高温后圆与方钢管再生混凝土界面黏结性能对比学习体会

文献概况与研究意义

本文出自《混凝土》2023年第5期，由广西大学土木建筑工程学院贾恒瑞、陈宗平与陈俊睿撰写，以经历最高温度（T）和再生粗骨料取代率（γ）为变化参数，对20个圆形和20个方形钢管再生混凝土试件进行了推出试验，对比分析了高温后圆与方钢管再生混凝土的界面黏结性能差异。

钢管再生混凝土结构是一种兼具环保效益和力学性能的新型结构形式，采用再生粗骨料替代部分天然骨料，可以减少建筑垃圾的废弃量，实现资源的循环利用。然而，再生骨料的引入和高温作用都会影响钢管与混凝土之间的界面黏结性能，进而影响结构的整体承载力和延性。作为长期从事钢管制造与焊接技术的技术人员，我对钢管混凝土界面黏结性能有着深入的理解，因此对本文的研究方法和结论有着特别的关注。

试验设计与参数设置

本文的试验设计采用了双因素参数化方案，以最高温度和再生粗骨料取代率作为变化参数，对圆形和方形钢管再生混凝土试件进行推出试验。这种试验设计方法具有以下几个优点：

参数	变化范围	工程意义
最高温度T	多梯度设置	模拟火灾或高温环境下的结构响应
再生粗骨料取代率γ	多梯度设置	评估再生骨料对界面黏结性能的影响
截面形状	圆形与方形对比	揭示截面形状对界面黏结性能的影响规律

推出试验是评估钢管与混凝土界面黏结性能的经典方法，其原理是通过施加轴向拉力使钢管与混凝土之间产生相对滑移，从而测量界面黏结应力与滑移之间的关系。对于高温后的试件，推出试验可以评估高温作用对界面黏结性能的影响程度。

界面黏结性能对比分析

文章的研究结果表明，方形试件的黏结破坏过程相对圆形试件表现出明显的脆性和不均匀性，其棱角处的界面破坏相对较晚。圆形试件的界面黏结强度、黏结抗剪刚度及耗能能力平均分别约比方形试件高出114.8%、3.57%、53.7%。

从钢管制造和焊接的角度来看，这一结果具有以下几方面的工程意义：

截面形状对界面黏结的影响：圆形钢管与混凝土之间的接触面积均匀，应力分布较为均匀，因此界面黏结性能优于方形钢管。方形钢管的棱角处应力集中效应显著，导致界面破坏呈现不均匀性。
高温对界面黏结的影响：高温作用会导致钢管与混凝土之间的界面黏结性能显著降低，这种降低效应在方形钢管中更为明显。从焊接冶金的角度看，高温作用类似于焊接热循环对热影响区的影响，会导致界面区域的微观组织变化和性能劣化。
再生骨料取代率的影响：再生骨料的引入会改变混凝土的微观结构和界面过渡区（ITZ）的形态，进而影响钢管与混凝土之间的界面黏结性能。再生骨料取代率越高，界面黏结性能的优势越明显。

高温后界面损伤演化机制

文章特别指出，圆形试件的界面初始损伤出现相对较晚，损伤速度平均比方形试件慢46.1%，这种优势会随温度的升高而逐渐减小，受再生骨料取代率变化的影响则不大。

从微观机制来看，高温后钢管与混凝土界面黏结性能的劣化主要源于以下几个方面：

钢管的热膨胀与混凝土的热膨胀差异：钢管和混凝土的热膨胀系数不同，高温作用下两者之间的相对位移会导致界面产生剪切应力，加速界面损伤。
界面过渡区的性能劣化：高温作用下，界面过渡区中的水化产物（如C-S-H凝胶）发生分解和脱水，导致界面黏结强度降低。
钢管表面的氧化与腐蚀：高温作用下，钢管表面可能发生氧化反应，形成氧化膜，影响钢管与混凝土之间的黏结性能。
再生骨料的特殊性：再生骨料表面附着的旧砂浆在高温下可能发生膨胀和剥落，进一步加剧界面损伤。

钢管焊接质量与高温后性能的关联

从钢管制造和焊接技术角度来看，高温后钢管再生混凝土界面黏结性能的劣化与钢管焊接质量有着密切的关联：

焊缝区域的热影响区：钢管焊接接头处的热影响区（HAZ）在高温作用下可能经历二次热循环，导致微观组织进一步劣化，界面黏结性能降低。
焊接残余应力：焊接残余应力在高温作用下可能部分释放，导致钢管与混凝土之间的相对位移，加速界面损伤。
焊缝缺陷：焊缝中的未熔合、气孔、裂纹等缺陷在高温作用下可能扩展，影响钢管的整体性和界面黏结性能。

工程实践建议

基于本文的研究结论和工程实践经验，对于高温后钢管再生混凝土结构的设计和制造，提出以下建议：

优先采用圆形钢管：在条件允许的情况下，优先选用圆形钢管而非方形钢管，以获得更优的界面黏结性能和耗能能力。
严格控制再生骨料质量：再生粗骨料应经过严格的清洗、筛分和分级处理，去除表面附着的旧砂浆和杂质，提高再生骨料的表面清洁度和级配均匀性。
优化钢管焊接工艺：采用低热输入焊接工艺，控制焊接热影响区的宽度和微观组织变化，减少焊接残余应力，提高焊缝质量。
加强焊后热处理：对钢管焊接接头进行焊后热处理（PWHT），消除残余应力，改善微观组织，提高钢管的高温性能。
界面处理：在钢管内壁进行适当的表面粗糙化处理或涂装界面增强剂，提高钢管与混凝土之间的初始黏结强度。

学习心得

高温后圆与方钢管再生混凝土界面黏结性能的对比研究，为我们揭示了截面形状、温度和再生骨料取代率对界面黏结性能的复杂影响规律。圆形钢管在界面黏结强度、抗剪刚度和耗能能力方面均优于方形钢管，这一结论对于钢管混凝土结构的设计选型具有重要的指导意义。从钢管制造和焊接技术的角度来看，钢管焊接质量不仅是影响结构初始性能的关键因素，也是影响结构在高温等极端环境下的性能退化的重要因素。每一个焊缝的质量、每一道热处理的工艺参数，都可能影响到钢管再生混凝土结构在火灾等高温事件后的界面黏结性能和整体安全性。再生混凝土的引入为钢管混凝土结构带来了环保效益，但也对界面黏结性能提出了新的挑战。在追求可持续发展的道路上，我们需要在环保效益和结构性能之间找到最佳的平衡点，而钢管焊接技术的精细化控制是实现这一平衡的重要手段。