預制與后澆混凝土粘結后的抗折性能分析

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

1 引 言

在裝配式混凝土結構中，對于主要承受彎拉應力的疊合構件，預制與后澆混凝土粘結后的抗折強度起著關鍵的作用[1-3]。預制與后澆混凝土粘結后的抗拉強度、抗剪強度等其他力學性能也間接與粘結抗折強度相關。目前對混凝土材料性能的研究主要集中于纖維增強混凝土[4-5]、輕骨料混凝土[6-7]等，對于混凝土的粘結性能主要在新老混凝土方面開展研究。趙志方等[8]考慮不同界面劑、混凝土類型和粘結面粗糙度對新老混凝土粘結抗折性能的影響，研究表明粘結面表面粗骨料露出50%、水泥漿類界面劑均能有效地提高粘結后的抗折強度。袁群等[9]研究不同界面劑對新混凝土與碳化混凝土的粘結抗折性能影響，表明使用水泥凈漿界面劑能有效地提高粘結后的抗折強度。秦明強等[10]對界面濕度狀態、不同界面劑對新老混凝土粘結后抗折強度的影響進行了研究，研究表明粘結面干燥時，粘結后抗折強度高于粘結面為自然和濕飽和時的抗折強度。但上述研究都只集中在使用齡期長的老混凝土與新混凝土的粘結抗折性能，對未經使用的預制混凝土與后澆混凝土的粘結抗折性能研究較少。本文考慮了不同粘結面粗糙度、混凝土強度、溫度和冷卻方式等因素對預制構件混凝土與后澆混凝土粘結后抗折性能的影響，進行系統的試驗研究并闡述相關機理。

2 試驗概況

2.1 試驗原材料

選用P·O42.5R級普通硅酸鹽水泥，采用淮河細度模數為2.7的普通河砂，選用粒徑為5～10mm連續級配碎石，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分別為C30、C35和C40，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39.5N/mm2，抗折強度為4.62N/mm2；C35、C40的混凝土立方體試塊抗壓強度分別為45.4N/mm2、50.4N/mm2。

表1 混凝土配合比

2.2 試驗設計

預制與后澆混凝土粘結后抗折試件尺寸為150×150×550mm，提前澆筑并標準養護28天的預制部分構件尺寸為150×150×275mm，并在混凝土硬化前對其粘結面作拉毛處理，分別得到Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ三種不同類型的粘結面。采用灌砂法[11]測量其表面粗糙度h，其中，Ⅰ型粘結面平均粗糙度h=1.25～1.52mm，Ⅱ型粘結面平均粗糙度h=2.78～3.22mm，Ⅲ型粘結面平均粗糙度h=4.65～4.98mm。

先將預制部分混凝土試塊水平放置于150×150×550mm標準鋼模中，粘結面方向垂直于鋼模的底面，按圖1澆筑后澆部分混凝土，得到標準長方體抗折試塊，每組3個試件，標準養護28天，按《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081-2002)中三分點法進行抗折性能試驗，跨度為450mm，試驗裝置如圖2所示。

圖1 混凝土粘結抗折試件澆筑示意圖Fig.1 Sketch of moulding the adhesive bend concrete specimen

圖2 混凝土粘結抗折試驗裝置Fig.2 Test for adhesive bending strength

為了研究裝配式混凝土結構預制與后澆混凝土粘結后的抗火性能，考察溫度對粘結抗折性能的影響，試驗設計常溫和高溫兩種條件，常溫條件是溫度為20℃；高溫條件是將預制與后澆混凝土粘結試件放入電熱恒溫干燥箱內，分別設置溫度為100、200和300℃，在達到設定溫度后，恒溫加熱0.5h后取出冷卻，冷卻方式有兩種，一種為自然冷卻至室溫，另一種為噴水冷卻，噴水時間為5min。

3 試驗結果及分析

3.1 試驗結果

預制與后澆混凝土粘結后抗折強度試驗結果如表2所示，表中試驗數據為每組3個試件的平均值。

定義λ為粘結后抗折強度fz與預制混凝土整體抗折強度fcz的比值；β為粘結后抗折強度fz與預制混凝土立方體試塊抗壓強度fcu的比值；λ、β都直接反映了粘結后混凝土抗折強度占預制整體混凝土強度的比例。

3.2 后澆混凝土強度的影響

根據《裝配式混凝土結構技術規程》(JGJ 1-2014)6.5.5條規定，預制板粗糙面面積不宜小于結合面面積的80%，凹凸深度不應小于4mm，基本對應于本試驗中Ⅲ型粘結面類型。由表2可知，常溫條件下，粘結面類型為Ⅲ型時，預制混凝土強度等級為C30，后澆混凝土強度等級分別為C30、C35、C40時，λ值分別為58.4%、60.2%、61.0%。后澆混凝土強度每提高兩個等級(10MPa)，其粘結抗折強度fz的增加量僅占預制混凝土整體抗折強度fcz的2.6%。這表明：粘結面類型為Ⅲ型時，隨著后澆混凝土強度的增加，預制與后澆混凝土粘結抗折強度有所增大，但增大幅度很小。

表2 粘結抗折試驗結果 Table 2 Adhesive bending test results

對于預制與后澆混凝土粘結力而言，主要取決于預制與后澆混凝土協調工作能力，因此，要求后澆混凝土彈性模量和熱膨脹系數應該與預制混凝土相近，強度至少不小于預制混凝土。試驗結果表明，后澆混凝土強度如選用過高，粘結性能提高有限，效益不高。實際工程中，建議后澆混凝土強度比預制混凝土強度提高一個等級。

3.3 粘結面粗糙度的影響

預制與后澆混凝土粘結后的抗折強度和粘結面粗糙度之間的關系如圖3所示。

圖3 粘結后抗折強度與粘結面粗糙度的關系Fig.3 Relationship between interfacial roughness and adhesive bending strength

從表2和圖3可以看出，常溫條件下，預制與后澆混凝土粘結后的抗折強度隨著粘結面的粗糙度的增加而顯著增大，λ隨粘結面粗糙度的增加分別為45.9%、52.2%、60.2%。預制與后澆混凝土粘結后抗折強度主要取決于其粘結力，也就是粘結面范德華力和化學鍵力，其中以范德華力為主。隨著粘結面粗糙度增大，后澆混凝土水泥漿體與預制混凝土互相咬合、嵌固，微觀上增大了接觸面積，宏觀上增大了粘結面上的范德華力、咬合力，其粘結后抗折強度就越高。

當T=300℃時，無論是自然冷卻還是噴水冷卻，粘結后抗折強度隨著粘結面粗糙度的增加而增大，但β的回歸直線的斜率與常溫相比在下降，且下降幅度較大。這說明在高溫條件下，粘結面粗糙度對粘結后抗折強度仍有重要的影響，但隨著溫度的升高，粗糙度的影響會減小。

3.4 溫度的影響

對表2中的相關試驗數據進行回歸分析，可以分別得到Ⅲ型粘結面粗糙度情況下，自然冷卻和噴水冷卻時粘結后抗折強度和溫度的回歸曲線，見式(1)、(2)和圖4。

自然冷卻時：

fz=(-5.72×10-8T2-1.04×10-4T+0.072)fcu
R2=0.999

(1)

噴水冷卻時：

fz=(-1.08×10-7T2-1.01×10-4T+0.072)fcu
R2=0.988

(2)

其中：T為粘結面所受溫度，℃。

圖4 粘結后抗折強度與溫度的關系Fig.4 Relationship between temperature and adhesive bending strength

從圖4和表2中可以看到，在Ⅲ型粘結面粗糙度的情況下，不論試件是自然冷卻還是噴水冷卻，預制與后澆混凝土粘結后的抗折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。如在100～200℃時，自然冷卻時粘結后的抗折強度比常溫時下降了近13.3～29.5%，300℃時粘結后的抗折強度下降更為明顯，自然冷卻時比常溫下降了48.9%。

高溫環境下，預制混凝土與后澆混凝土的水泥砂漿變形是不協調的，預制混凝土粘結面上砂石與水泥砂漿變形也是不協調的。粗骨料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，裂縫就擴展得越快，故而粘結后抗折強度下降的趨勢就更顯著[12]。再者，預制與后澆混凝土粘結面處是整個試件的受力薄弱位置，易形成應力集中效應，溫度越高，薄弱處集中應力越大，粘結后抗折強度下降得越快。最后，試件在升溫過程中，試件內部產生拉應力、外部產生壓應力，冷卻過程正好與之相反，這種溫度應力變化將使得試件升溫時粘結面處容易開裂、冷卻時試件表面容易產生微裂縫，導致粘結后的抗折強度下降[13]。

3.5 冷卻方式的影響

從表2和圖4中還可以看到，不論是自然冷卻還是噴水冷卻，預制與后澆混凝土粘結后的抗折強度都隨溫度的升高而降低。其中，100～200℃時，自然冷卻時粘結后的抗折強度比常溫時下降了近13.3～29.5%，噴水冷卻時下降了15.5～30.9%；300℃時，自然冷卻時比常溫下降了48.9%，噴水冷卻時比常溫下降了55%。比較兩種不同試件的冷卻方式，在100～200℃之間，冷卻方式對預制與后澆混凝土粘結后的抗折強度的影響差別較小，但在300℃時，噴水冷卻試件的粘結后的抗折強度明顯比自然冷卻的下降幅度更大，這說明溫度越高，噴水冷卻對預制與后澆混凝土粘結面的損傷越厲害。

造成上述規律的主要原因是：溫度加熱到200℃以內時，混凝土試件沒有明顯的破壞現象，兩種冷卻方式對試件產生的熱應力差別不大，故兩種冷卻方式對預制與后澆混凝土粘結后的抗折強度的影響差別較 小；但隨著溫度繼續升高到300℃時，噴水冷卻方式使得處于高溫狀態的試件急劇降溫，瞬間產生較大的熱應力加劇了預制與后澆混凝土粘結面的破壞與損傷，加速了粘結后的抗折強度的下降趨勢。

4 結 論

通過預制與后澆混凝土粘結后的抗折性能試驗，并對試驗結果進行比較分析，結論如下：

1.預制與后澆混凝土粘結后的抗折強度隨著粘結面的粗糙度的增加而顯著增大，但隨著溫度的增加，影響作用在減小，本試驗中粘結面類型為Ⅲ型時，提高后澆混凝土強度等級并不能有效增大粘結后的抗折強度。

2.溫度是影響預制與后澆混凝土粘結后的抗折強度的重要因素。預制與后澆混凝土粘結后的抗折強度隨著溫度的升高急劇下降，到300℃時，比常溫下降近50%。

3.在200℃以內，試件冷卻方式對預制與后澆混凝土粘結后的抗折強度的影響較小，但對于200℃以上的粘結后的抗折強度卻影響顯著，其中噴水冷卻對預制與后澆混凝土粘結面損傷要比自然冷卻的嚴重。

[ 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.

[ 2] 石建軍,孫冰,楊曉鋒,等. 疊合構件結合面的粘結性能探討[J].混凝土與水泥制品, 2004, (5):50～53.

[ 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.

[ 4] 宋賀月,丁一寧. 鋼纖維在混凝土基體中空間分布的研究方法評述[J].材料科學與工程學報, 2015, 33 (5): 768～775.

[ 5] 趙倧,周叮,王俊,等. 局部受壓混凝土圓柱及其FRP增強的彈塑性分析[J].材料科學與工程學報, 2015, 33 (3): 420～424.

[ 6] 張云國,吳熙,畢巧巍. 自密實輕骨料混凝土的收縮與徐變性能[J].材料科學與工程學報, 2014, 32(1): 35～39.

[ 7] 吳熙,江佳斐,范興朗,等. 自密實輕骨料混凝土的高溫性能[J].材料科學與工程學報, 2014, 32(3): 313～317.

[ 8] 趙志方,趙國藩,黃承逵. 新老混凝土粘結抗折性能研究[J].土木工程學報, 2000, 33 (2): 67～72.

[ 9] 袁群,馬峰,曹宏亮,等. 新混凝土與碳化混凝土粘結的力學性能試驗研究[J].新型建筑材料, 2014, (2): 38～42.

[10] 秦明強. 新舊混凝土界面結合狀態研究[D].武漢理工大學碩士學位論文,水中和,武漢,武漢理工大學, 2006.5.

[11] 趙志方,于躍海,趙國藩. 測量新老混凝土粘結面粗糙度的方法[J].建筑結構, 2000, 30(1): 26～29.

[12] 安然. 高溫作用后新老混凝土粘結的劈拉強度試驗研究[D].四川大學碩士學位論文,王清遠,成都,四川大學, 2006.5.

[13] 郭進軍,宋玉普,張雷順. 混凝土高溫后進行粘結劈拉強度試驗研究[J].大連理工大學學報, 2003, 43(2): 213～217.