2019, Vol. 51
历次地震中，村镇低多层房屋损毁严重，研发施工简便、抗震性能好的村镇建筑，是解决农房抗地震倒塌的根本措施.文献[1]研发了低成本村镇建筑抗震与隔震结构; 文献[2]提出了适应于村镇既有砌体结构的后张预应力加固技术; 文献[3]提出了适合村镇建筑的抗震设防标准; 文献[4]提出了村镇木结构房屋节点和抗侧加固措施; 文献[5]研发了一种装配整体式圈梁构造柱技术; 文献[6]研发了一种轻钢轻混凝土结构; 文献[7-8]研发了一种装配式钢框架-单排配筋薄墙板组合结构.目前，尚缺少适宜村镇建筑的轻型装配式结构体系.
水泥原料开采，破坏生态，污染环境.碱性溶液激发粉煤灰、矿粉中的活性成分，生成的地聚物胶凝材料，是一种环境友好型建筑材料.文献[9]指出与普通混凝土相比，地聚物混凝土的二氧化碳排放量减小64%左右; 文献[10]指出可用文献[11-13]进行地聚物-钢筋间的黏结滑移设计；文献[14]指出地聚物混凝土梁的受弯破坏机理与普通水泥基混凝土梁相似；但是，文献[15]研究发现地聚物混凝土梁在峰值荷载后的延性较差；文献[16]指出与普通混凝土相比，地聚物混凝土受压时易出现脆性破坏；文献[17]研究表明与普通混凝土相比，地聚物混凝土梁的开裂荷载、跨中极限曲率和极限荷载均较相应普通混凝土梁大；文献[18]研究表明与普通混凝土柱相比，粉煤灰基地聚物混凝土柱的受压承载力和刚度提高了34%.上述研究表明地聚物混凝土具有与普通混凝土相近的力学特性.
为研究轻型装配式框架-变形可控型地聚物混凝土墙的抗震性能，进行了4个足尺模型低周反复荷载试验，分析了该结构的承载力、延性、耗能、破坏特征、损伤演化规律等，对比分析了连接方式对轻型装配式钢框架-变形可控型地聚物混凝土墙抗震性能的影响.
1 轻型装配式钢框架-变形可控型地聚物混凝土墙轻型装配式框架由钢管混凝土柱、地聚物混凝土墙，型钢梁、型钢节点和柱端连接件等构成，如图 1(a)所示，型钢梁与型钢节点间通过节点连接板用螺栓连接，钢管混凝土柱与型钢节点间通过柱端连接件焊接.如图 1(b)所示，钢管混凝土柱1与柱连接板4焊接，填充墙2的水平钢筋和竖向钢筋与填充墙四周的T形连接板5焊接，填充墙2与钢管混凝土柱1间通过柱连接板4和填充墙T形连接板5连接，连接钢板4的连接槽7和T形连接板5的连接槽8正交，螺栓位于两个连接槽中心点处.连接槽7和连接槽8为长圆孔，连接螺栓可在正交的连接槽7和连接槽8的长圆孔内滑动，实现了变形可控连接(见图 1(b)).
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注：1为钢管混凝土柱，2为填充墙，3为型钢梁，4为柱连接板，5为填充墙T形连接板，6为单排钢筋网片，7为水平连接槽，8为竖向连接槽. 图 1 连接构造 Fig. 1 Construction detail of the connection |
设计了4个轻型装配式框架-变形可控地聚物混凝土墙体试件，包括1个轻型装配式框架，编号LSFR-1，1个轻型装配式框架-强连接地聚物混凝土墙，编号LSFR-2，1个轻型装配式框架-四周变形可控连接地聚物混凝土墙，编号LSFR-3和1个轻型装配式框架-上下变形可控连接地聚物混凝土墙，编号LSFR-4，几何尺寸见图 2.边框柱为截面150 mm×150 mm×6 mm轻型钢管，钢管内填充C40地聚物混凝土；型钢梁为HM 200 mm×150 mm×6 mm×9 mm工字钢，型钢节点为200 mm×200 mm×12 mm×12 mm工字钢，见图 3(a)，柱端连接件为10 mm厚钢板围焊而成，见图 3(b).
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图 2 试件几何尺寸(mm) Fig. 2 Geometric dimensions of the specimens(mm) |
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图 3 轻型装配化部件(mm) Fig. 3 Geometric dimensions of assembled lightweight parts(mm) |
轻型装配式框架施工按以下步骤进行：1)将型钢下节点用M20高强螺栓固定在基础上，并将柱端连接件与型钢节点连接，见图 4(a)；2)将钢管柱下端插入柱端连接件的柱帽中，并四周围焊，图 4(b)；3)将型钢下梁与型钢节点用节点连接板和螺栓连接，见图 4(c)；4)钢管柱内灌注C40混凝土，形成钢管混凝土柱边框；5)在钢管柱上端安装型钢节点，并四周围焊；6)将型钢上梁与型钢节点用节点连接板和螺栓连接，形成轻型装配式钢框架.
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图 4 轻型装配式钢框架安装 Fig. 4 Construction process of lightweight assembled steel frame |
实测试验用钢材力学特性见表 1.试验用地聚物混凝土成分包括粉煤灰、矿粉、石子、砂子、水玻璃、氢氧化钠、水、减水剂和缓凝剂.粉煤灰和矿粉化学成分见表 2.砂子为河砂，石子为普通细石，外加剂采用JFL-5型高效减水剂，水玻璃溶液模数为1.2.
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表 1 钢材力学特性 Tab. 1 Mechanical properties of steel plate |
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表 2 粉煤灰与矿粉成分(质量百分数) Tab. 2 Composition of fly ash and slag |
地聚物混凝土配合比(质量比)为，粉煤灰:矿粉:砂:石:水:碱溶液=1:1:3:6.33:0.56:1，此处用水量未计入碱溶液中的水，实际用水量为两者之和.地聚物混凝土实测立方体抗压强度为42.50 MPa，弹性模量为3.26×104 MPa.
2.4 试验加载与测点布置试验时在框架柱顶分别施加300 kN竖向荷载，并保持恒定；在型钢梁中心点处施加低周反复水平荷载，采用位移控制加载，1%位移角之前，每级位移增量为3.6 mm，1%位移角之后，每级位移增量约为7.2 mm，每级循环两次.框架梁两侧设置侧向支撑，以增强试验装置平面外刚度，加载装置见图 5.
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图 5 试验加载装置 Fig. 5 Testing set-up |
加载梁中心点处、框架柱底、基础梁底部布置水平位移计，以测量相应测点水平方向变形，沿框架对角线布置斜向位移计，测量框架平面内变形；在框架节点、框架柱和墙体纵向钢筋底部、与墙体对角线相交的纵横钢筋处均布置应变片，测点布置见图 6.
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图 6 轻型装配式钢框架测点布置 Fig. 6 Arrangement of the measure point |
1/57位移角(加载点水平位移51.1 mm)前，框架基本完好，1/57位移角时，框架整体变形明显，钢管柱底部、柱端连接件上边缘处屈曲，柱端连接件加强了钢管柱根部，柱底屈曲得以上移；之后随着位移加载幅值增大，结构变形逐渐明显，加载至1/20位移角(加载点水平位移达146 mm)时，顶层柱端连接件肋板与柱连接处开裂，试验停止，结构整体变形见图 7(a)，顶部柱端连接件损伤见图 7(b)，柱底屈曲见图 7(c).
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图 7 轻型装配式钢框架(LSFR-1)变形与损伤 Fig. 7 Deformation and damage of specimen LSFR-1 |
加载至1/800位移角时，墙体右下角出现第一条斜向裂缝，之后随着水平位移增大，墙体底部与型钢梁连接处斜向裂缝逐渐增多；当加载至1/200位移角时，沿墙体对角线出现贯通交叉斜裂缝；加载至1/80位移角时，墙体布满细而密的裂缝，裂缝基本平行于对角线方向；之后裂缝宽度逐渐增大，墙体左下角和右下角混凝土大面积脱落，钢筋骨架屈曲严重，见图 8(a)，柱脚底部钢管撕裂，见图 8(b).由图 8可见：试验加载初期，墙体为结构的第一道防线，裂缝逐渐发展，耗散了大部分地震能量；墙体损伤严重后，退出工作，钢管混凝土边框作为第二道防线，抵抗水平地震作用，并充分发挥其变形能力强的优势，结构整体具有一定的弹塑性变形能力.
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图 8 强连接试验模型(LSFR-2)损伤状态 Fig. 8 Damage state of specimen LSFR-2 |
加载初期，主要靠框架变形、变形可控连接钢板间摩擦耗散地震能量，当加载至1/100位移角时，连接钢板间错动约为10 mm；当加载至1/50位移角时，变形可控连接钢板间错动超过了连接孔长度，部分连接螺栓被连接孔卡住，结构演变为抗震体系，墙体参与工作；加载至1/36位移角时，墙体右上角出现第一条斜向裂缝，见图 9(a)；之后随着加载幅值增大，墙体逐渐损伤、开裂直至完全退出工作，结构转化成框架结构，钢管混凝土柱底部与柱端连接件连接处焊缝撕裂，见图 9(b).
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图 9 四周变形可控连接试验模型(LSFR-3)损伤状态 Fig. 9 Damage state of specimen LSFR-3 |
试验中，型钢节点损伤较轻，满足了强节点的抗震设防需求；型钢梁端部翼缘屈曲严重，但型钢梁腹板与型钢节点连接牢固，节点连接板剪切变形较大，但未出现撕裂等严重破坏，保证了型钢节点和型钢梁连接牢固，见图 10(a)；柱端连接件对钢管混凝土柱端部进行了适当加强，提高了框架柱的抗侧移能力；墙体与框架间的变形可控连接保证了其在1/50位移角前不损伤，框架-墙体相对变形超过连接孔长度时，连接螺栓是墙体和框架间主要传力部件，试验中墙体裂缝发展方向基本沿着连接螺栓的连线方向，相对变形较大时，少数连接螺栓被剪断，见图 10(b).
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图 10 轻型装配化部件损伤 Fig. 10 Damage state of the assembled components |
1/800位移角时，墙体与钢管混凝土柱间的加气混凝土砌块开裂；1/400位移角时，墙体右下角出现第一条斜裂缝，之后墙体与砌块间脱离，墙体未再出现新裂缝；1/66位移角时，墙体上形成两条主斜裂缝；1/57位移角时，一条自左上至右下，平行于墙体对角线的裂缝出现；1/50位移角时，右侧加气混凝土砌块基本完全脱落；1/40位移角时，试件左侧加气混凝土砌块基本完全脱落，墙体变形空间增大；之后随着加载幅值增大，墙体上的裂缝逐渐增多，直至1/28位移角，墙体裂缝发展充分，1/25位移角时，墙体损伤严重，见图 11(a)，钢管混凝土柱底部屈曲，见图 11(b)；试验过程中墙体与框架间连接可靠，仅有少部分连接螺栓被剪断.
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图 11 上下变形可控连接试验模型(LSFR-4)损伤状态 Fig. 11 Damage state of specimen LSFR-4 |
综上所述：1)轻型装配式钢框架整体损伤较轻，损伤主要集中在柱底和顶部柱端连接件根部，各部件间连接可靠，结构具有较强的弹塑性变形能力；2)强连接试件LSFR-2的墙体裂缝逐渐发展，耗散了大部分地震能量；墙体损伤严重后，退出工作，钢管混凝土边框作为第二道防线，抵抗水平地震作用，并充分发挥其变形能力强的优势，结构整体具有较强的弹塑性变形能力；3)地聚物混凝土墙体具有与普通混凝土墙相似的开裂、损伤发展过程；4)变形可控连接框架-地聚物混凝土墙体(LSFR-3、LSFR-4)小震时框架承担大部分水平地震作用，避免了墙体小震即开裂；中震和大震时墙体和框架共同抵抗地震作用，墙体经历了开裂-损伤-退出工作的损伤演化过程，消耗了大部分地震能量；各轻型装配式部件间连接可靠，结构整体性强，具有良好的抗震性能.
3.2 承载力实测各试件峰值点荷载、极限点荷载、破坏点荷载见表 3，表中Fp为峰值点荷载，Fu为极限点荷载即承载力下降到峰值荷载85%时的荷载，F为破坏点荷载即框架变形较大，柱脚屈曲严重，试验终止时的荷载.
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表 3 实测各试件峰值点荷载、极限点荷载和破坏点荷载 Tab. 3 Experimental results of characteristic point load |
由表 3可见：1)与强连接试件(LSFR-2)相比，四周变形可控连接试件LFSR-3和上下变形可控连接试件LSFR-4的峰值荷载、极限荷载和破坏荷载较低；2)四周变形可控连接试件LFSR-3和上下变形可控连接试件LSFR-4的峰值荷载、极限荷载和破坏荷载相差不大；3)与空框架(LSFR-1)相比，轻型装配式框架-地聚物混凝墙体组合结构的承载力均有大幅提高.
3.3 位移及延性实测各试件峰值点位移、极限点位移、破坏点位移见表 4，表中Δp，Δu和Δ分别是各试件的峰值位移、极限位移和破坏点位移.
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表 4 实测各试件峰值点位移、极限点位移和破坏点位移 Tab. 4 Experimental results of characteristic point displacement |
由表 4可见：1)与强连接试件LSFR-2相比，轻型装配式框架试件LSFR-1和轻型装配式框架-地聚物混凝土墙(LSFR-3、LSFR-4)均具有较强的的弹塑性变形能力；2)变形可控连接试件的峰值位移、极限位移和破坏点位移均远大于强连接试件，说明变形可控连接可充分发挥框架自身的变形能力；3)各试件破坏点时，强连接试件LSFR-2的位移角为1/40，四周变形可控连接试件LSFR-3的位移角为1/26，上下变形可控连接试件LSFR-4的位移角为1/25，表明变形可控连接试件的弹塑性变形能力接近纯框架，但其承载能力是纯框架的5倍.
3.4 滞回及耗能 3.4.1 滞回性能试验实测各试件水平荷载F-加载点水平位移U滞回曲线见图 12.
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图 12 滞回曲线 Fig. 12 Load-displacement hysteretic loops of the specimens |
由图 12可见：1)轻型装配式框架试件(LSFR-1)滞回曲线饱满，承载力下降平缓，变形能力强，具有良好的延性；2)强连接试件(LSFR-2)地聚物混凝土墙体刚度大，承载力高，滞回曲线饱满，但承载力下降快，延性较差；3)四周变形可控连接试件(LSFR-3)，1/50位移角前，滞回曲线饱满，试件承载力平稳，未明显下降；1/50位移角后，承载力增长较快，达到峰值后，又下降至平缓阶段；之后随着水平位移持续增加，承载力逐渐下降，试件破坏时位移角达1/26；4)上下变形可控连接试件(LSFR-4)，1/50位移角之前，滞回曲线饱满，承载力增长较快，具有较高的初期刚度，1/50位移角后，承载力明显下降，加载至1/30位移角时，承载力再次明显增长，达到峰值后承载力逐渐下降，试件破坏时位移角达1/25.
3.4.2 骨架曲线实测轻型装配式框架-地聚物混凝土墙试件LSFR-2、LSFR-3、LSFR-4骨架曲线对比见图 13，由图 13可见：1)强连接试件(LSFR-2)承载力高，刚度大，但承载力下降较快，刚度退化快，延性较差；2)四周变形可控连接试件(LSFR-3)和上下变形可控连接试件(LSFR-4)，加载初期(1/100位移角前)，两者骨架曲线基本重合，此阶段两者力学性能相似；之后试件(LSFR-4)随着加载点水平位移的增大，结构的承载力和刚度逐渐增大，至第1个峰值点后，承载力略有下降，之后，结构承载力和刚度再次增大，至第2个峰值点后，结构承载力下降较快，刚度退化加速；与上下变形可控连接试件LSFR-4相比，四周变形可控连接试件LSFR-3，经历了承载力增长-变形可控连接件滑移-承载力增长-承载力下降4个阶段，骨架曲线上表现为增长-水平-增长-下降4个阶段；3)变形可控连接，改善了结构的延性，增强了结构的整体耗能能力，有效发挥了框架变形能力强的优势，同时减轻了地聚物混凝土墙体在中小震作用下的损伤.
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图 13 骨架曲线 Fig. 13 Load-displacement skeleton curves of the specimens |
滞回环所包含的面积反映了结构弹塑性耗能的大小，取各滞回环包罗面积的和作为比较用的耗能量.各试件实测耗能及相对值见表 5.
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表 5 试件耗能实测值 Tab. 5 Measured value of the specimens′ energy dissipation |
由表 5可见：1)与试件LSFR-1(轻型装配式钢框架)相比，试件LSFR-2(强连接试件)的耗能提高了149%.表明强连接地聚物混凝土墙体可显著提高框架的整体耗能能力；2)与试件LSFR-2(强连接试件)相比，LSFR-3(四周变形可控连接试件)的耗能提高了200%，说明地聚物混凝土墙体与轻型装配式框架间通过变形可控连接，可显著提高结构的整体耗能能力；3)与试件LSFR-2(强连接试件)相比，LSFR-4(上下变形可控连接试件)的耗能提高了239%，说明释放左右两边的连接后，地聚物混凝土墙体的自由变形空间变大，结构整体耗能能力增强.
4 结论1) 地聚物混凝土墙体与框架间通过变形可控连接，使得小震时地聚物混凝土墙体不参与工作，避免地聚物混凝土墙体小震即裂；中震和大震时，地聚物混凝土墙体-框架间连接螺栓被卡住，两者共同抵抗水平荷载，结构抗震能力较强, 当地聚物墙体损伤严重退出工作后，结构承载力下降明显，但轻型装配式钢管混凝土框架仍具有一定的承载能力.
2) 与强连接试件(LSFR-2)相比，变形可控连接试件(LSFR-3、LSFR-4)的承载力下降较多，但弹塑性变形能力增强，整体耗能能力分别提高了2倍和2.39倍；与纯框架试件(LSFR-1)相比，框架-地聚物混凝土墙体间通过变形可控连接试件(LSFR-3、LSFR-4)的承载力分别提高了4.49倍和3.95倍，耗能能力分别提高了6.48倍和7.46倍.
3) 轻型装配式框架各装配部件间连接可靠，框架整体性好，弹塑性变形能力强，滞回曲线饱满、耗能能力强，具有良好的抗震性能，各装配部件自重较轻，施工简便，便于在机械化程度较低的村镇地区推广应用.
| [1] |
曹万林, 张勇波, 董宏英, 等. 村镇建筑抗震节能结构体系研究与应用[J]. 工程力学, 2015, 32(12): 1. CAO Wanlin, ZHANG Yongbo, DONG Hongying, et al. Research and application on aseismic energy-saving structural system for rural buildings[J]. Journal of Building Structures, 2015, 32(12): 1. DOI:10.6052/j.issn.1000-4750.2014.05.ST01 |
| [2] |
刘航, 兰春光, 华少锋. 村镇既有砌体结构抗震加固新技术研发与示范[J]. 世界地震工程, 2014, 30(3): 156. LIU Hang, LAN Chunguang, HUA Shaofeng. Research and application of seismic strengthening technology to existing masonry structures in villages and small towns[J]. Word Earthquake Engineering, 2014, 30(3): 156. |
| [3] |
陈小飞, 马玉宏. 村镇建筑基于性态的抗震设防标准研究[J]. 土木工程学报, 2012, 45(增刊1): 307. CHEN Xiaofei, MA Yuhong. Research on performance-based seismic design criteria for rural buildings[J]. China Civil Engineering Journal, 2012, 45(S1): 307. DOI:10.15951/j.tmgcxb.2012.s1.052 |
| [4] |
鲁旭光.村镇木结构住宅抗震加固试验研究[D].西安: 长安大学, 2011 LU Xuguang. Experimental study on seismic strengthing of the timber residence in villages and small towns [D]. Xi'an: Chang'an University, 2011 http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-11941-1011185928.htm |
| [5] |
张驰.装配式整体圈梁构造柱村镇民用建筑抗震性能研究[D].绵阳: 西南科技大学, 2017 ZHANG Chi. Study on seismic performance of masonry concrete prefabricated square steel ring beams and constructional columns[D]. Mianyang: Southwest University of Science and Technology, 2017 http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10619-1017202910.htm |
| [6] |
黄强, 李东彬, 王建军, 等. 轻钢轻混凝土结构体系研究与开发[J]. 建筑结构学报, 2016, 37(4): 1. HUANG Qiang, LI Dongbin, WANG Jianjun, et al. Study on lightweight steel and lightweight concrete structures system[J]. Journal of Building Structures, 2016, 37(4): 1. DOI:10.14006/j.jzjgxb.2016.04.001 |
| [7] |
贾穗子, 曹万林, 任乐乐. 装配式轻钢框架-带暗支撑轻墙体组合结构抗震性能试验研究[J]. 建筑结构学报, 2018, 39(11): 48. JIA Suizi, CAO Wanlin, REN Lele. Experimental study on seismic performance of fabricated composite structure of lightweight steel frame-lightweight wall with concealed support[J]. Journal of Building Structures, 2018, 39(11): 48. DOI:10.14006/j.jzjgxb.2018.11.006 |
| [8] |
贾穗子, 曹万林, 王如伟, 等. 适于低层农房的装配式轻钢边框薄墙板组合结构抗震性能试验研究[J]. 东南大学学报(自然科学版), 2018, 48(2): 323. JIA Suizi, CAO Wanlin, WANG Ruwei, et al. Experimental study on seismic performance of fabricated composite structure of thin slab with lightweight steel frame for low-rise housing[J]. Journal of Southeast University (Natural Science Edition), 2018, 48(2): 323. DOI:10.3969/j.issn.1001-0505.2018.02.021 |
| [9] |
MCLELLAN B C, WILLIAMS R P, LAY J, et al. Costs and carbon emissions for geopolymer pastes in comparison to ordinary Portland cement[J]. Journal of Cleaner Production, 2011, 19(9/10): 1080. DOI:10.1016/j.jclepro.2011.02.010 |
| [10] |
SOFI M, DEVENTER J S J V, MENDIS P A, et al. Bond performance of reinforcing bars in inorganic polymer concrete (IPC)[J]. Journal of Materials Science, 2007, 42(9): 3107. DOI:10.1007/s10853-006-0534-5 |
| [11] |
Standards Australia. Concrete structures: Australian standard association 3600[S]. Sydney: Standards Australia International, 2004
|
| [12] |
American Concrete Institute. Building code requirements for structural concrete: ACI 318-14[S]. Farmington Hills, Mich: American Concrete Institute, 2002
|
| [13] |
European Committee for Standardization. Design of concrete structures-Part 1-1: General rules and rules for buildings: Euro code 2[S].Brussels: European Committee for Standardization, 2004
|
| [14] |
SUMAJOUW D M J, HARDJITO D, WALLAH S E, et al. Behavior and strength of reinforced fly ash-based geopolymer concrete beams[J]. Civil Engineering Dimension, 2005, 6(2): 1020. |
| [15] |
DATTATREYA J K, RAJAMANE N P, SABITHA D, et al. Flexural behavior of reinforced geopolymer concrete beams[J]. International Journal for Computational Civil & Structural Engineering, 2012, 2(1): 138. |
| [16] |
YOST J R, RADLINSKA A, ERNST S, et al. Structural behavior of alkali activated fly ash concrete. Part 2: structural testing and experimental findings[J]. Materials and Structures, 2013, 46(3): 449. DOI:10.1617/s11527-012-9985-0 |
| [17] |
JEYASEHAR C A, SARAVANAN G, SALAHUDDIN M, et al. Development of fly ash based geopolymer precast concrete elements[J]. Asian Journal of Civil Engineering, 2013, 14(4): 605. |
| [18] |
SUJATHA T, KANNAPIRAN K, NAGAN S. Strength assessment of heat cured geopolymer concrete slender column[J]. Asian Journal of Civil Engineering, 2012, 13(5): 635. |