混凝土露骨料处理结合面压剪承载力试验研究*

姜国永 黄选明 张新江,2 王景贤 张 宁

(1.中国建筑科学研究院有限公司, 国家建筑工程技术研究中心, 北京 100013;2.北京工业大学, 北京 100124; 3.北京榆构有限公司, 北京 100070)

装配整体式混凝土结构中的叠合构件分为预制层和后浇层,为确保叠合构件之间的有效连接,除须关注钢筋方面的构造措施,还要对预制层与后浇层间的薄弱部位-结合面进行粗糙处理。结合面的粗糙处理是预制混凝土与后浇混凝土共同工作的重要条件,因此有必要对混凝土结合面力学性能进行研究[1-2]。

众多学者对混凝土结合面做了大量的试验研究,初步探寻结合面黏结、剪力传递和破坏机理[3-4];研究表明经过粗糙处理的结合面,其抗剪强度有所提高[5];调整结合面中和轴的相对高度以及提高混凝土强度,可以提升结合面力学性能[6]。建筑工程中常用露骨料、拉毛、压痕、切槽、自然振捣、凿毛和喷砂等工艺对结合面进行粗糙处理,以此达到等同整浇的目的[7-8];采用灌砂法、机械探针法、分数维法、数字图像法和3D激光扫描法对结合面进行粗糙度检测[9-10]。但是针对叠合构件的质量控制及验收评价,尚无适用于工程的实用粗糙度检测方法。

露骨料处理是一种比较常用的粗糙处理工艺,通过缓凝剂渗入深度、水枪冲洗压力及时间来控制骨料露出的深浅。初凝前在混凝土表面涂刷缓凝剂,使水泥无法水化凝结而保持松散状态,待混凝土达到规定强度后,用高压水枪冲洗混凝土表面,露出混凝土原始级配下的骨料面[8]。而相较于传统的结合面粗糙度检测方法,激光扫描法可以突破场地、环境和人工等条件限制,具有效率高、精度高及数字化等优点,是一种非接触式检测方法。在结合面黏结质量评价方面,粗糙度是其重要影响因素,反映总体的数量特征,包含统计学参数和分形参数。

采用3D激光扫描技术获取露骨料结合面形貌信息,将三维点坐标代入MATLAB进行量化计算,基于统计学原理得出二维粗糙度参数换算深度,用以表征结合面粗糙度;通过压剪承载力试验得出不同粗糙度下混凝土露骨料处理结合面压剪强度的变化规律,为我国混凝土预制装配式叠合构件的质量控制及验收评价提供参考。

1 试验概况

1.1 试件设计

考虑混凝土强度、缓凝剂涂刷次数和法向应力等因素,设计4组共120个露骨料试件和2组共30个整浇试件,试件尺寸均为150 mm×150 mm×150 mm,试件结合面高度均为75 mm,各试件分组情况及数量见表1。

露骨料试件分为预制层和后浇层两部分,预制层混凝土强度等级均为C30;分组编号中前两位字母LG表示露骨料粗糙处理工艺,中间数字1表示涂刷缓凝剂1次、2表示涂刷缓凝剂2次、3表示涂刷缓凝剂3次,末尾两数字表示后浇层混凝土强度等级;整浇试件分组编号中前两位字母ZJ表示整体浇筑,末尾两数字表示混凝土强度等级。

表1 各试件分组情况及数量Table 1 The grouping and quantity of specimens

试件预制层和后浇层分批次浇筑,按照试验标准要求[11],各批次混凝土均预留6组边长为150 mm的标准混凝土立方体试块,与试验试件进行同条件养护。混凝土立方体试块抗压强度实测值:预制层为44.2 MPa,后浇层分别为41.1 MPa和59.4 MPa。本试验骨料粒径区间主要为5～25 mm,露骨料预期处理区间为3～8 mm,混凝土骨料级配曲线见图1。

图1 混凝土骨料级配曲线Fig.1 Concrete aggregate gradation curve

1.2 抗剪试验夹具设计

针对国内尚无夹具适用于小尺寸混凝土试件抗剪试验的问题,依照试验规程[12],设计一种新式混凝土立方体结合面抗剪试验夹具[13],如图2所示。该抗剪夹具可以保证试验时水平力作用线与结合面重合,使水平力直接施加于结合面位置,得到破坏时结合面的剪应力。试验前确保抗剪夹具与其上下部滑轨的随动状态,避免试件所受的竖向作用与水平作用产生耦合关系,影响试验结果。

图2 混凝土立方体结合面抗剪试验夹具Fig.2 Shear test fixture for the interface of concrete cube

1.3 加载方案及测点布置

在试验正式加载前进行预加载,对试件施加竖向力并保持恒定,然后施加水平力。水平力采用力-位移联合控制,加载初期采用力控制,待试件刚度下降后改为位移控制,试件发生剪切破坏后,继续持荷施加水平力直至试件剪切面相对位移达到5 mm后卸载。竖向采用2 500 kN单向千斤顶,位移量程200 mm;水平采用1 000 kN拉压千斤顶,位移量程±300 mm;控制器为高精度、高稳定计算机全数字伺服液压控制台,型号为JSKF-IV/31.5-8。试验加载装置见图3。

图3 试验加载装置Fig.3 Test loading devices

在夹具上下两部分各布置2个位移测点。分别将每部分左右侧的位移取平均值,用以减小夹具制造误差带来的扭转影响,再计算夹具上下部分的相对位移,位移测点布置见图4。

图4 位移测点布置Fig.4 Arrangements of displacement measurement points

2 试验结果

2.1 试验现象

露骨料试件与整浇试件的破坏过程大体上相似。在刚度下降之前,受剪区未出现明显裂缝,临近峰值荷载时,由细微裂缝快速发展成宏观裂缝,进而裂缝变宽,伴随着混凝土起皮和混凝土被剪碎的声音,试件发生脆性破坏,随后荷载迅速降低直至稳定。露骨料试件的破坏表面与露骨料粗糙处理后的结合面基本重合;整浇试件破坏表面的起伏明显,基本沿夹具上下部边缘作用点连线方向发展。

虽然各试件均发生剪切脆性破坏,但当法向应力较低时,试件破坏形式以粗骨料沿砂浆面滑出的剪胀破坏为主,在结合面上留下磨损痕迹;当法向应力较高时,试件破坏形式以粗骨料被截断的剪断破坏为主。

相比于试验组LG1-30,试验组LG2-30和LG3-30的结合面凸凹起伏更明显,粗骨料露出的更多,骨料咬合作用更明显,整体粗糙处理效果更佳,见图5。

a—ZJ30; b—LG1-30; c—LG2-30; d—LG3-30。图5 试件破坏形态Fig.5 Specimen failure patterns

2.2 数据处理及分析

1)归一化处理。

将露骨料试件压剪强度τs与试验组ZJ30相应工况下试件压剪强度平均值τm的比值定义为露骨料试件压剪强度等效系数[14],进行归一化处理,分析试验数据的数字特征。不同法向应力下露骨料试件等效系数箱型图及换算深度Sa,见图6。不同法向应力下露骨料试件等效系数及换算深度平均值对比结果,见表2。

图6中的箱型图反映不同法向应力时各组露骨料试件压剪强度等效系数的平均数、中位数、尾长、分布区间等信息,其中圆框内的点表示极端离散值。如图6a所示,法向应力0.5 MPa下试验组LG1-40存在两个极端离群值,这表明,如果粗糙处理达不到应有水平,水泥浆体与骨料无法充分黏结,即便后浇混凝土强度提高,试件压剪强度也较低。

分析主要原因是,混凝土微观结构由水化水泥浆体、骨料及水泥浆体与骨料之间的过渡区三相组成,组分之间的耦合作用及性质决定了混凝土的宏观力学性能。而混凝土结合面相当于水泥浆体与骨料之间的过渡区,预制层混凝土可看成一个大而平的“骨料”,结合面处往往集中的孔隙和微裂缝较多。如果粗糙处理不佳,会使裂缝发展路径不够曲折,延伸和传播速度较快,进而导致过渡区黏结能力弱,此时就难以发挥混凝土强度提高的作用[14]。

将试验组LG1-40、LG1-30、LG2-30、LG3-30的压剪强度与试验组ZJ30的压剪强度进行对比,可以看出法向应力为0.5,1.0,1.5,2.0,2.5 MPa时,各组露骨料试件压剪强度与试验组ZJ30整浇试件相比有一定差距。试验组LG1-40试件压剪强度平均值可达整浇试件的73.7%～84.0%;试验组LG1-30试件压剪强度平均值可达整浇试件的68.5%～78.9%;试验组LG2-30试件压剪强度平均值可达整浇试件的73.5%～88.3%;试验组LG3-30试件压剪强度平均值可达整浇试件的67.2%～85.9%。

a—法向应力0.5 MPa; b—法向应力1.0 MPa; c—法向应力1.5 MPa; d—法向应力2.0 MPa; e—法向应力2.5 MPa。图6 露骨料试件等效系数箱型图及换算深度Fig.6 Box diagrams of equivalence coefficients and conversion depths of exposed aggregate specimens

表2 露骨料试件等效系数及换算深度平均值对比结果Table 2 Comparisons of equivalence coefficients and conversion depth averages for exposed aggregate specimens

随着露骨料处理深度的提高,试件压剪强度整体上先提高后降低,这表明适当处理结合面可以提高试件压剪强度,但过度处理会降低试件压剪强度。分析主要原因是,经过露骨料工艺处理的结合面,其表层形成凹凸不平的骨料外露面,增大骨料接触表面积,骨料间机械咬合力亦随之提高,从而提高了露骨料试件压剪强度;但过度处理会导致骨料间水泥砂浆过少,增大界面间孔隙,使骨料松动或脱落,且易于吸附杂质,进而降低露骨料试件压剪强度[5]。

2)结合面换算深度。

基于3D激光扫描技术具有非接触、客观及可数据化等优点[15],在露骨料试件制作过程中,通过该技术获取结合面形貌信息,如图7所示。在结合面区域内居中选定100 mm×100 mm的基准面,并等距截取50条二维轮廓线,将其坐标数据输入MATLAB中进行量化计算[16],得出基于灌砂法原理下各试件结合面换算深度Sa,其表达式为:

(1)

式中:Sa为试件结合面的换算深度;Hmax,,j为第j条轮廓线上测点高度最大值;Hij为第j条轮廓线上第i个测点高度;m为选定区域内轮廓线数量;n为选定轮廓线内测点数量。

a—手持式激光扫描仪; b—基准面选取; c—二维轮廓线截取。图7 激光扫描仪获取结合面形貌特征Fig.7 The topographic features of the bonding surface obtained by the laser scanner

随着露骨料处理深度的提高,试件换算深度平均值整体上先提高后降低,这表明适当处理结合面可以提高结合面换算深度,但过度处理会降低结合面换算深度,与相应露骨料试件压剪强度的变化规律一致。这表明基于3D激光扫描技术得出的结合面粗糙度参数,可以用来表征露骨料试件压剪强度。

2.3 结合面压剪承载力影响因素分析

土力学及岩石力学领域一般采用内聚力和内摩擦角两项参数评价土和岩石压剪承载力,在低法向应力下,压剪强度与法向应力呈正相关[17]。借鉴以上两参数评价混凝土结合面压剪承载力,以试件压剪强度和所受法向应力为变量,得到各组试件内聚力和内摩擦角的分析结果,见表3。直线方程表达式为:

τ=c+σtanφ

(2)

式中:τ为试件压剪强度;σ为试件所受法向应力;c为试验组内聚力;φ为试验组内摩擦角。

表3 各组试件内聚力与内摩擦角分析结果Table 3 Analysis results of cohesive forces andinternal friction angles of each group of specimens

内聚力c反映试件不受任何法向应力的压剪强度;内摩擦角φ反映试件内部各颗粒之间的摩擦特性。各组试件σ-τ关系曲线见图8。

a—对比后浇层混凝土强度; b—对比涂刷缓凝剂次数。图8 各组试件σ-τ关系曲线Fig.8 The σ-τ curves of each group of specimens

1)后浇层混凝土强度。

如图8a所示,相比于试验组ZJ30,试验组ZJ40的内聚力提高6.0%、内摩擦角提高4.1%;相比于试验组LG1-30,试验组LG1-40的内聚力提高8.7%、内摩擦角提高4.0%。对比试验组ZJ40、ZJ30、LG1-40和LG1-30,可以看出随着混凝土强度的提高,抗剪性能参数提高幅度不足9%。各组试件的σ-τ关系曲线基本平行。

提高后浇层混凝土强度对结合面压剪承载力有一定的提升作用,但提升作用并不显著。分析主要原因是,微观上结合面黏结效果主要靠范德华力和机械咬合力等物理力,随着混凝土强度提高,只有化学作用力明显提高,其他抗力提高不明显[3];宏观上试件压剪承载力与混凝土抗拉强度直接相关,混凝土强度提升一个等级,其抗拉强度提升不多。

2)涂刷缓凝剂次数。

如图8b所示,将试验组LG1-30、LG2-30、LG3-30的内聚力和内摩擦角与试验组ZJ30的内聚力和内摩擦角进行对比,可以看出:随着结合面露骨料处理深度的提高,LG1-30内聚力达到其71.0%,内摩擦角达到其90.6%;LG2-30内聚力达到其85.5%,内摩擦角达到其76.7%;LG3-30内聚力达到其78.4%,内摩擦角达到其77.1%。

露骨料试件内聚力和内摩擦角分别达到整浇试件的71.0%～85.5%和76.7%～90.6%,其中LG2-30的σ-τ关系曲线整体上处于LG1-30和LG3-30的上方,可以看出露骨料试件压剪承载力参数与整浇试件相比仍有一定差距。分析主要原因是,混凝土结合面与整体浇筑混凝土中骨料与水泥砂浆界面过渡区的破坏机理虽然基本相同,但其内部缺陷更严重、初始应力更复杂、裂缝延伸和传播更快,导致结合面承载力明显较弱[3]。

3)法向应力。

根据各试验组的σ-τ关系可知,相同法向应力下LG1-30、LG2-30、LG3-30的结合面压剪强度不同,相同处理等级的结构面,试件压剪强度随着法向应力的增大而增大,压剪强度与法向应力呈正相关,该试验结果与相关研究结果一致[17-19]。

分析主要原因是,随着法向应力的提高,试件破坏形式由粗骨料沿砂浆面滑出的剪胀破坏转化为以粗骨料被截断的剪断破坏,两种不同形式对试件压剪强度影响不同,受剪试件竖向扩张(剪胀作用)受到约束越大,试件压剪强度越高[20]。

3 结束语

1)随着露骨料处理深度提高,试件压剪强度整体上先提高后降低。表明结合面经过适当粗糙处理,可以提高露骨料试件压剪强度,但过度处理会降低露骨料试件压剪强度。

2)随着露骨料处理深度提高,试件换算深度整体上先提高后降低,适当处理结合面可以提高结合面换算深度,但过度处理会降低结合面换算深度,与相应露骨料试件压剪强度的变化规律一致。这表明基于3D 激光扫描技术得出的结合面粗糙度参数,可以用来表征露骨料试件压剪强度。

3)随着后浇层混凝土强度的提高,试件内聚力、内摩擦角提高幅度不足9%。表明提高后浇层混凝土强度,结合面压剪承载力提高效果并不显著。

4)露骨料试件内聚力、内摩擦角分别达到整浇试件的71.0%～85.5%和76.7%～90.6%,与整浇试件相比有一定差距。表明工程中最常用的露骨料工艺尚无法达到等同整浇的要求。

通过混凝土结合面压剪承载力试验研究,得到露骨料工艺处理下不同粗糙度混凝土结合面压剪承载力的变化规律。基于3D激光扫描技术,初步选取一种二维粗糙度表征参数来评价结合面粗糙度,验证该技术应用于结合面粗糙度检测的可行性。后续研究中将考虑多种粗糙处理工艺,进一步引入基于统计学及分形几何理论的二维、三维粗糙度参数,确定更合理的混凝土结合面粗糙度表征参数和量化评价方法,为我国混凝土预制装配式叠合构件的质量控制及验收评价提供参考和数据支撑。