預(yù)制與后澆混凝土粘結(jié)后的動(dòng)態(tài)劈拉性能

曹 海， 馬芹永(.安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院， 安徽 淮南 23200； 2.黃山學(xué)院 建筑工程學(xué)院， 安徽 黃山 24504)

在裝配式混凝土結(jié)構(gòu)中，預(yù)制混凝土與后澆混凝土粘結(jié)后材料的力學(xué)性能是結(jié)構(gòu)共同工作的基礎(chǔ).近年來，許多學(xué)者[1-5]研究了預(yù)制與后澆混凝土粘結(jié)后的軸拉、劈拉、抗折和抗剪性能等，但這些研究都集中于預(yù)制與后澆混凝土的靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能.隨著裝配式混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大[6]，在其破壞過程中勢(shì)必受到動(dòng)態(tài)荷載的作用，如爆炸沖擊、地震作用和機(jī)械振動(dòng)等，它們均涉及到預(yù)制與后澆混凝土粘結(jié)后的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能.但目前對(duì)于預(yù)制與后澆混凝土粘結(jié)后在動(dòng)態(tài)荷載作用下的力學(xué)性能的研究開展還不多.因此，本文利用φ74變截面鋼質(zhì)分離式霍普金森壓桿(SHPB)裝置對(duì)預(yù)制與后澆混凝土粘結(jié)后的試件進(jìn)行動(dòng)態(tài)沖擊劈拉試驗(yàn)，研究粘結(jié)面粗糙度、應(yīng)變率對(duì)其動(dòng)態(tài)劈拉性能的影響及變化規(guī)律，以期為裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的推廣應(yīng)用提供試驗(yàn)依據(jù).

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 原材料及試件制備

水泥選用P·O 42.5R級(jí)普通硅酸鹽水泥，砂子采用細(xì)度模數(shù)為2.7的普通河砂，石子選用粒徑為5～10mm連續(xù)級(jí)配碎石，攪拌用水選用自來水.預(yù)制混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，后澆混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35，采用的配合比如表1所示.測(cè)得C30和C35的混凝土立方體試塊抗壓強(qiáng)度分別為39.5，45.4MPa.

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

提前在模板內(nèi)澆筑18.5mm厚預(yù)制混凝土，然后在預(yù)制混凝土硬化前在其粘結(jié)面上作拉毛處理，參考新老混凝土粘結(jié)后靜態(tài)抗拉性能試驗(yàn)結(jié)果[1-2]，將粘結(jié)面分成A，B和C這3種類型，采用灌砂法[7]測(cè)量其表面粗糙度(h)，其中A型粘結(jié)面粗糙度為1.15～1.56mm，B型粘結(jié)面粗糙度為2.56～3.12mm，C型粘結(jié)面粗糙度為4.44～5.12mm.本試驗(yàn)中C型粘結(jié)面類型基本對(duì)應(yīng)JGJ 1—2014《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中6.5.5條規(guī)定，即預(yù)制板粗糙面的面積不宜小于結(jié)合面的80%,粗糙面凹凸深度不應(yīng)小于4mm.后澆混凝土厚度也為18.5mm，澆筑后標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d，得到預(yù)制與后澆混凝土粘結(jié)試件.已有研究表明[8-10]，在SHPB試驗(yàn)中，當(dāng)試件長(zhǎng)徑比為0.5時(shí)，慣性效應(yīng)和摩擦效應(yīng)最小，因此對(duì)整塊預(yù)制與后澆混凝土板進(jìn)行鉆芯取樣、打磨成φ74×37mm 圓柱體標(biāo)準(zhǔn)試件.同時(shí)制作3種粘結(jié)面類型的150mm×150mm×150mm靜態(tài)劈拉試驗(yàn)試件(預(yù)制與后澆混凝土部分的尺寸均為150mm×150mm×75mm，粘結(jié)面為150mm×150mm)，測(cè)得其靜態(tài)劈拉強(qiáng)度fst分別為2.17，2.34，2.54MPa.

1.2 試驗(yàn)裝置及方法

采用安徽理工大學(xué)沖擊動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室的φ74mm變截面SHPB動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng).試驗(yàn)采用的撞擊桿、入射桿和透射桿均為同一種高強(qiáng)度合金鋼材料，撞擊桿長(zhǎng)度為0.6m，入射桿和透射桿長(zhǎng)度分別為2.4m和2.0m.試驗(yàn)時(shí)將試件放在入射桿和透射桿之間.撞擊桿以一定的沖擊速度撞擊入射桿，在入射桿中產(chǎn)生一個(gè)入射脈沖，當(dāng)應(yīng)力波傳播到試件表面時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)反射脈沖和透射脈沖，通過入射桿上的應(yīng)變片采集入射和反射脈沖，通過在透射桿上的應(yīng)變片采集透射脈沖，入射桿和透射桿上的應(yīng)變片與試件的距離分別為1.2m和1.0m.

沖擊劈拉試驗(yàn)前，在入射桿、透射桿和混凝土試件接觸面均勻涂抹凡士林，盡量降低摩擦力對(duì)試件應(yīng)力分布的影響，并確保入射桿、透射桿和試件徑向軸線在同一條直線上[11-12].本試驗(yàn)中共設(shè)計(jì)有3種粘結(jié)面粗糙度類型(A，B，C)和3種應(yīng)變率(28，46，69s-1)，每組3個(gè)試件(結(jié)果取平均值)，共27個(gè)試件.

2 結(jié)果與分析

(1)

(2)

(3)

式中:t為時(shí)間；d，b分別為試件直徑和厚度；c，E和A分別為壓桿縱向波速、彈性模量和截面面積；εr(t)，εt(t)分別為試驗(yàn)測(cè)得桿中的反射波、透射波的應(yīng)變.

表2 試件動(dòng)態(tài)劈拉強(qiáng)度Table 2 Dynamic splitting tensile strength of specimens

應(yīng)變率與粘結(jié)面粗糙度共同影響試件的破壞形態(tài).隨著應(yīng)變率與粘結(jié)面粗糙度的不斷變化，混凝土試件出現(xiàn)了徑向劈裂、徑向與粘結(jié)面均劈裂這2種主要破壞形態(tài)，如圖1所示.

圖1 預(yù)制與后澆混凝土試件的破壞形態(tài)Fig.1 Failure mode of post pouring concrete adhered on precast concrete

當(dāng)預(yù)制與后澆混凝土粘結(jié)面粗糙度較小時(shí)，預(yù)制與后澆混凝土粘結(jié)強(qiáng)度較小，承受沖擊劈拉的能力也較小，試件易發(fā)生徑向與粘結(jié)面均劈裂的破壞形態(tài)；隨著粘結(jié)面粗糙度的增大，預(yù)制與后澆混凝土能夠較好地粘結(jié)在一起，達(dá)到或部分達(dá)到等同現(xiàn)澆的效果，試件便只發(fā)生徑向劈裂破壞.

當(dāng)應(yīng)變率較小時(shí)，試件粘結(jié)面微裂紋在受到?jīng)_擊荷載作用后會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力松弛，同時(shí)由于沖擊氣壓較低，加載速度較慢使得一部分能量能夠被釋放，因此試件往往發(fā)生徑向劈裂破壞；當(dāng)應(yīng)變率較大時(shí)，由于沖擊氣壓較大，加載速度較快，使得沖擊能量來不及均勻釋放，試件局部沖擊荷載增大，導(dǎo)致其在出現(xiàn)徑向劈裂破壞的同時(shí)，粘接面碎裂的部分也隨之增多.

采用二波法處理試驗(yàn)結(jié)果并繪制不同應(yīng)變率下試件典型的動(dòng)態(tài)劈拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖2所示.從圖2可以看出，試件動(dòng)態(tài)劈拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線主要經(jīng)歷彈性階段、屈服階段和破壞階段.剛開始加載時(shí)，沖擊動(dòng)荷載較小，試件動(dòng)態(tài)劈拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線符合線性規(guī)律，為彈性階段；隨著沖擊動(dòng)荷載的提高，試件動(dòng)態(tài)劈拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線逐漸轉(zhuǎn)為屈服階段；沖擊動(dòng)荷載繼續(xù)提高，試件動(dòng)態(tài)劈拉應(yīng)力達(dá)到極大值，而后動(dòng)態(tài)劈拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線急劇下降，試件動(dòng)態(tài)劈拉應(yīng)力降為極小值，試件破壞.

圖2 預(yù)制與后澆混凝土動(dòng)態(tài)劈拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 Dynamic splitting strain-stress curves of post pouring concrete adhered on precast concrete

3 粘結(jié)面粗糙度的影響

從表2可知，在相近應(yīng)變率條件下，試件動(dòng)態(tài)劈拉強(qiáng)度隨著粘結(jié)面粗糙度的增加而增大.當(dāng)應(yīng)變率約為28.0s-1時(shí)，C型粘結(jié)面試件平均動(dòng)態(tài)劈拉強(qiáng)度是A型粘結(jié)面試件的1.18倍；當(dāng)應(yīng)變率約為46.0s-1時(shí)，C型粘結(jié)面試件平均動(dòng)態(tài)劈拉強(qiáng)度是A型粘結(jié)面試件的1.22倍；當(dāng)應(yīng)變率約為69.0s-1時(shí)，C型粘結(jié)面試件平均動(dòng)態(tài)劈拉強(qiáng)度是A型粘結(jié)面試件的1.18倍.這主要是因?yàn)轭A(yù)制與后澆混凝土粘結(jié)面是一個(gè)薄弱的界面過渡區(qū)，且聚集大量水分和氣泡，水膠比高于預(yù)制與后澆混凝土本體，孔隙率較大，而鈣礬石、氫氧化鈣等易在此處大量富集生長(zhǎng)，化學(xué)收縮和失水收縮導(dǎo)致粘結(jié)面處不均勻變形增大，從而引起較大的拉應(yīng)力，形成微裂縫.另外，由于預(yù)制與后澆混凝土粘結(jié)面表面較平坦，裂縫擴(kuò)展路徑不曲折，消耗能量低，故一旦承受外力就容易從粘結(jié)面處引發(fā)裂縫，應(yīng)力迅速集中于裂縫尖端處，導(dǎo)致裂縫快速擴(kuò)展，降低試件粘結(jié)強(qiáng)度.因此，預(yù)制混凝土表面粗糙度越大，預(yù)制與后澆混凝土的接觸面積就越大，粘結(jié)面上的范德華力、機(jī)械咬合力就越大，使得粘結(jié)面處有良好的鎖結(jié)作用，從而能夠阻止粘結(jié)面處的相對(duì)滑移.同時(shí)，預(yù)制混凝土表面粗糙度越大，裂縫擴(kuò)散的路徑越曲折，消耗能量越大，試件粘結(jié)強(qiáng)度就越高，故試件動(dòng)態(tài)劈拉強(qiáng)度也越大.

從圖2還可以看出，在相近應(yīng)變率條件下，隨著預(yù)制與后澆混凝土粘結(jié)面粗糙度的增大，試件動(dòng)態(tài)劈拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線上升段斜率降低，屈服臺(tái)階變得明顯，彈性階段與屈服階段之間存在一個(gè)明顯的拐點(diǎn)，下降段也趨向平緩，體現(xiàn)出顯著的延性特征.當(dāng)應(yīng)變率約為28.0s-1時(shí)，C型粘結(jié)面試件峰值應(yīng)變是A型粘結(jié)面試件的1.64倍；當(dāng)應(yīng)變率約為46.0s-1時(shí)，C型粘結(jié)面試件峰值應(yīng)變是A型粘結(jié)面試件的1.82倍；當(dāng)應(yīng)變率約為69.0s-1時(shí)，C型粘結(jié)面試件峰值應(yīng)變是A型粘結(jié)面試件的1.47倍.這是因?yàn)殡S著預(yù)制混凝土表面粗糙度的增大，預(yù)制與后澆混凝土能夠更好地粘結(jié)在一起，提高結(jié)構(gòu)整體變形能力，延緩裂縫的擴(kuò)展，可能實(shí)現(xiàn)等同現(xiàn)澆的效果，試件破壞形態(tài)也由粘結(jié)面劈裂轉(zhuǎn)換為試塊徑向劈裂.

4 結(jié)論

(1)在動(dòng)態(tài)劈拉試驗(yàn)中，預(yù)制與后澆混凝土粘結(jié)后試件動(dòng)態(tài)劈拉強(qiáng)度和動(dòng)態(tài)增大系數(shù)均隨著應(yīng)變率的提高而增大，表現(xiàn)出較強(qiáng)的應(yīng)變率效應(yīng).試件出現(xiàn)了徑向劈裂、徑向與粘結(jié)面均劈裂這2種主要破壞形態(tài).

(2)預(yù)制與后澆混凝土試件的動(dòng)態(tài)劈拉應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線可以分為3個(gè)階段，分別是彈性階段、屈服階段和破壞階段.

(3)增大預(yù)制與后澆混凝土粘結(jié)面的粗糙度，能夠延緩裂縫的出現(xiàn)和開展，試件動(dòng)態(tài)劈拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線中屈服臺(tái)階更加明顯，體現(xiàn)出顯著的延性特征，且試件動(dòng)態(tài)劈拉強(qiáng)度提高.

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