響的大小[18]：

(4)

式中：τu(t)和τu(0.5)分別表示時(shí)間t和時(shí)間0.5 h時(shí)的極限粘接強(qiáng)度。計(jì)算得到不同再生骨料取代率和時(shí)間下鋼混凝土構(gòu)件的時(shí)間影響系數(shù)，結(jié)果如表3所示。

表3 鋼混凝土構(gòu)件的時(shí)間影響系數(shù)Tab.3 Time influence coefficient of steel concrete member

將時(shí)間影響系數(shù)與時(shí)間的關(guān)系曲線進(jìn)行擬合，可得到Kt與時(shí)間t的關(guān)系式：

(5)

鋼混構(gòu)件的粘接強(qiáng)度同樣受再生粗骨料取代率的影響，可以用取代率影響系數(shù)(KQ)來表征受取代率影響的大小[19-20]：

(6)

式中：τu(Q)和τu(0%)分別表示取代率Q和取代率0%時(shí)的極限粘接強(qiáng)度。計(jì)算得到不同再生骨料取代率下鋼混凝土構(gòu)件的取代率影響系數(shù)，將不同再生骨料取代率下鋼混凝土構(gòu)件的取代率影響系數(shù)與取代率的關(guān)系曲線進(jìn)行擬合，可得到KQ的關(guān)系式

KQ=0.99+0.07Q(20 ℃)

(7)

KQ=0.99+0.08Q(200 ℃)

(8)

KQ=1.00+0.13Q(400 ℃)

(9)

KQ=0.98+0.18Q(600 ℃)

(10)

KQ=0.99+0.29Q(800 ℃)

(11)

結(jié)合上述的溫度影響系數(shù)(KT)、時(shí)間影響系數(shù)(Kt)和取代率影響系數(shù)(KQ)，可以得到任意參數(shù)下鋼混凝土構(gòu)件的極限粘接強(qiáng)度(τ)計(jì)算式：

τ=KTKtKQτu

(12)

式中：τu為室溫下鋼混凝土構(gòu)件的極限粘接強(qiáng)度。

3 結(jié)語

(1)隨著溫度升高、時(shí)間延長、再生骨料取代率增加、混凝土強(qiáng)度級(jí)別提升和錨固長度增加，鋼混凝土構(gòu)件的極限荷載會(huì)逐漸增大。當(dāng)再生骨料取代率為100%、溫度為800 ℃時(shí)，極限荷載為208.97 MPa；再生骨料取代率為0%、時(shí)間為2 h時(shí)，極限荷載為146.83 MPa；

(2)隨著鋼混構(gòu)件所受溫度、經(jīng)歷高溫時(shí)間、再生骨料取代率、混凝土強(qiáng)度等級(jí)和錨固長度的增加，鋼混凝土構(gòu)件的極限粘接強(qiáng)度會(huì)呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)。當(dāng)再生骨料取代率為0%、溫度為20 ℃時(shí)，鋼混構(gòu)件的極限粘接強(qiáng)度為0.474 MPa；

(3)鋼混凝土構(gòu)件的粘接強(qiáng)度溫度影響系數(shù)(KT)可表示：

鋼混凝土構(gòu)件的粘結(jié)強(qiáng)度時(shí)間影響系數(shù)(Kt)可表示：

任意參數(shù)下鋼混凝土構(gòu)件的極限粘結(jié)強(qiáng)度(τ)計(jì)算式：

τ=KTKtKQτu。