配筋矿渣基碱激发混凝土柱受压时的扭转行为

《Engineering Structures》：Torsional behavior of reinforced slag-based geopolymer concrete columns under compression

　　

摘要

尽管在材料层面对地聚物混凝土（GPC）已进行了广泛研究，但其结构行为，尤其是在复杂应力状态下的行为仍不够明确，特别是在压扭组合作用下更是如此。本研究对九个GPC柱和三个普通波特兰水泥混凝土（PCC）柱进行了单轴扭转试验，轴压力范围从171至903 kN，对应轴压比为0.1至0.5，以研究混凝土类型和强度、轴压比以及配筋强度比对结构行为的影响。研究内容涵盖破坏模式、扭矩-扭转角关系、承载力、开裂后刚度、延性和软化响应等方面的分析。试验结果表明，C50和C70等级的GPC柱的开裂扭矩和扭转承载力均高于同等级PCC柱，并呈现出不同的裂缝扩展模式。轴压力使GPC和PCC的平均开裂扭矩分别提高了37.0%和13.8%。轴向压力增大后，斜裂缝角度和纵筋应力减小。随着混凝土强度等级提高，PCC试件的开裂后刚度降低、软化速率增大且延性下降；而GPC试件则表现出随混凝土强度提升，延性和软化速率同步增加。现行设计规范的承载力预测整体可接受，但对纵向配筋率为1.53%和1.94%的试件，其扭转强度被高估。建议对GB/T 50010-2010和ACI 318-25中的最大配筋特征值和轴压增强条件进行修订。上述建议性修订应视为初步结果。

引言

地聚物，又称碱激活水泥，是由富含铝硅酸根的工业副产品（如粉煤灰和矿渣）与碱性激发剂反应合成而得[1,2]。这些材料具有非晶态三维网络结构。与普通波特兰水泥混凝土（PCC）相比，地聚物混凝土（GPC）具有显著更低的碳足迹[[3]、[4]、[5]]、增强的耐腐蚀性[6]以及更高的早期强度[7]。除环境优势外，GPC在梁柱节点剪力[[8]、[9]、[10]]、弯曲[11,12]及抗震性能[13,14]方面，以及柱耐火性[15]和墙体抗震性能[16,17]方面，也展现出优越的力学性能。已有研究一致表明，GPC的结构性能可与PCC相当，甚至更优。在特殊结构体系快速发展的背景下，GPC卓越的强度、耐久性和可持续性使其成为未来建筑中极具吸引力的材料。

在混凝土结构中，柱的破坏可能引发整个结构的连续倒塌[18]。在实际工程中，柱不仅承受轴向压力，还经常承受扭转效应，尤其是在不规则桥墩、偏心支撑剪力墙核心筒和超高层建筑框架中[[19]、[20]、[21]]。轴压力与扭转的相互作用既影响柱的承载力和破坏模式，也直接影响结构安全。通常，扭转在结构设计中被视为次要于弯曲、轴向和剪力，往往被忽略或采用保守假设和构造措施来处理。然而，随着现代结构日趋复杂，扭转行为已成为一个需要更系统研究的重大问题。近期研究越来越多地考察了常规钢筋混凝土（RC）构件在组合荷载下的扭转行为[[22]、[23]、[24]、[25]]。Attarchian等[26]证明，弯扭相互作用降低了矩形柱的位移和抗弯承载力。Yu和Shan[27]表明，在压弯剪扭作用下，增加扭矩会降低T形柱的抗弯承载力。Jiao等[28]发现，扭剪相互作用扩大了损伤区域，并降低了圆柱的强度和耗能能力。Kaya等[29]指出，横向配筋是控制扭转强度的主要因素，而混凝土强度主要影响破坏模式。Cengiz等[30]进一步报告，扭转降低了延性、耗能能力和塑性转动能力，同时扩展了塑性铰区域。Mondal等[31]评估了三种拉压刚度模型，用于预测受压圆形RC柱的扭转响应。Ibrahim等[32]报告了混凝土保护层对RC试件峰值前和峰值后扭转性能的影响。这些结果表明，忽视扭转可能导致对常规RC构件的非保守评估。

尽管对GPC柱的抗压强度和抗震行为已有大量研究，但其在受压状态下的扭转性能仍不够明确[33]。现有研究主要报告了GPC的示范或次结构应用[34]，表明GPC正逐步被考虑用于实际结构。与此同时，增加矿渣含量往往会使应力-应变曲线的下降段更陡，基于矿渣的GPC将表现出比PCC更快的峰值后应力下降，表明其变形能力和韧性更低[35]。因此，对于轴力和扭转可能共存的构件潜在应用，有必要明确配筋矿渣基GPC柱的压扭行为和延性特征。此外，由于GPC具有独特的微观结构特征，常规扭转理论和现行设计规范可能并不直接适用于GPC柱。例如，GB/T 50010-2010[36]通过限制配筋强度比的上限和下限来确保PCC柱在压扭设计中的延性。然而，GPC柱的扭转行为是否与PCC柱相当仍不确定。这一知识空白限制了GPC的更广泛应用，并在工程设计中引入了不确定性。因此，需要系统研究受压GPC柱的扭转行为，以实现绿色混凝土材料在复杂结构体系中的安全高效应用。

本研究通过一系列对九个配筋GPC柱和三个PCC柱进行的单轴扭转试验，研究了受压GPC柱的扭转行为。试验参数包括轴压比（0.1、0.3和0.5）、混凝土强度等级（C30、C50和C70）以及配筋强度比。系统分析了这些变量对裂缝扩展模式和破坏模式的影响，并与PCC柱进行了对比。通过比较特征扭矩、扭转角以及钢筋和混凝土的应变来评估结构性能，如扭转刚度、延性和软化行为。此外，利用数字图像相关（DIC）技术对裂缝发展进行了进一步量化。此外，还评估了现行设计规范对配筋GPC柱的适用性，并提出了初步的基于力学原理的修订建议。

章节摘要

原材料与搅拌工艺

GPC的前驱体由磨细粒化高炉矿渣和F级粉煤灰组成，密度分别为2900 kg/m³和2200 kg/m³，比表面积分别为446 m²/kg和290 m²/kg。矿渣和粉煤灰的详细化学成分见表1。硅灰的平均粒径为0.2 μm，堆积密度在1600至1700 kg/m³之间。碱性激发剂由氢氧化钠（NaOH）、碳酸钠（Na₂CO₃）和

裂缝分布与破坏模式

图6展示了试件的裂缝分布和破坏模式。为提高裂缝可视性，最终裂缝图案使用红色实线进行描摹，与观察到的裂缝位置和方向一一对应，如图6下半部分所示。裂缝通常在试件的中下部区域起始，随后在两侧形成数条平行裂缝。随着扭矩增大，中部的扭转剪切裂缝进一步扩展

扭转刚度

各试件的割线刚度退化曲线见图12。除试件P30-0.3-1.19和G30-0.3-1.19外，所有试件均表现出相似的退化模式，特征为初始短暂硬化阶段后逐渐退化。这种行为主要归因于割线刚度对小初始扭转角的敏感性，而早期加载阶段的轴压力促进了混凝土基体中微缺陷的闭合。

现行设计模型

变角空间桁架模型[51,52]是大多数现代设计规范的理论基础，该模型假定斜压杆角度由纵筋和箍筋的相对屈服强度决定，有效表示为体积配筋率。该模型采用等效矩形截面，涉及以下假设：1）核心混凝土对扭转抗力的贡献可忽略不计；2）扭矩主要由管壁截面产生

结论

在本研究中，对九个地聚物混凝土（GPC）柱和三个波特兰水泥混凝土（PCC）柱在轴压条件下进行了单轴扭转试验，以评估柱试件的扭转行为。主要参数包括轴压比、混凝土类型、混凝土强度和配筋强度比。基于试验结果，对现行设计规范对配筋GPC柱的适用性进行了批判性评估，并

作者贡献声明

程鹏：撰写-审阅与编辑，撰写-初稿，验证，方法论，数据管理。杜云兴：撰写-审阅与编辑，方法论，调查研究，概念构思。黄贤钟：撰写-审阅与编辑，方法论，调查研究，概念构思。李水生：方法论，调查研究，概念构思。施彩君：监督指导，项目管理，经费获取，概念构思。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本论文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（资助编号51638008和52278257）、中国建筑集团土木工程材料重点实验室（CSCES-PT-002）以及韩国国家研究基金会（NRF）（由韩国政府科学技术信息部资助）（编号RS-2024–00409719）的经费支持。

程鹏|杜云兴|黄贤钟|李水生|施彩君

湖南省绿色与先进土木工程材料及应用技术重点实验室，湖南省绿色与先进土木工程材料国际科技创新合作基地，湖南大学土木工程学院，长沙，410082，中国