高温后地聚物混凝土与FRP筋粘结性能试验研究

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地质聚合物(Geopolymer,简称地聚物)是一种新型环保的无机胶凝材料,具有力学性能优异、耐高温、耐酸碱腐蚀、生产过程耗能低等优点,是最具发展潜力的普通水泥替代品。纤维增强复合材料筋(Fiber Reinforced Polymer bar,简称FRP筋)具有轻质、高强、耐腐蚀、抗疲劳等优点,通过替代钢筋与地聚物混凝土配合使用可有效解决传统钢筋混凝土结构所面临的生产能耗高、耐久性等问题。但FRP筋在高温暴露后玻化、热分解,其与混凝土的粘结性能也会发生显著变化。而FRP筋增强地聚物混凝土结构作为一种新型结构,研究高温后地聚物混凝土与FRP筋的粘结性能对于结构防火、抗火十分重要。因此,本文对高温后地聚物混凝土的力学及其与FRP筋的粘结性能做了系统研究,主要包括四方面内容:(1)制备强度等级为C30、C40、C50的地聚物混凝土、砂浆及净浆,并以C40的普通水泥混凝土、砂浆及净浆为对照组,对高温后地聚物混凝土、砂浆及净浆的抗压、劈裂抗拉及抗折强度进行了系统测试,并通过TGA、XRD、SEM对地聚物及水泥净浆进行微观表征。结果表明:地聚物具有优良的耐高温性能。地聚物混凝土、砂浆、净浆的抗压强度随暴露温度的升高呈现先增高后降低的趋势。随着地聚物强度等级提高(即矿渣含量的增加),地聚物混凝土、砂浆和净浆的耐高温性能逐渐降低。C40-地聚物混凝土、砂浆和净浆的耐高温性能优于C40-普通混凝土、砂浆和净浆。XRD、TGA和SEM表明,矿渣生成的水化硅酸钙(C-S-H)的高温易分解,是C30、C40和C50地聚物试样耐高温性能逐渐降低的主要原因。(2)通过对常温下FRP筋-地聚物混凝土粘结试件进行中心拉拔测试,分析了FRP筋表面形式、直径、粘结长度、地聚物混凝土强度等级及保护层厚度等对界面粘结性能的影响。结果表明:FRP筋的表面形式是影响界面粘结强度的重要因素,随着FRP筋表面粗糙度的提高,浅螺纹、喷砂、深螺纹FRP筋与地聚物混凝土的粘结强度依次提高。FRP筋与地聚物混凝土的粘结强度与普通混凝土相当,两者间界面粘结强度随着FRP筋直径和粘结长度的增加而降低,随着混凝土强度等级及保护层厚度的增加而提高。(3)通过对高温后FRP筋-地聚物混凝土粘结试件进行中心拉拔测试,分析了温度、FRP筋表面形式、混凝土种类、混凝土强度等级及FRP筋种类对界面粘结性能的影响。结果表明:随着温度的升高,FRP筋与地聚物混凝土之间的粘结强度呈现先增高后降低的变化规律,所有试件的粘结强度在100℃或200℃时达到最高。100~350℃时,C30试件的粘结强度保留率明显高于C40及C50试件,具有更好的耐高温性能。400℃高温暴露后,所有试件的粘结强度保留率均不超过21%。且高温暴露后,喷砂FRP筋-地聚物粘结试件的粘结强度保留率明显低于带螺纹试件,这主要是因为高温后FRP筋喷砂层脱落所致。此外,FRP筋种类对高温后界面粘结性能影响不显著。(4)利用CMR和m BPE模型对高温后FRP筋-地聚物混凝土的粘结-滑移曲线上升段进行拟合,表明CMR模型比m BPE模型拟合效果更好,回归系数大于0.98,可用于高温后FRP筋与地聚物混凝土粘结性能的数值模拟。最后,基于试验结果和目前已有研究成果,提出了常温及高温后FRP筋-地聚物混凝土结构的基本锚固长度计算公式。
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