预制与后浇混凝土粘结的劈拉性能试验研究

曹 海,马芹永,张蓉蓉,汪 洋

(1.安徽理工大学土木建筑学院,淮南 232001；2.黄山学院建筑工程学院,黄山 245041)



预制与后浇混凝土粘结的劈拉性能试验研究

曹 海1,2,马芹永1,张蓉蓉1,汪 洋1

(1.安徽理工大学土木建筑学院,淮南 232001；2.黄山学院建筑工程学院,黄山 245041)

通过对预制与后浇混凝土粘结的劈拉试验研究,分析了后浇混凝土的浇筑方式、粘结面粗糙度及温度对混凝土粘结劈拉性能的影响规律。结果表明：同种工况条件下,水平向浇筑混凝土粘结劈拉强度明显大于竖直向浇筑粘结劈拉强度,粘结劈拉强度随粘结面的粗糙度的增加而显著增大,随温度的升高而急剧下降,到300 ℃时,比常温下降了50%。为阐明混凝土粘结劈拉机理提供详实的数据支撑,并为装配式混凝土结构发展提供参考。

预制混凝土； 后浇混凝土； 粘结劈拉强度； 粘结面粗糙度； 温度

1 引 言

对于装配式混凝土叠合构件而言,预制混凝土与后浇混凝土的粘结力学性能是其结为整体共同工作的基石[1-2]。而混凝土劈拉强度是混凝土基本力学性能重要的指标之一[3]。目前,许多专家学者[4-6]研究了新老混凝土粘结的劈拉强度,但这些研究都集中在使用龄期长的老混凝土与新混凝土的粘结性能,对短龄期未经使用的预制混凝土与后浇混凝土的粘结性能研究较少,本文对后浇混凝土不同浇筑方式、粘结面不同粗糙度和不同温度作用下预制构件混凝土与后浇混凝土粘结的劈拉强度进行了试验研究,探讨了各种因素对粘结劈拉强度的影响规律。

2 试 验

2.1 试验原材料

水泥采用安徽淮南产八公山牌P·O42.5R级普通硅酸盐水泥,细骨料采用淮河岸边细度模数为2.7的普通河砂,粗骨料采用粒径为5～10 mm连续级配碎石,采用自来水作为搅拌用水。预制混凝土强度等级为C30,后浇混凝土强度等级为C35,采用的配合比如表1所示。测得C30的混凝土立方体试块抗压强度为39.5 N/mm2,劈拉强度为3.24 N/mm2；C35的混凝土立方体试块抗压强度为45.4 N/mm2,劈拉强度为3.58 N/mm2。

表1 混凝土配合比Tab.1 Mix proportions of concrete /(kg/m3)

2.2 试验设计

预制混凝土试件的尺寸为150 mm×150 mm×75 mm,提前浇筑并在混凝土硬化前在其粘结面(150 mm×150 mm)作拉毛处理,标准养护28天,分别得到Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ三种不同类型的粘结面,采用灌砂法[7]测量其表面粗糙度h,其中Ⅰ型粘结面平均粗糙度h=1.22～1.32 mm,Ⅱ型粘结面平均粗糙度h=2.55～2.72 mm,Ⅲ型粘结面平均粗糙度h=4.27～4.68 mm。

预制与后浇混凝土粘结浇筑的方式有两种,分别为水平向浇筑和竖直向浇筑,如图1所示。先将粘结面拉毛处理好的预制混凝土试块放置于150 mm×150 mm×150 mm标准钢模中,按图1的两种方式分别浇筑混凝土,从而得到水平向和竖直向两种浇筑粘结的立方体试块,每组3个试件,标准养护28天,进行劈拉试验。如图2所示,T型钢条分别放置在预制与后浇混凝土粘结面的顶部和底部,并上下对齐,利用2000 kN万能压力试验机进行粘结劈拉试验。

预制与后浇混凝土粘结劈拉强度按下式(1)计算:

fst=2F/πA=0.637F/A

(1)

式中：fst为粘结劈拉强度,MPa；F为粘结面劈拉破坏荷载,N；A为粘结面面积,mm2。

图1 混凝土粘结浇筑方式Fig.1 Pouring direction of concrete

图2 混凝土粘结劈拉试验示意Fig.2 Test schematic for adhesive splitting tensile strength

为了研究装配式混凝土结构预制与后浇混凝土粘结的抗火性能,本试验设计安排在常温和高温两种条件下进行,常温条件为本试验所在地安徽省淮南市试验时温度为20 ℃；高温条件是将预制与后浇混凝土粘结试块放入电热恒温干燥箱内,分别设置温度100 ℃、200 ℃和300 ℃,在达到设定温度后,恒温加热半个小时后取出,自然冷却至室温,然后进行粘结劈拉试验。

3 预制与后浇混凝土粘结劈拉强度

3.1 试验结果

预制与后浇混凝土粘结劈裂抗拉强度试验结果如表2所示,表中试验数据为每组3个试件的平均值。

定义λ为粘结劈拉强度fst与预制/后浇混混凝土劈拉强度平均值ft,m的比值,定义β为粘结劈拉强度fst与预制/后浇混凝土立方体试块抗压强度平均值fcu,m的比值,λ、β都直接反映了粘结后混凝土劈拉强度占整浇混凝土强度的比例。

试验中,粘结劈拉破坏都发生在粘结面,且破坏面比较平直,后浇混凝土的水泥浆体与预制混凝土表面凸出的骨料包裹在一起,由于外应力的作用,二者被拉开,在破坏面上可以看到预制混凝土一侧水泥凹坑,对应后浇混凝土一侧有骨料凹出。

3.2 浇筑方向的影响

由表2可知,同种工况条件下,水平向浇筑混凝土粘结劈拉强度明显大于竖直向浇筑粘结劈拉强度,常温条件下,水平向浇筑和竖直向浇筑试件的λ值分别为63.6%～74.5%和57.2%～65.7%。在粘结面水平向浇筑使后浇混凝土能够紧密接触预制混凝土粘结面,人工振捣成型后,使得预制与后浇混凝土粘结面结构密实,粘结强度高；但在粘结面竖直向浇筑时,后浇混凝土只能在预制混凝土的侧面浇筑,在粘结面容易形成离析的水层和粗骨料凸出下的孔洞,导致粘结劈拉强度下降。

3.3 粘结面粗糙度的影响

对试验数据进行回归分析可得到预制与后浇混凝土粘结劈拉强度和粘结面粗糙度之间的关系,如下式(2～4)和图3所示；将文献[6]中的新老混凝土粘结劈拉试验相关数据进行回归分析,得到新老混凝土粘结劈拉强度和粘结面粗糙度之间的关系,如下式(5～6)和图3所示。

常温(T=20 ℃) 水平向浇筑时,fst=(0.0480+0.0026h)fcu,mR2=0.998

(2)

常温(T=20 ℃) 竖直向浇筑时,fst=(0.0435+0.0020h)fcu,mR2=0.999

(3)

高温(T=100 ℃)水平向浇筑时,fst=(0.0402+0.0026h)fcu,mR2=0.982

(4)

常温水平向浇筑时,fst=(0.0434+0.0061h)fcu,mR2=0.992

(5)

常温竖直向浇筑时,fst=(0.0435+0.0052h)fcu,mR2=0.982

(6)

其中h为混凝土粘结面粗糙度。

表2 粘结劈拉试验结果Tab.2 Adhesive splitting tensile test results

从表2和图3可以看出,预制与后浇混凝土粘结劈拉强度随着粘结结合面的粗糙度的增加而显著增大,常温下,水平向浇筑时,λ随粘结面粗糙度的增加分别为63.6%、68.6%、74.5%；竖直向浇筑时,λ随粘结面粗糙度的增加分别为57.2%、61.0%、65.7%。文献[6]中的新老混凝土粘结劈拉强度与粗糙度也遵循上述规律,水平向浇筑时,λ随粘结面粗糙度的增加分别为63.7%、70.0%、75%；竖直向浇筑时,λ随粘结面粗糙度的增加分别为61.1%、66.1%、71%。其原因是：随着预制混凝土表面粗糙度增大,预制与后浇混凝土的接触面积就越大,粘结面上的范德华力、机械咬合力就越大,其粘结强度就越高。

图3 粘结劈拉强度与粘结面粗糙度的关系 注：H+20表示水平向浇筑,温度为20 ℃,其他以此类推。Fig.3 Relationship between interfacial roughness and adhesive splitting tensile strength

图4 粘结劈拉强度与温度的关系Fig.4 Relationship between temperature and adhesive splitting tensile strength

高温条件下也有同样的趋势,当T=100 ℃时,粘结劈拉强度随着粘结结合面的粗糙度的增加而显著增大,但β的回归直线的斜率在下降,且下降幅度不大。整体上看,常温水平向浇筑、高温水平向浇筑和常温竖直向浇筑三条回归直线近乎平行,只是直线截距不同。这说明即使是在高温条件下,粘结面的粗糙度对粘结劈拉强度仍有重要的影响作用。

3.4 温度的影响

对表2中的相关试验数据进行回归分析,可以得到在水平向浇筑、Ⅲ型粘结面粗糙度的情况下,劈拉强度和温度的回归曲线,见式(7)和图4。由于试验条件的限制,本试验中温度只能加载到300 ℃,为研究当温度高于300 ℃后粘结劈拉强度与温度的关系,收集了文献[8]中新老混凝土粘结劈拉试验相关数据,并对其进行回归分析,得到劈拉强度和温度的回归曲线,见式(8)和图4。

fst=(-8.98×10-8T2-7.64×10-5T+0.061)fcu,mR2=0.993

(7)

fst=(-7.75×10-8T2-1.24×10-5T+0.050)fcu,mR2=0.984

(8)

其中T为粘结面所受温度(℃)。

从图4和表2中可以看到,在水平向浇筑、Ⅲ型粘结面粗糙度的情况下,预制与后浇混凝土粘结劈拉强度整体上随着温度的升高而降低,且温度越高下降的幅度越大。100～200 ℃时,粘结劈拉强度比常温时下降了近13.4%～28.3%。300 ℃时粘结劈拉强度下降更为明显,比常温下降了50%。文献[8]也遵循同样的规律,温度越高,新老混凝土粘结劈拉强度下降的幅度越大,当温度升高到700 ℃时,文献[8]中劈拉强度比常温分别下降了95%,试验强度值很小,试件已处于破坏状态。

造成上述规律的主要原因是：首先,在高温条件下,预制混凝土与后浇混凝土的水泥砂浆变形不协调,粗骨料是随着温度的升高一直在膨胀,但水泥砂浆因温度升高大量失水而快速收缩,导致在粗骨料和水泥砂浆间产生较大的内应力,继而形成微裂缝,温度越高,裂缝就扩展的越为迅速,故而粘结劈拉强度下降的趋势就更为明显。其次,在粘结结合面处由于后浇混凝土中未水化的水泥矿物(C3S,C3A,β-C2S)较多,这些矿物质在高温下均发生膨胀变形,继而在粘结面处产生排斥内应力,温度越高,排斥内应力越大,粘结强度下降的越快[9]。最后,试块在自然冷却的过程中,粗骨料因温度降低转为收缩,但水泥砂浆却因吸水而产生膨胀,新的变形不协调也会产生微裂缝,导致粘结强度的下降。

4 结 论

本文通过预制与后浇混凝土粘结劈拉性能试验,并对试验结果进行比较分析,结论如下：

(1)同种工况条件下,水平向浇筑混凝土粘结劈拉强度明显大于竖直向浇筑粘结劈拉强度,水平向浇筑粘结劈拉强度为预制与后浇整体劈拉强度平均值的63.6%～74.5%,竖直向浇筑粘结劈拉强度为预制与后浇整体劈拉强度平均值的57.2%～65.7%；

(2)不论后浇混凝土是水平向浇筑还是竖直向浇筑,粘结劈拉强度都随着粘结面的粗糙度的增加而显著增大,即使随着温度的升高,劈拉粘结强度和粘结面粗糙度仍成线性关系,并且它们的回归直线都近于平行,只是直线截距不同;

(3)温度是影响预制与后浇混凝土粘结劈拉强度的重要因素。预制与后浇混凝土的粘结劈拉强度随着温度的升高急剧下降,到300 ℃时,比常温下降了50%。

[1] 孙世泉,许锡宾.混凝土叠合构件粘结问题探讨[J].混凝土,2006,(9):87-88.

[2] 石建军,孙 冰,杨晓锋,等.叠合构件结合面的粘结性能探讨[J].混凝土与水泥制品,2004,(5):50-53.

[3] 马芹永,吴金荣,杨美良,等.混凝土结构基本原理[M].北京:机械工业出版社,2012:14-15.

[4] 高丹盈,程红强,朱海堂.钢纤维混凝土与老混凝土劈拉粘结强度的研究[J].建筑材料学报,2007,10 (5)：505-509.

[5] 赵志方,赵国藩,刘 健,等.新老混凝土粘结的抗拉强度试验研究[J].建筑结构学报,2001,22(2):51-56.

[6] 赵志方,赵国藩,黄承逵.新老混凝土粘结的劈拉性能研究[J].工业建筑,1999,29(11):56-60.

[7] 赵志方.新老混凝土粘结机理和测试方法[D].大连：大连理工大学学位论文,1998.

[8] 王建伟.高温后新老混凝土粘结劈拉强度试验研究[D].郑州：郑州大学学位论文,2002.

[9] 郭进军,宋玉普,张雷顺.混凝土高温后进行粘结劈拉强度试验研究[J].大连理工大学学报,2003,43(2)：213-217.

Experimental Study on Adhesive Splitting Tensile Performance of Post Pouring Concrete on Precast Concrete

CAOHai1,2,MAQin-yong1,ZHANGRong-rong1,WANGYang1

(1.School of Civil Engineering and Architecture,Anhui University of Science and Technology,Huainan 232001,China；2.School of Civil Engineering and Architecture,Huangshan University,Huangshan 245041,China)

Based on the experimental study of adhesive splitting tensile test of post pouring concrete on precast concrete, the effects of specific factors on the adhesive splitting tensile performance were investigated. These factors are as follows： pouring method of post pouring concrete, interfacial roughness, temperature. Results show that under the same working condition,the horizontal pouring concrete adhesive splitting tensile strength significantly is greater than the vertical to the casting adhesive splitting tensile strength, adhesive splitting tensile strength increases significantly with the increase of interfacial roughness, adhesive splitting tensile strength falls sharply with the increase of temperature, to 300 ℃, it is 50% lower than adhesive splitting tensile strength of the normal temperature. The obtained experimental results can provide the evidence for clarifying adhesive splitting tensile mechanism as well as the reference for the development of precast concrete structures.

precast concrete;post pouring concrete;adhesive splitting tensile strength;interfacial roughness;temperature

安徽省高校自然科学研究项目(KJHS2016B11)；安徽省黄山市科技计划项目(2015Z-03)

曹 海(1984-),男,博士研究生,讲师.主要从事混凝土材料的研究.

马芹永,博士生导师，教授.

TU528

A

1001-1625(2016)09-2925-05