钢混构件在不同温差参数下的极限粘接强度测试研究

马晓宁

(榆林职业技术学院，陕西 榆林 719000)

随着近年来城镇化进程和建筑行业的快速发展，以及对节能环保等意识的逐渐增强，再生混凝土替代天然骨料进行钢混结构制备已成为研究的热点[1-3]，并已在城乡改造、工业厂房和桥梁工程建设中得到成功应用。然而，实际再生混凝土/钢结构的使用过程中，不可避免地需要经历自然环境中的低温以及可能接触到的高温环境，对钢混凝土结构的粘接性能会产生明显影响[4-7]。目前这方面的研究报道较少，此外，在整体结构设计过程中，由于缺乏必要的试验数据参考以及影响因素较多，无法对钢混结构的粘接强度等进行有效预测[8-10]。鉴于此，研究了温度、高温持续时间和再生骨料取代率对钢混凝土构件粘接性能的影响，并建立了钢混结构粘接强度与温度、高温持续时间和再生骨料取代率之间的关系。

1 材料与方法

1.1 试验原料

普通硅酸盐水泥：P.O32.5和P.O42.5级，浙江三狮集团特种水泥有限公司提供；

河砂：细度模数2.70，浙江三狮集团特种水泥有限公司提供；

碎石：连续级配5～25 mm，浙江三狮集团特种水泥有限公司提供；

人工捣碎的再生混凝土粗骨料和自来水，浙江三狮集团特种水泥有限公司提供；

圆钢管：厚度3 mm，屈服强度和抗拉强度分别为405、525 MPa，弹性模量为2.06×105MPa，天津大无缝钢管厂。

1.2 试验仪器

SX2-15型箱式电阻炉，上海实焰电炉厂；YAW1000型液压伺服压力试验机，山东联工检测设备有限公司；DH3816型静态应变采集仪，江苏东华测试技术股份有限公司。

1.3 试验制备

根据JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》配制强度等级C30和C40混凝土，具体配合比如表1所示。

表1 强度等级C30和C40混凝土的配合比Tab.1 Mix proportion of strength grade C30 and C40 concrete kg/m3

圆钢管再生混凝土构件中的钢管锚固长度分别为260、410 mm，圆钢管再生混凝土构件的尺寸示意图如图1所示。钢混凝土构件的制作在学校结构实验室中进行，空钢管垂直放置后浇筑混凝土，人工振捣密实后抹平并进行自然养护[11]。采用箱式电阻炉进行处理，构件放置在电阻炉内升温至设定温度200 ～800 ℃后开始计时，持续时间介于0.5～2 h，加热结束后取出放置在空气中冷却至室温备用。

(a)温度

(b)时间

(c)再生骨料取代率

(d)混凝土强度等级

(e)锚固长度图1 钢混凝土组合构件极限荷载的影响因素分析Fig.1 Analysis of influence factors on ultimate load of steel concrete composite members

1.4 测试与表征

(1)静力单调加载试验：在山东联工检测设备有限公司生产的YAW1000型液压伺服压力试验机上进行钢混凝土构件的位移控制静力单调加载试验，加载速率控制在0.05 mm/s；

(2)荷载-位移曲线和最大极限荷载：通过江苏东华测试技术股份有限公司提供的DH3816型静态应变采集仪记录拔出试验过程中的荷载-位移曲线和最大极限荷载；

(3)极限粘接强度τ计算：钢管/混凝土之间的极限粘接强度τ可以用下式表示[12]：

(1)

式中：P表示极限荷载，MPa；C、l分别表示钢管内周长和钢/混凝土的锚固长度，mm。

2 结果与讨论

2.1 极限荷载的影响因素

图2为钢混凝土组合构件极限荷载的影响因素分析结果。

(a)温度

(b)时间

(c)再生骨料取代率

(d)强度等级

(e)锚固长度图2 钢混凝土组合构件极限粘接强度的 影响因素分析Fig.2 Analysis of influencing factors on ultimate bond strength of steel concrete composite members

从图1(a)的构件所受温度对极限荷载的影响来看，当再生骨料取代率为0%时，温度分别为20、200、400、600和800 ℃时，极限荷载分别为53.81、77.5、110.21、124.23和162.24 MPa；由此可见，构件的极限荷载会随着温度升高而逐渐增大。当再生骨料取代率分别为50%和100%时，随着温度升高，混凝土构件的极限荷载会逐渐增大，且取代率越高则相应地相同温度下构件的极限荷载越大。

从图1(b)的构件所受高温时间对极限荷载的影响来看，当再生骨料取代率为0%时，时间分别为0.5、1和2 h时，构件极限荷载分别为92.05、103.85和124.23 MPa；由此可见，构件的极限荷载会随着时间延长而逐渐增大。当再生骨料取代率分别为50%和100%时，构件的极限荷载也都会随着时间延长而逐渐增大，且再生骨料取代率越高，则相应地相同时间下构件的极限荷载越大。

从图1(c)的构件再生骨料取代率对极限荷载的影响来看，当温度为20 ℃时，不同取代率下构件的极限荷载较小，且表现为随着取代率增加而增大的特征；当温度上升至200～800 ℃时，随着再生骨料取代率增加，混凝土构件的极限荷载逐渐增大其在相同再生骨料取代率下，温度越高则相应构件的极限荷载越大。

从图1(d)的构件混凝土强度等级对极限荷载的影响来看，当再生骨料取代率为0%时，C30和C40强度等级的构件极限荷载分别为177.27、200.6 MPa，相同强度等级构件的极限荷载随着再生骨料取代率增加而逐渐增大。

从图1(e)的锚固长度对构件极限荷载的影响来看，当再生骨料取代率为0%时，锚固长度分别为260、410 mm时，构件的极限荷载分别为124.23、77.27 MPa，说明相同锚固长度构件的极限荷载随着再生骨料取代率的增加而逐渐增大。在再生骨料取代率为100%时，锚固长度分别为260、410 mm时，构件的极限荷载分别为146.83、210.51 MPa。由此可见，锚固长度越大则相同再生骨料取代率试件的极限荷载越大，这主要是因为较长的锚固长度会使得混凝土与钢管的接触面积增加，相应的与内壁的摩擦力增加而增大构件的极限荷载[13-16]。

2.2 极限粘接强度的影响因素

图2为钢混凝土组合构件极限粘接强度的影响因素分析结果。

从图2(a)的构件所受温度对极限粘接强度的影响来看，当再生骨料取代率为0%时，温度分别为20、200、400、600和800 ℃时，极限粘接强度分别为0.474、0.697、0.876、1.153和1.6 MPa，可见，构件的极限粘接强度会随着温度升高而逐渐增大；当再生骨料取代率分别为50%和100%时，构件的极限粘接强度也都会随着温度升高而逐渐增大，且再生骨料取代率越高，则相应地相同温度下构件的极限粘接强度越大。

从图2(b)的构件所受高温时间对极限粘接强度的影响来看，当再生骨料取代率为0%时，时间分别为0.5、1和2 h时，构件极限粘接强度分别为0.812、0.975和1.153 MPa，构件的极限粘接强度会随着时间延长而逐渐增大；当再生骨料取代率分别为50%和100%时，构件的极限粘接强度也都会随着时间延长而逐渐增大，且再生骨料取代率越高，则相应地相同时间下构件的极限粘接强度越大。

从图2(c)的构件再生骨料取代率对极限粘接强度的影响来看，当温度为20 ℃时，不同取代率下构件的极限粘接强度较小，且表现为随着取代率增加而增大的特征；当温度上升至200～800 ℃时，构件的极限粘接强度也呈现随着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，温度越高则相应构件的极限粘接强度越大。

从图2(d)的构件混凝土强度等级对极限粘接强度的影响来看，当再生骨料取代率为0%时，C30和C40强度等级的构件极限荷载分别为1.223、1.304 MPa时，随着再生骨料取代率增加，相同强度等级构件的极限粘接强度呈现逐渐增加的趋势。

从图2(e)的锚固长度对构件极限粘接强度的影响来看，当再生骨料取代率为0%时，锚固长度分别为260、410 mm时，构件的极限粘接强度分别为1.153、1.223 MPa。随着再生骨料取代率的增加，相同锚固长度构件的极限粘接强度呈现逐渐增大的趋势，在再生骨料取代率为100%时，锚固长度分别为260、410 mm时，构件的极限粘接强度分别为1.373、1.421 MPa。由此可见，锚固长度越大则相同再生骨料取代率试件的极限粘接强度越大。

综合而言，随着钢混构件所受温度、经历高温时间、再生骨料取代率、混凝土强度等级和锚固长度的增加，钢混凝土构件的极限粘接强度会呈现逐渐增大的趋势。这主要是因为在制备钢混凝土构件以及后续受高温过程中，构件内部会发生一些列的物理化学反应，构件内部在膨胀或者收缩等作用下会出现钢/混凝土咬合力增大的现象[9]，反应在极限粘接强度上则表现为增大的特征。

2.3 温度影响系数

钢混构件的粘接强度受温度的影响较大，可以用温度影响系数(KT)来表征受温度影响的大小[17]：

(2)

式中：τu(T)和τu(800 ℃)分别表示温度T和温度800 ℃时的极限粘接强度。计算得到不同再生骨料取代率和温度的钢混凝土构件的温度影响系数，结果如表2所示。

表2 不同再生骨料取代率和温度下钢混凝土 构件的温度影响系数Tab.2 Temperature influence coefficient of steel concrete member under differentreplacement rate and temperature of recycled aggregate

将不同再生骨料取代率和温度下钢混凝土构件的温度影响系数(KT)与温度(T)的关系曲线进行线性拟合，可得到KT与温度T的关系式：

KT=0.27+8.6×10-4T

(3)

2.4 时间影响系数

钢混构件的粘接强度同样受高温时间的影响，可以用时间影响系数(Kt)来表征受时间影响的大小[18]：

(4)

式中：τu(t)和τu(0.5)分别表示时间t和时间0.5 h时的极限粘接强度。计算得到不同再生骨料取代率和时间下钢混凝土构件的时间影响系数，结果如表3所示。

表3 钢混凝土构件的时间影响系数Tab.3 Time influence coefficient of steel concrete member

将时间影响系数与时间的关系曲线进行拟合，可得到Kt与时间t的关系式：

(5)

钢混构件的粘接强度同样受再生粗骨料取代率的影响，可以用取代率影响系数(KQ)来表征受取代率影响的大小[19-20]：

(6)

式中：τu(Q)和τu(0%)分别表示取代率Q和取代率0%时的极限粘接强度。计算得到不同再生骨料取代率下钢混凝土构件的取代率影响系数，将不同再生骨料取代率下钢混凝土构件的取代率影响系数与取代率的关系曲线进行拟合，可得到KQ的关系式

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)

结合上述的温度影响系数(KT)、时间影响系数(Kt)和取代率影响系数(KQ)，可以得到任意参数下钢混凝土构件的极限粘接强度(τ)计算式：

τ=KTKtKQτu

(12)

式中：τu为室温下钢混凝土构件的极限粘接强度。

3 结语

(1)随着温度升高、时间延长、再生骨料取代率增加、混凝土强度级别提升和锚固长度增加，钢混凝土构件的极限荷载会逐渐增大。当再生骨料取代率为100%、温度为800 ℃时，极限荷载为208.97 MPa；再生骨料取代率为0%、时间为2 h时，极限荷载为146.83 MPa；

(2)随着钢混构件所受温度、经历高温时间、再生骨料取代率、混凝土强度等级和锚固长度的增加，钢混凝土构件的极限粘接强度会呈现逐渐增大的趋势。当再生骨料取代率为0%、温度为20 ℃时，钢混构件的极限粘接强度为0.474 MPa；

(3)钢混凝土构件的粘接强度温度影响系数(KT)可表示：

钢混凝土构件的粘结强度时间影响系数(Kt)可表示：

任意参数下钢混凝土构件的极限粘结强度(τ)计算式：

τ=KTKtKQτu。