方钢管再生混凝土界面粘结性能试验

赵强

(山西省建筑科学研究院， 山西 太原 030001)



方钢管再生混凝土界面粘结性能试验

赵强

(山西省建筑科学研究院， 山西 太原 030001)

摘要：对8根钢管再生混凝土柱界面粘结性能进行研究，探讨再生骨料取代率及再生混凝土强度对钢管再生混凝土界面粘结性能的影响.结果表明：钢管再生混凝土荷载-滑移曲线大致经历无滑移阶段、应力上升段、应力下降段等3个阶段，不同再生骨料取代率的钢管再生混凝土荷载-滑移曲线具有类似的特征；再生骨料的取代率对钢管与再生混凝土界面粘结强度影响显著，再生骨料取代率越高，界面粘结强度越低；再生混凝土强度对钢管再生混凝土强度有一定影响，随着再生混凝土强度提升，粘结强度逐渐增加，但增幅逐渐降低.

关键词：钢管混凝土； 再生混凝土； 粘结滑移； 粘结强度

再生混凝土是在普通混凝土配合比基础上，采用废弃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].再生混凝土的发展是实现建筑骨料资源再利用的有益途径，有利于节约资源、保护环境，符合建筑业持续绿色发展的理念.钢管再生混凝土的相关研究是目前的一大热点.由于再生骨料在既有建筑破碎拆除及后续加工处理中产生新的损伤，且再生骨料与水泥基体粘结强度较低，再生混凝土的力学及耐久性能均不及普通混凝土，再生混凝土与钢管界面粘结性能的研究也极为必要[2-4].目前，已有较多学者对钢管再生混凝土构件力学性能进行了研究[5-9].然而，关于钢管与再生混凝土两者之间的粘结性能的研究相对较少[10-11].本文对8根方钢管再生混凝土界面粘结性能展开试验，分析再生粗骨料取代率、再生混凝土强度等级对钢管与混凝土界面粘结性能的影响.

1试验概况

1.1　试验原材料及配合比

P.O 42.5普通硅酸盐水泥；再生粗骨料为某既有建筑物拆除产生(C30碎石混凝土)，经破碎、清洗、筛分后使用，粒径为5.0～31.5 mm；天然粗骨料为碎石，石子粒径为5.0～31.5 mm；中砂，细度模数为2.4；自来水.试验再生粗骨料取代率分别为0%，30%，50%，70%，100%.再生混凝土强度等级为C30，C40，C50，C60.再生混凝土配合比(ρ)及测试强度(fcu)，如表1所示.试验钢管为钢板焊接而成，试验测得钢管屈服强度为302.3 MPa，极限强度为389.92 MPa，弹性模量为1.932×105MPa.

表1　再生混凝土配合比及强度

续表

1.2　试验设计

试验共设计8根方钢管再生混凝土试件，试件为推出试件，试验变化的参数控制为再生骨料取代率和再生混凝土的强度等级，各试件编号如表1所示.钢管再生混凝土试件高度为500 mm，截面尺寸为150 mm×150 mm，钢板厚度为3 mm.试件制作时，对混凝土充分振捣，在钢管一端预留50 mm长度作为自由端.

1.3　加载测试

推出试验采用位移控制加载，加载速度为0.002 mm·s-1.加载时，在加载端设置略小于混凝土截面的钢垫块，垫块厚度为40 mm，截面尺寸为145 mm×145 mm.在试件加载端和自由端两侧分别设置位移计，以采集加载端及自由端钢管与混凝土之间的相对滑移.在试件加载前，应注意将试件对中，确保试件为轴心受压.

2试验结果分析

2.1　试件加载过程

在加载初期，钢管再生混凝土试件处于弹性受力的阶段，钢管与混凝土之间并无相对滑移.此时，混凝土与钢管加载端之间粘结力主要为混凝土泊松效应产生的约束粘结作用，粘结力由混凝土向钢管传递；而自由端钢管与混凝土间主要为化学胶结力起着传递荷载的作用，荷载由钢管向混凝土传递.随着荷载的继续增加，当荷载达到极限荷载5%～15%时，加载端钢管与混凝土之间产生相对滑移，并伴随着“嘶嘶”声响.继续加载，当荷载达到极限荷载75%～85%左右时，加载时发出“吱吱”声响，伴随混凝土不断剥落，自由端和加载端相对滑移均持续增长，呈线性上升趋势，且两者数值逐步接近.此时，仅试件中部存在化学胶结力，试件两端粘结力主要由机械咬合力构成.进一步加载，钢管与混凝土两者之间产生相对刚体滑移，试件承受的荷载开始逐渐减小，再生混凝土与钢管界面化学胶结力被完全破坏.此时，界面粘结力更多由钢管与混凝土间的粘结摩擦力承担.

试验结束后，所有钢管均未发生屈服，部分试件角部出现撕裂破坏，验证了角部对混凝土的约束作用.钢管与混凝土接触界面存在一定量的混凝土粉末，这主要是钢管表面的凹凸界面与混凝土产生的机械咬合作用.

2.2　荷载-滑移曲线

不同再生骨料取代率和不同再生混凝土强度等级的钢管再生混凝土粘结滑移曲线呈现出类似的特征，部分典型的荷载-滑移(P-s)过程曲线，如图1所示.

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

(c) RSST-7 (d) RSST-8图1　典型试件荷载-粘结滑移曲线Fig.1　Load-slip curves of typical specimens

钢管再生混凝土荷载-滑移曲线具有以下3点特性.1) 钢管与混凝土之间滑移为持续累积的过程.起初，试件加载端产生局部滑移；随后，试件加载端滑移不断增大；最后，整个试件出现整体滑移.2) 试件滑移最初出现在加载端，当荷载达到极限荷载60%～90%时，自由端才开始产生滑移，加载端滑移量明显大于自由端.3) 钢管再生混凝土荷载-滑移曲线可分为无滑移阶段、应力上升段、应力下降段等3个阶段.无滑移阶段，钢管与混凝土之间由于化学胶结力的作用，钢管与混凝土之间无相对滑移；应力上升段，随着荷载的增加，滑移值逐渐增大，荷载滑移曲线斜率随后也开始降低，当荷载达到钢管与混凝土间机械咬合力与化学胶结力之和时，粘结-滑移曲线到达峰值点；应力下降段，曲线超过峰值荷载后开始走低部分.此时，整个试件产生整体滑移，化学胶结力已完全失去，界面粘结力由钢管与混凝土之间的摩擦及残余的机械咬合力提供.

3界面粘结性能分析

在试件界面粘结强度测试时，共准备8组方钢管再生混凝土推出试件，为确保试验结果的可重复性，每组共制备3个试件，以测试再生方钢管混凝土平均粘结强度.在粘结强度计算时，假定试件混凝土埋置长度内粘结应力均匀分布，采用起滑移粘结强度τa、极限粘结强度τu评价钢管与再生混凝土间的粘结性能.起滑移粘结强度和极限粘结强度计算公式为

式(1)，(2)中：τa为钢管与混凝土间起滑移粘结强度，MPa；τu为极限粘结强度，MPa；Pa为起滑移粘结作用荷载，N；Pu为极限粘结作用荷载，N；D为钢管内边长，mm；L为钢管与混凝土粘结长度，mm.

3.1　再生骨料取代率对钢管再生混凝土界面粘结强度影响

再生骨料取代率(η)对钢管再生混凝土起滑移粘结强度(Ta)及极限粘结强度(Tu)的影响，如图2，3所示.

由图2可知：再生粗骨料取代率为0%～100%的钢管再生混凝土起滑移粘结强度为0.463～0.667 MPa，再生骨料取代率越大，钢管与再生混凝土界面起滑移粘结强度越小.当未掺加再生骨料时，钢管混凝土界面的起滑移粘结强度为0.667 MPa，而当再生骨料取代率为100%时， 起滑移粘结强度则降至0.463 MPa，起滑移粘结强度最大下降幅度达到30.58%.

图2　再生骨料取代率对起滑移粘结强度影响 图3　再生骨料取代率对极限粘结强度影响　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

由图3可知：不同再生骨料取代率的钢管再生混凝土极限粘结强度为0.481～0.704 MPa，再生骨料对混凝土与钢管间界面粘结强度产生明显不利影响，再生骨料取代率越大，钢管与混凝土界面极限粘结强度越低；再生骨料取代率为0%时，极限粘结强度最大，约为0.704 MPa；当再生骨料取代率为100%时，极限粘结强度降至最低，约为0.481 MPa.

因此，再生粗骨料的掺加不利于钢管再生混凝土界面粘结性能.通过试验数据分析可知：当在实际工程中使用钢管再生混凝土时，应考虑再生骨料掺入对粘结强度的不利影响，折减系数应根据再生骨料掺量选取，折减系数最低取0.69.相比于普通混凝土，再生混凝土有更大的体积收缩率，随着再生骨料取代率的增加，再生混凝土体积收缩率也逐渐增大，再生混凝土相对较大的体积收缩不利于再生混凝土与钢管之间机械咬合力及化学胶结力.

此外，再生骨料在破碎过程中容易产生内部缺陷，再生骨料强度低于天然骨料，且部分骨料表面附着有水泥砂浆，这些都不利再生混凝土与钢管之间机械咬合力及两者界面摩阻力，进而对钢管再生混凝土界面粘结强度产生不利影响.

3.2　再生混凝土强度对钢管再生混凝土界面粘结强度影响

再生混凝土强度对钢管再生混凝土初滑移粘结强度及极限粘结强度的影响，如图4,5所示.

由图4可知：再生混凝土的强度对钢管与再生混凝土界面粘结强度影响明显，再生混凝土强度等级越高，钢管再生混凝土起滑移粘结强度呈现出增大趋势.再生混凝土强度等级为C30～C60时，界面初滑移粘结强度为0.463～0.537 MPa.当再生混凝土强度等级为C30时，钢管再生混凝土起滑移粘结强度为0.463 MPa；当再生混凝土强度等级为C60时，钢管再生混凝土起滑移粘结强度为0.537 MPa，粘结强度提升幅度为13.78%.

图4　混凝土强度等级对起滑移粘结强度影响 图5　混凝土强度等级对极限粘结强度影响　Fig.4　Influence of strength grade of concrete on Fig.5　Influence of strength grade of concrete on　　starting bonding strength ultimate bonding strength

由图5可知：不同强度等级钢管再生混凝土界面极限粘结滑移强度为0.481～0.556 MPa，再生混凝土强度等级越高，界面极限粘结滑移强度越大.当再生混凝土强度等级为C30时，钢管再生混凝土极限粘结强度为0.481 MPa，而当再生混凝土强度等级为C60时，极限粘结强度达到最大，达到0.556 MPa，极限粘结强度增幅为15.59%.

由此可知：混凝土强度等级较高有利于提高再生混凝土与钢管两者间机械咬合力，进而可以提高钢管再生混凝土界面的粘结强度.与此同时，再生混凝土强度等级不断地提高，钢管与混凝土间粘结强度增幅却逐渐减少，这主要是由于高强度等级混凝土较大的体积收缩性降低了钢管与混凝土之间的化学胶结力.

因此，尽管再生混凝土强度等级有利于提高钢管再生混凝土界面粘结强度，但提升幅度较小，且当混凝土强度不断提高时，混凝土体积收缩也会在一定程度上影响混凝土与钢管之间的粘结.在实际中,不可过于依靠提高再生混凝土强度等级来改善钢管再生混凝土界面粘结强度.

4结论

1) 不同再生骨料取代率对钢管再生混凝土荷载-滑移过程曲线呈现出类似的变化规律，均经历无滑移阶段、应力上升段、应力下降段等3个阶段.试件滑移先在加载端出现，加载端滑移量大于自由端.

2) 再生粗骨料取代率对钢管再生混凝土粘结强度影响较为明显，再生粗骨料取代率越大，钢管与再生混凝土两者界面粘结强度也就降低.当再生骨料掺量为100%时，钢管再生混凝土粘结强度降幅最大，达到31.68%.在钢管再生混凝土实际应用中，应考虑再生粗骨料取代率导致界面粘结强度的下降.

3) 再生混凝土强度对再生钢管混凝土粘结强度影响较为显著，混凝土强度等级增大，界面粘结强度也呈现增大趋势，但增幅却逐渐减小.

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(责任编辑： 钱筠英文审校： 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

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51308371)； 山西省自然科学基金资助项目(2014011033-1)

通信作者：赵强(1974-)，男，高级工程师，主要从事结构工程的研究.E-mail:zq2021325@hotmail.com.

收稿日期：2015-08-10

中图分类号：TU 528

文献标志码：A

doi:10.11830/ISSN.1000-5013.2016.01.0115

文章编号：1000-5013(2016)01-0115-05