预制与后浇混凝土粘结后的动态劈拉性能

曹 海， 马芹永(.安徽理工大学 土木建筑学院， 安徽 淮南 23200； 2.黄山学院 建筑工程学院， 安徽 黄山 24504)

在装配式混凝土结构中，预制混凝土与后浇混凝土粘结后材料的力学性能是结构共同工作的基础.近年来，许多学者[1-5]研究了预制与后浇混凝土粘结后的轴拉、劈拉、抗折和抗剪性能等，但这些研究都集中于预制与后浇混凝土的静态或准静态力学性能.随着装配式混凝土结构应用范围的不断扩大[6]，在其破坏过程中势必受到动态荷载的作用，如爆炸冲击、地震作用和机械振动等，它们均涉及到预制与后浇混凝土粘结后的动态力学性能.但目前对于预制与后浇混凝土粘结后在动态荷载作用下的力学性能的研究开展还不多.因此，本文利用φ74变截面钢质分离式霍普金森压杆(SHPB)装置对预制与后浇混凝土粘结后的试件进行动态冲击劈拉试验，研究粘结面粗糙度、应变率对其动态劈拉性能的影响及变化规律，以期为装配式混凝土结构的推广应用提供试验依据.

1 试验设计

1.1 原材料及试件制备

水泥选用P·O 42.5R级普通硅酸盐水泥，砂子采用细度模数为2.7的普通河砂，石子选用粒径为5～10mm连续级配碎石，搅拌用水选用自来水.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和C35的混凝土立方体试块抗压强度分别为39.5，45.4MPa.

表1 混凝土配合比Table 1 Mix proportion of concretes

提前在模板内浇筑18.5mm厚预制混凝土，然后在预制混凝土硬化前在其粘结面上作拉毛处理，参考新老混凝土粘结后静态抗拉性能试验结果[1-2]，将粘结面分成A，B和C这3种类型，采用灌砂法[7]测量其表面粗糙度(h)，其中A型粘结面粗糙度为1.15～1.56mm，B型粘结面粗糙度为2.56～3.12mm，C型粘结面粗糙度为4.44～5.12mm.本试验中C型粘结面类型基本对应JGJ 1—2014《装配式混凝土结构技术规程》中6.5.5条规定，即预制板粗糙面的面积不宜小于结合面的80%,粗糙面凹凸深度不应小于4mm.后浇混凝土厚度也为18.5mm，浇筑后标准养护28d，得到预制与后浇混凝土粘结试件.已有研究表明[8-10]，在SHPB试验中，当试件长径比为0.5时，惯性效应和摩擦效应最小，因此对整块预制与后浇混凝土板进行钻芯取样、打磨成φ74×37mm 圆柱体标准试件.同时制作3种粘结面类型的150mm×150mm×150mm静态劈拉试验试件(预制与后浇混凝土部分的尺寸均为150mm×150mm×75mm，粘结面为150mm×150mm)，测得其静态劈拉强度fst分别为2.17，2.34，2.54MPa.

1.2 试验装置及方法

采用安徽理工大学冲击动力学实验室的φ74mm变截面SHPB动力学试验系统.试验采用的撞击杆、入射杆和透射杆均为同一种高强度合金钢材料，撞击杆长度为0.6m，入射杆和透射杆长度分别为2.4m和2.0m.试验时将试件放在入射杆和透射杆之间.撞击杆以一定的冲击速度撞击入射杆，在入射杆中产生一个入射脉冲，当应力波传播到试件表面时会产生一个反射脉冲和透射脉冲，通过入射杆上的应变片采集入射和反射脉冲，通过在透射杆上的应变片采集透射脉冲，入射杆和透射杆上的应变片与试件的距离分别为1.2m和1.0m.

冲击劈拉试验前，在入射杆、透射杆和混凝土试件接触面均匀涂抹凡士林，尽量降低摩擦力对试件应力分布的影响，并确保入射杆、透射杆和试件径向轴线在同一条直线上[11-12].本试验中共设计有3种粘结面粗糙度类型(A，B，C)和3种应变率(28，46，69s-1)，每组3个试件(结果取平均值)，共27个试件.

2 结果与分析

(1)

(2)

(3)

式中:t为时间；d，b分别为试件直径和厚度；c，E和A分别为压杆纵向波速、弹性模量和截面面积；εr(t)，εt(t)分别为试验测得杆中的反射波、透射波的应变.

表2 试件动态劈拉强度Table 2 Dynamic splitting tensile strength of specimens

应变率与粘结面粗糙度共同影响试件的破坏形态.随着应变率与粘结面粗糙度的不断变化，混凝土试件出现了径向劈裂、径向与粘结面均劈裂这2种主要破坏形态，如图1所示.

图1 预制与后浇混凝土试件的破坏形态Fig.1 Failure mode of post pouring concrete adhered on precast concrete

当预制与后浇混凝土粘结面粗糙度较小时，预制与后浇混凝土粘结强度较小，承受冲击劈拉的能力也较小，试件易发生径向与粘结面均劈裂的破坏形态；随着粘结面粗糙度的增大，预制与后浇混凝土能够较好地粘结在一起，达到或部分达到等同现浇的效果，试件便只发生径向劈裂破坏.

当应变率较小时，试件粘结面微裂纹在受到冲击荷载作用后会产生应力松弛，同时由于冲击气压较低，加载速度较慢使得一部分能量能够被释放，因此试件往往发生径向劈裂破坏；当应变率较大时，由于冲击气压较大，加载速度较快，使得冲击能量来不及均匀释放，试件局部冲击荷载增大，导致其在出现径向劈裂破坏的同时，粘接面碎裂的部分也随之增多.

采用二波法处理试验结果并绘制不同应变率下试件典型的动态劈拉应力-应变曲线，如图2所示.从图2可以看出，试件动态劈拉应力-应变曲线主要经历弹性阶段、屈服阶段和破坏阶段.刚开始加载时，冲击动荷载较小，试件动态劈拉应力-应变曲线符合线性规律，为弹性阶段；随着冲击动荷载的提高，试件动态劈拉应力-应变曲线逐渐转为屈服阶段；冲击动荷载继续提高，试件动态劈拉应力达到极大值，而后动态劈拉应力-应变曲线急剧下降，试件动态劈拉应力降为极小值，试件破坏.

图2 预制与后浇混凝土动态劈拉应力-应变曲线Fig.2 Dynamic splitting strain-stress curves of post pouring concrete adhered on precast concrete

3 粘结面粗糙度的影响

从表2可知，在相近应变率条件下，试件动态劈拉强度随着粘结面粗糙度的增加而增大.当应变率约为28.0s-1时，C型粘结面试件平均动态劈拉强度是A型粘结面试件的1.18倍；当应变率约为46.0s-1时，C型粘结面试件平均动态劈拉强度是A型粘结面试件的1.22倍；当应变率约为69.0s-1时，C型粘结面试件平均动态劈拉强度是A型粘结面试件的1.18倍.这主要是因为预制与后浇混凝土粘结面是一个薄弱的界面过渡区，且聚集大量水分和气泡，水胶比高于预制与后浇混凝土本体，孔隙率较大，而钙矾石、氢氧化钙等易在此处大量富集生长，化学收缩和失水收缩导致粘结面处不均匀变形增大，从而引起较大的拉应力，形成微裂缝.另外，由于预制与后浇混凝土粘结面表面较平坦，裂缝扩展路径不曲折，消耗能量低，故一旦承受外力就容易从粘结面处引发裂缝，应力迅速集中于裂缝尖端处，导致裂缝快速扩展，降低试件粘结强度.因此，预制混凝土表面粗糙度越大，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，使得粘结面处有良好的锁结作用，从而能够阻止粘结面处的相对滑移.同时，预制混凝土表面粗糙度越大，裂缝扩散的路径越曲折，消耗能量越大，试件粘结强度就越高，故试件动态劈拉强度也越大.

从图2还可以看出，在相近应变率条件下，随着预制与后浇混凝土粘结面粗糙度的增大，试件动态劈拉应力-应变曲线上升段斜率降低，屈服台阶变得明显，弹性阶段与屈服阶段之间存在一个明显的拐点，下降段也趋向平缓，体现出显著的延性特征.当应变率约为28.0s-1时，C型粘结面试件峰值应变是A型粘结面试件的1.64倍；当应变率约为46.0s-1时，C型粘结面试件峰值应变是A型粘结面试件的1.82倍；当应变率约为69.0s-1时，C型粘结面试件峰值应变是A型粘结面试件的1.47倍.这是因为随着预制混凝土表面粗糙度的增大，预制与后浇混凝土能够更好地粘结在一起，提高结构整体变形能力，延缓裂缝的扩展，可能实现等同现浇的效果，试件破坏形态也由粘结面劈裂转换为试块径向劈裂.

4 结论

(1)在动态劈拉试验中，预制与后浇混凝土粘结后试件动态劈拉强度和动态增大系数均随着应变率的提高而增大，表现出较强的应变率效应.试件出现了径向劈裂、径向与粘结面均劈裂这2种主要破坏形态.

(2)预制与后浇混凝土试件的动态劈拉应力-应变关系曲线可以分为3个阶段，分别是弹性阶段、屈服阶段和破坏阶段.

(3)增大预制与后浇混凝土粘结面的粗糙度，能够延缓裂缝的出现和开展，试件动态劈拉应力-应变曲线中屈服台阶更加明显，体现出显著的延性特征，且试件动态劈拉强度提高.

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