凍融環境下地聚物混凝土和螺紋鋼筋粘結性能

鄧芃， 宋曉曉， 張麗群， 馮浩 ， 劉艷*

(1.山東科技大學山東省土木工程防災減災重點試驗室， 青島 266590； 2.山東科技大學土木工程與建筑學院， 青島 266590)

地聚物混凝土(geopolymer concrete)[1]具有生產能耗低、材料高強和耐酸堿腐蝕的顯著優勢，在承重結構中有廣闊的應用前景。Sarker[2]、Sofi等[3]、張海燕等[4]研究表明，地聚物混凝土和螺紋鋼筋的粘結滑移曲線與普通混凝土基本一致，但極限粘結強度比普通混凝土高45%左右；即使在氯鹽腐蝕環境下鋼筋銹蝕率達到30%，粘結強度仍和普通混凝土相近[5]。另外，地聚物混凝土抗凍性較好，在遭受300次凍融循環后，其動彈性模量損失率及質量損失率為普通混凝土的85%和92%左右[6]。在中國寒冷地區的臨海、鹽堿土壤和冰鹽環境中，混凝土結構會遭受氯離子腐蝕和凍融循環的耦合作用，與僅受凍融相比，混凝土的力學性能會明顯降低，如遭受125次鹽凍循環后，其抗壓強度損失率為僅受凍融時的1.6倍[7]。目前，對上述環境下地聚物混凝土的研究多集中于材料力學性能的衰退規律[8-10]，對鋼筋與地聚物混凝土之間粘結性能的研究并不充分。

但是，學術界對普通混凝土在凍融和腐蝕耦合作用下粘結強度退化的研究成果較豐富，因此，進行螺紋鋼筋與地聚物混凝土粘結性能的研究可以多其進行參考和借鑒。Su等[7]、胡孔亮等[11]和孫洋等[12]提出鹽凍環境將導致混凝土內部結冰壓增大，與僅凍融試件相比，表層更容易出現疏松剝落，內部剪切裂縫擴展，從而加劇粘結性能的衰退。曹芙波等[13]、高兵等[14]、安新正等[15]和Dahou等[16]基于試驗結果對mBPE(bertero-popov-eligehausen)和CMR(cosenza manfredi-realfonzo)模型的適用性進行了討論，并提出能考慮凍融影響的劈裂抗拉強度、抗壓強度以及極限粘結強度的計算公式，可用于寒冷環境下粘結強度的分析。

考慮考慮鹽溶液濃度、凍融次數和保護層厚度的影響作用，提出遭受凍融以及腐蝕作用后地聚物混凝土劈裂抗拉強度和極限粘結強度計算公式。

研究結果可為處于嚴寒地區以及鹽凍環境下地聚物混凝土結構的耐久性設計提供參考。

1 試驗概況

1.1 試驗原材料及配合比

制備地聚物混凝土的原材料包括粒徑為5～10 mm的花崗巖碎石(表1)、細度模數為2.80的中粗河砂、S95的礦渣微粉(slag，SG)、偏高嶺土(metakaolin，MK)和堿性激發劑。其中，SG、MK的化學成分如表2所示。堿性激發劑為硅酸鈉溶液與8 mol/L氫氧化鈉溶液的混合溶液，NaOH溶液需事先配制，待其充分放涼后與Na2SiO3溶液混合。地聚物混凝土配合比如表3所示，強度設計值為C45，水膠比為0.5。

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

表2 礦渣微粉、偏高嶺土的化學組成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

本次試驗所采用的普通螺紋鋼筋由上海旖軒實業有限公司生產，直徑為16 mm，強度等級為HRB400，其相關力學性能指標如表4所示。

表4 鋼筋的力學性能Table 4 Mechanical properties of steel bar

1.2 試件設計與制作

拉拔試件分為四類，第Ⅰ類為對照組，第Ⅱ類僅進行凍融循環，第Ⅲ類在氯鹽腐蝕介質下進行凍融試驗，第Ⅳ類考慮保護層厚度以及鹽溶液濃度的影響，共18組試件，每組3個試件，共計54個試件。試件采用“D-鹽溶液濃度-凍融次數-保護層厚度”的方式命名，如“D-0-15-67”表示保護層厚度為67 mm的試件在清水(即氯化鈉溶液質量分數為0)中凍融15次。試件具體參數如表5所示。

表5 拉拔試件參數及分組Table 5 Details of specimens for pull-out tests

根據《混凝土結構試驗方法標準》(GB/T 50152—2012)[17]要求，拉拔試件采用棱長為150 mm的立方體，鋼筋總長為330 mm，自由端和加載端伸出試件邊緣長度分別為50 mm和130 mm，如圖1所示。鋼筋無粘結段通過外套PVC管實現，保證有效粘結長度為5 d，并用發泡劑將PVC管兩端進行密封，防止澆注時砂漿灌入管內。

圖1 拉拔試件示意圖Fig.1 Schematic diagram of specimen

同時，為研究粘結強度與混凝土性能之間的關系，設計72個棱長為100 mm的立方試塊，并在凍融循環前、后進行抗壓強度和劈裂抗拉強度的測試。上述試塊與拉拔試件采用相同的凍融次數和鹽溶液濃度，從而與拉拔試件形成對應關系。例如，拉拔試件D-5-15-40、D-5-15-60、D-5-15-67都對應氯化鈉溶液質量分數為5%、凍融15次的試塊。

利用澆筑拉拔試件的同批次混凝土澆筑用于測試抗壓強度和劈裂抗拉強度的立方體試塊，并與拉拔試件在同條件下完成24 d養護，隨后進行凍融循環試驗。

1.3 凍融方案

凍融循環試驗參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》(GB/T 50082—2009)[18]中的快凍法進行。在進行凍融循環前，為使試件吸水飽和，將已完成24 d自然養護的試件分別放入清水和NaCl溶液中浸泡4 d(水凍循環的試件浸泡于清水，鹽凍循環的試件浸泡于鹽溶液)，然后在凍融箱內完成規定次數的凍融后取出，如圖2所示。凍融時試驗盒內注入與浸泡時同濃度的NaCl溶液，且保證試件中心溫度最低為(-16±2) ℃，最高為(5±2) ℃。

圖2 試件的浸泡與凍融Fig.2 Soaking and freezing-thaw of specimens

用于測試劈裂抗拉強度和抗壓強度的試塊凍融方案與拉拔試件相同。

1.4 試驗過程及加載裝置

試塊根據《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2016)[19]測試抗壓強度和劈裂抗拉強度。

將試件置于剛性加載架(由4根高強螺桿和2塊20 mm厚且帶中心鉆孔的鋼板組成)上，利用300 kN的MTS-SANS(MTS Systems Corporation San Si)萬能試驗機進行加載，如圖3所示。加載制度采用先荷載控制后位移控制(峰值荷載后)的方式，加載速率分別為0.1 kN/s和0.2 mm/min，當發生鋼筋撥出或試件劈裂時停止加載。混凝土與鋼筋自由端的相對滑移值和荷載值通過DH3186靜態應變采集系統進行采集。

圖3 拉拔試驗加載設備Fig.3 Loading device of pull-out test

2 試驗結果

2.1 表觀現象

試件在經歷相應次數的凍融后，綜合考慮凍融次數及鹽溶液濃度的影響，觀察混凝土表面的變化，如圖4所示。由圖4(a)可知，吸水飽和后，試件D-0-0-67表面光滑，無缺陷。圖4(b)～圖4(e)分別為在質量分數為5%的NaCl溶液中完成15、30、50次凍融循環后的試件，可觀察到：試件D-5-15-67表面只有少數砂漿脫落；試件D-5-30-67表面砂漿發生顯著的剝落，且漏出部分粗骨料；試件D-5-50-67表面砂漿基本完全脫落，粗骨料全部漏出，但粗骨料間仍有緊密的連接，且表面仍較平整。上述現象表明，地聚物混凝土在相同鹽溶液中，隨凍融次數的增加，表面損傷程度加劇，這是混凝土表面和內部裂縫不斷擴展的結果。

圖4 凍融試件表觀現象Fig.4 Appearances of specimes after freeze-thaw cycles

從圖4(d)～圖4(f)可知：試件D-0-50-67遭受50次水凍循環后，表面仍較光滑，僅部分出現微小孔洞；50次鹽凍循環后，D-5-50-67和D-10-50-67表面脫落程度都比D-0-50-67嚴重得多，都出現粗骨料外露現象。但D-5-50-67粗骨料間連接緊密，無粗骨料脫落現象，而D-10-50-67試件表面凹凸不整，粗骨料凸現，且部分小的粗骨料脫落。上述現象表明，地聚物混凝土抗水凍性能優良，而鹽溶液會加劇地聚物混凝土的凍融損傷。

2.2 破壞模式

未凍融試件和遭受水凍或鹽凍的試件破壞模式均為劈裂破壞，如圖5所示。試件在沒有明顯預兆的情況下，突然發生劈裂，被分成兩部分或三部分，同時伴有微量的混凝土碎屑和“砰”的爆裂聲，但水凍試件和未凍融試件發生劈裂破壞時聲響巨大，鹽凍試件劈裂破壞時伴隨悶響聲音。此外，試件破壞時裂縫寬度隨凍融次數的增加而增大。

圖5 破壞模式Fig.5 Failure mode of specimens

試件內部破壞情況如圖6所示。鋼筋與地聚物混凝土的粘結界面上有明顯的鋼筋肋痕，部分粗骨料發生斷裂，主裂紋貫穿鋼筋肋痕。

圖6 破壞面Fig.6 Failure surface of specimens

3 試驗結果分析

3.1 粘結滑移曲線

地聚物混凝土與鋼筋的粘結-滑移曲線(τ-s曲線，τ為粘結強度，s為滑動位移)如圖7所示。因參數不同，τ-s曲線會有所差異，但總體分為以下三個階段：線性階段(斜率基本保持一致)、局部滑移階段(自由端出現滑移，斜率呈非線性)和破壞階段(自由端滑移值迅速增大，構件形成貫穿裂縫)。

3.1.1 凍融循環次數的影響

由圖7(a)可知，在相同鹽溶液濃度下，隨著凍融次數的增多，曲線的線性階段會逐漸變短，黏結強度整體上呈減小的趨勢。地聚物混凝土在遭受凍融后與鋼筋的粘結界面發生改變，表面和內部的微裂縫也不斷擴展，部分發展為剪切裂縫，使得硅鋁酸鹽凝膠體間的化學膠著力降低，螺紋鋼筋與四周疏松的地聚物混凝土間的摩擦力減小，機械咬合力下降，且上述變化隨凍融次數的增加而加劇。

3.1.2 鹽溶液濃度的影響

由圖7(b)可知，在其他條件相同的情況下，鹽溶液濃度越高，地聚物混凝土與鋼筋的粘結強度越低，對應的滑移值也越大。當凍融次數為15次時，鹽凍循環和水凍循環的τ-s曲線相似，極限粘結強度相差不大；當凍融次數達到30次時開始出現明顯差異，鹽凍循環試件的τ-s曲線上升段曲率明顯低于水凍循環試件；當達到50次時在5%和10%的鹽溶液中粘結強度損失率為32.55%和40.03%，而在水凍環境下，強度損失率僅為20.15%，前者是后者的1.61～1.99倍。造成這種現象的原因是鹽溶液使混凝土內部產生更高的滲透壓和結冰壓，加速了混凝土的內部損傷，增大了鋼筋與混凝土的界面間隙，從而導致粘結強度下降更快、滑移值更大。

3.1.3 保護層厚度的影響

由圖7(c)可知，隨著保護層厚度的增加，τ-s曲線上升段斜率也隨之增大，對應的極限滑移值隨之減小。例如，在清水中，試件的保護層厚度由67 mm減小至40 mm后對應的極限滑移值由最初的0.68 mm增大到2.09 mm，粘結強度由21.19 MPa減小至14.27 MPa。這是因為保護層厚度的增加引發開裂時的應力分量增大，提升了鋼筋四圍混凝土的抗劈裂能力，進而減緩裂紋的出現[4]。

圖7 不同參數下螺紋鋼筋與地聚物混凝土的 τ-s曲線Fig.7 τ-s curves between steel bars and geopolymer concrete with different parameters

3.2 極限粘結強度

極限粘結強度計算公式為

(1)

式(1)中：Pu為極限荷載，kN；d為螺紋鋼筋的直徑，mm，本次試驗取d=16 mm；la為粘結長度mm，本次試驗取la=5d，即80 mm；τu為極限粘結強度，MPa。

本次試驗所有立方體試塊和拉拔試件的試驗結果如表6所示。

表6 試驗結果匯總Table 6 Summary of experimental results

極限粘結強度與不同參數的關系曲線如圖8所示。由圖8可知，極限粘結強度隨鹽溶液濃度、凍融次數的提高而降低，隨保護層厚度的增加而提高。由圖8(a)可知，試件在清水、質量分數為5%和10%的氯化鈉溶液中完成15次凍融循環后，與未凍融試件相比，極限粘結強度分別下降1.62%、4.73%和3.39%，而試件在鹽溶液濃度為10%時比5%時極限粘結強度略微提高，這是高濃度氯離子通過地聚物混凝土內部孔隙進入了其與鋼筋的交界面處，氯離子的腐蝕作用使得鋼筋表面輕微銹蝕，繼而增大與混凝土間的摩擦力。試件凍融30次時，極限粘結強度出現明顯下降，相較于未凍融的試件，試件D-0-30-67、D-5-30-67和D-10-30-67的極限粘結強度分別降低9.09%、13.68%和17.06%。而試件凍融50次時，極限粘結強度呈現大幅度下降，相較于未凍融試件，試件D-0-50-67、D-5-50-67和D-10-50-67粘結強度分別降低20.15%、32.55%和40.03%。

由圖8(b)可知，試件D-5-15-67和D-10-15-67的極限粘結強度較D-0-15-67多下降2.92%和1.79%，試件D-5-30-67和D-10-30-67的極限粘結強度較D-0-30-67多下降4.59%和7.97%，試件D-5-50-67和D-10-50-67的極限粘結強度較D-0-50-67多下降12.40%和19.88%。水凍試件極限粘結強度損失率約鹽凍試件的0.34～0.66倍。上述現象是由于結冰階段的氯離子侵入混凝土內部致使其產生內外濃度差，使混凝土內部部分鹽溶液晶體析出，進而對四周混凝土產生壓力，而壓力迫使余下的水流入混凝土裂縫內或混凝土與鋼筋的交界面處，導致鋼筋表面也發生結冰現象，在之后的融化階段，冰又變成水，使混凝土與鋼筋間留有空隙，從而降低混凝土與鋼筋間的粘結強度[11]。

此外，由圖8(c)可知，鹽溶液濃度相同時，極限粘結強度隨保護層厚度的增加而增加。同時，保護層厚度分別為67、60、40 mm試件的極限粘結強度大約為1∶0.86∶0.66的關系。

圖8 極限粘結強度與不同參數的關系曲線Fig.8 The relation curve between the ultimate bond strength and different parameters

4 粘結強度表達式的建立

4.1 劈裂抗拉強度衰減規律

混凝土的劈裂抗拉強度顯著影響鋼筋和地聚物混凝土間的粘結強度，因此，重點研究凍融循環和氯離子腐蝕耦合作用下地聚物混凝土的劈裂抗拉強度。

劈裂強度損失率(質量分數為C的氯化鈉溶液中凍融N次后的劈裂強度和初始劈裂抗拉強度之差與初始劈裂抗拉強度的比值)與極限粘結強度間的關系曲線如圖9所示，是根據遭受鹽凍循環后試塊的抗壓強度和劈裂抗拉強度實測值得到。由圖9可知，極限粘結強度隨劈裂抗拉強度的減小呈非線性下降趨勢，這是氯離子和凍融的共同作用使得混凝土內部產生損傷并不斷積累造成的。

圖9 劈裂抗拉強度損失率與極限粘結強度的關系曲線Fig.9 The relationship between the loss rate of splitting tensile strength and the ultimate bond strength

根據文獻[20]建立凍融損傷模型，應用Origin2019對抗壓強度進行分析、擬合，得到在凍融循環和氯鹽腐蝕耦合作用下的抗壓強度計算公式為

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

0.185)e0.068 53C+2.01]

(2)

式(2)中：fcu,0為初始抗壓強度值；fcu(N,C)為在質量分數為C的氯化鈉中凍融N次后的抗壓強度。

依據Ahmed等[21]和《混凝土結構設計規范》(GB/T 50010—2010)[22]建立的劈裂抗拉強度與抗壓強度計算公式，即

(3)

建立凍融循環和氯鹽腐蝕耦合作用下的劈裂抗拉強度計算公式為

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

(4)

最終得到劈裂抗拉強度衰減公式為

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為通過實驗結果擬合得到；fts(N,C)為在質量分數為C的氯化鈉中凍融N次后的劈裂抗拉強度。

式(5)在原有凍融損傷模型基礎上也將氯離子腐蝕考慮在內，建立雙因素耦合作用下劈裂抗拉強度衰減公式。根據式(5)計算劈裂抗拉強度值，繪制如圖10所示的劈裂強度試驗值和擬合值對比圖。從圖10可以看出，計算值和試驗值吻合度較高。

圖10 劈裂強度試驗值與擬合值對比圖Fig.10 Comparison diagram of splitting strength test value and fitting value

4.2 極限粘結強度公式

極限粘結強度能準確反映鋼筋與混凝土間粘結性能的極限狀態，有利于工程可靠性的設計。鋼筋混凝土結構極限粘結強度計算公式首先由徐有鄰[23]提出，其綜合考慮了劈裂抗拉強度、錨固長度la、相對保護層厚度(c/d，c為保護層厚度，d為鋼筋直徑)等因素的影響，計算表達式為

τuc=(0.82+0.9d/la)(1.9+0.8c/d)fts

(6)

式(6)中：τuc為極限粘結強度計算值。

之后，文獻[14]基于式(6)將凍融循環對粘結性能的影響考慮在內，擴大了公式的適用范圍，得到

τuc=(-1.615 9+0.027N-12.079d/la)×

(0.004 4-0.332c/d)fts

(7)

根據不同影響因素下極限粘結強度的變化，將凍融循環和氯離子耦合作用引起的地聚物混凝土劈裂抗拉強度衰減、保護層厚度和鹽溶液濃度等因素考慮在內，從而在式(6)和式(7)的基礎上建立鹽凍循環后普通螺紋鋼筋-地聚物混凝土極限粘結強度計算公式，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)

根據式(8)，繪制極限粘結強度計算值和實際值對比如圖11所示的，兩者的相關系數為0.946。從圖11可以看出，極限粘結強度試驗值和擬合值差距較小，吻合度較高，式(8)可為寒冷地區鹽堿、臨海環境下地聚物混凝土與鋼筋粘結性能研究提供理論依據。

圖11 極限粘結強度試驗值與擬合值對比圖Fig.11 Comparison diagram of experimental and fitting values of ultimate bond strength

5 結論

通過對鹽凍環境下地聚物混凝土與鋼筋粘結性能的研究，得出以下結論。

(1)鹽凍前后試件的破壞模式均為劈裂破壞，粘結滑移曲線與普通混凝土類似，也分為微滑移階段、局部滑移階段和破壞階段。

(2)與水凍循環相比，地聚物混凝土和螺紋鋼筋的粘結性能受鹽凍循環的影響更加顯著，后者極限粘結強度損失率約是前者的1.61～1.99倍。同時，在相同鹽溶液濃度下，伴隨著凍融次數的增加，地聚物混凝土與鋼筋間的粘結強度會隨之降低，尤其是當凍融次數達到50次時，粘結強度降低幅度增大。

(3)其他條件一致的情況下，極限粘結強度與保護層厚度呈正比關系。隨著保護層厚度的增加，粘結-滑移曲線上升段的斜率有顯著提高，且保護層厚度分別為67、60、40 mm的試件的極限粘結強度大約是1∶0.86∶0.66的關系。

(4)基于試驗結果，分析劈裂抗拉強度在凍融和氯鹽腐蝕耦合作用下損傷演變規律，進一步建立極限粘結強度和劈裂抗拉強度間的關系式，實測值與計算值較吻合。