梯度混合混凝土疊澆面粘結(jié)性能試驗(yàn)研究

諸成烽，范奕濤，肖自強(qiáng)，趙啟俊，王建民

(寧波大學(xué) 土木與環(huán)境工程學(xué)院，浙江 寧波 315211)

1 研究背景

隨著建筑工業(yè)化的快速發(fā)展，裝配式混凝土結(jié)構(gòu)由于具有標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、工程化生產(chǎn)、快速施工等優(yōu)點(diǎn)，受到人們?cè)絹碓綇V泛的關(guān)注，并大量推廣運(yùn)用于實(shí)際工程中[1]。混凝土疊合構(gòu)件是裝配式混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的一種，其預(yù)制部分在現(xiàn)場(chǎng)施工階段可以兼作模板使用，具有靈活性好、施工工期短等優(yōu)點(diǎn)[2-3]。但在實(shí)際施工過程中，普通混凝土疊合構(gòu)件的預(yù)制部分往往由于其自重大和截面尺寸較大，在一定程度上限制了疊合澆筑構(gòu)件的應(yīng)用。混凝土梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件在設(shè)計(jì)荷載作用下，其局部受力通常處于常壓或常拉狀態(tài)，如普通混凝土梁構(gòu)件往往是上部局部區(qū)域受壓、下部受拉[4-5]。若能將陶粒輕骨料混凝土澆筑布置于構(gòu)件受拉區(qū)，即可保證結(jié)構(gòu)及構(gòu)件在設(shè)計(jì)荷載作用的正常使用狀態(tài)下，既可有效減輕結(jié)構(gòu)構(gòu)件的自重、減小構(gòu)件截面尺寸，還能提高結(jié)構(gòu)的保溫隔熱及抗震性能[6-7]。

陶粒混凝土與普通混凝土疊合澆筑時(shí)，由于兩種混凝土材料的彈性模量與本構(gòu)模型存在一定的差異，在設(shè)計(jì)荷載作用下，澆筑結(jié)合面區(qū)域會(huì)出現(xiàn)附加拉、壓及剪切應(yīng)力，對(duì)混凝土的疊合澆筑及整體工作性能產(chǎn)生一定的影響[8-9]。而兩種混凝土之間粘結(jié)性能的強(qiáng)弱是構(gòu)件疊合后能否協(xié)同工作的關(guān)鍵。通過選擇合適的界面處理方式可以增大界面的粗糙度，從而提高澆筑結(jié)合面的粘結(jié)性能，減小澆筑時(shí)由于結(jié)合面的存在帶來的附加影響。混凝土結(jié)合面的粘結(jié)性能可以通過剪切性能直觀地反映。Iskhakov等[10-11]研究了異強(qiáng)疊澆混凝土梁，指出兩種混凝土疊澆后整體性較好；張智龍[12]以不同結(jié)合面植筋率、混凝土強(qiáng)度為變量，提出了結(jié)合面抗剪承載力公式；劉安慶等[13]通過Z形試塊抗剪試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)采用露骨料水洗劑處理后的結(jié)合面剪切強(qiáng)度較高于人工鑿毛處理。由于界面處理方式、疊澆間隔時(shí)間不同，導(dǎo)致現(xiàn)有相關(guān)研究結(jié)果存在一定差異。同時(shí)，目前試驗(yàn)研究方法大多為宏觀試驗(yàn)，關(guān)于結(jié)合面微觀結(jié)構(gòu)特征分析的研究尚未大量開展。而輕骨料由于其本身的形態(tài)結(jié)構(gòu)及表觀孔隙，能有效改善混凝土界面的微觀結(jié)構(gòu)，使得界面過渡區(qū)更加致密[14]。因此，本文基于功能梯度混凝土概念，通過設(shè)計(jì)制作雙面直剪試驗(yàn)試塊，研究陶粒混凝土與普通混凝土疊合澆筑時(shí)結(jié)合面的破壞特征及粘結(jié)性能變化規(guī)律，分析結(jié)合面粘結(jié)性能在不同結(jié)合面處理方式與澆筑間隔時(shí)間下的變化規(guī)律；并通過掃描電子顯微鏡觀測(cè)分析人工鑿毛處理與涂刷粉煤灰砂漿這兩種界面處理方式下澆筑結(jié)合面的微觀結(jié)構(gòu)特征。

2 試驗(yàn)材料與方案

2.1 材料及配合比

陶粒選用3～25 mm連續(xù)級(jí)配橢球形粉煤灰陶粒，筒壓強(qiáng)度為8.4 MPa；碎石采用粒徑D≤25 mm的普通碎石；試驗(yàn)用砂為中砂；試驗(yàn)用水為自來水；粉煤灰選用Ⅰ級(jí)粉煤灰；水泥為P·O42.5普通硅酸鹽水泥。表1為試驗(yàn)混凝土配合比及抗壓強(qiáng)度。

2.2 試塊設(shè)計(jì)制作

試驗(yàn)試塊為150 mm×150 mm×150 mm的立方體試塊。其中，試塊中間為陶粒混凝土夾層，左右兩側(cè)為后澆普通混凝土。試塊制作時(shí)，首先澆筑中間陶粒混凝土部分，模擬實(shí)際工程中的預(yù)制構(gòu)件部分；硬化拆模后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，待陶粒混凝土養(yǎng)護(hù)到疊合澆筑規(guī)定時(shí)間后，對(duì)預(yù)制陶粒混凝土試塊兩側(cè)面進(jìn)行處理。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)2種混凝土結(jié)合面的粗糙度處理尚無具體的規(guī)范或規(guī)程要求，大多采用人工鑿毛法、植筋法、摻入界面劑等方法[15-18]。本文采用人工鑿毛以及涂刷粉煤灰砂漿的方法對(duì)陶粒混凝土試塊兩側(cè)表面進(jìn)行處理。澆筑結(jié)合面鑿毛處理完成后，用水清洗界面，待飽和面自然干后同時(shí)澆筑左右兩側(cè)的普通混凝土。粉煤灰砂漿涂刷處理完成后的陶粒混凝土試塊，需在砂漿尚未硬化前澆筑左右兩側(cè)的普通混凝土。疊合試塊完成澆筑脫模后，進(jìn)行28 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。

表1 試驗(yàn)混凝土配合比及抗壓強(qiáng)度

試驗(yàn)共設(shè)計(jì)制作10組疊合澆筑試塊，每組5塊。由于混凝土在澆筑完成后，終凝時(shí)間不得小于10 h，同時(shí)考慮到實(shí)際混凝土疊合構(gòu)件預(yù)制部分的運(yùn)輸、吊裝要求以及施工工藝的多樣性，選擇疊合澆筑間隔時(shí)間分別為10 h、2 d、7 d、14 d、28 d進(jìn)行試驗(yàn)，表2為試塊編號(hào)及參數(shù)分組。

表2 疊合澆筑試塊分組及參數(shù)

圖1為試塊澆筑結(jié)合面通過人工鑿毛和粉煤灰砂漿涂刷處理方式的處理效果。

由圖1可看出，人工鑿毛處理后澆筑結(jié)合面表現(xiàn)為人為的粗糙及凹凸不平，部分陶粒骨料裸露或被鑿裂，結(jié)合面粗糙度由灌砂法測(cè)定得出的平均灌砂深度為5 mm；粉煤灰砂漿涂刷后結(jié)合面相對(duì)平整，表面附有一薄層砂漿水膜。

圖1 試塊澆筑結(jié)合面不同處理方式的處理效果

2.3 試驗(yàn)加載

試驗(yàn)加載時(shí)，在疊合澆筑試塊兩側(cè)普通混凝土底部分別架設(shè)鋼墊塊，在中間陶粒混凝土上表面架設(shè)鋼墊塊。鋼墊塊寬度略小于各部分混凝土的寬度，圖2為組合試塊的加載示意圖。

圖2 疊合澆筑試塊的加載示意圖

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 試塊破壞特征

試塊澆筑結(jié)合面不同處理方式的直剪試驗(yàn)破壞及破壞后澆筑破壞面形態(tài)見圖3。

由圖3可看出，澆筑結(jié)合面不同處理方式的試塊均表現(xiàn)為典型的直剪脆性破壞，疊合澆筑試塊中間陶粒混凝土部分與兩側(cè)普通混凝土部分基本表現(xiàn)為對(duì)稱性的相互變形錯(cuò)裂，在試驗(yàn)過程中，加載峰值附近伴隨明顯的“嘭嘭”聲。結(jié)合面不同處理方式下，疊合澆筑試塊的直剪破壞特征有所區(qū)別：(1)人工鑿毛方式處理后，疊合澆筑結(jié)合面呈無規(guī)則的凹凸不平狀，同時(shí)陶粒混凝土內(nèi)部的部分孔洞也暴露在澆筑結(jié)合面上。后期澆筑普通混凝土后，水泥漿有效包裹在澆筑結(jié)合面上。在剪切試驗(yàn)荷載作用下，試塊基本沿著澆筑結(jié)合面剪切錯(cuò)裂，破壞后的澆筑結(jié)合面相對(duì)澆筑前較平整規(guī)則；(2)澆筑結(jié)合面涂刷粉煤灰砂漿處理后，砂漿層完全覆蓋于結(jié)合面上，平均厚度約為1 mm，后期澆筑普通混凝土后，新混凝土漿體直接與粉煤灰砂漿有效融合硬化。試塊剪切破壞后，基本沿著澆筑結(jié)合面斷裂，破壞面較為平直，結(jié)合面兩側(cè)混凝土均出現(xiàn)粘連剪切破壞，砂漿基本附著在陶粒混凝土界面上，說明澆筑結(jié)合面經(jīng)粉煤灰砂漿涂刷處理后與前期陶粒混凝土部分有較好的粘結(jié)性能。

剪切試驗(yàn)破壞后，人工鑿毛處理與粉煤灰砂漿涂刷處理相比，澆筑結(jié)合面上局部存在裸露的陶粒骨料，部分陶粒骨料受剪碎裂；脫落的普通混凝土試塊側(cè)面局部粘連澆筑時(shí)填補(bǔ)人工鑿毛處理凹凸面的后澆普通混凝土凸起，經(jīng)過粉煤灰砂漿涂刷處理的澆筑結(jié)合面總體較為平整。

圖3 試塊澆筑結(jié)合面不同處理方式的直剪試驗(yàn)破壞及破壞后澆筑破壞面形態(tài)

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

試塊澆筑結(jié)合面的平均粘結(jié)剪切強(qiáng)度可參照公式(1)進(jìn)行近似計(jì)算[19]：

(1)

式中：F為試驗(yàn)破壞荷載，N；A為疊合澆筑結(jié)合面面積，mm2。

通過試驗(yàn)和計(jì)算得出的不同結(jié)合面處理方式的各試塊澆筑結(jié)合面平均粘結(jié)剪切強(qiáng)度及相關(guān)擬合曲線見表3和圖4。

分析表3和圖4可知：(1)不同處理方式下疊澆試塊結(jié)合面的平均粘結(jié)剪切強(qiáng)度變化有所不同。對(duì)應(yīng)相同澆筑間隔時(shí)間下，人工鑿毛處理后的試塊平均粘結(jié)剪切強(qiáng)度略高于粉煤灰砂漿涂刷處理。原因在于經(jīng)過人工鑿毛處理后，結(jié)合表面較明顯的凹凸粗糙不平，加之部分粗骨料局部裸露，有效提高了結(jié)合面的機(jī)械咬合力。(2)在人工鑿毛和粉煤灰砂漿涂刷處理兩種方式下，陶粒混凝土與普通混凝土疊合澆筑結(jié)合面的平均粘結(jié)剪切強(qiáng)度隨澆筑間隔時(shí)間的增大，均發(fā)生規(guī)律相同的降低變化。初始澆筑間隔時(shí)間為10 h時(shí)，兩種處理方式下試塊澆筑結(jié)合面的平均粘結(jié)剪切強(qiáng)度分別為2.40和2.26 MPa，鑿毛處理比粉煤灰砂漿涂刷處理剪切強(qiáng)度約高出6.2%。隨著澆筑間隔時(shí)間的增大，粉煤灰砂漿涂刷處理下平均粘結(jié)剪切強(qiáng)度的降低幅度略微大于人工鑿毛處理方式。其中，當(dāng)澆筑間隔時(shí)間從初始的10 h增大為2 d時(shí)，兩種處理方式下的結(jié)合面平均粘結(jié)剪切強(qiáng)度的下降幅度最為顯著。當(dāng)澆筑間隔時(shí)間為28 d時(shí)，兩種處理方式下的結(jié)合面平均粘結(jié)剪切強(qiáng)度分別為相應(yīng)初始值的44.2%和38.9%；人工鑿毛處理后的澆筑結(jié)合面平均粘結(jié)剪切強(qiáng)度比粉煤灰砂漿涂刷處理后高出約17%。(3)澆筑間隔時(shí)間的延長(zhǎng)使得結(jié)合面平均粘結(jié)剪切強(qiáng)度的降低變化愈加明顯。由此可見，在實(shí)際施工過程允許情況下，選用人工鑿毛處理方式，并在較短時(shí)間內(nèi)澆筑疊合部分，更能有效保證澆筑結(jié)合面的粘結(jié)抗剪性能。

表3 不同結(jié)合面處理方式的各試塊澆筑結(jié)合面平均粘結(jié)剪切強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

圖4 不同結(jié)合面處理方式的各試塊澆筑結(jié)合面平均粘結(jié)剪切強(qiáng)度隨疊合澆筑間隔時(shí)間的變化情況

通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，得到組合混凝土試塊澆筑結(jié)合面平均粘結(jié)剪切強(qiáng)度與界面處理方式和疊合澆筑間隔時(shí)間的關(guān)系式為：

τt=(1-ktn)τ

(2)

式中：τt為不同結(jié)合面處理方式下的組合混凝土試塊在澆筑間隔時(shí)間為t時(shí)的澆筑結(jié)合面平均粘結(jié)剪切強(qiáng)度，MPa；τ為不同結(jié)合面處理方式下的組合混凝土試塊在澆筑間隔時(shí)間為10 h時(shí)的澆筑結(jié)合面平均粘結(jié)剪切強(qiáng)度，MPa；k為常數(shù)，體現(xiàn)澆筑結(jié)合面處理方式的影響；n為小于1的指數(shù)，反映澆筑間隔時(shí)間的影響；t為疊合澆筑間隔時(shí)間，d。

不同結(jié)合面處理方式的擬合相關(guān)系數(shù)見表4。

表4 不同結(jié)合面處理方式的擬合相關(guān)系數(shù)

由此得到人工鑿毛處理及粉煤灰砂漿涂刷處理下，試塊澆筑結(jié)合面的平均粘結(jié)剪切強(qiáng)度擬合關(guān)系式分別為：

τt=2.4(1-0.146t0.419)

(3)

τt=2.26(1-0.163t0.413)

(4)

4 澆筑結(jié)合面微觀結(jié)構(gòu)特征

為分析不同結(jié)合面處理方式對(duì)澆筑結(jié)合面微觀結(jié)構(gòu)的影響，甄選部分有代表特征的澆筑結(jié)合面區(qū)域的碎屑作為樣品放入無水酒精中終止水化，烘干并進(jìn)行表面鍍金處理，采用掃描電子顯微鏡觀測(cè)分析微觀形貌。圖5為Z1組和F1組試塊澆筑結(jié)合面局部微觀形貌的觀測(cè)結(jié)果。

圖5 Z1組和F1組試塊澆筑結(jié)合面微觀形貌(放大倍率200)

經(jīng)過人工鑿毛處理的澆筑結(jié)合面存在較明顯的界面印跡，但局部未見有明顯的收縮裂縫或空隙，如圖5(a)所示。原因在于鑿毛處理后澆筑結(jié)合面凹凸不平且粗糙度明顯增大，此外，結(jié)合面局部裸露的陶粒骨料能有效吸收附近部分水分，明顯減小了“墻壁作用”的效應(yīng)及影響[20]，從而減少了裂縫和孔隙的生成，使結(jié)合面微觀結(jié)構(gòu)更加致密。有效提高了與后澆普通混凝土之間的接觸效果。

圖5(b)為粉煤灰砂漿涂刷處理后的澆筑結(jié)合面微觀形貌。由圖5(b)可發(fā)現(xiàn)，試塊中普通混凝土與陶粒混凝土之間局部存在較明顯的收縮空隙。此外，澆筑結(jié)合面未見具有明顯厚度的粉煤灰砂漿層。原因在于后期澆筑普通混凝土?xí)r，粉煤灰砂漿尚未凝結(jié)，除少量粉煤灰砂漿在后期硬化過程中浸入早期硬化的陶粒混凝土基體中外，大部分粉煤灰砂漿與后期澆筑的普通混凝土相溶硬化，從而改善了結(jié)合面的水灰比及水化產(chǎn)物形態(tài)。

圖6、7分別為Z1組和F1組試塊澆筑結(jié)合面更大放大倍率下的微觀形貌。

圖6 Z1試塊澆筑結(jié)合面微觀形貌 圖7 F1試塊澆筑結(jié)合面微觀形貌

由圖6可見，人工鑿毛處理后的澆筑結(jié)合面區(qū)域發(fā)生了較充分的水化反應(yīng)，分布較規(guī)則的六邊形片板狀氫氧化鈣晶體(C-H)，其間穿插有少量針棒狀鈣礬石(AFt)和少量C-S-H凝膠，有效減小了孔隙的數(shù)量和尺寸。澆筑結(jié)合面經(jīng)過人工鑿毛處理后，增大了后期澆筑時(shí)結(jié)合面區(qū)域的接觸比面積，促進(jìn)了結(jié)合面區(qū)域的水化反應(yīng)，使結(jié)合面區(qū)域結(jié)合更緊密。人工鑿毛處理在結(jié)合面區(qū)域產(chǎn)生的微裂縫以及毛細(xì)孔結(jié)構(gòu)使得后期硬化水化產(chǎn)物晶體輻射滲入前期的陶粒混凝土內(nèi)部，從而有效改善了兩種混凝土在澆筑結(jié)合面區(qū)域的粘結(jié)性能。同時(shí)，由于“墻壁效應(yīng)”產(chǎn)生的水膜一定程度上滲透進(jìn)入陶粒混凝土內(nèi)部，使陶粒混凝土產(chǎn)生二次養(yǎng)護(hù)并改善了結(jié)合面處的水灰比，使兩種混凝土連成整體，界面模糊。因此，人工鑿毛處理有效改善了界面的微觀形貌，減小了界面出現(xiàn)微裂縫、微孔隙的概率，從而提高了結(jié)合面的粘結(jié)性能。

由圖7可知，經(jīng)過粉煤灰砂漿涂刷處理后，澆筑結(jié)合面區(qū)域部分粉煤灰顆粒表層附著凝膠，形成團(tuán)簇，在結(jié)合面處與陶粒混凝土基體相結(jié)合，同時(shí)存在部分C-H晶體和C-S-H凝膠與AFt晶體互相交織，提高了結(jié)合面區(qū)微觀結(jié)構(gòu)的密實(shí)度。粉煤灰溶解后的二次水化反應(yīng)緩解了C-H晶體的富集與定向排列現(xiàn)象，而未參與反應(yīng)的部分粉煤灰團(tuán)將會(huì)與水化產(chǎn)物相互交織，填充了水化產(chǎn)物之間的空隙，但仍有部分未參與水化反應(yīng)的粉煤灰團(tuán)存在于界面區(qū)域，由于體積較大無法填充已產(chǎn)生的縫隙。粉煤灰還可以減小結(jié)合面孔隙產(chǎn)生的概率，提高粘結(jié)性能。在澆筑結(jié)合面區(qū)域，后期澆筑的普通混凝土的硬化收縮受到前期澆筑硬化的陶粒混凝土基體的約束，收縮引起的體積變化導(dǎo)致兩種材料之間的體積變化不協(xié)調(diào)，從而在澆筑結(jié)合面上出現(xiàn)拉應(yīng)力與剪切應(yīng)力。而相對(duì)于人工鑿毛處理，經(jīng)過粉煤灰砂漿涂刷處理的澆筑結(jié)合面上的機(jī)械咬合力和摩阻力較小，結(jié)合面微觀結(jié)構(gòu)相對(duì)平整光滑，當(dāng)收縮引起的應(yīng)力超過結(jié)合面粘結(jié)強(qiáng)度時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)局部微裂縫和分層現(xiàn)象。所以，粉煤灰砂漿涂刷處理后，會(huì)導(dǎo)致部分結(jié)合面區(qū)域粘結(jié)性能較好，而部分區(qū)域由于硬化收縮而產(chǎn)生局部微裂縫。

5 結(jié) 論

(1)人工鑿毛和粉煤灰砂漿涂刷處理兩種方式下，陶粒混凝土與普通混凝土疊合澆筑結(jié)合面的粘結(jié)剪切性能隨澆筑間隔時(shí)間的增大，均發(fā)生規(guī)律相同的降低變化。其中，從初始澆筑間隔時(shí)間10 h到2 d，疊合澆筑結(jié)合面的粘結(jié)剪切強(qiáng)度降低最為顯著；隨著疊合澆筑間隔時(shí)間的增大，粉煤灰砂漿涂刷處理方式下，結(jié)合面粘結(jié)剪切性能的降低幅度略大于人工鑿毛處理。

(2)人工鑿毛處理后的澆筑結(jié)合面區(qū)域由于良好的機(jī)械咬合性，以及所產(chǎn)生的微裂縫與毛細(xì)孔使得后期硬化水化產(chǎn)物晶體輻射滲入前期的陶粒混凝土內(nèi)部，從而使得結(jié)合面區(qū)域發(fā)生了較充分的水化反應(yīng)，減小了孔隙的數(shù)量和尺寸，結(jié)合面區(qū)域微觀結(jié)構(gòu)更加致密，有效提高了澆筑結(jié)合面區(qū)域的粘結(jié)剪切性能。

(3)粉煤灰砂漿涂刷處理后的澆筑結(jié)合面上C-H晶體和C-S-H凝膠與AFt晶體相互交織，提高了界面區(qū)微觀結(jié)構(gòu)的密實(shí)度；后期普通混凝土硬化過程中受到陶粒混凝土基體的約束，在結(jié)合面上產(chǎn)生拉應(yīng)力和剪切應(yīng)力，致使出現(xiàn)局部收縮微裂縫。隨著澆筑間隔時(shí)間的增大，這種影響略加明顯，從而導(dǎo)致粘結(jié)剪切強(qiáng)度的降低略微明顯于人工鑿毛處理方式。