蘇躍華,陳 浩,劉鵬軍,劉廷濱
(1.甘肅省建設(shè)投資(控股)集團(tuán)總公司,甘肅 蘭州 730050;2.中鐵十局集團(tuán)建筑工程有限公司,山東 濟(jì)南 250001;3.蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730070)
發(fā)展裝配式建筑是建造方式的重大變革,在節(jié)約資源、降低污染、提升效率,培育新產(chǎn)業(yè)、化解產(chǎn)能過剩等諸多方面均有較大戰(zhàn)略意義。近年來,我國積極探索發(fā)展裝配式建筑,但裝配比例和規(guī)?;潭扰c發(fā)達(dá)國家相比還有很大差距。
裝配式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的梁、板等構(gòu)件,以及一些工程中的截面較高的深梁和轉(zhuǎn)換梁常采用疊合施工的形式,疊合面的剪應(yīng)力主要是靠新舊混凝土之間的粘結(jié)力來承擔(dān),但裝配部分(先期澆筑部分)與現(xiàn)澆部分新舊混凝土收縮不同步,容易在結(jié)合面處產(chǎn)生初始應(yīng)力,嚴(yán)重時(shí)會在結(jié)合面處產(chǎn)生裂縫,從而使得結(jié)合面成為整個構(gòu)件的受力薄弱環(huán)節(jié)之一[1,2]。
本文分析二次澆筑鋼筋混凝土構(gòu)件疊合面處新舊混凝土界面的粘結(jié)機(jī)理,歸納總結(jié)影響分層結(jié)合面粘結(jié)強(qiáng)度的因素,為該類工程的施工質(zhì)量控制提供建議。
目前國內(nèi)外對新舊混凝土界面粘結(jié)性能和工程應(yīng)用技術(shù)已做了大量的研究[3-10]。新舊混凝土界面粘結(jié)性能影響因素眾多。一般情況下,新舊混凝土界面處的抗剪強(qiáng)度低于混凝土整澆的抗剪強(qiáng)度。
針對新舊混凝土之間的粘結(jié),Wall J.S.等[11]提出了水泥-集料界面模型。李庚英等[12]提出了新舊混凝土界面三層粘結(jié)模型。
趙志方等[13]提出了雙界面-多層區(qū)粘結(jié)模型。王振領(lǐng)[14]在趙志芳模型的基礎(chǔ)上提出了五區(qū)-三層粘結(jié)模型?,F(xiàn)有理論模型微觀和宏觀力學(xué)分析普遍認(rèn)為影響新舊混凝土粘結(jié)強(qiáng)度的因素主要包括新舊混凝土的物理力學(xué)性能(如混凝土的強(qiáng)度、配合比、水化產(chǎn)物等)、箍筋及后插鋼筋、界面劑等。
新舊混凝土的宏觀力學(xué)性能是粘結(jié)面微觀結(jié)構(gòu)的具體表現(xiàn),因此對微觀的粘結(jié)機(jī)理的研究就是從本質(zhì)上對新舊混凝土粘結(jié)性能的揭示。從力學(xué)層面國內(nèi)外研究成果普遍認(rèn)為界面粘結(jié)力主要由化學(xué)膠著力、機(jī)械咬合力和范德瓦爾斯力(van der Waals force)組成。主要以骨料與水泥漿之間的機(jī)械咬合力為主,而范德瓦爾斯力與化學(xué)力對界面之間的粘結(jié)基本可以忽略不計(jì)。
對于新舊混凝土粘結(jié)面,由于新舊混凝土材料性能之間的差異、收縮不一致以及對粘結(jié)面處理不當(dāng)?shù)纫蛩?,會在粘結(jié)面處產(chǎn)生附加應(yīng)力,這與老混凝土中的應(yīng)力疊加,從而使得粘結(jié)面處應(yīng)力復(fù)雜,造成潛在的缺陷及裂縫。
機(jī)械咬合力即是在舊混凝土表面處理好之后,澆筑新澆筑的混凝土,其中新澆筑的混凝土中細(xì)骨料及水泥漿會填補(bǔ)原表面縫隙,因此當(dāng)混凝土養(yǎng)護(hù)完成后,新舊混凝土就依靠這樣的鏈接粘結(jié)在一起,并具有一定抗剪能力。
范德瓦爾斯力(van der Waals force)是水泥石中的晶體之間與粗細(xì)砂石骨料之間產(chǎn)生的分子作用力,分為色散力、誘導(dǎo)力及靜電力,其中色散力及靜電力占主要部分,范德瓦爾斯力(van der Waals force)取決于分子間的距離大小,分子間距離越大,范德瓦爾斯力越小,而由于新舊混凝土在粘結(jié)面處晶體間隔較大,因此范德瓦爾斯力很小。
化學(xué)膠著力主要來源于新混凝土的水泥和舊混凝土的水化物發(fā)生的化學(xué)反應(yīng),這些對粘結(jié)面抗剪性能的貢獻(xiàn)較少。
對于有植筋或配有較多箍筋的新舊混凝土界面,外力較小時(shí),剪應(yīng)力主要由新舊混凝土間的粘結(jié)力承擔(dān),此時(shí)植筋幾乎不受力,而隨著外力的增大,粘結(jié)界面發(fā)生破壞,此時(shí)植入的鋼筋產(chǎn)生剪應(yīng)力以抵消外部荷載。
從上述新舊混凝土粘結(jié)機(jī)理的分析中可看出,粘結(jié)面是由舊混凝土、新混凝土和界面粘結(jié)劑組成的,影響混凝土截面粘結(jié)的因素有很多,但是主要因素有:結(jié)合面的粗糙度;新舊混凝土的強(qiáng)度等級;新舊混凝土的技術(shù)性能與齡期;界面劑的類型;植入的鋼筋等。
在舊混凝土表面處理時(shí),對混凝土粘結(jié)性能影響最大的是混凝土表面的粗糙程度。因此在實(shí)際工程中需要對界面認(rèn)真處理,使之形成堅(jiān)固可靠并且輕度粗糙的粘結(jié)面。在表面處理中需要使舊混凝土表面形成凹凸不平的凹槽,并清理掉舊混凝土上損壞、松動、附著的骨料、砂漿等,露出堅(jiān)固部分的骨料,使之與新澆混凝土有足夠的粘結(jié)。
雖然普遍認(rèn)為舊混凝土表面越粗糙,截面的粘結(jié)性能越好,但是也不意味著粗糙程度越大越好,因?yàn)檫^大的粗糙程度,會造成舊混凝土損傷,降低粘結(jié)性能。常見的界面處理方法分為噴射處理與機(jī)械處理兩種,其中噴射處理有高壓水射法、噴砂法及噴蒸汽法等;機(jī)械處理法有鋼刷劃毛法、人工鑿毛法等。目前來說,采用噴射處理一般比機(jī)械處理的效果要好,因?yàn)闄C(jī)械處理對界面的損傷較大,在舊混凝土中產(chǎn)生的微裂縫多,但是由于機(jī)械處理較為經(jīng)濟(jì)方便,因此在實(shí)際工程中應(yīng)用較多。
在界面處理之后,涂刷界面劑可以提高新舊混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度,但涂刷不同的界面劑,對粘結(jié)效果的影響是不同的。
水泥漿類界面劑是目前使用最多的一種界面劑。水泥凈漿可將水泥水化物滲透到舊混凝土的孔洞中,增加兩者的機(jī)械咬合力,同時(shí)使過渡層的密度得到提高,有效地改善新舊混凝土過渡層的微觀結(jié)構(gòu),從而提高其粘結(jié)強(qiáng)度。
舊混凝土的強(qiáng)度對新舊混凝土結(jié)合面的粘結(jié)也有很大的影響,老混凝土的硬化程度、老化程度等都與粘結(jié)強(qiáng)度相關(guān)。國內(nèi)的界面剪切實(shí)驗(yàn)也證明了隨著新舊混凝土強(qiáng)度等級的提高,混凝土粘結(jié)面的粘結(jié)強(qiáng)度也會隨之提高。
新舊混凝土的養(yǎng)護(hù)齡期與養(yǎng)護(hù)條件也直接影響著結(jié)合面的粘結(jié)強(qiáng)度。通常,良好的養(yǎng)護(hù)條件以及較長的養(yǎng)護(hù)齡期能夠提高結(jié)合面的粘結(jié)強(qiáng)度。而隨著新舊混凝土的齡期越長,其粘結(jié)面的粘結(jié)強(qiáng)度也越大,主要是前 28 d 增長較快,后續(xù)的增長就會放緩。
沒有植入鋼筋的結(jié)合面抗剪強(qiáng)度均低于整澆的混凝土構(gòu)件,在構(gòu)件破壞時(shí),結(jié)合面處會產(chǎn)生分層錯位的現(xiàn)象,而植入鋼筋可以約束結(jié)合面的開展,增強(qiáng)新舊混凝土結(jié)合面間的粘結(jié)力,對結(jié)合面的抗剪承載力有明顯的提高。此外植入鋼筋后的抗剪強(qiáng)度還與植入鋼筋的錨固深度、植筋率等因素有關(guān)。
根據(jù)對新舊混凝土粘結(jié)機(jī)理及影響因素的分析,在實(shí)際工程中,為改善并提高新舊混凝土粘結(jié)性能,可采用如下措施:
1)增加舊混凝土表面粗糙度,以增大機(jī)械咬合力、范德瓦爾斯力及化學(xué)力;
2)由于界面劑對界面的抗剪強(qiáng)度也有突出的貢獻(xiàn),因此采用品質(zhì)較好的界面劑能有效提高界面粘結(jié)性能;
3)對新舊混凝土進(jìn)行合理地養(yǎng)護(hù),保證新舊混凝土有足夠的粘結(jié)強(qiáng)度;
4)通過在新舊混凝土粘結(jié)面增加豎向鋼筋,如梅花形插筋,提高配箍率等措施彌補(bǔ)界面粘結(jié)的損失。
蘭州地鐵 1 號線一期工程東崗車輛段運(yùn)用庫位于蘭州市城關(guān)區(qū)東部,基底面積 60 871.3m2,總長 318.40 m,總寬 198.2 m,建筑高度 9.50 m。運(yùn)用庫上蓋開發(fā)工程的 2 層層高 7.2 m,3~5 層層高 5.5 m。運(yùn)用庫上蓋開發(fā)時(shí)將整個建筑劃分為 16 個結(jié)構(gòu)單元,如圖 1 所示。運(yùn)用庫上部結(jié)構(gòu)框架梁的跨度主要有 17.4、11.0、8.1 m 等,主要截面尺寸為 600 mm×1 200 mm,次梁跨度主要為 17.4 m,11.0 m 截面尺寸為400 mm×1 150 mm??拐鹪O(shè)防烈度為 8 度(0.2 g),框架抗震等級一級(部分特一級),抗震設(shè)防類別為乙類,上蓋開發(fā)一層框架梁和次梁采用用疊合澆筑的施工方式。
圖1 運(yùn)用庫上蓋開發(fā)結(jié)構(gòu)單元劃分
為確保工程疊合梁的施工質(zhì)量,在該工程中復(fù)合采用了水沖鑿毛法、噴涂界面劑法和界面插筋法等提高疊合梁界面粘結(jié)性能的措施。
首先在澆筑下層混凝土?xí)r,混凝土表面噴灑緩凝時(shí)間 18 h 的緩凝劑溶液,自然滲透,人為制造表面約5 mm 厚緩凝層,混凝土終凝后 1.5~2.5 h 時(shí)間段內(nèi),用壓力為 0.4~0.6 MPa 的壓力水槍將未終凝的混凝土表層砂漿沖走,留下嵌入終凝混凝土內(nèi)的粗骨料,從而達(dá)到鑿毛的施工目的。
為確保鑿毛的施工質(zhì)量,提前通過試樣進(jìn)行試驗(yàn),確定緩凝劑的用量及緩凝時(shí)間、沖刷時(shí)間、水壓等。詳細(xì)試驗(yàn)步驟為:材料、機(jī)具準(zhǔn)備→試件模板制作及安裝→混凝土澆筑→緩凝劑噴灑→高壓水槍沖洗→數(shù)據(jù)收錄→試驗(yàn)結(jié)果分析→形成工藝性試驗(yàn)總結(jié)。試件采用與框架梁同強(qiáng)度的混凝土,試件尺寸為:H×B×L=600 mm×300 mm×1 500 mm。混凝土緩凝劑、高壓水槍按照工法要求配備齊全。
在試件制作施工過程中要嚴(yán)格控制溫度及配合比,振搗密實(shí)、保證混凝土質(zhì)量均勻;及時(shí)養(yǎng)護(hù),避免混凝土在陽光下暴曬。振搗棒振搗要做到“快插慢拔”,在振搗過程中振搗棒要上下略有抽動,使上下振動均勻。每點(diǎn)振搗時(shí)間一般為 20~30 s,但還要視混凝土表面成水平不再顯著下沉、不再出現(xiàn)氣泡、表面泛出灰漿為準(zhǔn),振點(diǎn)間距不得超過 400 mm?;炷翝仓瓿珊?,在每個試件表面噴灑不同比例的緩凝劑,待表層以下混凝土初凝后采用高壓水槍將試件表面的浮槳進(jìn)行沖洗,并記錄好每個試件在噴灑不同比例緩凝劑后的沖洗鑿毛效果。
同時(shí)在初次澆筑的混凝土初凝前,按照梅花型插入螺紋鋼筋至梁底面,間距約 300 mm;在澆筑疊合層之前在界面處噴涂界面劑。復(fù)合處理后的界面如圖 2 所示。
圖2 界面處理后的效果
疊合層澆筑前后切實(shí)加強(qiáng)對混凝土的養(yǎng)護(hù),施工完成后雖然在疊合界面處有水平縫線,但梁整體無夾渣、漏筋,平整度及外觀質(zhì)量良好,如圖 3 所示。
圖3 施工完成后梁的施工質(zhì)量
本文通過對裝配式鋼筋混凝土疊合梁新舊混凝土的粘結(jié)機(jī)理及其影響因素進(jìn)行了探討研究,得到以下結(jié)論。
1)新舊混凝土的粘結(jié)模型從水泥-集料界面模型開始,隨著研究的不斷深入,有了三區(qū)粘結(jié)模型、雙界面-多層區(qū)粘結(jié)模型,以及五區(qū)-三層粘結(jié)模型等能夠詳細(xì)闡述混凝土界面粘結(jié)微觀結(jié)構(gòu)機(jī)理的理論模型。
2)新舊混凝土界面粘結(jié)力主要由:機(jī)械咬合力、范德瓦爾斯力及化學(xué)力組成,以機(jī)械咬合力為主。
3)提高新舊混凝土水平施工縫施工質(zhì)量的措施主要有:結(jié)合面的粗糙度;界面劑的類型;新舊混凝土的強(qiáng)度等級;新舊混凝土的技術(shù)性能與齡期;植入的鋼筋等。
4)通過對多種復(fù)合界面處理方式在蘭州具體工程中的應(yīng)用發(fā)現(xiàn),施工質(zhì)量良好。