孫 航,陳 娟,胡現(xiàn)岳,胡鵬兵

(長(zhǎng)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(diǎn)。全球每年消耗混凝土遠(yuǎn)超過(guò)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(gè)問(wèn)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(wú)機(jī)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(qiáng)、耐高溫、耐腐蝕等特點(diǎn)[4-6]，而且制備過(guò)程中能源消耗少，CO2排放量低[7-8]，這些優(yōu)點(diǎn)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(shí)，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(wèn)題是地聚合物混凝土應(yīng)用于實(shí)際工程需要解決的首要問(wèn)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(qiáng)度對(duì)鋼筋與地聚合物混凝土粘結(jié)性能的影響。2015年，Castel等[10]對(duì)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(guò)梁式試驗(yàn)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(jiàn)到國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)型鋼與地聚合物混凝土粘結(jié)性能的研究報(bào)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(diǎn)，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(qiáng)、耐高溫、耐腐蝕的特點(diǎn)，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(jì)了9個(gè)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(qiáng)度、型鋼的保護(hù)層厚度、型鋼的錨固長(zhǎng)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(jì)參數(shù)對(duì)試件粘結(jié)強(qiáng)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(jì)與應(yīng)用提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)計(jì)9個(gè)型鋼地聚合物混凝土柱試件，試件的詳細(xì)尺寸見(jiàn)圖1,設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)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(jí)配的碎石，水采用自來(lái)水，各強(qiáng)度等級(jí)的地聚合物混凝土均預(yù)留3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊。根據(jù)文獻(xiàn)[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(jì)了11個(gè)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(jì)參數(shù)及標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊抗壓強(qiáng)度值見(jiàn)表2，最終選擇編號(hào)為3、4、11的配合比作為試驗(yàn)配合比，其材料用量及試塊28 d抗壓強(qiáng)度值見(jiàn)表3。型鋼采用兩個(gè)10號(hào)槽鋼和兩塊6 mm厚鋼板經(jīng)環(huán)氧樹(shù)脂粘結(jié)在一起組成的H型鋼，縱筋采用直徑14 mm的HRB335級(jí)鋼，對(duì)稱(chēng)布置共4根，箍筋選用直徑為6 mm的HPB300級(jí)鋼，鋼材的力學(xué)性能見(jiàn)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(jì)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(qiáng)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(yàn)研究型鋼與地聚合物混凝土的粘結(jié)滑移性能。試驗(yàn)在5 000 kN伺服液壓機(jī)上進(jìn)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(kāi)有洞口，使得加載時(shí)型鋼能在鋼支座的孔洞中向下移動(dòng)而地聚合物混凝土被固定不動(dòng)。試驗(yàn)過(guò)程中加載平臺(tái)向上移動(dòng)，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(yàn)前將加載端型鋼和自由端混凝土打磨平整，確保加載時(shí)試件軸心受壓。加載前在試件兩端的型鋼上各固定一個(gè)鋼片，采用型號(hào)為YHD-50的位移傳感器測(cè)量鋼片的位移來(lái)獲得型鋼與地聚合物混凝土的相對(duì)滑移，使用水平尺確保鋼片加載時(shí)處于水平狀態(tài)，鋼片上開(kāi)有小孔，位移計(jì)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(jì)指針在加載過(guò)程中不會(huì)滑動(dòng)且始終保持豎直。試驗(yàn)前給予位移計(jì)一個(gè)初始示數(shù)，隨著加載平臺(tái)上升，加載端位移計(jì)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(jì)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(jì)數(shù)據(jù)分別由液壓機(jī)和應(yīng)變箱采集，當(dāng)荷載下降速率達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，試驗(yàn)結(jié)束。

圖2 試驗(yàn)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(yàn)現(xiàn)象

加載初期，試件兩端鋼片的位移計(jì)示數(shù)無(wú)明顯變化；當(dāng)荷載增大至極限荷載的40%～60%時(shí)，加載端鋼片的位移計(jì)示數(shù)出現(xiàn)較大變化，部分試件側(cè)面出現(xiàn)細(xì)小的裂縫；當(dāng)荷載上升至極限荷載時(shí)，自由端鋼片的位移計(jì)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(shí)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(zhǎng)，裂縫寬度繼續(xù)增大。試驗(yàn)過(guò)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(lèi)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(zhǎng)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(huì)沿直線(xiàn)由加載端向自由端發(fā)展，最后形成通長(zhǎng)裂縫。地聚合物混凝土強(qiáng)度對(duì)裂縫發(fā)展的影響較明顯，混凝土強(qiáng)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(duì)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(xiàn)向下形成通長(zhǎng)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(xiàn)

圖4(a)～(d)展示了試件加載端的荷載-滑移(P-S)曲線(xiàn)，觀察發(fā)現(xiàn)試件P-S曲線(xiàn)的發(fā)展趨勢(shì)相似，歸納后得到試件典型P-S曲線(xiàn)如圖4(e)所示，可將其分為無(wú)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(gè)階段。加載初期，型鋼無(wú)滑移產(chǎn)生，此時(shí)試件處于無(wú)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(shí)試件處于荷載上升階段(AB)；試件載荷到達(dá)極限荷載后開(kāi)始迅速下降，滑移量進(jìn)一步增大，此時(shí)試件處于荷載下降階段(BC)；隨著試驗(yàn)繼續(xù)進(jìn)行，試件進(jìn)入水平殘余階段(CD)，此時(shí)荷載趨于穩(wěn)定并維持在極限荷載的30%～50%。定義P-S曲線(xiàn)中初始滑移點(diǎn)A的荷載為初始荷載Ps，峰值點(diǎn)B的荷載為極限荷載Pu，殘余點(diǎn)C的荷載值為殘余荷載Pr，各試件荷載特征值見(jiàn)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(qiáng)度、型鋼的保護(hù)層厚度和型鋼錨固長(zhǎng)度的提高，試件的三個(gè)特征荷載值均呈上升趨勢(shì)。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(xiàn)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(rèn)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(shì)。不同設(shè)計(jì)因素對(duì)試件特征荷載的影響存在差異，型鋼的錨固長(zhǎng)度對(duì)特征荷載的影響最大，配箍率對(duì)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(qiáng)度分析

在試驗(yàn)過(guò)程中，型鋼與地聚合物混凝土在錨固長(zhǎng)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(qiáng)度作為加載過(guò)程中型鋼與地聚合物混凝土界面的粘結(jié)性能指標(biāo)，具體計(jì)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(qiáng)度值影響因素分析

與型鋼-普通水泥混凝土的粘結(jié)機(jī)理類(lèi)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(jī)械咬合力三部分組成，不同設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度的影響反映在對(duì)粘結(jié)力各組成部分的作用上，圖5給出了特征粘結(jié)強(qiáng)度與各設(shè)計(jì)參數(shù)的關(guān)系。

3.2.1 地聚合物混凝土抗壓強(qiáng)度

圖5(a)展示了地聚合物混凝土抗壓強(qiáng)度與試件特征粘結(jié)強(qiáng)度的關(guān)系。隨著混凝土抗壓強(qiáng)度增加，試件的各特征粘結(jié)強(qiáng)度均呈上升趨勢(shì)。試驗(yàn)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(qiáng)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(qiáng)度的提高，試件的初始粘結(jié)強(qiáng)度和極限粘接強(qiáng)度上升趨勢(shì)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(kāi)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(qiáng)度隨地聚合物混凝土抗壓強(qiáng)度提高而提高的幅值很小。

3.2.2 型鋼的保護(hù)層厚度

圖5(b)展示了型鋼的相對(duì)保護(hù)層厚度(型鋼的保護(hù)層厚度Cs與型鋼的截面高度h之比)與試件特征粘結(jié)強(qiáng)度的關(guān)系。隨著型鋼相對(duì)保護(hù)層厚度增加，試件的各特征粘結(jié)強(qiáng)度均呈增加趨勢(shì)。型鋼的保護(hù)層厚度提高會(huì)增大地聚合物混凝土對(duì)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(qiáng)度得到提高，因此隨型鋼相對(duì)保護(hù)層厚度的增加，試件的初始粘接強(qiáng)度和極限粘接強(qiáng)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(duì)型鋼的約束作用較差，殘余粘結(jié)強(qiáng)度隨型鋼相對(duì)保護(hù)層厚度增大而提升的幅度最小。

3.2.3 型鋼的錨固長(zhǎng)度

圖5(c)展示了型鋼的相對(duì)錨固長(zhǎng)度(型鋼的錨固長(zhǎng)度Le與型鋼的截面高度h之比)與試件特征粘結(jié)強(qiáng)度的關(guān)系。隨著型鋼錨固長(zhǎng)度的增加，試件的各特征粘結(jié)強(qiáng)度均呈增大趨勢(shì)，且型鋼錨固長(zhǎng)度對(duì)試件極限粘結(jié)強(qiáng)度的影響最為顯著。在普通型鋼混凝土中，隨著型鋼錨固長(zhǎng)度的增大，試件的極限承載力會(huì)提高，但平均粘結(jié)強(qiáng)度一般呈下降趨勢(shì)，這是因?yàn)樾弯摰腻^固長(zhǎng)度增加，會(huì)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(huì)變短，平均粘結(jié)強(qiáng)度降低[16]。由式(1)可知，特征粘結(jié)強(qiáng)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(zhǎng)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(yàn)中隨著型鋼錨固長(zhǎng)度的增大，試件的特征粘結(jié)強(qiáng)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(qiáng)度的關(guān)系。隨著配箍率的上升，試件的初始粘結(jié)強(qiáng)度和殘余粘結(jié)強(qiáng)度都呈上升趨勢(shì)，但極限粘結(jié)強(qiáng)度出現(xiàn)先下降后上升的現(xiàn)象，通過(guò)對(duì)特征荷載的分析，認(rèn)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(qiáng)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(dá)到提高平均粘結(jié)強(qiáng)度的作用。由于箍筋在加載初期對(duì)地聚合物混凝土的約束作用是最強(qiáng)的，故配箍率的提高對(duì)初始粘結(jié)強(qiáng)度的影響最為突出，隨著試驗(yàn)的進(jìn)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(qiáng)度和殘余粘結(jié)強(qiáng)度的增長(zhǎng)趨勢(shì)相對(duì)較小。

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

3.3 特征粘結(jié)強(qiáng)度值計(jì)算公式

根據(jù)四個(gè)設(shè)計(jì)因素與特征粘結(jié)強(qiáng)度的相關(guān)關(guān)系，采用統(tǒng)計(jì)回歸得到了三個(gè)特征粘結(jié)強(qiáng)度值的計(jì)算公式，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如式(2)～(4)所示。

(2)

(3)

(4)

表6 特征粘結(jié)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)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(guó)內(nèi)外已有大量學(xué)者進(jìn)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(jiàn)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(bào)道，本文借鑒文獻(xiàn)[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(guò)程中的滑移指標(biāo)，定義特征滑移值Su、Sr分別為特征荷載Pu、Pr對(duì)應(yīng)的滑移值，采用三階段的模型來(lái)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(dá)式如式(5)～(7)所示。

(5)

(6)

(7)

根據(jù)試驗(yàn)的特征粘結(jié)強(qiáng)度值和特征滑移值，計(jì)算得到了試件粘結(jié)-滑移曲線(xiàn)的擬合曲線(xiàn)并與試驗(yàn)曲線(xiàn)進(jìn)行比較，結(jié)果如圖7所示。圖中擬合曲線(xiàn)和試驗(yàn)曲線(xiàn)吻合度較高，說(shuō)明采用該本構(gòu)模型所得到的粘結(jié)-滑移曲線(xiàn)可以真實(shí)地反映出試件粘結(jié)-滑移曲線(xiàn)的發(fā)展趨勢(shì)，滿(mǎn)足計(jì)算要求。

圖7 試件粘結(jié)-滑移擬合曲線(xiàn)與試驗(yàn)曲線(xiàn)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(xiàn)外形相似，可劃分為無(wú)滑移段、荷載上升段、荷載下降段和水平殘余段四個(gè)階段。試件的特征荷載與四個(gè)設(shè)計(jì)變量均為正相關(guān)，其中型鋼的錨固長(zhǎng)度對(duì)特征荷載的影響最大，配箍率對(duì)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(qiáng)度影響較明顯，隨著地聚合物混凝土強(qiáng)度的提高，裂縫的種類(lèi)和數(shù)量減少。

(3)特征粘結(jié)強(qiáng)度隨地聚合物混凝土抗壓強(qiáng)度、型鋼保護(hù)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(qiáng)度也會(huì)隨型鋼錨固長(zhǎng)度的增加而增加。

(4)建立了特征粘結(jié)強(qiáng)度的計(jì)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(xiàn)和試驗(yàn)曲線(xiàn)吻合度較高，說(shuō)明該模型可以較好地反映試件粘結(jié)-滑移曲線(xiàn)的發(fā)展規(guī)律。