方鋼管再生混凝土界面粘結性能試驗

趙強

(山西省建筑科學研究院， 山西 太原 030001)

?

方鋼管再生混凝土界面粘結性能試驗

趙強

(山西省建筑科學研究院， 山西 太原 030001)

摘要：對8根鋼管再生混凝土柱界面粘結性能進行研究，探討再生骨料取代率及再生混凝土強度對鋼管再生混凝土界面粘結性能的影響.結果表明：鋼管再生混凝土荷載-滑移曲線大致經歷無滑移階段、應力上升段、應力下降段等3個階段，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鋼管與再生混凝土界面粘結強度影響顯著，再生骨料取代率越高，界面粘結強度越低；再生混凝土強度對鋼管再生混凝土強度有一定影響，隨著再生混凝土強度提升，粘結強度逐漸增加，但增幅逐漸降低.

關鍵詞：鋼管混凝土； 再生混凝土； 粘結滑移； 粘結強度

再生混凝土是在普通混凝土配合比基礎上，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].再生混凝土的發展是實現建筑骨料資源再利用的有益途徑，有利于節約資源、保護環境，符合建筑業持續綠色發展的理念.鋼管再生混凝土的相關研究是目前的一大熱點.由于再生骨料在既有建筑破碎拆除及后續加工處理中產生新的損傷，且再生骨料與水泥基體粘結強度較低，再生混凝土的力學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性能的研究也極為必要[2-4].目前，已有較多學者對鋼管再生混凝土構件力學性能進行了研究[5-9].然而，關于鋼管與再生混凝土兩者之間的粘結性能的研究相對較少[10-11].本文對8根方鋼管再生混凝土界面粘結性能展開試驗，分析再生粗骨料取代率、再生混凝土強度等級對鋼管與混凝土界面粘結性能的影響.

1試驗概況

1.1　試驗原材料及配合比

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生(C30碎石混凝土)，經破碎、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，細度模數為2.4；自來水.試驗再生粗骨料取代率分別為0%，30%，50%，70%，100%.再生混凝土強度等級為C30，C40，C50，C60.再生混凝土配合比(ρ)及測試強度(fcu)，如表1所示.試驗鋼管為鋼板焊接而成，試驗測得鋼管屈服強度為302.3 MPa，極限強度為389.92 MPa，彈性模量為1.932×105MPa.

表1　再生混凝土配合比及強度

續表

1.2　試驗設計

試驗共設計8根方鋼管再生混凝土試件，試件為推出試件，試驗變化的參數控制為再生骨料取代率和再生混凝土的強度等級，各試件編號如表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，對混凝土充分振搗，在鋼管一端預留50 mm長度作為自由端.

1.3　加載測試

推出試驗采用位移控制加載，加載速度為0.002 mm·s-1.加載時，在加載端設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分別設置位移計，以采集加載端及自由端鋼管與混凝土之間的相對滑移.在試件加載前，應注意將試件對中，確保試件為軸心受壓.

2試驗結果分析

2.1　試件加載過程

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相對滑移.此時，混凝土與鋼管加載端之間粘結力主要為混凝土泊松效應產生的約束粘結作用，粘結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膠結力起著傳遞荷載的作用，荷載由鋼管向混凝土傳遞.隨著荷載的繼續增加，當荷載達到極限荷載5%～15%時，加載端鋼管與混凝土之間產生相對滑移，并伴隨著“嘶嘶”聲響.繼續加載，當荷載達到極限荷載75%～85%左右時，加載時發出“吱吱”聲響，伴隨混凝土不斷剝落，自由端和加載端相對滑移均持續增長，呈線性上升趨勢，且兩者數值逐步接近.此時，僅試件中部存在化學膠結力，試件兩端粘結力主要由機械咬合力構成.進一步加載，鋼管與混凝土兩者之間產生相對剛體滑移，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膠結力被完全破壞.此時，界面粘結力更多由鋼管與混凝土間的粘結摩擦力承擔.

試驗結束后，所有鋼管均未發生屈服，部分試件角部出現撕裂破壞，驗證了角部對混凝土的約束作用.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生的機械咬合作用.

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度等級的鋼管再生混凝土粘結滑移曲線呈現出類似的特征，部分典型的荷載-滑移(P-s)過程曲線，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點特性.1) 鋼管與混凝土之間滑移為持續累積的過程.起初，試件加載端產生局部滑移；隨后，試件加載端滑移不斷增大；最后，整個試件出現整體滑移.2) 試件滑移最初出現在加載端，當荷載達到極限荷載60%～90%時，自由端才開始產生滑移，加載端滑移量明顯大于自由端.3) 鋼管再生混凝土荷載-滑移曲線可分為無滑移階段、應力上升段、應力下降段等3個階段.無滑移階段，鋼管與混凝土之間由于化學膠結力的作用，鋼管與混凝土之間無相對滑移；應力上升段，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，當荷載達到鋼管與混凝土間機械咬合力與化學膠結力之和時，粘結-滑移曲線到達峰值點；應力下降段，曲線超過峰值荷載后開始走低部分.此時，整個試件產生整體滑移，化學膠結力已完全失去，界面粘結力由鋼管與混凝土之間的摩擦及殘余的機械咬合力提供.

3界面粘結性能分析

在試件界面粘結強度測試時，共準備8組方鋼管再生混凝土推出試件，為確保試驗結果的可重復性，每組共制備3個試件，以測試再生方鋼管混凝土平均粘結強度.在粘結強度計算時，假定試件混凝土埋置長度內粘結應力均勻分布，采用起滑移粘結強度τa、極限粘結強度τu評價鋼管與再生混凝土間的粘結性能.起滑移粘結強度和極限粘結強度計算公式為

式(1)，(2)中：τa為鋼管與混凝土間起滑移粘結強度，MPa；τu為極限粘結強度，MPa；Pa為起滑移粘結作用荷載，N；Pu為極限粘結作用荷載，N；D為鋼管內邊長，mm；L為鋼管與混凝土粘結長度，mm.

3.1　再生骨料取代率對鋼管再生混凝土界面粘結強度影響

再生骨料取代率(η)對鋼管再生混凝土起滑移粘結強度(Ta)及極限粘結強度(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強度為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強度越小.當未摻加再生骨料時，鋼管混凝土界面的起滑移粘結強度為0.667 MPa，而當再生骨料取代率為100%時， 起滑移粘結強度則降至0.463 MPa，起滑移粘結強度最大下降幅度達到30.58%.

圖2　再生骨料取代率對起滑移粘結強度影響 圖3　再生骨料取代率對極限粘結強度影響　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強度為0.481～0.704 MPa，再生骨料對混凝土與鋼管間界面粘結強度產生明顯不利影響，再生骨料取代率越大，鋼管與混凝土界面極限粘結強度越低；再生骨料取代率為0%時，極限粘結強度最大，約為0.704 MPa；當再生骨料取代率為100%時，極限粘結強度降至最低，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性能.通過試驗數據分析可知：當在實際工程中使用鋼管再生混凝土時，應考慮再生骨料摻入對粘結強度的不利影響，折減系數應根據再生骨料摻量選取，折減系數最低取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，再生混凝土相對較大的體積收縮不利于再生混凝土與鋼管之間機械咬合力及化學膠結力.

此外，再生骨料在破碎過程中容易產生內部缺陷，再生骨料強度低于天然骨料，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械咬合力及兩者界面摩阻力，進而對鋼管再生混凝土界面粘結強度產生不利影響.

3.2　再生混凝土強度對鋼管再生混凝土界面粘結強度影響

再生混凝土強度對鋼管再生混凝土初滑移粘結強度及極限粘結強度的影響，如圖4,5所示.

由圖4可知：再生混凝土的強度對鋼管與再生混凝土界面粘結強度影響明顯，再生混凝土強度等級越高，鋼管再生混凝土起滑移粘結強度呈現出增大趨勢.再生混凝土強度等級為C30～C60時，界面初滑移粘結強度為0.463～0.537 MPa.當再生混凝土強度等級為C30時，鋼管再生混凝土起滑移粘結強度為0.463 MPa；當再生混凝土強度等級為C60時，鋼管再生混凝土起滑移粘結強度為0.537 MPa，粘結強度提升幅度為13.78%.

圖4　混凝土強度等級對起滑移粘結強度影響 圖5　混凝土強度等級對極限粘結強度影響　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：不同強度等級鋼管再生混凝土界面極限粘結滑移強度為0.481～0.556 MPa，再生混凝土強度等級越高，界面極限粘結滑移強度越大.當再生混凝土強度等級為C30時，鋼管再生混凝土極限粘結強度為0.481 MPa，而當再生混凝土強度等級為C60時，極限粘結強度達到最大，達到0.556 MPa，極限粘結強度增幅為15.59%.

由此可知：混凝土強度等級較高有利于提高再生混凝土與鋼管兩者間機械咬合力，進而可以提高鋼管再生混凝土界面的粘結強度.與此同時，再生混凝土強度等級不斷地提高，鋼管與混凝土間粘結強度增幅卻逐漸減少，這主要是由于高強度等級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膠結力.

因此，盡管再生混凝土強度等級有利于提高鋼管再生混凝土界面粘結強度，但提升幅度較小，且當混凝土強度不斷提高時，混凝土體積收縮也會在一定程度上影響混凝土與鋼管之間的粘結.在實際中,不可過于依靠提高再生混凝土強度等級來改善鋼管再生混凝土界面粘結強度.

4結論

1) 不同再生骨料取代率對鋼管再生混凝土荷載-滑移過程曲線呈現出類似的變化規律，均經歷無滑移階段、應力上升段、應力下降段等3個階段.試件滑移先在加載端出現，加載端滑移量大于自由端.

2) 再生粗骨料取代率對鋼管再生混凝土粘結強度影響較為明顯，再生粗骨料取代率越大，鋼管與再生混凝土兩者界面粘結強度也就降低.當再生骨料摻量為100%時，鋼管再生混凝土粘結強度降幅最大，達到31.68%.在鋼管再生混凝土實際應用中，應考慮再生粗骨料取代率導致界面粘結強度的下降.

3) 再生混凝土強度對再生鋼管混凝土粘結強度影響較為顯著，混凝土強度等級增大，界面粘結強度也呈現增大趨勢，但增幅卻逐漸減小.

參考文獻：

[1]肖建莊，李佳彬，蘭陽.再生混凝土技術最新研究進展與評述[J].混凝土,2003,25(10):17-20,57.

[2]李坤,張英華.再生混凝土粗骨料的基本性能試驗研究[J].建筑科學,2006,22(5):58-60,99.

[3]XIAO Jianzhuang,LI Jiabin,ZHANG C.Mechanical properties of recycled aggregate concrete under uniaxial loading[J].Cement and Concrete Research,2005,35(6):1187-1194.

[4]施養杭,吳澤進,彭沖,等.再生粗骨料混凝土棱柱體抗壓強度試驗研究[J].建筑科學,2011,27(9):44-47.

[5]YANG Youfu,HAN Linhai.Experimental behaviour of recycled aggregate concrete filled steel tubular columns[J].Journal of Constructional Steel Research,2006,62(12):1310-1324.

[6]吳波,劉偉,劉瓊祥,等.鋼管再生混合短柱的軸壓性能試驗[J].土木工程學報,2010,43(2):32-38.

[7]王玉銀,陳杰,縱斌,等.鋼管再生混凝土與鋼筋再生混凝土軸壓短柱力學性能對比試驗研究[J].建筑結構學報,2011,32(12):170-177.

[8]張兆強,熊高輝,楊麗萍,等.無端板方鋼管再生混凝土短柱軸向局部受壓性能試驗研究[J].建筑科學,2014,30(5):73-77.

[9]LIU Yixiang,ZHA Xiaoxiong,GONG Guobin.Study on recycled-concrete-filled steel tube and recycled concrete based on damage mechanics[J].Journal of Constructional Steel Research,2012,71(4):143-148.

[10]陳宗平,徐金俊,李衛寧,等.再生粗骨料含量對鋼管再生混凝土粘結強度及失效性態的影響研究[J].工程力學，2014,31(6):70-78.

[11]張衛東,王振波,孫文彬,等.方鋼管再生混凝土界面粘結滑移性能試驗研究[J].建筑結構，2015,45(8):64-68.

(責任編輯： 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

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51308371)； 山西省自然科學基金資助項目(2014011033-1)

通信作者：趙強(1974-)，男，高級工程師，主要從事結構工程的研究.E-mail:zq2021325@hotmail.com.

收稿日期：2015-08-10

中圖分類號：TU 528

文獻標志碼：A

doi:10.11830/ISSN.1000-5013.2016.01.0115

文章編號：1000-5013(2016)01-0115-05