鋼纖維混凝土疊合試塊劈裂性能試驗研究

劉宏波,朱文明,魏魯彬,葉曉旭,汪凱柄

(1.河北建筑工程學院 土木工程學院,河北 張家口 075000;2.河北省土木工程診斷、改造與抗災重點實驗室,河北 張家口 075000)

在混凝土建筑的施工工藝上,為了使建筑工業化,裝配式建筑技術愈來愈趨近于成熟,使用預制技術已經是大勢所趨。疊合構件是在預制構件的基礎上進行二次澆筑,這種工藝不僅環保節能,還縮短了施工時間,同時兼具現澆整體性好,抗震性能優越,操作簡單等優點。混凝土疊合構件的預制部分與后澆部分的粘結性能對于構件整體性至關重要。鋼纖維混凝土相較傳統混凝土有著更好的抗拉,抗彎,增韌性能[1-3],且弓形鋼纖維對混凝土抗拉性能的提升更顯著[4-5]。隨著鋼纖維混凝土逐漸運用到裝配式工程中,而目前對于高強鋼纖維混凝土粘結性能的研究并不多,所以對于鋼纖維混凝土疊合面粘結性能的研究很具有社會和經濟意義。

何橋敏等對不同鋼纖維摻量的混凝土試塊進行基本力學試驗,得出鋼纖維摻量對于混凝土抗拉性能有顯著影響[2];黃選明等通過對預制混凝土構件不同疊合面的劈裂抗拉試驗,得出疊合面處理方式對劈拉強度影響較大[6];王德奎等對普通混凝土試塊的養護齡期進行研究,得出抗拉強度隨齡期的增長而增長[7]。現階段雖然已經有不少對于鋼纖維混凝土的研究,但對鋼纖維混凝土疊合試塊劈裂性能的研究并不多。本文通過對不同鋼纖維含量和齡期的高強鋼纖維混凝土整澆試塊進行劈裂試驗研究其抗拉性能,對不同齡期和疊合面處理方式的高強鋼纖維混凝土疊合試塊進行劈裂實驗研究其粘結性能。

1 試驗準備

1.1 試驗材料

(1)膠凝材料:金隅水泥有限公司生產的P.O42.5普通硅酸鹽水泥,材料性能指標如表1所示。

表1 水泥性能指標

(2)粗骨料:石灰巖石子,粒徑范圍為5～20mm,連續級配。粗骨料分為倆個級配,5～10mm和10～20mm,其中5～10mm與10～20mm石子用量比例為3:7,含水率為0.18%。

(3)細骨料:河北張家口的天然砂,細度模數為2.77,屬于中粗砂。

(4)減水劑:山東省萊陽市宏祥建筑外加劑廠生產的灰霸高效減水劑,摻量為2%,減水率為18～25%。

(5)鋼纖維:端勾型,長為35mm,直徑為0.75mm,長徑比為46.7,抗拉強度為1044MPa。

(6)水:生活用水。

1.2 試驗設計

共設計了13組共39個劈裂試驗試塊,其中6組整澆試塊,如圖1所示,7組疊合試塊,如圖2所示。

圖1 整澆試塊

圖2 疊合試塊

6組整澆試塊中2組鋼纖維含量為1%,2組鋼纖維含量為1.5%,2組鋼纖維含量為2%,分別在7天和28天養護結束后進行劈裂抗拉試驗。

鋼纖維混凝土配合比和抗壓強度試驗值如表2所示。

7組疊合試塊在初次澆筑時,進行疊合面處理,疊合面處理方式分為振搗自然面,插鋼纖維面,拉毛面,劈裂面,分別制作了1組振搗自然面疊合試塊,1組插鋼纖維面疊合試塊,1組劈裂面疊合試塊,4組拉毛面疊合試塊,拉毛面疊合試塊2組為橫向拉毛,2組為縱向拉毛,分別對養護7天,28天的拉毛疊合試塊進行劈裂粘結試驗。其中振搗自然面是在振搗臺上振搗后自然形成的不平整面;插鋼纖維面是在疊合面上不規則插入22根鋼纖維;劈裂面試塊是取一月前試配時,進行劈裂試驗的試塊;拉毛面是使用12mm直徑的鋼筋在混凝土初凝前對試塊表面進行拉毛,深度6mm左右,拉痕寬度維持在12mm左右,拉痕間距大約12mm。疊合面處理方式如圖3所示。

疊合試塊二次澆筑時間為一次澆筑完成后7天。將試件放入標準養護室進行養護,養護條件為溫度20±3℃,相對濕度90%以上,養護28天。

2 加載裝置與試驗過程

試驗使用的是2000kN微機控制壓力試驗機,試驗步驟如圖4和圖5所示。

圖4 加載示意圖

圖5 鋼纖維混凝土立方體試塊劈裂加載圖

根據《鋼纖維混凝土》(JG/T472—2015)[8],使用100mm非標準立方體試塊時,相對于150mm標準立方體試塊,立方體抗壓強度換算系數宜取為0.90,劈裂抗拉強度換算系數宜取為0.80。

根據《混凝土物理力學性能試驗方法標準》GB/T50081-2019[9],進行劈裂抗拉試驗時,為確保劈裂位置的準確,提前在試件的頂面和底面畫出相互平行的直線,加速度宜取0.06MPa/s。

混凝土劈裂抗拉強度計算如式(1)所示。

(1)

式(1)中:fts—混凝土劈裂抗拉強度(MPa),計算結果應精確至0.01MPa;

F—試件破壞荷載(N);

A—試件劈裂面面積(mm2)

3 試驗結果與分析

3.1 劈裂試驗結果與破壞現象

根據規范《混凝土物理力學性能試驗方法標準》GB/T50081-2019[9]要求,3個測值中的最大值或最小值中當有一個與中間值的差值超過中間值的15%時,則應把最大值及最小值一并舍除,取中間值作為該組試件的劈裂抗拉強度。劈裂試驗結果如表3所示。

表3 試驗變量與結果

鋼纖維混凝土整澆試塊與劈裂面試塊,插鋼纖維面試塊由于內部鋼纖維交錯分布,即使已經劈裂破壞,仍能保持一定的試塊完整性,相比于傳統混凝土主要由水泥砂漿黏結力承受劈裂抗拉承載力,鋼纖維混凝土中鋼纖維與水泥砂漿的握裹力也能起到不錯的抗拉效果,所以在達到極限劈裂強度后不會立即斷裂,如圖6(a),圖6(b),圖6(c)所示。

振搗自然面試塊與傳統混凝土試塊類似,主要是由水泥砂漿的黏結力承受劈拉承載力,表面擁有一定的粗糙度但并不明顯,也沒有鋼纖維裸露在表面,經過劈裂試驗斷裂成倆半后劈裂面能較好的保持完整,如圖6(d)所示。

橫向拉毛面與縱向拉毛面試塊破壞現象類似,如圖6(e),圖6(f)所示。除了水泥砂漿的黏結力,拉毛凹槽讓預制試塊與二次澆筑混凝土很好的結合在一起,斷裂面能明顯看出拉毛凹槽處混凝土的破壞,也起到了抵御劈裂荷載的作用。

3.2 整澆試塊劈裂抗拉強度分析

對于整澆的鋼纖維混凝土試塊,在養護7天后,1%鋼纖維含量的混凝土試塊抗壓強度已經達到28天抗壓強度的65.7%,抗拉強度已經達到28天劈拉強度的84.8%;1.5%鋼纖維含量的混凝土試塊抗壓強度已經達到28天抗壓強度的69%,抗拉強度已經達到28天劈拉強度的65.7%;2%鋼纖維含量的混凝土試塊抗壓強度已經達到28天抗壓強度的65.7%,抗拉強度已經達到28天劈拉強度的42.5%。不同鋼纖維含量下7天和28天抗壓、抗拉強度對比如圖7所示。

(a)抗壓強度對比圖

由此可見,隨著鋼纖維含量的增加,高強鋼纖維混凝土的抗壓強度并沒有明顯的提升。隨著鋼纖維含量的增加,高強鋼纖維混凝土的劈裂抗拉性能在7天養護周期的時候并沒有明顯提升,反而還有所降低,但在28天養護周期結束后抗拉強度提升明顯,鋼纖維的摻量越多,高強鋼纖維混凝土的28天抗拉強度相對于7天抗拉強度增長幅度越大:1%鋼纖維混凝土的抗拉強度,28天相較于7天,增長了17.9%;1.5%鋼纖維混凝土的抗拉強度,28天相較于7天,增長了52.2%;2%鋼纖維混凝土的抗拉強度,28天相較于7天,增長了135.3%。但鋼纖維摻量并不是越多越好,當纖維摻量在1.5%時,抗拉強度最高,在2%時,抗拉強度已經沒有多大提升。而且從本文試驗結果看,高強鋼纖維混凝土7天到28天的抗壓強度增長幅度并不能明顯影響到劈拉強度的增長幅度。

3.3 疊合試塊劈裂粘結強度分析

高強鋼纖維混凝土疊合試塊采用鋼纖維含量1%的CF60配比,與C-4養護期為28天的整澆1%鋼纖維混凝土試塊進行劈裂強度對比:振搗自然面疊合試塊劈拉粘結強度為整澆試塊的69.3%,插鋼纖維面疊合試塊劈拉粘結強度為整澆試塊的66.5%,劈裂面疊合試塊劈拉粘結強度為整澆試塊的49.8%,橫向拉毛面疊合試塊劈拉粘結強度為整澆試塊的50.5%,豎向拉毛面疊合試塊劈拉粘結強度為整澆試塊的57.6%,其中橫向拉毛面疊合試塊7天劈拉粘結強度是28天的95.2%,豎向拉毛面疊合試塊7天劈拉粘結強度是28天的80%。疊合試塊與整澆試塊劈裂強度對比如圖8所示。

圖8 疊合試塊與整澆試塊劈裂強度對比圖

插鋼纖維面疊合試塊是在振搗自然面的基礎上插上一定量的鋼纖維,從劈裂試驗結果看,并沒有起到增強粘結性能的作用,反而劈拉粘結強度還略低于振搗自然面,但破壞后并沒有立即斷裂,仍能保持一定的整體性。理論上疊合面的粗糙度越大,新/老混凝土的粘結強度應該越高[10],但在本文實驗中,劈裂面疊合試塊的疊合面粗糙度是疊合試塊中最大的,疊合面粗糙度次之,振搗自然面粗糙度最差,但劈裂面疊合試塊的劈裂粘結強度確是疊合試塊中最低的,這是因為劈裂面疊合試塊的預制試塊一開始已經經過劈裂試驗,劈裂區域混凝土已經受到破壞,鋼纖維,水泥砂漿和粗細骨料間已經有所松動,表面雖然粗糙,但裂縫很多,所以新舊混凝土粘結不是很好。劈裂面疊合試塊與振搗自然面疊合試塊相比,能很好的證明光看表面粗糙度并不能準確的表明粘結性能的好壞,如果疊合面表面干凈,微裂縫少,輕度粗糙且沒有薄弱的外皮,也能擁有較好的粘結性能。

橫向拉毛面疊合試塊28天劈拉粘結強度相較于7天劈拉粘結強度,提升了23.6%,橫向拉毛面疊合試塊28天劈拉粘結強度相較于7天劈拉粘結強度,提升了25.4%,橫向拉毛面疊合試塊的7天劈裂粘結強度為縱向拉毛面疊合試塊的104.6%,28天劈裂粘結強度為縱向拉毛疊合試塊的103.1%,且破壞現象也類似。由此可以看出在正方形疊合面中,橫向拉毛比縱向拉毛的粘結強度稍高一些,但并不明顯,兩者劈拉粘結效果差不多。

結語

(1)高強鋼纖維整澆試塊,劈裂面疊合試塊和插鋼纖維面疊合試塊在劈裂破壞后仍能保持一定的完整性,不會直接斷裂,具有一定的韌性;振搗自然面疊合試塊,拉毛面疊合試塊劈裂后直接斷裂成兩半。

(2)隨著鋼纖維含量的增加,高強鋼纖維混凝土試塊的抗壓強度并不能明顯提升,但抗拉性能提升明顯,但超過1.5%之后提升并不明顯;進行7天和28天養護時長的對比,鋼纖維的摻量越多,高強鋼纖維混凝土試塊的抗拉強度提升幅度越大。

(3)疊合面粗糙度并不是影響疊合試塊粘結性能的唯一要素,疊合面表面干凈,微裂縫少,輕度粗糙且沒有薄弱的外皮,也能擁有較好的粘結性能;在正方形疊合面中,橫向拉毛比縱向拉毛的劈拉粘結性能差不多。