装配施工用约束垫层混凝土拌和物短期受压性能

李富民++罗小雅++华慧娟++杨泰++黄朗

摘要：为了检验新型预制装配式混凝土构件嵌入式对接连接中约束垫层混凝土在拌和物状态下是否可以承受装配施工产生的压力作用，通过试验研究了约束垫层混凝土拌和物的短期受压性能，得到了不同厚度约束垫层混凝土拌和物的应力应变沉降量关系曲线，建立了随厚度变化的应力应变关系经验模型。通过与成熟混凝土对比，分析了约束垫层混凝土拌和物的受压性能；通过对受压过程中水分流失情况的分析，讨论了约束垫层混凝土拌和物后期强度发展。结果表明：约束垫层混凝土拌和物具有良好的、可控的短期受压性能，能够满足装配施工需求。

关键词：预制装配；混凝土构件；约束垫层；混凝土拌和物；受压性能

中图分类号：TU375文献标志码：A

Shortterm Compression Performance of Restrained Cushion Concrete

Mixture Used in Assembling ConstructionLI Fumin1， LUO Xiaoya1， HUA Huijuan2，YANG Tai1， HUANG Lang1

（1. Jiangsu Key Laboratory of Environmental Impact and Structural Safety in Engineering， China University of

Mining and Technology， Xuzhou 221116， Jiangsu， China； 2. Management Committee of Binjiang Fine

Chemical Industry Park of Jiangsu Qidong Economic Development Zone，

Nantong 226221， Jiangsu， China）Abstract： In order to test whether the restrained cushion concrete in new type embedded connection of precast assembling concrete members could bear the compression force caused by assembly construction， the shortterm compression performance of restrained cushion concrete mixture was studied through the tests， and the stressstrainsettlement curves of the restrained cushion concrete mixture with different thicknesses were obtained， then the stressstrain empirical model varied with different thicknesses was built. By comparing with the matured concrete， the compression performance of restrained cushion concrete mixture was analyzed.By analyzing the water loss in the process of compression， the development of the compressive strength of restrained cushion concrete mixture was discussed.The result shows that restrained cushion concrete mixture has a nice and controllable shortterm compression performance， and can satisfy the requirement of assembling construction.

Key words： precast assembling； concrete member； restrained cushion； concrete mixture； compression performance

0引言

随着可持续发展和节能环保要求的不断提高，加之建筑业劳动力成本持续增加，以预制装配式混凝土结构体系为代表的建筑工业化得到了越来越多的重视，其应用逐渐升温[13]。

预制构件之间的连接对于预制混凝土结构的装配施工性能和服役力学性能的影响至关重要[47]，因此深入研究预制混凝土结构的连接方式对建筑工业化发展有着重要意义。

各国关于预制构件连接的设计规范/规程不同[815]，导致其连接方式的分类也各不相同，但是基于施工方法不同而分类的干连接和湿连接体系已被广泛使用。考虑到抗震性能上的差异[1618]，现阶段湿连接运用更为广泛。由于湿连接方式（包括整浇式连接和部分现浇连接）的预制率不是很高，从严格意义上来讲仍是现浇结构的一种延续，因此现场现浇工作量依然较大，与建筑工业化发展方向并不十分吻合；此外，现有的湿连接方式还存在连接处形成承载力时间过长，待连接纵筋伸出构件轮廓之外而导致运输防护难度大，连接用灌浆套筒最小净距及其保护层厚度难以保证，连接界面处的顺缝抗剪能力削弱较为明显等问题。因此，有必要对装配式混凝土结构的节点连接形式及节点连接设计方法进行创新性研究[1921]。

在此背景下，筆者所在课题组针对现有连接方式中存在的问题，发明了一种新型预制混凝土构件对接连接方式——嵌入式对接连接[22]。该连接中，2个预制构件通过形状尺寸相适配的凹坑和凸起并辅以混凝土垫层紧密相连，同时在2个预制构件之间形成后封槽带；纵筋连接采用“纵筋—套筒—连接螺杆—套筒—纵筋”的连接方式，实现装配式结构中对接构件的纵向钢筋承力连贯，同时连接螺杆与两端套筒的连接可通过两端螺距之差形成预应力连接效果。施工时，将凸起插入凹坑之前，先向凹坑的底部填充垫层，垫层起到坐浆、调整尺寸差等作用。由于受到凹坑的侧向约束，垫层混凝土在结硬前即保有整体抗压能力，因此不需要等待混凝土凝结即可实现2个预制构件之间的预压连接。这种新型的预制构件连接方式一方面可以加强连接界面的受剪能力，另一方面可以解决上文提到的现有连接方式存在的问题。

在这种新型预制混凝土构件的对接连接中，约束混凝土垫层扮演着重要角色。为了保证2个预制构件间的对接连接能顺利进行，在下部预制构件凹坑的约束下，处于软塑状态下的垫层混凝土在结硬前必须要具有足够的整体抗压能力。为了检验这种设想是否可行，本文设计了5种不同厚度的约束混凝土垫层试件，对其进行了短期受压试验，得到不同厚度约束垫层混凝土拌和物的应力应变沉降量关系曲线，建立其应力应变厚度关系经验模型，综合分析其受压特征以及后期强度发展，为约束混凝土垫层在快速装配施工中的应用提供依据。

1试验方案

1.1试验材料

制备垫层混凝土时，采用强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥作为胶凝材料；细骨料为徐州本地产细河砂；水取徐州当地普通自来水；为避免粗骨料粒径太大而在垫层受压过程中被压碎影响试验结果，采用粒径为5～10 mm的碎石作为粗骨料。

试验中设计垫层混凝土强度等级为C50，配合比见表1。

本文试验研究的是预制混凝土构件嵌入式对接连接中约束垫层混凝土拌和物在软塑状态下的受压性能，倘若按一定比例缩小预制混凝土构件的尺寸进行试验，由于垫层混凝土厚度相对于预制构件来说高度过小，测出的压缩变形主要是2个对接连接预制构件中发生的压缩变形，垫层的变形会被掩盖。为此，本文采用钢制盖板和凹形钢模分别模拟上、下对接构件，然后将垫层混凝土拌和物倒入钢模中，于是盖板、钢模和垫层混凝土拌和物三者共同组成了嵌入式对接连接节点试件，试件设计如图1所示，其中t为垫层混凝土厚度，不同的试件t值不同；试件组号与垫层混凝土厚度如表2所示。

2.1受压曲线及其特征

加载过程中，试验力和位移数据由压力机自动采集；根据采集到的试验力和位移计算出各试件的应力和应变，并把位移视作沉降量，然后绘制出各组试件的应力应变沉降量曲线，如图3所示。

观察应力应变曲线还可以发现：在相同应力条件下，S1组垫层（厚度最小）的应变最大；当垫层厚度大于40 mm时，相同应力下的应变呈现微弱的下降趋势，但总体来说变化不大。这是因为20 mm的垫层厚度太薄，在压应力作用下垫层内的石子容易被压碎而引起沉降（观察过程中确实发现该垫层试件中存在石子被压碎的现象），所以应变最大。垫层厚度大于40 mm后应变基本一样，说明在约束垫层混凝土拌和物中石子不被压碎的条件下，不同厚度垫层混凝土拌和物的塑性变形性能相差不大。

2.2受压水分流失

开始加载时，随着钢盖缓慢向下发生位移，拌和物垫层内发出“嗞嗞”的响声，并有少量水泥浆伴随着水快速从凹坑的四边向外溢出，这说明拌和物在荷载作用下被挤压重组。之后随着荷载的增大，不再溢出水泥浆，但还有清水继续往外溢出，溢出速度逐渐变慢，直至加载结束，见图4。这是因为加载初期垫层混凝土拌和物内必然会存在较多孔隙，此时黏稠的水泥浆可以被挤出；随着荷载增大，孔隙率逐渐减小，黏稠的水泥浆不再能被挤出，只有清水还可继续被挤出，只不过挤出的速率也会随孔隙率的不Fig.4Water Loss Phenomenon in Compression Process断减小而减小。

加载结束后，移走钢盖，观察到垫层混凝土拌和物已被压实，上表面中心处相对更为干燥，一部分小石子颗粒显现，而四周拌和物则相对较为湿润（图5）。这说明墊层中的水分在挤压过程中从中心向四周流动，最后从四周盖板与钢模之间的缝隙中向上溢出。

3建模与讨论

3.1随垫层厚度变化的应力应变关系预计模型

上文通过应力应变及应力沉降量曲线的特征定性描述了约束垫层混凝土拌和物的抗压性能，为了能够定量分析混凝土拌和物的受压性能，现借助统计分析软件对试验结果进行非线性回归分析，从而建立约束垫层混凝土的应力应变（σε）关系预计模型，其中考虑垫层厚度t的影响。

通过观察试件的应力应变曲线形状，发现曲线符合指数型函数的走势，通过试拟合发现，BoxLucas1型指数函数能够较好地适应曲线要求，式（1）是该类型函数的一般表达式；通过进一步试算发现，当应变相同时，垫层厚度与应力的关系也可用指数关系描述。于是，最终将2个指数函数相乘，得到所需的回归模型表达式，如式（2）所示。

σ=a[1-exp（-bε）]（1）

σ=a[1-exp（-bε）]tc（2）

式中：a，b，c均为待定系数。

以式（2）为目标模型，利用统计分析软件对5组垫层试件的应力、应变及厚度数据库进行非线性回归分析，得到a，b，c三个待定系数的估计值及标准差，以及总体确定性系数R2，如表5所示。从表5可以看出，各待定系数的标准差均很小，总体确定性系数也非常接近于1，这说明回归结果对试验结果的拟合度较高。将待定系数的估计值代入式（2），即可得到随厚度变化的垫层混凝土拌和物应力应变关系预计模型，如式（3）所示

Tab.5Regression Results of Prediction Model待定系数估计值标准差R2a-0.1470.021b-15.2890.497c0.8480.0200.900随厚度变化的约束垫层混凝土拌和物应力应变模型如图6所示。利用该模型分别计算厚度为20 mm和40 mm约束垫层（实际工程中垫层厚度宜在20～50 mm之间）的应力应变曲线，并与本文试验结果对比，结果如图7所示，从而进一步验证模型结果与试验结果具有较好的拟合度。

Results and Fitting Results模型系统反映了约束垫层混凝土拌和物的短期受压性能；运用该模型可对嵌入式对接连接垫层进行装配施工控制，在垫层混凝土的厚度及装配施工过程中承受的应力确定后，就能根据该模型计算得到垫层受压过程中的应变，进而得到垫层的沉降量，从而主动控制和调节装配施工过程中垫层的压缩变形，减小装配施工中因垫层变形引起的尺寸不协调问题。

3.2与成熟混凝土短期受压性能对比

约束混凝土拌和物的受压性能是在新型装配式混凝土结构发展中出现的一个新命题，之前尚未见到其他相关研究报道；为了探讨其受压性能的独特性，这里将其与常规发育成熟的混凝土受压性能进行对比。图8为根据《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）中混凝土材料参数绘制出的常规发育成熟的C50混凝土单轴受压应力应变曲线与本文100 mm厚约束垫层混凝土拌和物的受压应力应变曲线对比。

Concrete and Restrained Concrete Mixture从图8可以看出，发育成熟的C50混凝土应力应变曲线总体上由上升段、下降段和残余段组成，其中上升段又可分为3个阶段，即弹性阶段、弹塑性强化阶段（微裂纹稳定扩展阶段）以及塑性强化阶段（宏观裂缝不稳定扩展阶段），上升段终点对应的峰值应变ε0≈0.002，之后随着应变的增大，应力开始急速下降，曲线进入下降段。由此可以看出，成熟混凝土的全程受压过程实际是固体物在受压中损伤不断发展和累积及性能不断退化直至破坏的过程。

新拌C50混凝土拌和物的约束受压应力应变曲线在测试范围内一直处于上升阶段，且随着应变的增加，应力的增加速度逐渐加快，这意味着其受压刚度在逐渐增大，实际上类似于散体物逐渐压实的过程，该过程中所完成的变形几乎全是塑性变形。可以预计，在本文试验之后如果继续加载，由于拌和物受到周围的约束作用，应力和刚度还可继续增大，直到后期主要承压的石子被大量压碎时才可能出现刚度退化。

3.3垫层混凝土后期强度发展预期

约束垫层混凝土拌和物在受压过程中发生了水分流失，这将造成混凝土水灰比的变化，从而对垫层混凝土后期强度发展产生影响。

水泥石结构中的水以多种形式存在，根据水从水泥石中失去的难易程度，可以将水划分为毛细管水、物理吸附水、层间水和化学结合水，其中只有化学结合水存在于各组成水化物晶体结构中。由于这4种形式的水很难定量测定，所以从实用角度出发，可将硬化水泥石中的水分为蒸发水和非蒸发水2类。非蒸发水主要是指化学结合水，蒸发水主要指前3种水，也就是在固定条件下能除去的水，除去它们的方法包括105 ℃加热干燥、干冰干燥（又称D干燥法）等方法[23]。

普通硅酸盐水泥材料中不同矿物组分与水反应生成的水化产物不同时所结合的非蒸发水量是不一樣的，水泥完全水化时各主要组成矿物的结合水量见表6[24]。

从表6可以看出，普通硅酸盐水泥组分中，铝酸三钙完全水化时的结合水量最大，在0.5左右，考虑到普通硅酸盐水泥中的铝酸三钙含量（质量分数）仅为7%～15%，而硅酸三钙和硅酸二钙的含量占到总量的75%～82%[24]，因此水泥完全水化时的结合水量应该在0.2左右；根据Powers水化理论[24]，每克硅酸盐水泥完全水化时会有0.227 g水成为结合水。本文试验中各组垫层混凝土拌和物受压后的水灰比均大于0.227，所以均能满足水泥水化的需求。在能满足水泥水化的条件下，水灰比越小，其强度发展得越大。因此，在垫层混凝土拌和物受压后的水化过程中能够保证良好养护的条件下，预计约束垫层混凝土的后期强度都将发展得比设计强度更高，完全可以满足装配完成后节点垫层混凝土的受压需求。4结语

（1）约束垫层混凝土拌和物在受压过程中，随着压力（应力）的增大，沉降量和应变的增大速率均是先快后慢，形成了压缩刚度不断增大的趋势；在设计强度对应应力以内的受压过程中，发生了较大的压缩变形（应变最高为0.17左右），但变形发展比较稳定，装配施工中变形可控性良好；该受压过程实际是疏松混凝土拌和物不断被压实的过程，与成熟混凝土的全程受压过程（固体物损伤不断发展和累积过程）存在显著差别。

（2）垫层厚度对其受压性能有一定影响，厚度越薄，应变发展越快；同时，随厚度的逐渐增大，其对受压性能的影响显著性逐渐减弱。基于试验结果，通过回归方法建立了随厚度变化的约束垫层混凝土拌和物应力应变关系预计模型，便于主动控制和调节装配施工过程中垫层的压缩变形，减小装配施工中因垫层变形引起的尺寸不协调问题。

（3）约束垫层混凝土拌和物在受压过程中发生了水分流失，从而引起混凝土水灰比的减小，但是流失掉的水量并不影响混凝土完全水化所需水量，因而对垫层混凝土后期强度发展不会产生不利影响，可以满足装配完成后节点垫层混凝土的受压需求。参考文献：

References：[1]MORRIS A E J.Precast Concrete in Architecture[M].London：George Godwin Limited，1978.

[2]ARDITI D，MOCHTAR K.Trends in Productivity Improvement in the US Construction Industry[J].Construction Management & Economics，2010，18（1）：1527.

[3]刘琼，李向民，许清风.预制装配式混凝土结构研究与应用现状[J].施工技术，2014，43（22）：914，36.

LIU Qiong，LI Xiangmin，XU Qingfeng.Present Research and Application of Precast Concrete Structure[J].Construction Technology，2014，43（22）：914，36.

[4]范力.装配式预制混凝土框架结构抗震性能研究[D].上海：同济大学，2007.

FAN Li.Investigation on Seismic Behavior of Jointed Precast Concrete Frame Structures[D].Shanghai：Tongji University，2007.

[5]NISHIYAMA M，ADACHI M，WATANBLE F.Hysteretic Behavior of Precast Prestressed Concrete Beamcolumn Assemblage[C]//STOELHORST D，DEN BOER G P L.Proceedings of the 13th FIP Congress on Challenges for Concrete in the Next Millennium.Amsterdam：Balkema A A，1998：177182.

[6]PEKAU O A.Influence of Vertical Joints on the Earthquake Response of Precast Panel Walls[J].Building and Environment，1981，16（2）：153162.

[7]PEKAU O A，ZIELINSKI Z A，LEE A W K，et al.Dynamic Effects of Panel Failure in Precast Concrete Shear Walls[J].ACI Structural Journal，1988，85（3）：277285.

[8]GHOSH S K，NAKAKI S D，KRISHNAN K.Precast Structures in Regions of High Seismicity：1997 UBC Design Provisions[J].PCI Journal，1997，42（6）：7693.

[9]NEHRP1985，Recommended Provisions for the Development of Seismic Regulations for New Buildings and Other Structures[S].

[10]EN 199212：2004，Eurocode 2：Design of Concrete Structures — Part 11：General Rules and Rules for Buildings[S].

[11]ACI 31811，Building Code Requirements for Structural Concrete[S].

[12]NZS 3101.1：2006，Concrete Structures Standard[S].

[13]JGJ 1—2014，装配式混凝土结构技术规程[S].

JGJ 1—2014，Technical Specification for Precast Concrete Structures[S].

[14]JG/T 034—2009，预制混凝土装配整体式框架（润泰体系）技术规程[S].

JG/T 034—2009，Precast Concrete Assembled Monolithic Framework （Ruentex Group System） Technology Procedures[S].

[15]DG/TJ 08—2071—2010，装配整体式混凝土住宅体系设计规程[S].

DG/TJ 08—2071—2010，Code for Design of Assembled Monolithic Concrete Buildings[S].

[16]OZTURAN T，OZDEN S，ERTAS O.Ductile Connections in Precast Concrete Moment Resisting Frames[J].PCI Journal，2006，51（3）：6676.

[17]ALCOCER S M，CARRANZA R，PEREZNAVARRETE D，et al.Seismic Tests of Beamtocolumn Connections in a Precast Concrete Frame[J].PCI Journal，2002，47（3）：7089.

[18]种迅，孟少平，潘其健.后张预应力预制混凝土框架梁柱节点抗震性能试验研究[J].土木工程学报，2012，45（12）：3844.

CHONG Xun，MENG Shaoping，PAN Qijian.Experimental Study on Seismic Performance of Posttensioned Prestressed Precast Concrete Beamcolumn Assemblages[J].China Civil Engineering Journal，2012，45（12）：3844.

[19]周德恒，李愛群，贾洪，等.预制钢筋混凝土框架结构抗震性能研究进展（Ⅰ）——节点性能研究[J].工业建筑，2014，44（6）：95100，121.

ZHOU Deheng，LI Aiqun，JIA Hong，et al.Progress of Investigation on Seismic Behavior of Precast Concrete Frame Structures （Ⅰ）：Study of Joint Property[J].Industrial Construction，2014，44（6）：95100，121.

[20]庞瑞，梁书亭，朱筱俊.全装配式RC楼盖板缝节点抗震性能试验研究[J].建筑结构学报，2012，33（10）：5966.

PANG Rui，LIANG Shuting，ZHU Xiaojun.Experimental Study on Seismic Behavior of Slab Connections in Untopped Precast RC Floor Diaphragms[J].Journal of Building Structures，2012，33（10）：5966.

[21]庞瑞，许清风，梁书亭，等.全装配式RC楼盖平面内受力性能试验研究[J].建筑结构学报，2012，33（10）：6774.

PANG Rui，XU Qingfeng，LIANG Shuting，et al.Experimental Study on Inplane Mechanical Behavior of Untopped Precast RC Diaphragm[J].Journal of Building Structures，2012，33（10）：6774.

[22]李富民，邓天慈，华慧娟，等.一种预制混凝土构件对接连接结构：中国，201510387583.2[P].20151014.

LI Fumin，DENG Tianci，HUA Huijuan，et al.A Kind of Butt Connection Formation of Precast Concrete Members：China，201510387583.2[P].20151014.

[23]张巨松.混凝土学[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2011.

ZHANG Jusong.Concrete Science[M].Harbin：Harbin Institute of Technology Press，2011.

[24]宋少民，王林.混凝土学[M].武汉：武汉理工大学出版社，2013.

SONG Shaomin，WANG Lin.Concrete Technology[M].Wuhan：Wuhan University of Technology Press，2013.