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        UHPC?NC組合界面連接及抗剪性能研究

        2021-06-07 07:54:14周尚猛王偉郝聰龍
        鐵道建筑 2021年5期
        關鍵詞:界面混凝土

        周尚猛 王偉 郝聰龍

        1.中鐵大橋科學研究院有限公司,武漢 430034;2.橋梁結構健康與安全國家重點實驗室,武漢 430034

        超高性能混凝土[1](Ultra?High Performance Concrete,UHPC)是一種新型水泥基復合材料。與普通水泥混凝土(Normal Concrete,NC)相比,UHPC具有高強度、高耐久性、高韌性等特點。

        為充分利用UHPC材料的特性,節(jié)約成本,提出UHPC與NC的組合結構[2],在結構加固修補方面具有廣闊的應用前景[3-4]。

        新舊混凝土之間存在性能差異,在荷載作用下其黏結界面容易開裂,成為加固結構的薄弱環(huán)節(jié)。因此,對于兩種材料相結合的構件,UHPC與NC之間的有效結合是組合結構共同工作的前提和關鍵[5],提高界面的黏結性能是首要問題。

        在施工過程中常見的混凝土界面處理方式有界面鑿毛[6]、涂界面劑[7]、植入鋼筋[8]等方式。不同混凝土界面的鑿毛深度會產生不同的界面粗糙度,對界面黏結力有顯著影響[2,9]。植入鋼筋的直徑和間距對界面黏結力也存在一定影響。涂界面劑能有效改善組合界面的強度[10]。

        本文通過對UHPC?NC剪切試件進行抗剪性能試驗,系統(tǒng)研究UHPC與NC之間不同界面處理方式對承載力的影響規(guī)律,以得到受力可靠、工效比較高的界面處理方式,為組合結構的實橋應用提供依據(jù),為組合體系的其他方面應用研究奠定基礎。

        1 試驗模型設計及加載方案

        1.1 試件設計及制作

        UHPC?NC組合試件有不同的界面處理方式[4,11],需要考慮不同處理方式下構件的抗剪性能。本文重點考慮混凝土界面鑿毛、涂緩凝劑和植入鋼筋的處理措施,得到UHPC和NC界面黏結承載力的容許值。

        試件類型采用類似推出試驗的雙剪試件模型[8]。該模型的主要優(yōu)點是荷載對稱,對中影響小,剪應力更接近結構中的實際應力狀態(tài),試驗可操作性強。抗剪試件類型見表1。

        表1 抗剪試件類型

        試件中普通混凝土寬30 cm,高100 cm。UHPC與NC界面的抗剪鋼筋均與超高性能混凝土的鋼筋網焊接。試件具體尺寸見圖1,為了更清晰地展示植筋的位置,圖中未給出普通混凝土配筋。

        為保證試件與實際UHPC?NC組合結構的性能一致,試驗制作過程中首先澆筑普通混凝土,然后按要求進行界面處理,最后澆筑超高性能混凝土層。在澆筑過程中應充分振搗,嚴格保證超高性能混凝土層的密實度。

        圖1 模型試件的基本尺寸(單位:cm)

        1.2 試驗加載及測量方案

        采用MTS600T試驗機在試件頂部進行加載并記錄試驗荷載值及對應的測點滑移量,先采用力加載方式分級緩慢加載,每級荷載25 kN;隨著變形的增加,改用位移加載方式,保證試驗機的安全。試驗過程中,為記錄各級加載力作用下組合界面的相對滑移量,共布置8個百分表(圖2),表座固定于普通混凝土角鋼表面,表頭位于超高性能混凝土角鋼處,用以測量組合界面的相對滑移量。

        圖2 UHPC?NC組合試件剪切性能試驗

        試驗開始前,在普通混凝土頂面放置一定厚度的鋼墊板,超高性能混凝土底面抄平,確保加載過程中MTS作動器對中加載且正常工作。試件加載過程中對試件進行整體綁扎,防止破壞時突然傾斜造成安全事故。注意觀察可能出現(xiàn)裂縫部位的開裂情況,記錄初始裂縫對應的加載值。下方設置限制位移的木頭,防止試件突然破壞造成百分表的損壞。

        2 試驗結果及分析

        2.1 推出試件的破壞形態(tài)

        試件破壞形態(tài)見圖3??芍孩偻M2個試件抗剪強度相差不大,破壞形式一致。其中ZH?A組試件的破壞形態(tài)為組合界面剝離,呈雙側剪切破壞,說明界面不處理時,黏結抗剪性能較差。試件ZH?B組與ZH?C組的破壞均發(fā)生在普通混凝土側,呈單側剪切破壞,界面鑿毛與涂緩凝劑時試件破壞位置發(fā)生在普通混凝土側,表明界面黏結抗剪性能較優(yōu)。②所有試件界面植筋的破壞形態(tài)均為普通混凝土側拔出破壞,超高性能混凝土側未發(fā)生拔出破壞,說明界面植入鋼筋對試件的抗剪性能貢獻較小,僅采用植入鋼筋作為界面處理的主要手段是遠遠不夠的。若保證組合試件正常工作,植入鋼筋可作為安全儲備,與其他界面處理措施如鑿毛或涂緩凝劑共同實施。

        圖3 試件破壞形態(tài)

        2.2 推出試件的荷載-滑移曲線

        通過測量推出試件UHPC與NC的相對滑移量,得到試件頂部與底部平均相對滑移量與荷載的關系曲線。單個百分表測得的相對滑移量δ=Sp-S0,Sp為某荷載時刻的百分讀數(shù),S0為百分表初始值。

        ZH?A組試件加載力-平均相對滑移量曲線見圖4??芍?,ZH?A?1、ZH?A?2試件的初始開裂荷載分別為200、225 kN,平均相對滑移量分別為0.07、0.08 mm,最大加載力分別為675、800 kN。初始裂縫發(fā)生后,裂縫迅速擴展,先開裂側的UHPC?NC界面平均相對滑移量顯著增加,且明顯大于另外一側(后開裂側)。隨著荷載的增加,先開裂側界面的抗剪能力迅速降低,主要由另外一側界面及抗剪鋼筋承擔剪力,荷載繼續(xù)增加導致后開裂側界面突然破壞,最終呈現(xiàn)出雙側剪切破壞形態(tài)。

        圖4 ZH?A組試件加載力-平均相對滑移量曲線

        ZH?B組試件加載力-平均相對滑移量曲線見圖5。可知,ZH?B?1、ZH?B?2試件的初始開裂荷載均為800 kN,平均相對滑移量均為0.14 mm,最大加載力分別為2 744、3 067 kN。初始裂縫發(fā)生后,裂縫緩慢擴展,先開裂側的UHPC?NC界面平均相對滑移量逐漸增加,后開裂側界面開始出現(xiàn)裂縫并不斷發(fā)展,在試驗中無法判斷是先開裂側還是后開裂側最終發(fā)生界面完全剪切破壞。隨著荷載的增加,裂縫擴展最嚴重側界面瞬間失效,另外一側界面繼續(xù)工作,直至超高性能混凝土底部角點剪切破壞,試件逐漸喪失豎向剛度,最終試件呈現(xiàn)單側完全剪切破壞的形態(tài)。

        圖5 ZH?B組試件加載力-平均相對滑移量曲線

        ZH?C組試件加載力-平均相對滑移量曲線見圖6。ZH?C?1、ZH?C?2試件的初始開裂荷載分別為900、800 kN,平均相對滑移量分別為0.16、0.11 mm,最大加載力分別為3 877、2 931kN。初始裂縫發(fā)生后,加載破壞過程與ZH?B組試件類似,最終試件呈現(xiàn)單側完全剪切破壞的形態(tài)。

        圖6 ZH?C組試件加載力-平均相對滑移量曲線

        ZH?B組與ZH?C組試件的開裂荷載和最大加載力較為接近,且明顯大于ZH?A組試件,表明界面鑿毛或涂緩凝劑時,試件的抗剪性能有很大提高。ZH?A組試件曲線有一明顯拐點,此為組合界面失效的起始點,界面黏結性能較差,延性較低。ZH?C組試件在開裂前的初始階段,頂部和底部的平均相對滑移量基本一致,說明該組試件界面初始黏結性能最優(yōu),超高性能混凝土與普通混凝土能夠共同工作。

        2.3 推出試件的抗剪剛度

        為進一步研究UHPC?NC組合試件的抗剪剛度,根據(jù)試件加載力-平均相對滑移曲線計算剪切剛度。由于試驗過程中的不確定性,導致荷載-滑移曲線出現(xiàn)不連續(xù)情況。因此采用初始直線段剛度的方法計算試件的抗剪剛度,即取每個試件荷載-平均相對滑移量曲線初始直線段的斜率,計算結果見圖7。

        圖7 組合試件界面剪切剛度

        由圖7可知,試件界面的抗剪剛度在9~11 kN∕m,但ZH?C?1試件比其他試件的抗剪剛度偏低,為7.761 kN∕m。在加載至開裂荷載之前,可認為3組試件界面抗剪剛度基本一致,此為超高性能混凝土與普通混凝土共同工作的基礎。加載至開裂后,ZH?A組試件界面抗剪剛度迅速降低,而ZH?B組和ZH?C組試件界面抗剪剛度基本維持不變,超高性能混凝土與普通混凝土能共同工作直至試件破壞。

        2.4 推出試件的抗剪強度

        通過試驗測定試件破壞時的荷載P,試件界面試驗抗剪強度τ=P∕(2ab),其中,a、b分別為交界面的長與寬,抗剪強度計算結果見表2。表中最后一列數(shù)據(jù)為試件抗剪強度與C50混凝土抗剪強度的比值。

        表2 各試件界面試驗抗剪強度

        由表2可知:

        1)ZH?A組試件界面抗剪強度分別為1.05、1.25 MPa,抗剪強度較低,約為普通混凝土劈裂強度的25%;ZH?B組試件界面抗剪強度分別為4.29、4.79 MPa,其抗剪強度近似等于普通混凝土的劈裂強度;ZH?C組試件界面抗剪強度分別為6.06、4.58 MPa,抗剪強度略高于ZH?B組試件。

        2)通過對UHPC?NC界面處理后,UHPC材料嵌入粗糙表面的凹槽中,使得超高性能混凝土與普通混凝土共同抵御界面的剪切荷載,而UHPC材料無論強度、延性、韌性均比普通混凝土表現(xiàn)更好,因而試件的抗剪強度更高。

        3)結合試驗破壞情況及數(shù)據(jù)分析可知,在UHPC?NC組合試件共同工作的前提下,普通混凝土的強度成為影響組合試件界面抗剪強度的關鍵因素。

        3 結論

        1)三組試件的破壞形態(tài)均為普通混凝土側拔出破壞,界面僅植入鋼筋對試件的抗剪性能貢獻很小,不能單獨作為界面的處理措施使用。

        2)三組試件的初始抗剪剛度接近,但界面鑿毛或涂緩凝劑時,試件抗剪強度近似等于普通混凝土的劈裂強度,主要取決于普通混凝土的強度。

        3)與界面不處理試件相比,鑿毛或涂緩凝劑時試件界面抗剪性能有很大提高,能夠滿足工程實踐的需要,可為同類型的界面處理方式提供借鑒。

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