預制與后澆混凝土粘結的劈拉性能試驗研究

曹 海,馬芹永,張蓉蓉,汪 洋

(1.安徽理工大學土木建筑學院,淮南 232001；2.黃山學院建筑工程學院,黃山 245041)

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預制與后澆混凝土粘結的劈拉性能試驗研究

曹 海1,2,馬芹永1,張蓉蓉1,汪 洋1

(1.安徽理工大學土木建筑學院,淮南 232001；2.黃山學院建筑工程學院,黃山 245041)

通過對預制與后澆混凝土粘結的劈拉試驗研究,分析了后澆混凝土的澆筑方式、粘結面粗糙度及溫度對混凝土粘結劈拉性能的影響規律。結果表明：同種工況條件下,水平向澆筑混凝土粘結劈拉強度明顯大于豎直向澆筑粘結劈拉強度,粘結劈拉強度隨粘結面的粗糙度的增加而顯著增大,隨溫度的升高而急劇下降,到300 ℃時,比常溫下降了50%。為闡明混凝土粘結劈拉機理提供詳實的數據支撐,并為裝配式混凝土結構發展提供參考。

預制混凝土； 后澆混凝土； 粘結劈拉強度； 粘結面粗糙度； 溫度

1 引 言

對于裝配式混凝土疊合構件而言,預制混凝土與后澆混凝土的粘結力學性能是其結為整體共同工作的基石[1-2]。而混凝土劈拉強度是混凝土基本力學性能重要的指標之一[3]。目前,許多專家學者[4-6]研究了新老混凝土粘結的劈拉強度,但這些研究都集中在使用齡期長的老混凝土與新混凝土的粘結性能,對短齡期未經使用的預制混凝土與后澆混凝土的粘結性能研究較少,本文對后澆混凝土不同澆筑方式、粘結面不同粗糙度和不同溫度作用下預制構件混凝土與后澆混凝土粘結的劈拉強度進行了試驗研究,探討了各種因素對粘結劈拉強度的影響規律。

2 試 驗

2.1 試驗原材料

水泥采用安徽淮南產八公山牌P·O42.5R級普通硅酸鹽水泥,細骨料采用淮河岸邊細度模數為2.7的普通河砂,粗骨料采用粒徑為5～10 mm連續級配碎石,采用自來水作為攪拌用水。預制混凝土強度等級為C30,后澆混凝土強度等級為C35,采用的配合比如表1所示。測得C30的混凝土立方體試塊抗壓強度為39.5 N/mm2,劈拉強度為3.24 N/mm2；C35的混凝土立方體試塊抗壓強度為45.4 N/mm2,劈拉強度為3.58 N/mm2。

表1 混凝土配合比Tab.1 Mix proportions of concrete /(kg/m3)

2.2 試驗設計

預制混凝土試件的尺寸為150 mm×150 mm×75 mm,提前澆筑并在混凝土硬化前在其粘結面(150 mm×150 mm)作拉毛處理,標準養護28天,分別得到Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ三種不同類型的粘結面,采用灌砂法[7]測量其表面粗糙度h,其中Ⅰ型粘結面平均粗糙度h=1.22～1.32 mm,Ⅱ型粘結面平均粗糙度h=2.55～2.72 mm,Ⅲ型粘結面平均粗糙度h=4.27～4.68 mm。

預制與后澆混凝土粘結澆筑的方式有兩種,分別為水平向澆筑和豎直向澆筑,如圖1所示。先將粘結面拉毛處理好的預制混凝土試塊放置于150 mm×150 mm×150 mm標準鋼模中,按圖1的兩種方式分別澆筑混凝土,從而得到水平向和豎直向兩種澆筑粘結的立方體試塊,每組3個試件,標準養護28天,進行劈拉試驗。如圖2所示,T型鋼條分別放置在預制與后澆混凝土粘結面的頂部和底部,并上下對齊,利用2000 kN萬能壓力試驗機進行粘結劈拉試驗。

預制與后澆混凝土粘結劈拉強度按下式(1)計算:

fst=2F/πA=0.637F/A

(1)

式中：fst為粘結劈拉強度,MPa；F為粘結面劈拉破壞荷載,N；A為粘結面面積,mm2。

圖1 混凝土粘結澆筑方式Fig.1 Pouring direction of concrete

圖2 混凝土粘結劈拉試驗示意Fig.2 Test schematic for adhesive splitting tensile strength

為了研究裝配式混凝土結構預制與后澆混凝土粘結的抗火性能,本試驗設計安排在常溫和高溫兩種條件下進行,常溫條件為本試驗所在地安徽省淮南市試驗時溫度為20 ℃；高溫條件是將預制與后澆混凝土粘結試塊放入電熱恒溫干燥箱內,分別設置溫度100 ℃、200 ℃和300 ℃,在達到設定溫度后,恒溫加熱半個小時后取出,自然冷卻至室溫,然后進行粘結劈拉試驗。

3 預制與后澆混凝土粘結劈拉強度

3.1 試驗結果

預制與后澆混凝土粘結劈裂抗拉強度試驗結果如表2所示,表中試驗數據為每組3個試件的平均值。

定義λ為粘結劈拉強度fst與預制/后澆混混凝土劈拉強度平均值ft,m的比值,定義β為粘結劈拉強度fst與預制/后澆混凝土立方體試塊抗壓強度平均值fcu,m的比值,λ、β都直接反映了粘結后混凝土劈拉強度占整澆混凝土強度的比例。

試驗中,粘結劈拉破壞都發生在粘結面,且破壞面比較平直,后澆混凝土的水泥漿體與預制混凝土表面凸出的骨料包裹在一起,由于外應力的作用,二者被拉開,在破壞面上可以看到預制混凝土一側水泥凹坑,對應后澆混凝土一側有骨料凹出。

3.2 澆筑方向的影響

由表2可知,同種工況條件下,水平向澆筑混凝土粘結劈拉強度明顯大于豎直向澆筑粘結劈拉強度,常溫條件下,水平向澆筑和豎直向澆筑試件的λ值分別為63.6%～74.5%和57.2%～65.7%。在粘結面水平向澆筑使后澆混凝土能夠緊密接觸預制混凝土粘結面,人工振搗成型后,使得預制與后澆混凝土粘結面結構密實,粘結強度高；但在粘結面豎直向澆筑時,后澆混凝土只能在預制混凝土的側面澆筑,在粘結面容易形成離析的水層和粗骨料凸出下的孔洞,導致粘結劈拉強度下降。

3.3 粘結面粗糙度的影響

對試驗數據進行回歸分析可得到預制與后澆混凝土粘結劈拉強度和粘結面粗糙度之間的關系,如下式(2～4)和圖3所示；將文獻[6]中的新老混凝土粘結劈拉試驗相關數據進行回歸分析,得到新老混凝土粘結劈拉強度和粘結面粗糙度之間的關系,如下式(5～6)和圖3所示。

常溫(T=20 ℃) 水平向澆筑時,fst=(0.0480+0.0026h)fcu,mR2=0.998

(2)

常溫(T=20 ℃) 豎直向澆筑時,fst=(0.0435+0.0020h)fcu,mR2=0.999

(3)

高溫(T=100 ℃)水平向澆筑時,fst=(0.0402+0.0026h)fcu,mR2=0.982

(4)

常溫水平向澆筑時,fst=(0.0434+0.0061h)fcu,mR2=0.992

(5)

常溫豎直向澆筑時,fst=(0.0435+0.0052h)fcu,mR2=0.982

(6)

其中h為混凝土粘結面粗糙度。

表2 粘結劈拉試驗結果Tab.2 Adhesive splitting tensile test results

從表2和圖3可以看出,預制與后澆混凝土粘結劈拉強度隨著粘結結合面的粗糙度的增加而顯著增大,常溫下,水平向澆筑時,λ隨粘結面粗糙度的增加分別為63.6%、68.6%、74.5%；豎直向澆筑時,λ隨粘結面粗糙度的增加分別為57.2%、61.0%、65.7%。文獻[6]中的新老混凝土粘結劈拉強度與粗糙度也遵循上述規律,水平向澆筑時,λ隨粘結面粗糙度的增加分別為63.7%、70.0%、75%；豎直向澆筑時,λ隨粘結面粗糙度的增加分別為61.1%、66.1%、71%。其原因是：隨著預制混凝土表面粗糙度增大,預制與后澆混凝土的接觸面積就越大,粘結面上的范德華力、機械咬合力就越大,其粘結強度就越高。

圖3 粘結劈拉強度與粘結面粗糙度的關系 注：H+20表示水平向澆筑,溫度為20 ℃,其他以此類推。Fig.3 Relationship between interfacial roughness and adhesive splitting tensile strength

圖4 粘結劈拉強度與溫度的關系Fig.4 Relationship between temperature and adhesive splitting tensile strength

高溫條件下也有同樣的趨勢,當T=100 ℃時,粘結劈拉強度隨著粘結結合面的粗糙度的增加而顯著增大,但β的回歸直線的斜率在下降,且下降幅度不大。整體上看,常溫水平向澆筑、高溫水平向澆筑和常溫豎直向澆筑三條回歸直線近乎平行,只是直線截距不同。這說明即使是在高溫條件下,粘結面的粗糙度對粘結劈拉強度仍有重要的影響作用。

3.4 溫度的影響

對表2中的相關試驗數據進行回歸分析,可以得到在水平向澆筑、Ⅲ型粘結面粗糙度的情況下,劈拉強度和溫度的回歸曲線,見式(7)和圖4。由于試驗條件的限制,本試驗中溫度只能加載到300 ℃,為研究當溫度高于300 ℃后粘結劈拉強度與溫度的關系,收集了文獻[8]中新老混凝土粘結劈拉試驗相關數據,并對其進行回歸分析,得到劈拉強度和溫度的回歸曲線,見式(8)和圖4。

fst=(-8.98×10-8T2-7.64×10-5T+0.061)fcu,mR2=0.993

(7)

fst=(-7.75×10-8T2-1.24×10-5T+0.050)fcu,mR2=0.984

(8)

其中T為粘結面所受溫度(℃)。

從圖4和表2中可以看到,在水平向澆筑、Ⅲ型粘結面粗糙度的情況下,預制與后澆混凝土粘結劈拉強度整體上隨著溫度的升高而降低,且溫度越高下降的幅度越大。100～200 ℃時,粘結劈拉強度比常溫時下降了近13.4%～28.3%。300 ℃時粘結劈拉強度下降更為明顯,比常溫下降了50%。文獻[8]也遵循同樣的規律,溫度越高,新老混凝土粘結劈拉強度下降的幅度越大,當溫度升高到700 ℃時,文獻[8]中劈拉強度比常溫分別下降了95%,試驗強度值很小,試件已處于破壞狀態。

造成上述規律的主要原因是：首先,在高溫條件下,預制混凝土與后澆混凝土的水泥砂漿變形不協調,粗骨料是隨著溫度的升高一直在膨脹,但水泥砂漿因溫度升高大量失水而快速收縮,導致在粗骨料和水泥砂漿間產生較大的內應力,繼而形成微裂縫,溫度越高,裂縫就擴展的越為迅速,故而粘結劈拉強度下降的趨勢就更為明顯。其次,在粘結結合面處由于后澆混凝土中未水化的水泥礦物(C3S,C3A,β-C2S)較多,這些礦物質在高溫下均發生膨脹變形,繼而在粘結面處產生排斥內應力,溫度越高,排斥內應力越大,粘結強度下降的越快[9]。最后,試塊在自然冷卻的過程中,粗骨料因溫度降低轉為收縮,但水泥砂漿卻因吸水而產生膨脹,新的變形不協調也會產生微裂縫,導致粘結強度的下降。

4 結 論

本文通過預制與后澆混凝土粘結劈拉性能試驗,并對試驗結果進行比較分析,結論如下：

(1)同種工況條件下,水平向澆筑混凝土粘結劈拉強度明顯大于豎直向澆筑粘結劈拉強度,水平向澆筑粘結劈拉強度為預制與后澆整體劈拉強度平均值的63.6%～74.5%,豎直向澆筑粘結劈拉強度為預制與后澆整體劈拉強度平均值的57.2%～65.7%；

(2)不論后澆混凝土是水平向澆筑還是豎直向澆筑,粘結劈拉強度都隨著粘結面的粗糙度的增加而顯著增大,即使隨著溫度的升高,劈拉粘結強度和粘結面粗糙度仍成線性關系,并且它們的回歸直線都近于平行,只是直線截距不同;

(3)溫度是影響預制與后澆混凝土粘結劈拉強度的重要因素。預制與后澆混凝土的粘結劈拉強度隨著溫度的升高急劇下降,到300 ℃時,比常溫下降了50%。

[1] 孫世泉,許錫賓.混凝土疊合構件粘結問題探討[J].混凝土,2006,(9):87-88.

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[3] 馬芹永,吳金榮,楊美良,等.混凝土結構基本原理[M].北京:機械工業出版社,2012:14-15.

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Experimental Study on Adhesive Splitting Tensile Performance of Post Pouring Concrete on Precast Concrete

CAOHai1,2,MAQin-yong1,ZHANGRong-rong1,WANGYang1

(1.School of Civil Engineering and Architecture,Anhui University of Science and Technology,Huainan 232001,China；2.School of Civil Engineering and Architecture,Huangshan University,Huangshan 245041,China)

Based on the experimental study of adhesive splitting tensile test of post pouring concrete on precast concrete, the effects of specific factors on the adhesive splitting tensile performance were investigated. These factors are as follows： pouring method of post pouring concrete, interfacial roughness, temperature. Results show that under the same working condition,the horizontal pouring concrete adhesive splitting tensile strength significantly is greater than the vertical to the casting adhesive splitting tensile strength, adhesive splitting tensile strength increases significantly with the increase of interfacial roughness, adhesive splitting tensile strength falls sharply with the increase of temperature, to 300 ℃, it is 50% lower than adhesive splitting tensile strength of the normal temperature. The obtained experimental results can provide the evidence for clarifying adhesive splitting tensile mechanism as well as the reference for the development of precast concrete structures.

precast concrete;post pouring concrete;adhesive splitting tensile strength;interfacial roughness;temperature

安徽省高校自然科學研究項目(KJHS2016B11)；安徽省黃山市科技計劃項目(2015Z-03)

曹 海(1984-),男,博士研究生,講師.主要從事混凝土材料的研究.

馬芹永,博士生導師，教授.

TU528

A

1001-1625(2016)09-2925-05