摘要
为研究钢管再生混凝土(RACFST)在原生混凝土强度等级、锈蚀率和膨胀剂掺量影响下的黏结-滑移性能,开展了重复推出试验,分析了荷载-滑移曲线、耗能能力、应变分布和各因素对RACFST峰值荷载的影响,并建立了黏结强度计算模型. 结果表明:混凝土奇数次推出时的耗能能力和钢管表面应变分布大于偶数次推出时;峰值荷载随着原生混凝土强度的提高而增大,随着锈蚀率和膨胀剂掺量的提高分别呈先增大后减小、先减小后增大趋势;基于Rational函数和Expdec1函数建立的黏结强度计算模型具有较高可靠性.
中国从“碳达峰”到“碳中和”的过渡期将面临时间短、任务重等巨大挑战. 建筑行业碳排放量为全国碳排放总量的50%以上,使用再生骨料能够有效减少建筑业碳排放,更好地保护环境. 但再生骨料的力学性能和耐久性能等均比普通混凝土差,严重影响其大规模推
RACFST界面的黏结-滑移是钢管和再生混凝土共同工作的基础. 目前,国内外学者对RACFST界面的研究主要集中在钢管类
鉴于此,本文设计了不同原生混凝土强度等级、膨胀剂掺量及高氯离子腐蚀条件下9组RACFST试件的重复推出试验,进行了黏结机理及相关影响参数分析,并建立了相应变量下的黏结强度计算式,以期为RACFST黏结-滑移性能的评估提供相关依据.
胶凝材料采用42.5级硅酸盐水泥;再生粗骨料为自制的原生强度等级为C30、C40和C50的混凝土经破碎、清洗、分级和筛分后所得到的0~20 mm连续级配再生骨料;天然粗骨料采用0~20 mm连续级配的碎石;细骨料采用细度模数2.4,含水率(质量分数,文中涉及的含量、水胶比等均为质量分数或质量比)1.15%的连续级配中砂;膨胀剂选用UEA‑H型膨胀剂;钢管为Q235直缝焊接钢管,外径140 mm、壁厚4.5 mm、高410 mm,屈服强度235 MPa、弹性模量210 MPa、泊松比0.25. 粗骨料物理性能指标见
Test index | Natural coarse aggregate | Recycled coarse aggregate | ||
---|---|---|---|---|
C30 | C40 | C50 | ||
Packing density/(kg· | 1 441 | 1 188 | 1 163 | 1 181 |
Apparent density/(kg· | 1 052 | 2 510 | 2 569 | 2 436 |
Water absorption(by mass)/% | 0.86 | 5.06 | 4.08 | 3.52 |
Crushing index/% | 6.12 | 14.91 | 14.45 | 15.35 |
Clay content(by mass)/% | — | 0.42 | 0.61 | 0.46 |
Attached mortar content(by mass)/% | — | 43.28 | 30.90 | 23.83 |

图1 粗骨料级配曲线
Fig.1 Grading curves of coarse aggregates
(1) 试件制作

图2 试件几何尺寸
Fig.2 Geometric size of specimen(size: mm)
常用的膨胀剂有UEA型膨胀剂、HCSA型膨胀剂和氧化镁膨胀
(1) |
式中:E为膨胀剂用量,g;C为水泥用量,g.
以黏结强度最大为原则,将再生粗骨料取代率取为50
Specimen No. | Cement consumption/(kg· | Parent concrete strength grade | w(UEA‑H)/% | ρ/% |
---|---|---|---|---|
RACFST‑1 | 372.73 | C30 | 0 | 0 |
RACFST‑2 | 372.73 | C40 | 0 | 0 |
RACFST‑3 | 372.73 | C40 | 0 | 5 |
RACFST‑4 | 372.73 | C40 | 0 | 10 |
RACFST‑5 | 372.73 | C40 | 0 | 15 |
RACFST‑6 | 372.73 | C50 | 0 | 0 |
RACFST‑7 | 357.82 | C50 | 4 | 0 |
RACFST‑8 | 342.91 | C50 | 8 | 0 |
RACFST‑9 | 328.00 | C50 | 12 | 0 |
(2) 钢管锈蚀试验
由于钢管在自然界中的锈蚀是一种长期而缓慢的过程,实验室常采用电解池对其加速锈蚀. 根据法拉第电解第一定律,钢管名义锈蚀率(ρ,%)的计算式
(2) |
式中:t为通电时间,s;M为Fe的摩尔质量,56 g/mol;i为锈蚀电流密度,A/c
将浇筑好的锈蚀试件先密封养护7 d,再置于5%的NaCl溶液中浸泡7 d,使NaCl溶液充分渗入黏结界面,称重后进行加速锈蚀试验,其示意图见

图3 钢管加速锈蚀试验示意图
Fig.3 Schematic diagram of accelerated corrosion test for steel tube
(3) 推出试验方案
使用WAW‑EY1000C电液伺服万能试验机加载. 在加载端使用1个直径略小于钢管内径、厚度为40 mm的钢垫块进行推出试验,加载速率为0.002 mm/s;当自由端位移达到35 mm或残余荷载下降趋于稳定时,首次推出结束;将试件倒置,按上述方案再次推出,每个试件反复推出4次,得到重复加载曲线. 通过架设于加载端(混凝土受力端)上压板、自由端(钢管受力端)外伸钢筋棒处的位移计测量两端滑移. 重复推出方法示意图如

图4 重复推出方法示意图
Fig.4 Schematic diagram of repeated push‑out method
需要说明的是:由于首次推出时加载端与自由端的起滑存在时间差,其荷载-滑移(P‑S)曲线列出了两端曲线;而重复推出时加载端与自由端的P‑S保持一致,故仅列出了加载端曲线;另外,试件RACFST‑3和RACFST‑7因仪器故障未能测出重复推出曲线.
试件首次推出和重复推出的P‑S曲线如图

图5 试件首次推出的P‑S曲线
Fig.5 P‑S curves at the first push‑out of specimens

图6 试件重复推出的P‑S曲线
Fig.6 P‑S curves at repeated push‑out of specimens
钢管再生混凝土界面黏结力由化学胶结力、机械咬合力和摩擦力组成. 钢管与混凝土界面黏结性能的演变即上述3组作用力交替发挥作用的过程. 为便于描述荷载-滑移过程,将滑移与3组作用力相对应:当化学胶结力消失、机械咬合力发挥作用时界面产生微观滑移;当机械咬合力失效、摩擦力发挥作用时界面产生宏观滑移. 微观滑移量是与钢管表面粗糙程度(一般为1
首次推出曲线分析如

图7 首次推出曲线分析
Fig.7 Analysis of the first push‑out
(1)无滑移段(OA、OA′)
首次推出试验初期荷载较小,加载端和自由端均无滑移产生,界面处于弹性阶段;从混凝土传递到钢管的黏结力全部由加载端、部分自由端的水泥凝胶体与钢管表面黏结形成的化学胶结力提供. 化学胶结力在较小的荷载下即失效且无法恢复,主要受水胶比影响.
(2)加载端微观滑移段(AB)
荷载略微增大后,加载端出现微观滑移,化学胶结力下移于无滑移处,扩散长度增加;自由端化学胶结力略有增大但未发生微观滑移. 微观滑移对应的机械咬合力在水泥凝胶体与钢管黏结失效时发挥作用,到锲入钢管的混凝土突刺被剪断时失效.微观滑移仅在局部微小范围内存在.
(3)自由端微观滑移段(A′B′)
随后自由端也出现微观滑移,该端的机械咬合力已叠加到黏结力中,此时加载端滑移量较大,出现了宏观滑移,摩擦力发挥作用. 至此,化学胶结力、机械咬合力和摩擦力全部加入到黏结力当中.
(4)加载端与自由端宏观滑移段(BC、B′C′)
随着荷载的继续增大,自由端也出现宏观滑移,随后化学胶结力、机械咬合力依次在试件中下部相遇,并随着滑移量的增大逐渐被摩擦力取代. 宏观滑移发生处混凝土被钢管表面锯齿状突刺剪断、压碎并作为碎屑填充,具体表现为机械咬合力失效,摩擦力发挥作用.
(5)滑移稳定段(CD、C′D′)
加载端和自由端滑移量同步,界面完全贯通,黏结力在黏结界面仅由摩擦力提供而发展稳定. 摩擦力的大小与摩擦系数、环向压力有关. 试件全长范围内机械咬合力失效使钢管内表面被混凝土碎屑填充,摩擦系数稳定;受压混凝土横向泊松效应引发钢管环箍约束产生的摩擦力与外荷载达到平衡,摩擦力稳定发展.

图8 重复推出特征曲线
Fig.8 Analysis of repeated push‑out
推出过程中试件耗能能力是界面能量损失的直接体现. 采用耗能因子)对耗能能力进行定量描述,计算表达式
(3) |
式中:为
Specimen No. | The first push‑out | The second push‑out | The third push‑out | The fourth push‑out |
---|---|---|---|---|
RACFST‑1 | 0.842 38 | 0.681 82 | 0.654 43 | 0.662 77 |
RACFST‑2 | 0.789 35 | 0.659 28 | 0.805 29 | 0.776 97 |
RACFST‑3 | 0.812 85 | — | — | — |
RACFST‑4 | 0.685 20 | 0.729 93 | 0.622 56 | 0.673 12 |
RACFST‑5 | 0.711 08 | 0.693 59 | 0.693 47 | 0.771 30 |
RACFST‑6 | 0.807 88 | 0.658 53 | 0.729 07 | 0.704 93 |
RACFST‑7 | 0.734 01 | — | — | — |
RACFST‑8 | 0.844 45 | 0.632 64 | 0.893 52 | 0.691 87 |
RACFST‑9 | 0.773 78 | 0.673 65 | 0.739 78 | 0.704 30 |
Average | 0.777 90 | 0.675 63 | 0.734 02 | 0.712 18 |
以典型试件RACFST‑6为代表,分析重复推出时荷载上升段的黏结应变分布,结果见

图9 荷载上升段黏结应变分布
Fig.9 Bonding strain distribution of load rising section
将试件首次推出时的峰值荷载受各因素的影响进行分析,结果如

图10 各因素对峰值荷载的影响
Fig.10 Influence of each factor on peak load
为研究原生混凝土强度对试件峰值载荷的影响,选取试件RACFST‑1、RACFST‑2和RACFST‑6进行分析.由
为研究锈蚀率对试件峰值荷载的影响,选取RACFST‑2~RACFST‑5进行分析.由
为研究膨胀剂掺量对试件峰值荷载的影响,选取试件RACFST‑6~RACFST‑9进行分析. 由
RACFST的黏结强度计算
(4) |
式中:τu为黏结强度,MPa;d为钢管内径,mm;la为钢管有效长度,mm.
本文采用Rational函数对锈蚀率系列试件(RACFST‑2~RACFST‑5)拟合,采用Expdec1函数分别对原生混凝土强度系列试件(RACFST‑1、RACFST‑2和RACFST‑6)、膨胀剂掺量系列试件(RACFST‑6~RACFST‑9)进行拟合. 将本文中的RACFST界面黏结强度计算值、实测值与文献[
Specimen No. | Calculation model of bond strength | Data result of this paper | Data result of Ref.[14‑15] | |||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
RACFST‑1 | 1.000 | 0.85 | 0.85 | 1.00 | ||||
RACFST‑2 | 0.928 | 0.94 | 0.88 | 1.07 | 0.94 | 0.93 | 1.01 | |
RACFST‑3 | 1.57 | 1.64 | 0.96 | 0.94 | 1.00 | 0.94 | ||
RACFST‑4 | 1.29 | 1.19 | 1.08 | 0.94 | 1.14 | 0.82 | ||
RACFST‑5 | 0.68 | 0.79 | 0.85 | 0.94 | 1.24 | 0.76 | ||
RACFST‑6 | 0.911 | 1.08 | 1.13 | 0.96 | 1.08 | 1.03 | 1.05 | |
RACFST‑7 | 1.08 | 1.11 | 0.97 | 1.08 | 1.19 | 0.91 | ||
RACFST‑8 | 1.08 | 1.00 | 1.08 | 1.08 | 0.92 | 1.17 | ||
RACFST‑9 | 1.44 | 1.44 | 1.00 | 1.08 | 1.18 | 0.92 |
Note: is the value calculated by the fitting formula; is the measured value; fcy is the parent concrete strength; the data of corrosion rate specimens were obtained from YG 6‑9 in ref.[
(1)钢管再生混凝土(RACFST)黏结界面的荷载-滑移曲线中对微观、宏观滑移的定义,将化学胶结力、机械咬合力和摩擦力清晰地对应了各自的滑移阶段.3种作用力依次出现、失效,对黏结-滑移机理的表征具有重要意义.
(2)RACFST黏结界面各参数受推出方向影响较大. 总体上看,界面耗能能力在首次推出时最大,奇数次推出时大于偶数次推出时;同一方向上随着推出次数的增加,各点应变降幅较小;推出方向不同导致应变变化较大,奇数次推出时大于偶数次推出时.
(3)RACFST的峰值荷载随着原生混凝土强度的提高而提高,随着锈蚀率的提高先增大后减小,最大值对应的锈蚀率为5%;随着膨胀剂掺量的增加先减小后增大,最大值对应的膨胀剂掺量为12%.
(4)RACFST的黏结强度计算值与实测值相较GB 50936—2014有较大安全富余. 计算模型与试验值、文献值吻合较好,能够准确预测黏结强度,可为实际工程中RACFST的黏结-滑移性能评估提供参考.
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