冻融环境下地聚物混凝土和螺纹钢筋粘结性能

邓芃， 宋晓晓， 张丽群， 冯浩 ， 刘艳*

(1.山东科技大学山东省土木工程防灾减灾重点试验室， 青岛 266590； 2.山东科技大学土木工程与建筑学院， 青岛 266590)

地聚物混凝土(geopolymer concrete)[1]具有生产能耗低、材料高强和耐酸碱腐蚀的显著优势，在承重结构中有广阔的应用前景。Sarker[2]、Sofi等[3]、张海燕等[4]研究表明，地聚物混凝土和螺纹钢筋的粘结滑移曲线与普通混凝土基本一致，但极限粘结强度比普通混凝土高45%左右；即使在氯盐腐蚀环境下钢筋锈蚀率达到30%，粘结强度仍和普通混凝土相近[5]。另外，地聚物混凝土抗冻性较好，在遭受300次冻融循环后，其动弹性模量损失率及质量损失率为普通混凝土的85%和92%左右[6]。在中国寒冷地区的临海、盐碱土壤和冰盐环境中，混凝土结构会遭受氯离子腐蚀和冻融循环的耦合作用，与仅受冻融相比，混凝土的力学性能会明显降低，如遭受125次盐冻循环后，其抗压强度损失率为仅受冻融时的1.6倍[7]。目前，对上述环境下地聚物混凝土的研究多集中于材料力学性能的衰退规律[8-10]，对钢筋与地聚物混凝土之间粘结性能的研究并不充分。

但是，学术界对普通混凝土在冻融和腐蚀耦合作用下粘结强度退化的研究成果较丰富，因此，进行螺纹钢筋与地聚物混凝土粘结性能的研究可以多其进行参考和借鉴。Su等[7]、胡孔亮等[11]和孙洋等[12]提出盐冻环境将导致混凝土内部结冰压增大，与仅冻融试件相比，表层更容易出现疏松剥落，内部剪切裂缝扩展，从而加剧粘结性能的衰退。曹芙波等[13]、高兵等[14]、安新正等[15]和Dahou等[16]基于试验结果对mBPE(bertero-popov-eligehausen)和CMR(cosenza manfredi-realfonzo)模型的适用性进行了讨论，并提出能考虑冻融影响的劈裂抗拉强度、抗压强度以及极限粘结强度的计算公式，可用于寒冷环境下粘结强度的分析。

考虑考虑盐溶液浓度、冻融次数和保护层厚度的影响作用，提出遭受冻融以及腐蚀作用后地聚物混凝土劈裂抗拉强度和极限粘结强度计算公式。

研究结果可为处于严寒地区以及盐冻环境下地聚物混凝土结构的耐久性设计提供参考。

1 试验概况

1.1 试验原材料及配合比

制备地聚物混凝土的原材料包括粒径为5～10 mm的花岗岩碎石(表1)、细度模数为2.80的中粗河砂、S95的矿渣微粉(slag，SG)、偏高岭土(metakaolin，MK)和碱性激发剂。其中，SG、MK的化学成分如表2所示。碱性激发剂为硅酸钠溶液与8 mol/L氢氧化钠溶液的混合溶液，NaOH溶液需事先配制，待其充分放凉后与Na2SiO3溶液混合。地聚物混凝土配合比如表3所示，强度设计值为C45，水胶比为0.5。

表1 粗骨料的基本性能指标Table 1 Basic property index of coarse aggregate

表2 矿渣微粉、偏高岭土的化学组成Table 2 Chemical composition of fly ash metakaolin

表3 地聚物混凝土配合比Table 3 Mix proportion of geopolymer concrete

本次试验所采用的普通螺纹钢筋由上海旖轩实业有限公司生产，直径为16 mm，强度等级为HRB400，其相关力学性能指标如表4所示。

表4 钢筋的力学性能Table 4 Mechanical properties of steel bar

1.2 试件设计与制作

拉拔试件分为四类，第Ⅰ类为对照组，第Ⅱ类仅进行冻融循环，第Ⅲ类在氯盐腐蚀介质下进行冻融试验，第Ⅳ类考虑保护层厚度以及盐溶液浓度的影响，共18组试件，每组3个试件，共计54个试件。试件采用“D-盐溶液浓度-冻融次数-保护层厚度”的方式命名，如“D-0-15-67”表示保护层厚度为67 mm的试件在清水(即氯化钠溶液质量分数为0)中冻融15次。试件具体参数如表5所示。

表5 拉拔试件参数及分组Table 5 Details of specimens for pull-out tests

根据《混凝土结构试验方法标准》(GB/T 50152—2012)[17]要求，拉拔试件采用棱长为150 mm的立方体，钢筋总长为330 mm，自由端和加载端伸出试件边缘长度分别为50 mm和130 mm，如图1所示。钢筋无粘结段通过外套PVC管实现，保证有效粘结长度为5 d，并用发泡剂将PVC管两端进行密封，防止浇注时砂浆灌入管内。

图1 拉拔试件示意图Fig.1 Schematic diagram of specimen

同时，为研究粘结强度与混凝土性能之间的关系，设计72个棱长为100 mm的立方试块，并在冻融循环前、后进行抗压强度和劈裂抗拉强度的测试。上述试块与拉拔试件采用相同的冻融次数和盐溶液浓度，从而与拉拔试件形成对应关系。例如，拉拔试件D-5-15-40、D-5-15-60、D-5-15-67都对应氯化钠溶液质量分数为5%、冻融15次的试块。

利用浇筑拉拔试件的同批次混凝土浇筑用于测试抗压强度和劈裂抗拉强度的立方体试块，并与拉拔试件在同条件下完成24 d养护，随后进行冻融循环试验。

1.3 冻融方案

冻融循环试验参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》(GB/T 50082—2009)[18]中的快冻法进行。在进行冻融循环前，为使试件吸水饱和，将已完成24 d自然养护的试件分别放入清水和NaCl溶液中浸泡4 d(水冻循环的试件浸泡于清水，盐冻循环的试件浸泡于盐溶液)，然后在冻融箱内完成规定次数的冻融后取出，如图2所示。冻融时试验盒内注入与浸泡时同浓度的NaCl溶液，且保证试件中心温度最低为(-16±2) ℃，最高为(5±2) ℃。

图2 试件的浸泡与冻融Fig.2 Soaking and freezing-thaw of specimens

用于测试劈裂抗拉强度和抗压强度的试块冻融方案与拉拔试件相同。

1.4 试验过程及加载装置

试块根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2016)[19]测试抗压强度和劈裂抗拉强度。

将试件置于刚性加载架(由4根高强螺杆和2块20 mm厚且带中心钻孔的钢板组成)上，利用300 kN的MTS-SANS(MTS Systems Corporation San Si)万能试验机进行加载，如图3所示。加载制度采用先荷载控制后位移控制(峰值荷载后)的方式，加载速率分别为0.1 kN/s和0.2 mm/min，当发生钢筋拨出或试件劈裂时停止加载。混凝土与钢筋自由端的相对滑移值和荷载值通过DH3186静态应变采集系统进行采集。

图3 拉拔试验加载设备Fig.3 Loading device of pull-out test

2 试验结果

2.1 表观现象

试件在经历相应次数的冻融后，综合考虑冻融次数及盐溶液浓度的影响，观察混凝土表面的变化，如图4所示。由图4(a)可知，吸水饱和后，试件D-0-0-67表面光滑，无缺陷。图4(b)～图4(e)分别为在质量分数为5%的NaCl溶液中完成15、30、50次冻融循环后的试件，可观察到：试件D-5-15-67表面只有少数砂浆脱落；试件D-5-30-67表面砂浆发生显著的剥落，且漏出部分粗骨料；试件D-5-50-67表面砂浆基本完全脱落，粗骨料全部漏出，但粗骨料间仍有紧密的连接，且表面仍较平整。上述现象表明，地聚物混凝土在相同盐溶液中，随冻融次数的增加，表面损伤程度加剧，这是混凝土表面和内部裂缝不断扩展的结果。

图4 冻融试件表观现象Fig.4 Appearances of specimes after freeze-thaw cycles

从图4(d)～图4(f)可知：试件D-0-50-67遭受50次水冻循环后，表面仍较光滑，仅部分出现微小孔洞；50次盐冻循环后，D-5-50-67和D-10-50-67表面脱落程度都比D-0-50-67严重得多，都出现粗骨料外露现象。但D-5-50-67粗骨料间连接紧密，无粗骨料脱落现象，而D-10-50-67试件表面凹凸不整，粗骨料凸现，且部分小的粗骨料脱落。上述现象表明，地聚物混凝土抗水冻性能优良，而盐溶液会加剧地聚物混凝土的冻融损伤。

2.2 破坏模式

未冻融试件和遭受水冻或盐冻的试件破坏模式均为劈裂破坏，如图5所示。试件在没有明显预兆的情况下，突然发生劈裂，被分成两部分或三部分，同时伴有微量的混凝土碎屑和“砰”的爆裂声，但水冻试件和未冻融试件发生劈裂破坏时声响巨大，盐冻试件劈裂破坏时伴随闷响声音。此外，试件破坏时裂缝宽度随冻融次数的增加而增大。

图5 破坏模式Fig.5 Failure mode of specimens

试件内部破坏情况如图6所示。钢筋与地聚物混凝土的粘结界面上有明显的钢筋肋痕，部分粗骨料发生断裂，主裂纹贯穿钢筋肋痕。

图6 破坏面Fig.6 Failure surface of specimens

3 试验结果分析

3.1 粘结滑移曲线

地聚物混凝土与钢筋的粘结-滑移曲线(τ-s曲线，τ为粘结强度，s为滑动位移)如图7所示。因参数不同，τ-s曲线会有所差异，但总体分为以下三个阶段：线性阶段(斜率基本保持一致)、局部滑移阶段(自由端出现滑移，斜率呈非线性)和破坏阶段(自由端滑移值迅速增大，构件形成贯穿裂缝)。

3.1.1 冻融循环次数的影响

由图7(a)可知，在相同盐溶液浓度下，随着冻融次数的增多，曲线的线性阶段会逐渐变短，黏结强度整体上呈减小的趋势。地聚物混凝土在遭受冻融后与钢筋的粘结界面发生改变，表面和内部的微裂缝也不断扩展，部分发展为剪切裂缝，使得硅铝酸盐凝胶体间的化学胶着力降低，螺纹钢筋与四周疏松的地聚物混凝土间的摩擦力减小，机械咬合力下降，且上述变化随冻融次数的增加而加剧。

3.1.2 盐溶液浓度的影响

由图7(b)可知，在其他条件相同的情况下，盐溶液浓度越高，地聚物混凝土与钢筋的粘结强度越低，对应的滑移值也越大。当冻融次数为15次时，盐冻循环和水冻循环的τ-s曲线相似，极限粘结强度相差不大；当冻融次数达到30次时开始出现明显差异，盐冻循环试件的τ-s曲线上升段曲率明显低于水冻循环试件；当达到50次时在5%和10%的盐溶液中粘结强度损失率为32.55%和40.03%，而在水冻环境下，强度损失率仅为20.15%，前者是后者的1.61～1.99倍。造成这种现象的原因是盐溶液使混凝土内部产生更高的渗透压和结冰压，加速了混凝土的内部损伤，增大了钢筋与混凝土的界面间隙，从而导致粘结强度下降更快、滑移值更大。

3.1.3 保护层厚度的影响

由图7(c)可知，随着保护层厚度的增加，τ-s曲线上升段斜率也随之增大，对应的极限滑移值随之减小。例如，在清水中，试件的保护层厚度由67 mm减小至40 mm后对应的极限滑移值由最初的0.68 mm增大到2.09 mm，粘结强度由21.19 MPa减小至14.27 MPa。这是因为保护层厚度的增加引发开裂时的应力分量增大，提升了钢筋四围混凝土的抗劈裂能力，进而减缓裂纹的出现[4]。

图7 不同参数下螺纹钢筋与地聚物混凝土的 τ-s曲线Fig.7 τ-s curves between steel bars and geopolymer concrete with different parameters

3.2 极限粘结强度

极限粘结强度计算公式为

(1)

式(1)中：Pu为极限荷载，kN；d为螺纹钢筋的直径，mm，本次试验取d=16 mm；la为粘结长度mm，本次试验取la=5d，即80 mm；τu为极限粘结强度，MPa。

本次试验所有立方体试块和拉拔试件的试验结果如表6所示。

表6 试验结果汇总Table 6 Summary of experimental results

极限粘结强度与不同参数的关系曲线如图8所示。由图8可知，极限粘结强度随盐溶液浓度、冻融次数的提高而降低，随保护层厚度的增加而提高。由图8(a)可知，试件在清水、质量分数为5%和10%的氯化钠溶液中完成15次冻融循环后，与未冻融试件相比，极限粘结强度分别下降1.62%、4.73%和3.39%，而试件在盐溶液浓度为10%时比5%时极限粘结强度略微提高，这是高浓度氯离子通过地聚物混凝土内部孔隙进入了其与钢筋的交界面处，氯离子的腐蚀作用使得钢筋表面轻微锈蚀，继而增大与混凝土间的摩擦力。试件冻融30次时，极限粘结强度出现明显下降，相较于未冻融的试件，试件D-0-30-67、D-5-30-67和D-10-30-67的极限粘结强度分别降低9.09%、13.68%和17.06%。而试件冻融50次时，极限粘结强度呈现大幅度下降，相较于未冻融试件，试件D-0-50-67、D-5-50-67和D-10-50-67粘结强度分别降低20.15%、32.55%和40.03%。

由图8(b)可知，试件D-5-15-67和D-10-15-67的极限粘结强度较D-0-15-67多下降2.92%和1.79%，试件D-5-30-67和D-10-30-67的极限粘结强度较D-0-30-67多下降4.59%和7.97%，试件D-5-50-67和D-10-50-67的极限粘结强度较D-0-50-67多下降12.40%和19.88%。水冻试件极限粘结强度损失率约盐冻试件的0.34～0.66倍。上述现象是由于结冰阶段的氯离子侵入混凝土内部致使其产生内外浓度差，使混凝土内部部分盐溶液晶体析出，进而对四周混凝土产生压力，而压力迫使余下的水流入混凝土裂缝内或混凝土与钢筋的交界面处，导致钢筋表面也发生结冰现象，在之后的融化阶段，冰又变成水，使混凝土与钢筋间留有空隙，从而降低混凝土与钢筋间的粘结强度[11]。

此外，由图8(c)可知，盐溶液浓度相同时，极限粘结强度随保护层厚度的增加而增加。同时，保护层厚度分别为67、60、40 mm试件的极限粘结强度大约为1∶0.86∶0.66的关系。

图8 极限粘结强度与不同参数的关系曲线Fig.8 The relation curve between the ultimate bond strength and different parameters

4 粘结强度表达式的建立

4.1 劈裂抗拉强度衰减规律

混凝土的劈裂抗拉强度显著影响钢筋和地聚物混凝土间的粘结强度，因此，重点研究冻融循环和氯离子腐蚀耦合作用下地聚物混凝土的劈裂抗拉强度。

劈裂强度损失率(质量分数为C的氯化钠溶液中冻融N次后的劈裂强度和初始劈裂抗拉强度之差与初始劈裂抗拉强度的比值)与极限粘结强度间的关系曲线如图9所示，是根据遭受盐冻循环后试块的抗压强度和劈裂抗拉强度实测值得到。由图9可知，极限粘结强度随劈裂抗拉强度的减小呈非线性下降趋势，这是氯离子和冻融的共同作用使得混凝土内部产生损伤并不断积累造成的。

图9 劈裂抗拉强度损失率与极限粘结强度的关系曲线Fig.9 The relationship between the loss rate of splitting tensile strength and the ultimate bond strength

根据文献[20]建立冻融损伤模型，应用Origin2019对抗压强度进行分析、拟合，得到在冻融循环和氯盐腐蚀耦合作用下的抗压强度计算公式为

fcu(N,C)=fcu,0[1.035-(0.017 6N+

0.185)e0.068 53C+2.01]

(2)

式(2)中：fcu,0为初始抗压强度值；fcu(N,C)为在质量分数为C的氯化钠中冻融N次后的抗压强度。

依据Ahmed等[21]和《混凝土结构设计规范》(GB/T 50010—2010)[22]建立的劈裂抗拉强度与抗压强度计算公式，即

(3)

建立冻融循环和氯盐腐蚀耦合作用下的劈裂抗拉强度计算公式为

fts(N,C)=0.121 1fcu(N,C)0.901 3

(4)

最终得到劈裂抗拉强度衰减公式为

fts(N,C)=0.121 1{fcu,0[1.035-(0.017 6N+

0.185)]e0.068 53C+2.01}0.901 3

(5)

式中：a和b为通过实验结果拟合得到；fts(N,C)为在质量分数为C的氯化钠中冻融N次后的劈裂抗拉强度。

式(5)在原有冻融损伤模型基础上也将氯离子腐蚀考虑在内，建立双因素耦合作用下劈裂抗拉强度衰减公式。根据式(5)计算劈裂抗拉强度值，绘制如图10所示的劈裂强度试验值和拟合值对比图。从图10可以看出，计算值和试验值吻合度较高。

图10 劈裂强度试验值与拟合值对比图Fig.10 Comparison diagram of splitting strength test value and fitting value

4.2 极限粘结强度公式

极限粘结强度能准确反映钢筋与混凝土间粘结性能的极限状态，有利于工程可靠性的设计。钢筋混凝土结构极限粘结强度计算公式首先由徐有邻[23]提出，其综合考虑了劈裂抗拉强度、锚固长度la、相对保护层厚度(c/d，c为保护层厚度，d为钢筋直径)等因素的影响，计算表达式为

τuc=(0.82+0.9d/la)(1.9+0.8c/d)fts

(6)

式(6)中：τuc为极限粘结强度计算值。

之后，文献[14]基于式(6)将冻融循环对粘结性能的影响考虑在内，扩大了公式的适用范围，得到

τuc=(-1.615 9+0.027N-12.079d/la)×

(0.004 4-0.332c/d)fts

(7)

根据不同影响因素下极限粘结强度的变化，将冻融循环和氯离子耦合作用引起的地聚物混凝土劈裂抗拉强度衰减、保护层厚度和盐溶液浓度等因素考虑在内，从而在式(6)和式(7)的基础上建立盐冻循环后普通螺纹钢筋-地聚物混凝土极限粘结强度计算公式，即

τuc=(-0.006 5N-0.000 89C+0.035d/la+1.691)(0.003 8N-0.008 6C+0.678c/d+0.455)fts(N,C)

(8)

根据式(8)，绘制极限粘结强度计算值和实际值对比如图11所示的，两者的相关系数为0.946。从图11可以看出，极限粘结强度试验值和拟合值差距较小，吻合度较高，式(8)可为寒冷地区盐碱、临海环境下地聚物混凝土与钢筋粘结性能研究提供理论依据。

图11 极限粘结强度试验值与拟合值对比图Fig.11 Comparison diagram of experimental and fitting values of ultimate bond strength

5 结论

通过对盐冻环境下地聚物混凝土与钢筋粘结性能的研究，得出以下结论。

(1)盐冻前后试件的破坏模式均为劈裂破坏，粘结滑移曲线与普通混凝土类似，也分为微滑移阶段、局部滑移阶段和破坏阶段。

(2)与水冻循环相比，地聚物混凝土和螺纹钢筋的粘结性能受盐冻循环的影响更加显著，后者极限粘结强度损失率约是前者的1.61～1.99倍。同时，在相同盐溶液浓度下，伴随着冻融次数的增加，地聚物混凝土与钢筋间的粘结强度会随之降低，尤其是当冻融次数达到50次时，粘结强度降低幅度增大。

(3)其他条件一致的情况下，极限粘结强度与保护层厚度呈正比关系。随着保护层厚度的增加，粘结-滑移曲线上升段的斜率有显著提高，且保护层厚度分别为67、60、40 mm的试件的极限粘结强度大约是1∶0.86∶0.66的关系。

(4)基于试验结果，分析劈裂抗拉强度在冻融和氯盐腐蚀耦合作用下损伤演变规律，进一步建立极限粘结强度和劈裂抗拉强度间的关系式，实测值与计算值较吻合。