CFRP约束的碱激发矿渣再生混凝土填充钢管柱的徐变及徐变后性能

《Engineering Structures》：Creep and post-creep performance of CFRP-confined steel tube columns filled with alkali-activated slag recycled concrete

　　

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  研究了CFRP-ARCFST的徐变及徐变后行为。
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  较高的再生骨料含量通过应力重分布增强了约束效率。
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  建立了考虑应力重分布的时变数值徐变模型。
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  持续荷载增强了徐变后的强度和峰值压应变。
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  提出了徐变后绝对峰值压应变的预测模型。

引言

在全球气候变化缓解和双碳战略实施的背景下，土木工程正在经历材料开发的深刻变革。传统普通波特兰水泥混凝土（OPC）具有高能耗和大量碳排放的特点[1]，而工业固体废物的快速积累[2]和建筑拆除废物的增加[3]进一步制约了行业的可持续发展。碱激发水渣再生骨料混凝土（AAS-RAC）是一种新兴的绿色建筑材料，它以工业废渣取代高碳水泥，以再生骨料（RA）取代天然骨料（NA）[4]。该材料不仅缓解了天然砂和水泥资源的枯竭，还为固体废物的大规模利用提供了有效途径[5]。

需要注意的是，尽管碱激发水渣再生骨料混凝土（AAS-RAC）表现出优异的早期强度发展和显著的环境效益，但其物理力学性能与具有相似配合比的常规普通波特兰水泥（OPC）混凝土存在显著差异。已有研究表明，对于约30–45 MPa范围内的相同抗压强度，AAS-RAC的弹性模量通常为18至24 GPa，比OPC混凝土（30–35 GPa）低约20%–40%。这一降低主要归因于再生骨料上附着的富孔隙残余砂浆以及碱激发胶凝体系固有的收缩诱导微裂缝[6]，[7]。此外，AAS-RAC的泊松比通常为0.18至0.24，略高于OPC混凝土（0.18–0.22），表明在压缩荷载作用下具有更大的横向膨胀趋势[8]。此外，以往的调查一致报道，AAS-RAC表现出比OPC混凝土明显更大的收缩和徐变变形，在可比条件下，其徐变系数通常为常规混凝土的1.3至3.0倍[9]，[10]。在持续服役荷载作用下，过大的徐变变形可能导致刚度渐进性退化、预应力损失增加以及明显的应力重分布，从而影响混凝土结构的长期适用性、耐久性和结构安全[11]。因此，降低AAS-RAC固有的高徐变潜力已成为其广泛应用于结构工程的关键技术挑战之一。

已有研究主要集中在材料层面的改性，如调整碱激发剂组成[12]或掺入减缩剂[13]。然而，这些方法往往牺牲力学强度或经济效率，其效果仍然有限。因此，在结构层面引入外部约束机制已成为一种更具前景的策略。在碳纤维增强聚合物（CFRP）织物约束的圆形钢管AAS-RAC填充柱（CFRP-ARCFST）中，AAS-RAC填充在钢管内，外部包裹CFRP，形成双重约束系统。钢管为芯部混凝土提供密封的物理环境，限制水分交换，同时通过横向约束和应力重分布效应提高轴向承载能力[14]。此外，CFRP护套作为防止钢材腐蚀的保护层，并提供额外的横向约束，从而延缓局部屈曲和钢管过早横向膨胀[15]。由于这种协同约束机制，时变应力重分布有望显著增强芯部混凝土的长期结构性能[16]。

尽管已有研究广泛调查了填充OPC的CFRP–钢管双约束柱的静力[17]和动力特性[18]，[19]，但对其时变行为，尤其是徐变行为的研究仍然有限。此外，碱激发水渣胶凝体系在水化产物和粘弹性特性方面与传统硅酸盐水泥体系存在根本差异[20]。再生骨料（RA）的微观结构特征也与天然骨料（NA）显著不同。因此，CFRP-ARCFST柱的徐变行为预计将显著偏离其普通混凝土对应物。因此，常规混凝土开发的徐变规律和预测模型是否适用于CFRP-ARCFST柱仍不清楚。

值得注意的是，大多数现有研究主要集中于徐变监测，而长期荷载作用下结构的残余力学性能在很大程度上仍未被探索。从全生命周期设计的角度来看，老化效应具有两面性。一方面，它可能引起微裂缝，代表老化损伤。另一方面，徐变固结和约束增强可以改善力学性能，代表老化增益。因此，量化这些对立效应的演变至关重要，因为这对于准确评估新型复合结构的长期适用性和安全性是必不可少的。

作者先前的研究[21]系统调查了CFRP-ARCFST柱在短期静载作用下的轴向压缩行为和初始力学响应，为理解此类组合构件的基本力学性能提供了可靠基础。在此基础上，本研究将研究框架扩展至系统调查CFRP-ARCFST柱的徐变机制和徐变后轴向压缩力学行为。本研究设计并制作了8组CFRP-ARCFST柱，经过270天的徐变监测后进行徐变后轴向压缩试验。系统研究了再生骨料替代率（0%、50%、100%）、含钢率（8%、10%、12%）和CFRP层数（0、1、2、3）的耦合效应对徐变演变和徐变后轴向力学行为的影响。随后建立了考虑时变应力重分布的数值模型。基于徐变后轴向压缩结果，建立了考虑徐变诱导老化效应的CFRP-ARCFST柱绝对峰值压应变预测模型。这些发现为高性能复合结构的设计和长期性能评估提供了理论指导。

章节摘要

试件设计

共设计并制作了8组CFRP-ARCFST柱。所有试件的外径D为140 mm，高度H为420 mm。每组制作4个试件。试件长期荷载试验的加载龄期t₀为28天，加载时间t为270天。

应力水平n_c定义为核心混凝土中的压应力与其圆柱体抗压强度之比。为便于比较，所有试件的加载应力水平

长期响应

图4展示了所有试件组的徐变应变时间历程和稳定时间。预测的徐变变形值也已包含在内，将在第4节中详细讨论。在整个270天的加载期间，所有试件均未观察到可见膨胀。正如预期，徐变变形在加载早期阶段（前30天内）快速发展，并在约60天内逐渐趋于稳定状态。

徐变

CFRP-ARCFST柱徐变后的轴向压缩力学性能

原则上，所有试件在徐变试验后应保持荷载并直接压至破坏。然而，由于徐变装置的承载力限制，试件先卸载然后立即转移至5000 kN电液伺服试验机进行轴向压缩破坏试验。所有试件的破坏过程和模式相似。在加载早期阶段，未发生明显变形。当荷载达到

结论

基于对8组CFRP-ARCFST柱的长期徐变和徐变后轴向压缩试验，本研究系统调查了再生骨料替代率（0%、50%、100%）、含钢率（8%、10%、12%）和CFRP层数（0、1、2、3）的影响。主要结论如下：

• (1)
  CFRP-ARCFST柱的徐变稳定时间范围为42至56天。再生骨料的掺入由于内部缺陷的增加而显著延缓了稳定过程。相比之下，

CRediT作者贡献声明

李云贺：撰写 – 初稿，调查。郑文中：监督，概念化。曹少军：验证，数据管理。张健心：可视化，方法论。陈庞：撰写 – 审阅与编辑，资金获取，形式化分析。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

本工作得到了河北省中央指导地方科技发展项目（项目编号：236Z4505G）的资助。

李云贺|陈庞|张健心|曹少军|郑文中