鋼混構件在不同溫差參數下的極限粘接強度測試研究

馬曉寧

(榆林職業技術學院，陜西 榆林 719000)

隨著近年來城鎮化進程和建筑行業的快速發展，以及對節能環保等意識的逐漸增強，再生混凝土替代天然骨料進行鋼混結構制備已成為研究的熱點[1-3]，并已在城鄉改造、工業廠房和橋梁工程建設中得到成功應用。然而，實際再生混凝土/鋼結構的使用過程中，不可避免地需要經歷自然環境中的低溫以及可能接觸到的高溫環境，對鋼混凝土結構的粘接性能會產生明顯影響[4-7]。目前這方面的研究報道較少，此外，在整體結構設計過程中，由于缺乏必要的試驗數據參考以及影響因素較多，無法對鋼混結構的粘接強度等進行有效預測[8-10]。鑒于此，研究了溫度、高溫持續時間和再生骨料取代率對鋼混凝土構件粘接性能的影響，并建立了鋼混結構粘接強度與溫度、高溫持續時間和再生骨料取代率之間的關系。

1 材料與方法

1.1 試驗原料

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

河砂：細度模數2.70，浙江三獅集團特種水泥有限公司提供；

碎石：連續級配5～25 mm，浙江三獅集團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，浙江三獅集團特種水泥有限公司提供；

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

1.2 試驗儀器

SX2-15型箱式電阻爐，上海實焰電爐廠；YAW1000型液壓伺服壓力試驗機，山東聯工檢測設備有限公司；DH3816型靜態應變采集儀，江蘇東華測試技術股份有限公司。

1.3 試驗制備

根據JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規程》配制強度等級C30和C40混凝土，具體配合比如表1所示。

表1 強度等級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件中的鋼管錨固長度分別為260、410 mm，圓鋼管再生混凝土構件的尺寸示意圖如圖1所示。鋼混凝土構件的制作在學校結構實驗室中進行，空鋼管垂直放置后澆筑混凝土，人工振搗密實后抹平并進行自然養護[11]。采用箱式電阻爐進行處理，構件放置在電阻爐內升溫至設定溫度200 ～800 ℃后開始計時，持續時間介于0.5～2 h，加熱結束后取出放置在空氣中冷卻至室溫備用。

(a)溫度

(b)時間

(c)再生骨料取代率

(d)混凝土強度等級

(e)錨固長度圖1 鋼混凝土組合構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)靜力單調加載試驗：在山東聯工檢測設備有限公司生產的YAW1000型液壓伺服壓力試驗機上進行鋼混凝土構件的位移控制靜力單調加載試驗，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股份有限公司提供的DH3816型靜態應變采集儀記錄拔出試驗過程中的荷載-位移曲線和最大極限荷載；

(3)極限粘接強度τ計算：鋼管/混凝土之間的極限粘接強度τ可以用下式表示[12]：

(1)

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

2 結果與討論

2.1 極限荷載的影響因素

圖2為鋼混凝土組合構件極限荷載的影響因素分析結果。

(a)溫度

(b)時間

(c)再生骨料取代率

(d)強度等級

(e)錨固長度圖2 鋼混凝土組合構件極限粘接強度的 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)的構件所受溫度對極限荷載的影響來看，當再生骨料取代率為0%時，溫度分別為20、200、400、600和800 ℃時，極限荷載分別為53.81、77.5、110.21、124.23和162.24 MPa；由此可見，構件的極限荷載會隨著溫度升高而逐漸增大。當再生骨料取代率分別為50%和100%時，隨著溫度升高，混凝土構件的極限荷載會逐漸增大，且取代率越高則相應地相同溫度下構件的極限荷載越大。

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

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

從圖1(d)的構件混凝土強度等級對極限荷載的影響來看，當再生骨料取代率為0%時，C30和C40強度等級的構件極限荷載分別為177.27、200.6 MPa，相同強度等級構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)的錨固長度對構件極限荷載的影響來看，當再生骨料取代率為0%時，錨固長度分別為260、410 mm時，構件的極限荷載分別為124.23、77.27 MPa，說明相同錨固長度構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，錨固長度分別為260、410 mm時，構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，這主要是因為較長的錨固長度會使得混凝土與鋼管的接觸面積增加，相應的與內壁的摩擦力增加而增大構件的極限荷載[13-16]。

2.2 極限粘接強度的影響因素

圖2為鋼混凝土組合構件極限粘接強度的影響因素分析結果。

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

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

從圖2(c)的構件再生骨料取代率對極限粘接強度的影響來看，當溫度為20 ℃時，不同取代率下構件的極限粘接強度較小，且表現為隨著取代率增加而增大的特征；當溫度上升至200～800 ℃時，構件的極限粘接強度也呈現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，溫度越高則相應構件的極限粘接強度越大。

從圖2(d)的構件混凝土強度等級對極限粘接強度的影響來看，當再生骨料取代率為0%時，C30和C40強度等級的構件極限荷載分別為1.223、1.304 MPa時，隨著再生骨料取代率增加，相同強度等級構件的極限粘接強度呈現逐漸增加的趨勢。

從圖2(e)的錨固長度對構件極限粘接強度的影響來看，當再生骨料取代率為0%時，錨固長度分別為260、410 mm時，構件的極限粘接強度分別為1.153、1.223 MPa。隨著再生骨料取代率的增加，相同錨固長度構件的極限粘接強度呈現逐漸增大的趨勢，在再生骨料取代率為100%時，錨固長度分別為260、410 mm時，構件的極限粘接強度分別為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度越大。

綜合而言，隨著鋼混構件所受溫度、經歷高溫時間、再生骨料取代率、混凝土強度等級和錨固長度的增加，鋼混凝土構件的極限粘接強度會呈現逐漸增大的趨勢。這主要是因為在制備鋼混凝土構件以及后續受高溫過程中，構件內部會發生一些列的物理化學反應，構件內部在膨脹或者收縮等作用下會出現鋼/混凝土咬合力增大的現象[9]，反應在極限粘接強度上則表現為增大的特征。

2.3 溫度影響系數

鋼混構件的粘接強度受溫度的影響較大，可以用溫度影響系數(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 ℃時的極限粘接強度。計算得到不同再生骨料取代率和溫度的鋼混凝土構件的溫度影響系數，結果如表2所示。

表2 不同再生骨料取代率和溫度下鋼混凝土 構件的溫度影響系數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件的溫度影響系數(KT)與溫度(T)的關系曲線進行線性擬合，可得到KT與溫度T的關系式：

KT=0.27+8.6×10-4T

(3)

2.4 時間影響系數

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

(4)

式中：τu(t)和τu(0.5)分別表示時間t和時間0.5 h時的極限粘接強度。計算得到不同再生骨料取代率和時間下鋼混凝土構件的時間影響系數，結果如表3所示。

表3 鋼混凝土構件的時間影響系數Tab.3 Time influence coefficient of steel concrete member

將時間影響系數與時間的關系曲線進行擬合，可得到Kt與時間t的關系式：

(5)

鋼混構件的粘接強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(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%時的極限粘接強度。計算得到不同再生骨料取代率下鋼混凝土構件的取代率影響系數，將不同再生骨料取代率下鋼混凝土構件的取代率影響系數與取代率的關系曲線進行擬合，可得到KQ的關系式

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)

結合上述的溫度影響系數(KT)、時間影響系數(Kt)和取代率影響系數(KQ)，可以得到任意參數下鋼混凝土構件的極限粘接強度(τ)計算式：

τ=KTKtKQτu

(12)

式中：τu為室溫下鋼混凝土構件的極限粘接強度。

3 結語

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

(2)隨著鋼混構件所受溫度、經歷高溫時間、再生骨料取代率、混凝土強度等級和錨固長度的增加，鋼混凝土構件的極限粘接強度會呈現逐漸增大的趨勢。當再生骨料取代率為0%、溫度為20 ℃時，鋼混構件的極限粘接強度為0.474 MPa；

(3)鋼混凝土構件的粘接強度溫度影響系數(KT)可表示：

鋼混凝土構件的粘結強度時間影響系數(Kt)可表示：

任意參數下鋼混凝土構件的極限粘結強度(τ)計算式：

τ=KTKtKQτu。