装配式结构混凝土结合面剪切性能试验研究

李瑞瑞，雅 菁，尚静媛，刘晓铮，陈 倩，文 超，杨志祥，王义庆

（1.天津城建大学，天津 300384；2.天津津贝尔建筑工程试验检测技术有限公司，天津 300171）

因人工需求量小、施工周期短、能源消耗小等优点，装配式混凝土建筑成为我国新时代建筑产业的发展方向[1-3].装配式混凝土叠合构件是在预制构件厂生产混凝土预制构件，然后在施工现场拼装浇筑建造而成[4]，在装配式建筑中采用了大量叠合构件，其结合面所采用的粗糙处理工艺繁多且不同处理工艺得到的剪切力有较大差异.另外叠合构件在浇筑后浇混凝土时通常会在预制构件上预埋各种管线且钢筋分布密集，施工现场可能出现的结合面油污、渣土、积水等缺陷[5]，这些都会导致结合面的黏结无法保证结构的整体性能，从而难以达到“等同现浇”的设计初衷[6].目前国内外针对于叠合构件的剪切力主要集中在工程加固领域范围[7-10].由于结合面处理是影响叠合构件连接受力和结构整体性的重要因素，且结合面剪切强度是衡量其协同受力不可替代的性能指标，所以有必要研究不同结合面处理工况对装配式试件剪切受力性能的影响.

1 试验过程

1.1 叠合试件设计与制作

为研究不同结合面粗糙度处理工艺及其施工质量对叠合试件抗剪性能的影响，考虑实际施工中结合面粗糙度处理工艺、结合面脱空情况、结合面清理质量情况，设计了不同结合面工况的混凝土叠合试件，试件剪切试验示意见图1.图1 中钢板的作用为使剪切力与结合面相平行.试件设计尺寸见图2，混凝土配合比见表1.

图1 试件剪切试验示意

图2 试件设计尺寸

表1 试件试验配合比参数 kg/m3

先浇筑试件预制混凝土层，标准养护28 d 后，进行结合面处理并浇筑试件现浇混凝土层.本试验叠合试件结合面粗糙度处理工艺采用自然振捣、人工凿毛、人工拉毛、高压水冲毛[11].其中自然振捣处理工艺：在预制混凝土层振捣后不加抹平而形成的有一定凹凸起伏的自然表面.人工凿毛处理工艺：用铁锤和凿子人工对结合面敲打，使其形成随机的凸凹不平状，除去表面浮渣.人工拉毛处理工艺：采用直径为3 mm的钢丝在结合面进行拉刮，拉痕深度为5 mm，拉痕间距为30 mm，分为横向拉毛（平行于荷载施加方向）和纵向拉毛（垂直于荷载施加方向）.高压水冲毛处理工艺：借助约100 MPa 的水流冲击力除去结合面的水泥石，形成凹凸不平的黏结界面.针对各结合面测得平均灌沙深度（见表2），其中结合面粗糙度由灌沙法测定，其公式为

表2 不同粗糙度处理工艺得到的灌砂法平均深度

结合面脱空缺陷由涂抹约2 mm 厚的环氧胶覆盖聚乙烯薄膜模拟制作.结合面脱空缺陷设计为不同面积和位置两类.不同脱空面积为20%、50%，其位置均为中央.脱空面积为20%时位置为中央、一侧、均布、竖向，如图3 所示.为模拟施工中结合面润湿清理的情况，对润湿试件使用低速水流缓慢润湿；对不清理试件按0.3 kg/m2的用量在结合面铺洒灰土，使结合面满铺一层灰土，得到4 种不同清理状况试件：清理润湿、清理不润湿、不清理润湿、不清理不润湿.

图3 脱空位置示意

1.2 剪切试验方法

采用美特斯工业系统有限公司生产的YAW6206微机控制电液伺服压力试验机，进行叠合试件剪切性能试验.加载速度为0.03 MPa/s，加载直至试件破坏，采用数据自动采集系统对试验荷载数据进行实时采集.试件具体数量为：每种工况3 个试件，剪切结果取平均值.

叠合试件剪切强度按剪切面的平均剪应力计算，其公式为

其中：τ 为抗剪强度；V 为剪切力破坏荷载，N；A 为结合面积，mm2.

2 试验结果与讨论

2.1 试件破坏形态

本试验叠合试件破坏均从结合面处发生，说明结合面是决定叠合试件力学性能的关键，是叠合试件的薄弱环节.在试验过程中能观察到，随着荷载的增加，结合面出现细微裂缝，随即裂缝快速延伸直至贯穿结合面，预制混凝土和现浇混凝土分离，叠合试件发生破坏，属于典型的脆性破坏.破坏形态如图4 所示.

图4 试件加载前后形态

2.2 试件剪切强度

2.2.1 结合面粗糙度处理工艺对剪切强度的影响

不同结合面粗糙度处理工艺对剪切强度的影响如图5 所示，对于不同结合面粗糙度处理工艺的剪切强度都明显小于整体浇筑，但均大于GB 50010《混凝土结构设计规范》与JGJ 1—2014《装配式混凝土结构技术规程》要求的0.4 MPa，且有较大富余.分析其原因为：叠合试件间的主要作用力为机械咬合力和范德华力，各种结合面粗糙度处理工艺都在物理方面提高了结合面的粗糙度，增大了结合面的咬合力[12].在不同的结合面处理工艺中高压水冲毛工艺剪切强度高于其它处理工艺，而剪切强度最低的为自然振捣.这是因为，对于高压水冲毛工艺破坏形态，剪切面水泥浆体相互交错，在结合面处出现断裂破坏，少量骨料被拉断.而对于自然振捣破坏形态不一，对于剪切强度较小的试块剪切面保持浇筑前较为平整的形态，对于剪切强度较大的结合面出现水泥浆体断裂现象.在人工拉毛处理工艺中，纵向拉毛剪切强度优于横向拉毛.这是因为粗糙的黏结面具有非常良好的中间锁结作用，能提供较大的抗剪强度，纵向拉痕于荷载施加方向垂直，所以能更好地提供水平抗剪力，阻止预制层与现浇层相对滑移，保证两者共同工作，所以纵向拉毛剪切强度优于横向拉毛.各种结合面破坏形态如图6 所示.

图5 不同结合面处理工艺叠合试件的剪切强度

图6 不同结合面粗糙度处理方式破坏形态

3.2.2 结合面脱空缺陷对剪切强度的影响

不同结合面脱空缺陷对剪切强度的影响如图7所示.对于相同脱空位置不同脱空面积，20%脱空面积剪切强度值为2.5 MPa，剪应力损失为26%；而50%脱空面积剪切强度值为1.3 MPa，剪应力损失为62%.说明即使脱空面积达50%，仍满足规范要求的0.4 MPa.对于相同脱空面积不同脱空位置，脱空位置在中间横向和竖向剪切强度值相差无几，说明脱空位置对剪切强度影响不大.而对于均布脱空缺陷剪切强度小于中央和一侧的强度值，说明相同脱空缺陷面积分布分散，剪切强度损失值变大.

图7 不同脱空缺陷位置叠合试件的剪切强度

2.2.3 结合面清理质量对剪切强度的影响

不同结合面处理情况对剪切强度的影响如图8所示.不清理和不润湿结合面清理情况的剪切强度值都要小于清理润湿情况，而不清理润湿的剪切值明显小于清理不润湿，说明不清理的结合面处理对剪切强度影响大于不润湿的结合面处理.而不清理不润湿的结合面处理剪切强度为1.8 MPa，剪应力损失为45%，满足规范要求的剪切强度0.4 MPa，说明两者情况叠加对于结合面剪切强度更不利.这是因为在现浇混凝土水化过程中，预制混凝土可以看作是颗巨大的骨料，也参与着水化反应，在现浇混凝土凝结硬化过程中，未润湿情况影响现浇混凝土的水灰比，导致结合面黏结性能降低. 而表面存在大量积灰，浇筑混凝土前不清理结合面会导致结合面混凝土与预制部分接触面积减少且黏结不充分，不能充分发挥混凝土的黏结强度，所以对结合面黏结性能产生较大影响.两种不利情况叠加，不仅影响结合层混凝土的水灰比、混凝土的黏结面积，还可能在结合面混凝土中形成连通的孔隙，从而使结合面抗剪强度大幅度下降.

图8 不同结合面清理质量叠合试件的剪切强度

3 结论

通过本次结合面抗剪性能试验及分析，获得以下结论.

（1）试件均沿结合面处发生剪切脆性破坏，没有发生预制层和现浇层混凝土的挤压破坏，说明结合面处是整个叠合试件最为薄弱的地方.

（2）在不同的结合面粗糙度处理工艺中，高压水冲毛剪切强度优于人工拉毛、人工凿毛、自然振捣.人工拉毛方向与剪切方向垂直较平行剪切强度增加44%.50%脱空面积剪应力损失为62%.相同的脱空面积，分布分散较分布集中的剪切强度多损失约为3%.

（3）结合面清理情况对叠合试件剪切强度有明显影响，在不清理和不润湿叠加情况下剪切强度下降45%，这不仅由于结合层混凝土的水灰比、混凝土的黏面积的改变，还可能与结合面混凝土形成连通的孔隙有关.