ALC板专用砂浆早期抗剪黏结性能试验与数值模拟研究

2023-12-01欧阳德光朱利平

硅酸盐通报 2023年11期

欧阳德光,朱利平,郭旭,静行

(1.河南工业大学土木工程学院,郑州 450001;2.中国建筑第七工程局有限公司,郑州 450004)

0 引言

近年来,伴随新材料、新技术的出现,装配式建筑成为当下的研究热点,推动了住宅墙体的发展,也带动了蒸压轻质混凝土(autoclaved lightweight concrete, ALC)板的开发和应用。ALC板作为一种轻质、稳定、性能优越的绿色环保墙体材料,广泛应用于住宅以及工业建筑外墙、内隔墙和屋面板等,在建筑围护系统中发挥着重要作用[1]。

ALC板填充墙体通常由成品单板通过黏结砂浆进行拼接,并以特定的工法与主体框架连接成整体,以实现二者间的协同工作,墙板与砂浆间优良的黏结性能对于填充墙体抵抗不同类型荷载作用至关重要。ALC板具有孔隙率高、吸水性强的特点,会大量吸收普通砂浆中的水分,造成砂浆内部水化不充分、黏结强度不达标、变形能力差等问题[2],进而削弱填充墙体的抗剪性能,使得墙体接缝在外荷载作用下容易开裂,这不仅影响墙体的美观性,还可能降低墙体的整体强度和稳定性。针对这些问题,国内外学者通过优化砂浆配合比、添加外加剂和对接缝进行不同工艺处理等方式,以提高砂浆的黏结强度和抗裂性能。易晓园等[3]对蒸压加气混凝土砌块配套砌筑砂浆配合比进行优化,优化后的砂浆在保水性、抗压强度以及收缩值等方面相较于普通砂浆均有大幅提高。徐春一等[4]通过正交试验确定了蒸压加气混凝土砌块专用黏结剂的最优配合比,指出专用黏结剂拉伸黏结强度、立方体抗压强度与粉煤灰、水泥的用量有关。Papaioannou等[5]研究了聚合物含量对砂浆力学性能的影响,发现添加聚合物能提高砂浆与砌块之间的黏结强度,但含量过高会降低砂浆的抗压强度。Raj等[6]研究了不同配合比的普通水泥砂浆和聚合物改性砂浆的黏结强度,并提出了一种在不改变块体表面特性的情况下提高普通水泥砂浆黏结强度的方法。

目前大多数学者主要关注ALC板专用砂浆在养护28 d后的黏结性能,而针对早期黏结性能发展变化规律的研究还很有限。然而在ALC板安装早期不可避免地会承受面内荷载,使得黏结面受剪切力,砂浆的抗剪强度发展不足将导致黏结面开裂从而影响墙体的整体性并造成安全隐患,因此,研究ALC板专用砂浆的早期黏结性能发展规律至关重要。本文设计并制作了4组专用砂浆黏结Z型试件(分别养护1、2、3、5 d)和1组普通砂浆黏结Z型试件(养护28 d),通过单面剪切试验,研究了专用砂浆在早期养护的抗剪黏结性能,同时利用有限元软件ABAQUS对专用砂浆黏结面的受剪行为进行分析,为提高ALC板的安装质量和工程应用提供理论依据和试验参考。

1 实验

1.1 试验材料

试块由河南兴安新型建筑材料有限公司生产的ALC板切割而成,试块强度等级为A3.5,干密度等级为B05,材料基本性能如表1所示。

专用砂浆由河南兴安新型建筑材料有限公司生产,主要由普通硅酸盐水泥、调凝剂(快硬硫铝酸盐水泥)、石英砂、增稠剂(纤维素醚类)和胶粉(醋酸乙烯酯和乙烯共聚物)组成,各组分配合比见表2。产品设计强度为M5,按照水和干粉砂浆质量比为1∶5进行配制,采用砂浆搅拌机进行搅拌。制备边长为70.7 mm的立方体试块,在标准养护28 d后的平均抗压强度为5.7 MPa。

表2 专用砂浆组分配合比Table 2 Component mix ratio of special mortar

普通砂浆按照《砌筑砂浆配合比设计规程》(JGJ/T 98—2010)规定进行配制,设计强度等级同为M5,配合比为水泥和中砂质量比1∶6,水泥选用等级为32.5的矿渣硅酸盐水泥。制备边长为70.7 mm的立方体试块,在标准养护28 d后的平均抗压强度为6.2 MPa。

1.2 试件制作

参考国内外结合面抗剪的相关研究[7-8],综合考虑加载可行性、加载设备适用性及截面上应力分布均匀性等因素后,试验选用Z型试件,其几何尺寸如图1所示。Z型试件是由切割好的两块相同尺寸的L型ALC试块通过黏结砂浆黏结而成。按砂浆类型和养护龄期的不同制作了4组专用砂浆黏结试件和1组普通砂浆黏结试件,每组3个,共15个Z型试件,试件编号见表3。为有效防止ALC试块内部的毛细作用吸取砂浆内的水分,Z型试件制作前先将ALC试块浸入水中2 h,取出后放置于干燥通风处,使其表面没有明水,然后将配制好的砂浆涂抹在试块黏结面,专用砂浆黏结厚度为4～6 mm,普通砂浆黏结厚度为9～11 mm,黏结面尺寸均为200 mm×90 mm,试件成型后置于室内自然养护至相应龄期,如图2所示。

图1 试件几何尺寸(单位:mm)Fig.1 Geometric dimensions of specimen (unit: mm)

图2 试件实物Fig.2 Physical picture of specimen

表3 试件编号Table 3 Specimen number

1.3 试验装置及加载方案

试验加载采用WDW-50型微机控制电子万能试验机,试验机最大荷载50 kN。试件竖直放置于试验机上,并在试件上下压头中线处各放一个宽3 cm、厚2 cm的钢条,使黏结面与加载中心线一致,可近似认为在试件中线处产生集中力。在黏结面上端布置数显千分表用于测量试块间的相对滑移,如图3所示。试验采用位移加载的控制方式,加载速率为0.05 mm/min。正式加载之前按预估破坏极限荷载的10%进行预压,记录试件破坏时的极限荷载Pu,根据式(1)计算黏结面的抗剪强度。

图3 加载示意图Fig.3 Diagram of loading

(1)

式中:fv为黏结面抗剪强度,MPa;Pu为极限荷载,N;b为试件宽度,mm;h为试件黏结面高度,mm。

2 结果与讨论

2.1 破坏形式

剪切试验过程中,所有试件破坏前均未见明显裂缝,表现出脆性破坏特征,破坏形式可分为三类:I类破坏,试块-砂浆界面破坏(见图4(a));II类破坏,砂浆层破坏(见图4(b));III类破坏,试件侧腰部破坏(见图4(c))。普通砂浆黏结试件主要发生I类破坏,砂浆与试块间的黏结主要依靠砂浆中结构稳定的水化产物进入试块表面孔隙中形成机械互锁[9],由于普通砂浆保水性差,砂浆内部水化产物不足,使得试块-砂浆界面处黏结作用较弱,受到剪切荷载时试块-砂浆界面发生分离,未充分发挥出普通砂浆自身强度。专用砂浆黏结试件在养护不超过3 d时,均为II类破坏,由于添加有外加剂,试块-砂浆界面水化产物丰富,黏结较为紧密,在较高的剪应力作用下砂浆层发生破坏。随着养护龄期的增加,当专用砂浆黏结面的抗剪强度较高时,试件侧腰部因受拉先于黏结面发生破坏,为III类破坏。

金融结构的演化过程一般是有一定的规律可循的，也就是在一开始的债务融资占据主要地位到后来权益融资占据主要地位，最终该模式保持在一个稳定的状态之下。根据其概念一般他的演化可以从多个方面进行分析。

2.2 抗剪强度

各试件的剪切试验结果见表4。普通砂浆黏结面在养护28 d后的抗剪强度较低,平均抗剪强度为0.084 MPa。专用砂浆黏结面在养护1 d后的平均抗剪强度可达0.298 MPa,是普通砂浆黏结面养护28 d后抗剪强度的3.5倍,专用砂浆黏结面在养护2、3 d后的平均抗剪强度分别为0.369和0.451 MPa,相较于养护1 d时分别增大了23.8%和51.3%。在养护5 d后,剪切试验结果为试件侧腰部受拉破坏而砂浆黏结面未发生破坏,表明养护5 d后黏结面的抗剪强度大于ALC试块基体的抗拉强度。上述结果表明专用砂浆的抗剪强度随养护龄期的增加而增大,相较于普通砂浆,其早期黏结强度较高,并且发展较为迅速,主要原因在于专用砂浆中调凝剂的主要成分快硬硫铝酸盐水泥内的无水硫铝酸钙水化活性高,并且无水硫铝酸钙和硅酸盐中的硅酸三钙能够相互促进水化反应的进行,在短时间内产生较多的钙矾石晶体,形成坚硬骨架结构,使得专用砂浆在早期即可获得较高的黏结强度[10-12]。由于养护5 d后的试件均非黏结面剪切破坏,在后续的内容中不再对其进行分析。

表4 试件剪切试验结果Table 4 Shear test results of specimens

2.3 荷载-滑移曲线

试件在加载过程中的荷载-滑移曲线见图5。由图5可知,专用砂浆黏结试件的荷载-滑移曲线大致可分为两段:第一段为弹性受力阶段,在0～0.9Pu受力范围内,砂浆黏结面整体呈线弹性,滑移量随荷载的增加线性增大;第二阶段为塑性受力阶段,当荷载为0.9Pu～Pu时,砂浆黏结面损伤并出现局部滑移,此时滑移增长速率大于荷载增长速率,试件的剪切刚度逐渐降低,当荷载达到Pu时,砂浆出现裂纹并迅速贯通截面,试块立即脱离,未能采集到曲线的下降段。

图5 试件在加载过程中的荷载-滑移曲线Fig.5 Load-slip curves of specimens in loading process

普通砂浆黏结试件的黏结面表现出较高的脆性,其荷载-滑移曲线只有弹性受力阶段,并且极限滑移量仅为专用砂浆黏结试件的12%～15%,但其剪切刚度相较于专用砂浆黏结试件增大了28%～50%。产生该差异的主要原因在于专用砂浆黏结试件为砂浆层剪切破坏,砂浆中的胶粉聚合物颗粒能够填充砂浆内部的毛细孔,并在砂浆内部聚合形成一层具有黏聚力的聚合物膜,与硬化水泥浆体形成互穿网状结构,该结构具有活动接头功能,可以保证砂浆内部刚性骨架的弹性和韧性,增强了专用砂浆的塑性变形能力[13],而普通砂浆黏结面内填充在试块粗糙表面的骨料韧性较差,被剪断后试块立即破坏。

不同养护龄期下专用砂浆黏结面的平均剪切刚度和平均极限滑移量如图6所示。由图6可知,随着养护龄期的增加,试件黏结面的平均剪切刚度和平均极限滑移量均有小幅增大,相较于养护1 d的试件,养护2、3 d后试件的平均剪切刚度分别增大了12.1%和17.3%,平均极限滑移量分别增大了3.4%和18.9%。

图6 不同养护龄期下专用砂浆黏结面的平均剪切刚度和平均极限滑移量Fig.6 Average shear stiffness and average ultimate slip of special mortar bond surface at different curing ages

3 数值模拟分析

3.1 单元选择与边界条件

基于ABAQUS软件对专用砂浆黏结Z型试件进行有限元分析。采用分离式建模方法,对ALC试块和专用砂浆分别建模并赋予相应的材料属性和单元类型,ALC试块和钢垫块均采用实体单元C3D8R,专用砂浆采用基于单元的零厚度黏结单元COH3D8。垫块与ALC试块之间采用Tie连接。通过位移加载对上部垫块的上表面参考点施加竖向荷载,对下部垫块的下表面施加完全固定约束,建立的三维有限元模型如图7所示。

图7 有限元模型Fig.7 Finite element model

3.2 ALC材料本构

采用混凝土损伤塑性(concrete damage plasticity, CDP)模型模拟ALC的拉裂和压碎,CDP模型参数取值见表5[14]。

表5 CDP模型参数Table 5 Parameters of CDP model

ALC单轴受压应力-应变本构模型[15]如式(2)所示。

(2)

ALC受拉应力-应变本构采用三折线模型[16],如式(3)所示。

(3)

式中:x=εt/εty,y=σt/σty,εt为混凝土拉应变,σt为混凝土拉应力,fty为ALC单轴抗拉强度,εty为fty对应的拉应变。根据生产厂家提供的检测报告并参考文献[14],ALC基本力学性能参数见表6。

表6 ALC基本力学性能参数Table 6 Basic mechanical property parameters of ALC

3.3 专用砂浆黏结面设置

采用双线性的牵引力-分离模型描述专用砂浆黏结面黏聚力与相对位移的关系。牵引力-分离模型包含三大准则:初始线弹性准则、损伤判定准则和损伤演化准则[17]。在应力分量满足损伤判定准则之前可采用非耦合的刚度矩阵K(非对角元素为零)定义界面的弹性行为,如式(4)所示。

(4)

式中:t、K、δ分别为黏结面应力向量、刚度矩阵和位移向量,tn、ts、tt分别为黏结面的法向拉应力和两个切向剪应力,δn、δs、δt分别为应力分量tn、ts、tt对应的位移。

采用二次应力准则作为试件的损伤判定准则,如式(5)所示。损伤产生后采用基于能量的混合模式作为试件的损伤演化准则[18],如式(6)所示。

(5)

(6)

式中:tn0、ts0、tt0分别为黏结面法向最大拉应力和两个切向最大剪应力,Gn、Gs、Gt分别为黏结面应力法向分量和两个切向分量所做的功,Gnc、Gsc、Gtc分别为黏结面法向和两个切向的失效断裂能。

牵引力-分离定律主要由三个参数控制,即黏结面的临界黏结强度、初始刚度和断裂能。基于黏结砂浆材料试验和试件剪切试验结果,参考文献[15,19-20]进行分析并通过模拟计算,确定了模型中黏结单元的主要参数,如表7所示。

表7 黏结单元参数Table 7 Parameters of cohesive elements

3.4 数值模拟结果分析

3.4.1 极限荷载

将有限元模拟得到的荷载-滑移曲线与试验结果进行对比,如图8所示,可以看出,有限元模拟的荷载-滑移曲线在弹性受力阶段与试验结果吻合较好。有限元模拟的极限荷载与试验结果对比见表8,各试件的极限荷载模拟值与试验值的误差均在10%以内,由此表明牵引力-分离定律可以较好地模拟专用砂浆黏结面的受剪行为。

图8 有限元模拟荷载-滑移曲线与试验结果对比Fig.8 Comparison of load-slip curves of finite element simulation and test results

表8 有限元模拟极限荷载与试验结果对比Table 8 Comparison of ultimate load of finite element simulation and test results

3.4.2 破坏特征

试件在极限荷载作用下的最大主应力云图如图9所示。由图9可知,试件在极限荷载下的最大主应力主要集中在砂浆黏结面和试件侧腰部,当专用砂浆黏结面的抗剪强度低于试件的抗拉强度时表现为砂浆层剪切破坏。以养护1 d的试件为例对砂浆黏结面破坏过程进行分析。在荷载未达到0.9Pu时,黏结单元保持线弹性;当荷载达到0.9Pu时,黏结面上下两端的部分黏结单元损伤起始(QUADSCRT=1)并且刚度开始退化,如图10(a)所示;当达到极限荷载Pu时,黏结单元刚度下降29.5%,如图10(b)所示,图中SDEG表示黏结单元刚度下降率;随着荷载的持续作用,试件承载力随黏结单元刚度的退化而迅速降低,试块间的滑移也迅速增长,最终部分黏结单元因刚度完全退化(SDEG=1)而消失,如图10(c)所示,此时砂浆的黏聚力失效,试件剪切破坏。值得注意的是,随着荷载不断增加,试件侧腰部的拉应力不断增大,拉伸损伤逐步扩展,当砂浆黏结面的抗剪强度高于试块的抗拉强度时,试件侧腰部因受拉发生破坏,这与养护5 d后的试件破坏形式相吻合,如图11所示。以上结果再次充分验证了牵引力-分离定律模拟专用砂浆黏结行为的合理性和可靠性。