裝配施工用約束墊層混凝土拌和物短期受壓性能

李富民++羅小雅++華慧娟++楊泰++黃朗

摘要：為了檢驗(yàn)新型預(yù)制裝配式混凝土構(gòu)件嵌入式對(duì)接連接中約束墊層混凝土在拌和物狀態(tài)下是否可以承受裝配施工產(chǎn)生的壓力作用，通過(guò)試驗(yàn)研究了約束墊層混凝土拌和物的短期受壓性能，得到了不同厚度約束墊層混凝土拌和物的應(yīng)力應(yīng)變沉降量關(guān)系曲線，建立了隨厚度變化的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。通過(guò)與成熟混凝土對(duì)比，分析了約束墊層混凝土拌和物的受壓性能；通過(guò)對(duì)受壓過(guò)程中水分流失情況的分析，討論了約束墊層混凝土拌和物后期強(qiáng)度發(fā)展。結(jié)果表明：約束墊層混凝土拌和物具有良好的、可控的短期受壓性能，能夠滿足裝配施工需求。

關(guān)鍵詞：預(yù)制裝配；混凝土構(gòu)件；約束墊層；混凝土拌和物；受壓性能

中圖分類(lèi)號(hào)：TU375文獻(xiàn)標(biāo)志碼：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

隨著可持續(xù)發(fā)展和節(jié)能環(huán)保要求的不斷提高，加之建筑業(yè)勞動(dòng)力成本持續(xù)增加，以預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)體系為代表的建筑工業(yè)化得到了越來(lái)越多的重視，其應(yīng)用逐漸升溫[13]。

預(yù)制構(gòu)件之間的連接對(duì)于預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)的裝配施工性能和服役力學(xué)性能的影響至關(guān)重要[47]，因此深入研究預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)的連接方式對(duì)建筑工業(yè)化發(fā)展有著重要意義。

各國(guó)關(guān)于預(yù)制構(gòu)件連接的設(shè)計(jì)規(guī)范/規(guī)程不同[815]，導(dǎo)致其連接方式的分類(lèi)也各不相同，但是基于施工方法不同而分類(lèi)的干連接和濕連接體系已被廣泛使用?？紤]到抗震性能上的差異[1618]，現(xiàn)階段濕連接運(yùn)用更為廣泛。由于濕連接方式（包括整澆式連接和部分現(xiàn)澆連接）的預(yù)制率不是很高，從嚴(yán)格意義上來(lái)講仍是現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的一種延續(xù)，因此現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)澆工作量依然較大，與建筑工業(yè)化發(fā)展方向并不十分吻合；此外，現(xiàn)有的濕連接方式還存在連接處形成承載力時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，待連接縱筋伸出構(gòu)件輪廓之外而導(dǎo)致運(yùn)輸防護(hù)難度大，連接用灌漿套筒最小凈距及其保護(hù)層厚度難以保證，連接界面處的順縫抗剪能力削弱較為明顯等問(wèn)題。因此，有必要對(duì)裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)連接形式及節(jié)點(diǎn)連接設(shè)計(jì)方法進(jìn)行創(chuàng)新性研究[1921]。

在此背景下，筆者所在課題組針對(duì)現(xiàn)有連接方式中存在的問(wèn)題，發(fā)明了一種新型預(yù)制混凝土構(gòu)件對(duì)接連接方式——嵌入式對(duì)接連接[22]。該連接中，2個(gè)預(yù)制構(gòu)件通過(guò)形狀尺寸相適配的凹坑和凸起并輔以混凝土墊層緊密相連，同時(shí)在2個(gè)預(yù)制構(gòu)件之間形成后封槽帶；縱筋連接采用“縱筋—套筒—連接螺桿—套筒—縱筋”的連接方式，實(shí)現(xiàn)裝配式結(jié)構(gòu)中對(duì)接構(gòu)件的縱向鋼筋承力連貫，同時(shí)連接螺桿與兩端套筒的連接可通過(guò)兩端螺距之差形成預(yù)應(yīng)力連接效果。施工時(shí)，將凸起插入凹坑之前，先向凹坑的底部填充墊層，墊層起到坐漿、調(diào)整尺寸差等作用。由于受到凹坑的側(cè)向約束，墊層混凝土在結(jié)硬前即保有整體抗壓能力，因此不需要等待混凝土凝結(jié)即可實(shí)現(xiàn)2個(gè)預(yù)制構(gòu)件之間的預(yù)壓連接。這種新型的預(yù)制構(gòu)件連接方式一方面可以加強(qiáng)連接界面的受剪能力，另一方面可以解決上文提到的現(xiàn)有連接方式存在的問(wèn)題。

在這種新型預(yù)制混凝土構(gòu)件的對(duì)接連接中，約束混凝土墊層扮演著重要角色。為了保證2個(gè)預(yù)制構(gòu)件間的對(duì)接連接能順利進(jìn)行，在下部預(yù)制構(gòu)件凹坑的約束下，處于軟塑狀態(tài)下的墊層混凝土在結(jié)硬前必須要具有足夠的整體抗壓能力。為了檢驗(yàn)這種設(shè)想是否可行，本文設(shè)計(jì)了5種不同厚度的約束混凝土墊層試件，對(duì)其進(jìn)行了短期受壓試驗(yàn)，得到不同厚度約束墊層混凝土拌和物的應(yīng)力應(yīng)變沉降量關(guān)系曲線，建立其應(yīng)力應(yīng)變厚度關(guān)系經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，綜合分析其受壓特征以及后期強(qiáng)度發(fā)展，為約束混凝土墊層在快速裝配施工中的應(yīng)用提供依據(jù)。

1試驗(yàn)方案

1.1試驗(yàn)材料

制備墊層混凝土?xí)r，采用強(qiáng)度等級(jí)為42.5的普通硅酸鹽水泥作為膠凝材料；細(xì)骨料為徐州本地產(chǎn)細(xì)河砂；水取徐州當(dāng)?shù)仄胀ㄗ詠?lái)水；為避免粗骨料粒徑太大而在墊層受壓過(guò)程中被壓碎影響試驗(yàn)結(jié)果，采用粒徑為5～10 mm的碎石作為粗骨料。

試驗(yàn)中設(shè)計(jì)墊層混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50，配合比見(jiàn)表1。

本文試驗(yàn)研究的是預(yù)制混凝土構(gòu)件嵌入式對(duì)接連接中約束墊層混凝土拌和物在軟塑狀態(tài)下的受壓性能，倘若按一定比例縮小預(yù)制混凝土構(gòu)件的尺寸進(jìn)行試驗(yàn)，由于墊層混凝土厚度相對(duì)于預(yù)制構(gòu)件來(lái)說(shuō)高度過(guò)小，測(cè)出的壓縮變形主要是2個(gè)對(duì)接連接預(yù)制構(gòu)件中發(fā)生的壓縮變形，墊層的變形會(huì)被掩蓋。為此，本文采用鋼制蓋板和凹形鋼模分別模擬上、下對(duì)接構(gòu)件，然后將墊層混凝土拌和物倒入鋼模中，于是蓋板、鋼模和墊層混凝土拌和物三者共同組成了嵌入式對(duì)接連接節(jié)點(diǎn)試件，試件設(shè)計(jì)如圖1所示，其中t為墊層混凝土厚度，不同的試件t值不同；試件組號(hào)與墊層混凝土厚度如表2所示。

2.1受壓曲線及其特征

加載過(guò)程中，試驗(yàn)力和位移數(shù)據(jù)由壓力機(jī)自動(dòng)采集；根據(jù)采集到的試驗(yàn)力和位移計(jì)算出各試件的應(yīng)力和應(yīng)變，并把位移視作沉降量，然后繪制出各組試件的應(yīng)力應(yīng)變沉降量曲線，如圖3所示。

觀察應(yīng)力應(yīng)變曲線還可以發(fā)現(xiàn)：在相同應(yīng)力條件下，S1組墊層（厚度最小）的應(yīng)變最大；當(dāng)墊層厚度大于40 mm時(shí)，相同應(yīng)力下的應(yīng)變呈現(xiàn)微弱的下降趨勢(shì)，但總體來(lái)說(shuō)變化不大。這是因?yàn)?0 mm的墊層厚度太薄，在壓應(yīng)力作用下墊層內(nèi)的石子容易被壓碎而引起沉降（觀察過(guò)程中確實(shí)發(fā)現(xiàn)該墊層試件中存在石子被壓碎的現(xiàn)象），所以應(yīng)變最大。墊層厚度大于40 mm后應(yīng)變基本一樣，說(shuō)明在約束墊層混凝土拌和物中石子不被壓碎的條件下，不同厚度墊層混凝土拌和物的塑性變形性能相差不大。

2.2受壓水分流失

開(kāi)始加載時(shí)，隨著鋼蓋緩慢向下發(fā)生位移，拌和物墊層內(nèi)發(fā)出“嗞嗞”的響聲，并有少量水泥漿伴隨著水快速?gòu)陌伎拥乃倪呄蛲庖绯觯@說(shuō)明拌和物在荷載作用下被擠壓重組。之后隨著荷載的增大，不再溢出水泥漿，但還有清水繼續(xù)往外溢出，溢出速度逐漸變慢，直至加載結(jié)束，見(jiàn)圖4。這是因?yàn)榧虞d初期墊層混凝土拌和物內(nèi)必然會(huì)存在較多孔隙，此時(shí)黏稠的水泥漿可以被擠出；隨著荷載增大，孔隙率逐漸減小，黏稠的水泥漿不再能被擠出，只有清水還可繼續(xù)被擠出，只不過(guò)擠出的速率也會(huì)隨孔隙率的不Fig.4Water Loss Phenomenon in Compression Process斷減小而減小。

加載結(jié)束后，移走鋼蓋，觀察到墊層混凝土拌和物已被壓實(shí)，上表面中心處相對(duì)更為干燥，一部分小石子顆粒顯現(xiàn)，而四周拌和物則相對(duì)較為濕潤(rùn)（圖5）。這說(shuō)明墊層中的水分在擠壓過(guò)程中從中心向四周流動(dòng)，最后從四周蓋板與鋼模之間的縫隙中向上溢出。

3建模與討論

3.1隨墊層厚度變化的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系預(yù)計(jì)模型

上文通過(guò)應(yīng)力應(yīng)變及應(yīng)力沉降量曲線的特征定性描述了約束墊層混凝土拌和物的抗壓性能，為了能夠定量分析混凝土拌和物的受壓性能，現(xiàn)借助統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行非線性回歸分析，從而建立約束墊層混凝土的應(yīng)力應(yīng)變（σε）關(guān)系預(yù)計(jì)模型，其中考慮墊層厚度t的影響。

通過(guò)觀察試件的應(yīng)力應(yīng)變曲線形狀，發(fā)現(xiàn)曲線符合指數(shù)型函數(shù)的走勢(shì)，通過(guò)試擬合發(fā)現(xiàn)，BoxLucas1型指數(shù)函數(shù)能夠較好地適應(yīng)曲線要求，式（1）是該類(lèi)型函數(shù)的一般表達(dá)式；通過(guò)進(jìn)一步試算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)應(yīng)變相同時(shí)，墊層厚度與應(yīng)力的關(guān)系也可用指數(shù)關(guān)系描述。于是，最終將2個(gè)指數(shù)函數(shù)相乘，得到所需的回歸模型表達(dá)式，如式（2）所示。

σ=a[1-exp（-bε）]（1）

σ=a[1-exp（-bε）]tc（2）

式中：a，b，c均為待定系數(shù)。

以式（2）為目標(biāo)模型，利用統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)5組墊層試件的應(yīng)力、應(yīng)變及厚度數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行非線性回歸分析，得到a，b，c三個(gè)待定系數(shù)的估計(jì)值及標(biāo)準(zhǔn)差，以及總體確定性系數(shù)R2，如表5所示。從表5可以看出，各待定系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差均很小，總體確定性系數(shù)也非常接近于1，這說(shuō)明回歸結(jié)果對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的擬合度較高。將待定系數(shù)的估計(jì)值代入式（2），即可得到隨厚度變化的墊層混凝土拌和物應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系預(yù)計(jì)模型，如式（3）所示

Tab.5Regression Results of Prediction Model待定系數(shù)估計(jì)值標(biāo)準(zhǔn)差R2a-0.1470.021b-15.2890.497c0.8480.0200.900隨厚度變化的約束墊層混凝土拌和物應(yīng)力應(yīng)變模型如圖6所示。利用該模型分別計(jì)算厚度為20 mm和40 mm約束墊層（實(shí)際工程中墊層厚度宜在20～50 mm之間）的應(yīng)力應(yīng)變曲線，并與本文試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，結(jié)果如圖7所示，從而進(jìn)一步驗(yàn)證模型結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果具有較好的擬合度。

Results and Fitting Results模型系統(tǒng)反映了約束墊層混凝土拌和物的短期受壓性能；運(yùn)用該模型可對(duì)嵌入式對(duì)接連接墊層進(jìn)行裝配施工控制，在墊層混凝土的厚度及裝配施工過(guò)程中承受的應(yīng)力確定后，就能根據(jù)該模型計(jì)算得到墊層受壓過(guò)程中的應(yīng)變，進(jìn)而得到墊層的沉降量，從而主動(dòng)控制和調(diào)節(jié)裝配施工過(guò)程中墊層的壓縮變形，減小裝配施工中因墊層變形引起的尺寸不協(xié)調(diào)問(wèn)題。

3.2與成熟混凝土短期受壓性能對(duì)比

約束混凝土拌和物的受壓性能是在新型裝配式混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)展中出現(xiàn)的一個(gè)新命題，之前尚未見(jiàn)到其他相關(guān)研究報(bào)道；為了探討其受壓性能的獨(dú)特性，這里將其與常規(guī)發(fā)育成熟的混凝土受壓性能進(jìn)行對(duì)比。圖8為根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010—2010）中混凝土材料參數(shù)繪制出的常規(guī)發(fā)育成熟的C50混凝土單軸受壓應(yīng)力應(yīng)變曲線與本文100 mm厚約束墊層混凝土拌和物的受壓應(yīng)力應(yīng)變曲線對(duì)比。

Concrete and Restrained Concrete Mixture從圖8可以看出，發(fā)育成熟的C50混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線總體上由上升段、下降段和殘余段組成，其中上升段又可分為3個(gè)階段，即彈性階段、彈塑性強(qiáng)化階段（微裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段）以及塑性強(qiáng)化階段（宏觀裂縫不穩(wěn)定擴(kuò)展階段），上升段終點(diǎn)對(duì)應(yīng)的峰值應(yīng)變?chǔ)?≈0.002，之后隨著應(yīng)變的增大，應(yīng)力開(kāi)始急速下降，曲線進(jìn)入下降段。由此可以看出，成熟混凝土的全程受壓過(guò)程實(shí)際是固體物在受壓中損傷不斷發(fā)展和累積及性能不斷退化直至破壞的過(guò)程。

新拌C50混凝土拌和物的約束受壓應(yīng)力應(yīng)變曲線在測(cè)試范圍內(nèi)一直處于上升階段，且隨著應(yīng)變的增加，應(yīng)力的增加速度逐漸加快，這意味著其受壓剛度在逐漸增大，實(shí)際上類(lèi)似于散體物逐漸壓實(shí)的過(guò)程，該過(guò)程中所完成的變形幾乎全是塑性變形?？梢灶A(yù)計(jì)，在本文試驗(yàn)之后如果繼續(xù)加載，由于拌和物受到周?chē)募s束作用，應(yīng)力和剛度還可繼續(xù)增大，直到后期主要承壓的石子被大量壓碎時(shí)才可能出現(xiàn)剛度退化。

3.3墊層混凝土后期強(qiáng)度發(fā)展預(yù)期

約束墊層混凝土拌和物在受壓過(guò)程中發(fā)生了水分流失，這將造成混凝土水灰比的變化，從而對(duì)墊層混凝土后期強(qiáng)度發(fā)展產(chǎn)生影響。

水泥石結(jié)構(gòu)中的水以多種形式存在，根據(jù)水從水泥石中失去的難易程度，可以將水劃分為毛細(xì)管水、物理吸附水、層間水和化學(xué)結(jié)合水，其中只有化學(xué)結(jié)合水存在于各組成水化物晶體結(jié)構(gòu)中。由于這4種形式的水很難定量測(cè)定，所以從實(shí)用角度出發(fā)，可將硬化水泥石中的水分為蒸發(fā)水和非蒸發(fā)水2類(lèi)。非蒸發(fā)水主要是指化學(xué)結(jié)合水，蒸發(fā)水主要指前3種水，也就是在固定條件下能除去的水，除去它們的方法包括105 ℃加熱干燥、干冰干燥（又稱(chēng)D干燥法）等方法[23]。

普通硅酸鹽水泥材料中不同礦物組分與水反應(yīng)生成的水化產(chǎn)物不同時(shí)所結(jié)合的非蒸發(fā)水量是不一樣的，水泥完全水化時(shí)各主要組成礦物的結(jié)合水量見(jiàn)表6[24]。

從表6可以看出，普通硅酸鹽水泥組分中，鋁酸三鈣完全水化時(shí)的結(jié)合水量最大，在0.5左右，考慮到普通硅酸鹽水泥中的鋁酸三鈣含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）僅為7%～15%，而硅酸三鈣和硅酸二鈣的含量占到總量的75%～82%[24]，因此水泥完全水化時(shí)的結(jié)合水量應(yīng)該在0.2左右；根據(jù)Powers水化理論[24]，每克硅酸鹽水泥完全水化時(shí)會(huì)有0.227 g水成為結(jié)合水。本文試驗(yàn)中各組墊層混凝土拌和物受壓后的水灰比均大于0.227，所以均能滿足水泥水化的需求。在能滿足水泥水化的條件下，水灰比越小，其強(qiáng)度發(fā)展得越大。因此，在墊層混凝土拌和物受壓后的水化過(guò)程中能夠保證良好養(yǎng)護(hù)的條件下，預(yù)計(jì)約束墊層混凝土的后期強(qiáng)度都將發(fā)展得比設(shè)計(jì)強(qiáng)度更高，完全可以滿足裝配完成后節(jié)點(diǎn)墊層混凝土的受壓需求。4結(jié)語(yǔ)

（1）約束墊層混凝土拌和物在受壓過(guò)程中，隨著壓力（應(yīng)力）的增大，沉降量和應(yīng)變的增大速率均是先快后慢，形成了壓縮剛度不斷增大的趨勢(shì)；在設(shè)計(jì)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)應(yīng)力以?xún)?nèi)的受壓過(guò)程中，發(fā)生了較大的壓縮變形（應(yīng)變最高為0.17左右），但變形發(fā)展比較穩(wěn)定，裝配施工中變形可控性良好；該受壓過(guò)程實(shí)際是疏松混凝土拌和物不斷被壓實(shí)的過(guò)程，與成熟混凝土的全程受壓過(guò)程（固體物損傷不斷發(fā)展和累積過(guò)程）存在顯著差別。

（2）墊層厚度對(duì)其受壓性能有一定影響，厚度越薄，應(yīng)變發(fā)展越快；同時(shí)，隨厚度的逐漸增大，其對(duì)受壓性能的影響顯著性逐漸減弱?；谠囼?yàn)結(jié)果，通過(guò)回歸方法建立了隨厚度變化的約束墊層混凝土拌和物應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系預(yù)計(jì)模型，便于主動(dòng)控制和調(diào)節(jié)裝配施工過(guò)程中墊層的壓縮變形，減小裝配施工中因墊層變形引起的尺寸不協(xié)調(diào)問(wèn)題。

（3）約束墊層混凝土拌和物在受壓過(guò)程中發(fā)生了水分流失，從而引起混凝土水灰比的減小，但是流失掉的水量并不影響混凝土完全水化所需水量，因而對(duì)墊層混凝土后期強(qiáng)度發(fā)展不會(huì)產(chǎn)生不利影響，可以滿足裝配完成后節(jié)點(diǎn)墊層混凝土的受壓需求。參考文獻(xiàn)：

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