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

1 引 言

在裝配式混凝土結(jié)構(gòu)中，對于主要承受彎拉應(yīng)力的疊合構(gòu)件，預(yù)制與后澆混凝土粘結(jié)后的抗折強(qiáng)度起著關(guān)鍵的作用[1-3]。預(yù)制與后澆混凝土粘結(jié)后的抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度等其他力學(xué)性能也間接與粘結(jié)抗折強(qiáng)度相關(guān)。目前對混凝土材料性能的研究主要集中于纖維增強(qiáng)混凝土[4-5]、輕骨料混凝土[6-7]等，對于混凝土的粘結(jié)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(jié)面粗糙度對新老混凝土粘結(jié)抗折性能的影響，研究表明粘結(jié)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(jié)后的抗折強(qiáng)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(jié)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(jié)后的抗折強(qiáng)度。秦明強(qiáng)等[10]對界面濕度狀態(tài)、不同界面劑對新老混凝土粘結(jié)后抗折強(qiáng)度的影響進(jìn)行了研究，研究表明粘結(jié)面干燥時，粘結(jié)后抗折強(qiáng)度高于粘結(jié)面為自然和濕飽和時的抗折強(qiáng)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(jié)抗折性能，對未經(jīng)使用的預(yù)制混凝土與后澆混凝土的粘結(jié)抗折性能研究較少。本文考慮了不同粘結(jié)面粗糙度、混凝土強(qiáng)度、溫度和冷卻方式等因素對預(yù)制構(gòu)件混凝土與后澆混凝土粘結(jié)后抗折性能的影響，進(jìn)行系統(tǒng)的試驗研究并闡述相關(guān)機(jī)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(xì)度模數(shù)為2.7的普通河砂，選用粒徑為5～10mm連續(xù)級配碎石，自來水作為攪拌用水。預(yù)制混凝土強(qiáng)度等級為C30，后澆混凝土強(qiáng)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(qiáng)度為39.5N/mm2，抗折強(qiáng)度為4.62N/mm2；C35、C40的混凝土立方體試塊抗壓強(qiáng)度分別為45.4N/mm2、50.4N/mm2。

表1 混凝土配合比

2.2 試驗設(shè)計

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

先將預(yù)制部分混凝土試塊水平放置于150×150×550mm標(biāo)準(zhǔn)鋼模中，粘結(jié)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(biāo)準(zhǔn)長方體抗折試塊，每組3個試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28天，按《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081-2002)中三分點法進(jìn)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(jié)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(jié)抗折試驗裝置Fig.2 Test for adhesive bending strength

為了研究裝配式混凝土結(jié)構(gòu)預(yù)制與后澆混凝土粘結(jié)后的抗火性能，考察溫度對粘結(jié)抗折性能的影響，試驗設(shè)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(yù)制與后澆混凝土粘結(jié)試件放入電熱恒溫干燥箱內(nèi)，分別設(shè)置溫度為100、200和300℃，在達(dá)到設(shè)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(jié)果及分析

3.1 試驗結(jié)果

預(yù)制與后澆混凝土粘結(jié)后抗折強(qiáng)度試驗結(jié)果如表2所示，表中試驗數(shù)據(jù)為每組3個試件的平均值。

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

3.2 后澆混凝土強(qiáng)度的影響

根據(jù)《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 1-2014)6.5.5條規(guī)定，預(yù)制板粗糙面面積不宜小于結(jié)合面面積的80%，凹凸深度不應(yīng)小于4mm，基本對應(yīng)于本試驗中Ⅲ型粘結(jié)面類型。由表2可知，常溫條件下，粘結(jié)面類型為Ⅲ型時，預(yù)制混凝土強(qiáng)度等級為C30，后澆混凝土強(qiáng)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(qiáng)度每提高兩個等級(10MPa)，其粘結(jié)抗折強(qiáng)度fz的增加量僅占預(yù)制混凝土整體抗折強(qiáng)度fcz的2.6%。這表明：粘結(jié)面類型為Ⅲ型時，隨著后澆混凝土強(qiáng)度的增加，預(yù)制與后澆混凝土粘結(jié)抗折強(qiáng)度有所增大，但增大幅度很小。

表2 粘結(jié)抗折試驗結(jié)果 Table 2 Adhesive bending test results

對于預(yù)制與后澆混凝土粘結(jié)力而言，主要取決于預(yù)制與后澆混凝土協(xié)調(diào)工作能力，因此，要求后澆混凝土彈性模量和熱膨脹系數(shù)應(yīng)該與預(yù)制混凝土相近，強(qiáng)度至少不小于預(yù)制混凝土。試驗結(jié)果表明，后澆混凝土強(qiáng)度如選用過高，粘結(jié)性能提高有限，效益不高。實際工程中，建議后澆混凝土強(qiáng)度比預(yù)制混凝土強(qiáng)度提高一個等級。

3.3 粘結(jié)面粗糙度的影響

預(yù)制與后澆混凝土粘結(jié)后的抗折強(qiáng)度和粘結(jié)面粗糙度之間的關(guān)系如圖3所示。

圖3 粘結(jié)后抗折強(qiáng)度與粘結(jié)面粗糙度的關(guān)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(yù)制與后澆混凝土粘結(jié)后的抗折強(qiáng)度隨著粘結(jié)面的粗糙度的增加而顯著增大，λ隨粘結(jié)面粗糙度的增加分別為45.9%、52.2%、60.2%。預(yù)制與后澆混凝土粘結(jié)后抗折強(qiáng)度主要取決于其粘結(jié)力，也就是粘結(jié)面范德華力和化學(xué)鍵力，其中以范德華力為主。隨著粘結(jié)面粗糙度增大，后澆混凝土水泥漿體與預(yù)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(jié)面上的范德華力、咬合力，其粘結(jié)后抗折強(qiáng)度就越高。

當(dāng)T=300℃時，無論是自然冷卻還是噴水冷卻，粘結(jié)后抗折強(qiáng)度隨著粘結(jié)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(jié)面粗糙度對粘結(jié)后抗折強(qiáng)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(guān)試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，可以分別得到Ⅲ型粘結(jié)面粗糙度情況下，自然冷卻和噴水冷卻時粘結(jié)后抗折強(qiáng)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(jié)面所受溫度，℃。

圖4 粘結(jié)后抗折強(qiáng)度與溫度的關(guān)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(jié)面粗糙度的情況下，不論試件是自然冷卻還是噴水冷卻，預(yù)制與后澆混凝土粘結(jié)后的抗折強(qiáng)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(jié)后的抗折強(qiáng)度比常溫時下降了近13.3～29.5%，300℃時粘結(jié)后的抗折強(qiáng)度下降更為明顯，自然冷卻時比常溫下降了48.9%。

高溫環(huán)境下，預(yù)制混凝土與后澆混凝土的水泥砂漿變形是不協(xié)調(diào)的，預(yù)制混凝土粘結(jié)面上砂石與水泥砂漿變形也是不協(xié)調(diào)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(dǎo)致在粗骨料和水泥砂漿間產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，繼而形成微裂縫，溫度越高，裂縫就擴(kuò)展得越快，故而粘結(jié)后抗折強(qiáng)度下降的趨勢就更顯著[12]。再者，預(yù)制與后澆混凝土粘結(jié)面處是整個試件的受力薄弱位置，易形成應(yīng)力集中效應(yīng)，溫度越高，薄弱處集中應(yīng)力越大，粘結(jié)后抗折強(qiáng)度下降得越快。最后，試件在升溫過程中，試件內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力、外部產(chǎn)生壓應(yīng)力，冷卻過程正好與之相反，這種溫度應(yīng)力變化將使得試件升溫時粘結(jié)面處容易開裂、冷卻時試件表面容易產(chǎn)生微裂縫，導(dǎo)致粘結(jié)后的抗折強(qiáng)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(yù)制與后澆混凝土粘結(jié)后的抗折強(qiáng)度都隨溫度的升高而降低。其中，100～200℃時，自然冷卻時粘結(jié)后的抗折強(qiáng)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(yù)制與后澆混凝土粘結(jié)后的抗折強(qiáng)度的影響差別較小，但在300℃時，噴水冷卻試件的粘結(jié)后的抗折強(qiáng)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(yù)制與后澆混凝土粘結(jié)面的損傷越厲害。

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

4 結(jié) 論

通過預(yù)制與后澆混凝土粘結(jié)后的抗折性能試驗，并對試驗結(jié)果進(jìn)行比較分析，結(jié)論如下：

1.預(yù)制與后澆混凝土粘結(jié)后的抗折強(qiáng)度隨著粘結(jié)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(jié)面類型為Ⅲ型時，提高后澆混凝土強(qiáng)度等級并不能有效增大粘結(jié)后的抗折強(qiáng)度。

2.溫度是影響預(yù)制與后澆混凝土粘結(jié)后的抗折強(qiáng)度的重要因素。預(yù)制與后澆混凝土粘結(jié)后的抗折強(qiáng)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(nèi)，試件冷卻方式對預(yù)制與后澆混凝土粘結(jié)后的抗折強(qiáng)度的影響較小，但對于200℃以上的粘結(jié)后的抗折強(qiáng)度卻影響顯著，其中噴水冷卻對預(yù)制與后澆混凝土粘結(jié)面損傷要比自然冷卻的嚴(yán)重。

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