趙強(qiáng)

(山西省建筑科學(xué)研究院， 山西 太原 030001)

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方鋼管再生混凝土界面粘結(jié)性能試驗(yàn)

趙強(qiáng)

(山西省建筑科學(xué)研究院， 山西 太原 030001)

摘要：對(duì)8根鋼管再生混凝土柱界面粘結(jié)性能進(jìn)行研究，探討再生骨料取代率及再生混凝土強(qiáng)度對(duì)鋼管再生混凝土界面粘結(jié)性能的影響.結(jié)果表明：鋼管再生混凝土荷載-滑移曲線大致經(jīng)歷無(wú)滑移階段、應(yīng)力上升段、應(yīng)力下降段等3個(gè)階段，不同再生骨料取代率的鋼管再生混凝土荷載-滑移曲線具有類似的特征；再生骨料的取代率對(duì)鋼管與再生混凝土界面粘結(jié)強(qiáng)度影響顯著，再生骨料取代率越高，界面粘結(jié)強(qiáng)度越低；再生混凝土強(qiáng)度對(duì)鋼管再生混凝土強(qiáng)度有一定影響，隨著再生混凝土強(qiáng)度提升，粘結(jié)強(qiáng)度逐漸增加，但增幅逐漸降低.

關(guān)鍵詞：鋼管混凝土； 再生混凝土； 粘結(jié)滑移； 粘結(jié)強(qiáng)度

再生混凝土是在普通混凝土配合比基礎(chǔ)上，采用廢棄混凝土制成的再生骨料按一定比例取代天然骨料配置而成的混凝土[1].再生混凝土的發(fā)展是實(shí)現(xiàn)建筑骨料資源再利用的有益途徑，有利于節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境，符合建筑業(yè)持續(xù)綠色發(fā)展的理念.鋼管再生混凝土的相關(guān)研究是目前的一大熱點(diǎn).由于再生骨料在既有建筑破碎拆除及后續(xù)加工處理中產(chǎn)生新的損傷，且再生骨料與水泥基體粘結(jié)強(qiáng)度較低，再生混凝土的力學(xué)及耐久性能均不及普通混凝土，再生混凝土與鋼管界面粘結(jié)性能的研究也極為必要[2-4].目前，已有較多學(xué)者對(duì)鋼管再生混凝土構(gòu)件力學(xué)性能進(jìn)行了研究[5-9].然而，關(guān)于鋼管與再生混凝土兩者之間的粘結(jié)性能的研究相對(duì)較少[10-11].本文對(duì)8根方鋼管再生混凝土界面粘結(jié)性能展開試驗(yàn)，分析再生粗骨料取代率、再生混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)鋼管與混凝土界面粘結(jié)性能的影響.

1試驗(yàn)概況

1.1　試驗(yàn)原材料及配合比

P.O 42.5普通硅酸鹽水泥；再生粗骨料為某既有建筑物拆除產(chǎn)生(C30碎石混凝土)，經(jīng)破碎、清洗、篩分后使用，粒徑為5.0～31.5 mm；天然粗骨料為碎石，石子粒徑為5.0～31.5 mm；中砂，細(xì)度模數(shù)為2.4；自來(lái)水.試驗(yàn)再生粗骨料取代率分別為0%，30%，50%，70%，100%.再生混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，C40，C50，C60.再生混凝土配合比(ρ)及測(cè)試強(qiáng)度(fcu)，如表1所示.試驗(yàn)鋼管為鋼板焊接而成，試驗(yàn)測(cè)得鋼管屈服強(qiáng)度為302.3 MPa，極限強(qiáng)度為389.92 MPa，彈性模量為1.932×105MPa.

表1　再生混凝土配合比及強(qiáng)度

續(xù)表

1.2　試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)計(jì)8根方鋼管再生混凝土試件，試件為推出試件，試驗(yàn)變化的參數(shù)控制為再生骨料取代率和再生混凝土的強(qiáng)度等級(jí)，各試件編號(hào)如表1所示.鋼管再生混凝土試件高度為500 mm，截面尺寸為150 mm×150 mm，鋼板厚度為3 mm.試件制作時(shí)，對(duì)混凝土充分振搗，在鋼管一端預(yù)留50 mm長(zhǎng)度作為自由端.

1.3　加載測(cè)試

推出試驗(yàn)采用位移控制加載，加載速度為0.002 mm·s-1.加載時(shí)，在加載端設(shè)置略小于混凝土截面的鋼墊塊，墊塊厚度為40 mm，截面尺寸為145 mm×145 mm.在試件加載端和自由端兩側(cè)分別設(shè)置位移計(jì)，以采集加載端及自由端鋼管與混凝土之間的相對(duì)滑移.在試件加載前，應(yīng)注意將試件對(duì)中，確保試件為軸心受壓.

2試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1　試件加載過(guò)程

在加載初期，鋼管再生混凝土試件處于彈性受力的階段，鋼管與混凝土之間并無(wú)相對(duì)滑移.此時(shí)，混凝土與鋼管加載端之間粘結(jié)力主要為混凝土泊松效應(yīng)產(chǎn)生的約束粘結(jié)作用，粘結(jié)力由混凝土向鋼管傳遞；而自由端鋼管與混凝土間主要為化學(xué)膠結(jié)力起著傳遞荷載的作用，荷載由鋼管向混凝土傳遞.隨著荷載的繼續(xù)增加，當(dāng)荷載達(dá)到極限荷載5%～15%時(shí)，加載端鋼管與混凝土之間產(chǎn)生相對(duì)滑移，并伴隨著“嘶嘶”聲響.繼續(xù)加載，當(dāng)荷載達(dá)到極限荷載75%～85%左右時(shí)，加載時(shí)發(fā)出“吱吱”聲響，伴隨混凝土不斷剝落，自由端和加載端相對(duì)滑移均持續(xù)增長(zhǎng)，呈線性上升趨勢(shì)，且兩者數(shù)值逐步接近.此時(shí)，僅試件中部存在化學(xué)膠結(jié)力，試件兩端粘結(jié)力主要由機(jī)械咬合力構(gòu)成.進(jìn)一步加載，鋼管與混凝土兩者之間產(chǎn)生相對(duì)剛體滑移，試件承受的荷載開始逐漸減小，再生混凝土與鋼管界面化學(xué)膠結(jié)力被完全破壞.此時(shí)，界面粘結(jié)力更多由鋼管與混凝土間的粘結(jié)摩擦力承擔(dān).

試驗(yàn)結(jié)束后，所有鋼管均未發(fā)生屈服，部分試件角部出現(xiàn)撕裂破壞，驗(yàn)證了角部對(duì)混凝土的約束作用.鋼管與混凝土接觸界面存在一定量的混凝土粉末，這主要是鋼管表面的凹凸界面與混凝土產(chǎn)生的機(jī)械咬合作用.

2.2　荷載-滑移曲線

不同再生骨料取代率和不同再生混凝土強(qiáng)度等級(jí)的鋼管再生混凝土粘結(jié)滑移曲線呈現(xiàn)出類似的特征，部分典型的荷載-滑移(P-s)過(guò)程曲線，如圖1所示.

(a) NSST-1 (b) RSST-5

(c) RSST-7 (d) RSST-8圖1　典型試件荷載-粘結(jié)滑移曲線Fig.1　Load-slip curves of typical specimens

鋼管再生混凝土荷載-滑移曲線具有以下3點(diǎn)特性.1) 鋼管與混凝土之間滑移為持續(xù)累積的過(guò)程.起初，試件加載端產(chǎn)生局部滑移；隨后，試件加載端滑移不斷增大；最后，整個(gè)試件出現(xiàn)整體滑移.2) 試件滑移最初出現(xiàn)在加載端，當(dāng)荷載達(dá)到極限荷載60%～90%時(shí)，自由端才開始產(chǎn)生滑移，加載端滑移量明顯大于自由端.3) 鋼管再生混凝土荷載-滑移曲線可分為無(wú)滑移階段、應(yīng)力上升段、應(yīng)力下降段等3個(gè)階段.無(wú)滑移階段，鋼管與混凝土之間由于化學(xué)膠結(jié)力的作用，鋼管與混凝土之間無(wú)相對(duì)滑移；應(yīng)力上升段，隨著荷載的增加，滑移值逐漸增大，荷載滑移曲線斜率隨后也開始降低，當(dāng)荷載達(dá)到鋼管與混凝土間機(jī)械咬合力與化學(xué)膠結(jié)力之和時(shí)，粘結(jié)-滑移曲線到達(dá)峰值點(diǎn)；應(yīng)力下降段，曲線超過(guò)峰值荷載后開始走低部分.此時(shí)，整個(gè)試件產(chǎn)生整體滑移，化學(xué)膠結(jié)力已完全失去，界面粘結(jié)力由鋼管與混凝土之間的摩擦及殘余的機(jī)械咬合力提供.

3界面粘結(jié)性能分析

在試件界面粘結(jié)強(qiáng)度測(cè)試時(shí)，共準(zhǔn)備8組方鋼管再生混凝土推出試件，為確保試驗(yàn)結(jié)果的可重復(fù)性，每組共制備3個(gè)試件，以測(cè)試再生方鋼管混凝土平均粘結(jié)強(qiáng)度.在粘結(jié)強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，假定試件混凝土埋置長(zhǎng)度內(nèi)粘結(jié)應(yīng)力均勻分布，采用起滑移粘結(jié)強(qiáng)度τa、極限粘結(jié)強(qiáng)度τu評(píng)價(jià)鋼管與再生混凝土間的粘結(jié)性能.起滑移粘結(jié)強(qiáng)度和極限粘結(jié)強(qiáng)度計(jì)算公式為

式(1)，(2)中：τa為鋼管與混凝土間起滑移粘結(jié)強(qiáng)度，MPa；τu為極限粘結(jié)強(qiáng)度，MPa；Pa為起滑移粘結(jié)作用荷載，N；Pu為極限粘結(jié)作用荷載，N；D為鋼管內(nèi)邊長(zhǎng)，mm；L為鋼管與混凝土粘結(jié)長(zhǎng)度，mm.

3.1　再生骨料取代率對(duì)鋼管再生混凝土界面粘結(jié)強(qiáng)度影響

再生骨料取代率(η)對(duì)鋼管再生混凝土起滑移粘結(jié)強(qiáng)度(Ta)及極限粘結(jié)強(qiáng)度(Tu)的影響，如圖2，3所示.

由圖2可知：再生粗骨料取代率為0%～100%的鋼管再生混凝土起滑移粘結(jié)強(qiáng)度為0.463～0.667 MPa，再生骨料取代率越大，鋼管與再生混凝土界面起滑移粘結(jié)強(qiáng)度越小.當(dāng)未摻加再生骨料時(shí)，鋼管混凝土界面的起滑移粘結(jié)強(qiáng)度為0.667 MPa，而當(dāng)再生骨料取代率為100%時(shí)， 起滑移粘結(jié)強(qiáng)度則降至0.463 MPa，起滑移粘結(jié)強(qiáng)度最大下降幅度達(dá)到30.58%.

圖2　再生骨料取代率對(duì)起滑移粘結(jié)強(qiáng)度影響 圖3　再生骨料取代率對(duì)極限粘結(jié)強(qiáng)度影響　Fig.2　Influence of replacement ratio of recycled　　　　Fig.3　Influence of replacement ratio of recycled　　aggregate on starting bonding strength aggregate on ultimate bonding strength

由圖3可知：不同再生骨料取代率的鋼管再生混凝土極限粘結(jié)強(qiáng)度為0.481～0.704 MPa，再生骨料對(duì)混凝土與鋼管間界面粘結(jié)強(qiáng)度產(chǎn)生明顯不利影響，再生骨料取代率越大，鋼管與混凝土界面極限粘結(jié)強(qiáng)度越低；再生骨料取代率為0%時(shí)，極限粘結(jié)強(qiáng)度最大，約為0.704 MPa；當(dāng)再生骨料取代率為100%時(shí)，極限粘結(jié)強(qiáng)度降至最低，約為0.481 MPa.

因此，再生粗骨料的摻加不利于鋼管再生混凝土界面粘結(jié)性能.通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知：當(dāng)在實(shí)際工程中使用鋼管再生混凝土?xí)r，應(yīng)考慮再生骨料摻入對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度的不利影響，折減系數(shù)應(yīng)根據(jù)再生骨料摻量選取，折減系數(shù)最低取0.69.相比于普通混凝土，再生混凝土有更大的體積收縮率，隨著再生骨料取代率的增加，再生混凝土體積收縮率也逐漸增大，再生混凝土相對(duì)較大的體積收縮不利于再生混凝土與鋼管之間機(jī)械咬合力及化學(xué)膠結(jié)力.

此外，再生骨料在破碎過(guò)程中容易產(chǎn)生內(nèi)部缺陷，再生骨料強(qiáng)度低于天然骨料，且部分骨料表面附著有水泥砂漿，這些都不利再生混凝土與鋼管之間機(jī)械咬合力及兩者界面摩阻力，進(jìn)而對(duì)鋼管再生混凝土界面粘結(jié)強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響.

3.2　再生混凝土強(qiáng)度對(duì)鋼管再生混凝土界面粘結(jié)強(qiáng)度影響

再生混凝土強(qiáng)度對(duì)鋼管再生混凝土初滑移粘結(jié)強(qiáng)度及極限粘結(jié)強(qiáng)度的影響，如圖4,5所示.

由圖4可知：再生混凝土的強(qiáng)度對(duì)鋼管與再生混凝土界面粘結(jié)強(qiáng)度影響明顯，再生混凝土強(qiáng)度等級(jí)越高，鋼管再生混凝土起滑移粘結(jié)強(qiáng)度呈現(xiàn)出增大趨勢(shì).再生混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30～C60時(shí)，界面初滑移粘結(jié)強(qiáng)度為0.463～0.537 MPa.當(dāng)再生混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30時(shí)，鋼管再生混凝土起滑移粘結(jié)強(qiáng)度為0.463 MPa；當(dāng)再生混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C60時(shí)，鋼管再生混凝土起滑移粘結(jié)強(qiáng)度為0.537 MPa，粘結(jié)強(qiáng)度提升幅度為13.78%.

圖4　混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)起滑移粘結(jié)強(qiáng)度影響 圖5　混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)極限粘結(jié)強(qiáng)度影響　Fig.4　Influence of strength grade of concrete on Fig.5　Influence of strength grade of concrete on　　starting bonding strength ultimate bonding strength

由圖5可知：不同強(qiáng)度等級(jí)鋼管再生混凝土界面極限粘結(jié)滑移強(qiáng)度為0.481～0.556 MPa，再生混凝土強(qiáng)度等級(jí)越高，界面極限粘結(jié)滑移強(qiáng)度越大.當(dāng)再生混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30時(shí)，鋼管再生混凝土極限粘結(jié)強(qiáng)度為0.481 MPa，而當(dāng)再生混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C60時(shí)，極限粘結(jié)強(qiáng)度達(dá)到最大，達(dá)到0.556 MPa，極限粘結(jié)強(qiáng)度增幅為15.59%.

由此可知：混凝土強(qiáng)度等級(jí)較高有利于提高再生混凝土與鋼管兩者間機(jī)械咬合力，進(jìn)而可以提高鋼管再生混凝土界面的粘結(jié)強(qiáng)度.與此同時(shí)，再生混凝土強(qiáng)度等級(jí)不斷地提高，鋼管與混凝土間粘結(jié)強(qiáng)度增幅卻逐漸減少，這主要是由于高強(qiáng)度等級(jí)混凝土較大的體積收縮性降低了鋼管與混凝土之間的化學(xué)膠結(jié)力.

因此，盡管再生混凝土強(qiáng)度等級(jí)有利于提高鋼管再生混凝土界面粘結(jié)強(qiáng)度，但提升幅度較小，且當(dāng)混凝土強(qiáng)度不斷提高時(shí)，混凝土體積收縮也會(huì)在一定程度上影響混凝土與鋼管之間的粘結(jié).在實(shí)際中,不可過(guò)于依靠提高再生混凝土強(qiáng)度等級(jí)來(lái)改善鋼管再生混凝土界面粘結(jié)強(qiáng)度.

4結(jié)論

1) 不同再生骨料取代率對(duì)鋼管再生混凝土荷載-滑移過(guò)程曲線呈現(xiàn)出類似的變化規(guī)律，均經(jīng)歷無(wú)滑移階段、應(yīng)力上升段、應(yīng)力下降段等3個(gè)階段.試件滑移先在加載端出現(xiàn)，加載端滑移量大于自由端.

2) 再生粗骨料取代率對(duì)鋼管再生混凝土粘結(jié)強(qiáng)度影響較為明顯，再生粗骨料取代率越大，鋼管與再生混凝土兩者界面粘結(jié)強(qiáng)度也就降低.當(dāng)再生骨料摻量為100%時(shí)，鋼管再生混凝土粘結(jié)強(qiáng)度降幅最大，達(dá)到31.68%.在鋼管再生混凝土實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)考慮再生粗骨料取代率導(dǎo)致界面粘結(jié)強(qiáng)度的下降.

3) 再生混凝土強(qiáng)度對(duì)再生鋼管混凝土粘結(jié)強(qiáng)度影響較為顯著，混凝土強(qiáng)度等級(jí)增大，界面粘結(jié)強(qiáng)度也呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，但增幅卻逐漸減小.

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(責(zé)任編輯： 錢筠英文審校： 方德平)

Test on Bond Behavior of Concrete Filled Square Steel Tubes

Between Steel and Recycled Coarse Aggregate Concrete

ZHAO Qiang

(Shanxi Construction Science Academy, Taiyuan 030001, China)

Abstract：To investigate the influence of different ratio and strength grade of recycled aggregate concrete on interfacial bond performance of concrete filled steel tube, the bond behavior of eight pieces of recycled aggregate concrete-filled steel tube is studied. The results indicate that load-slip curve of recycled aggregate concrete-filled steel tube consists of three stages, including the no slip stage, stress increase stage and stress decrease stage. The load-slip curves steel with different recycled aggregate replacement ratios have similar characteristics. The replacement ratio of recycled aggregate has a significant negative effect on the bond strength. With the increase of the replacement ratio of recycled aggregate, the bond strength decreases gradually. The strength of recycled concrete has a certain effect on the bond strength. With the increase of the strength of recycled aggregate concrete, the bond strength increases gradually, but the increase percent reduces gradually.

Keywords：concrete-filled steel tube; recycled aggregate concrete; bong slip; bond strength

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51308371)； 山西省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2014011033-1)

通信作者：趙強(qiáng)(1974-)，男，高級(jí)工程師，主要從事結(jié)構(gòu)工程的研究.E-mail:zq2021325@hotmail.com.

收稿日期：2015-08-10

中圖分類號(hào)：TU 528

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi:10.11830/ISSN.1000-5013.2016.01.0115

文章編號(hào)：1000-5013(2016)01-0115-05