梯度混合混凝土疊澆面粘結(jié)性能試驗(yàn)研究

諸成烽，范奕濤，肖自強(qiáng)，趙啟俊，王建民

(寧波大學(xué) 土木與環(huán)境工程學(xué)院，浙江 寧波 315211)

1 研究背景

隨著建筑工業(yè)化的快速發(fā)展，裝配式混凝土結(jié)構(gòu)由于具有標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、工程化生產(chǎn)、快速施工等優(yōu)點(diǎn)，受到人們?cè)絹?lái)越廣泛的關(guān)注，并大量推廣運(yùn)用于實(shí)際工程中[1]?；炷怜B合構(gòu)件是裝配式混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的一種，其預(yù)制部分在現(xiàn)場(chǎng)施工階段可以兼作模板使用，具有靈活性好、施工工期短等優(yōu)點(diǎn)[2-3]。但在實(shí)際施工過(guò)程中，普通混凝土疊合構(gòu)件的預(yù)制部分往往由于其自重大和截面尺寸較大，在一定程度上限制了疊合澆筑構(gòu)件的應(yīng)用。混凝土梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件在設(shè)計(jì)荷載作用下，其局部受力通常處于常壓或常拉狀態(tài)，如普通混凝土梁構(gòu)件往往是上部局部區(qū)域受壓、下部受拉[4-5]。若能將陶粒輕骨料混凝土澆筑布置于構(gòu)件受拉區(qū)，即可保證結(jié)構(gòu)及構(gòu)件在設(shè)計(jì)荷載作用的正常使用狀態(tài)下，既可有效減輕結(jié)構(gòu)構(gòu)件的自重、減小構(gòu)件截面尺寸，還能提高結(jié)構(gòu)的保溫隔熱及抗震性能[6-7]。

陶?；炷僚c普通混凝土疊合澆筑時(shí)，由于兩種混凝土材料的彈性模量與本構(gòu)模型存在一定的差異，在設(shè)計(jì)荷載作用下，澆筑結(jié)合面區(qū)域會(huì)出現(xiàn)附加拉、壓及剪切應(yīng)力，對(duì)混凝土的疊合澆筑及整體工作性能產(chǎn)生一定的影響[8-9]。而兩種混凝土之間粘結(jié)性能的強(qiáng)弱是構(gòu)件疊合后能否協(xié)同工作的關(guān)鍵。通過(guò)選擇合適的界面處理方式可以增大界面的粗糙度，從而提高澆筑結(jié)合面的粘結(jié)性能，減小澆筑時(shí)由于結(jié)合面的存在帶來(lái)的附加影響。混凝土結(jié)合面的粘結(jié)性能可以通過(guò)剪切性能直觀地反映。Iskhakov等[10-11]研究了異強(qiáng)疊澆混凝土梁，指出兩種混凝土疊澆后整體性較好；張智龍[12]以不同結(jié)合面植筋率、混凝土強(qiáng)度為變量，提出了結(jié)合面抗剪承載力公式；劉安慶等[13]通過(guò)Z形試塊抗剪試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)采用露骨料水洗劑處理后的結(jié)合面剪切強(qiáng)度較高于人工鑿毛處理。由于界面處理方式、疊澆間隔時(shí)間不同，導(dǎo)致現(xiàn)有相關(guān)研究結(jié)果存在一定差異。同時(shí)，目前試驗(yàn)研究方法大多為宏觀試驗(yàn)，關(guān)于結(jié)合面微觀結(jié)構(gòu)特征分析的研究尚未大量開(kāi)展。而輕骨料由于其本身的形態(tài)結(jié)構(gòu)及表觀孔隙，能有效改善混凝土界面的微觀結(jié)構(gòu)，使得界面過(guò)渡區(qū)更加致密[14]。因此，本文基于功能梯度混凝土概念，通過(guò)設(shè)計(jì)制作雙面直剪試驗(yàn)試塊，研究陶粒混凝土與普通混凝土疊合澆筑時(shí)結(jié)合面的破壞特征及粘結(jié)性能變化規(guī)律，分析結(jié)合面粘結(jié)性能在不同結(jié)合面處理方式與澆筑間隔時(shí)間下的變化規(guī)律；并通過(guò)掃描電子顯微鏡觀測(cè)分析人工鑿毛處理與涂刷粉煤灰砂漿這兩種界面處理方式下澆筑結(jié)合面的微觀結(jié)構(gòu)特征。

2 試驗(yàn)材料與方案

2.1 材料及配合比

陶粒選用3～25 mm連續(xù)級(jí)配橢球形粉煤灰陶粒，筒壓強(qiáng)度為8.4 MPa；碎石采用粒徑D≤25 mm的普通碎石；試驗(yàn)用砂為中砂；試驗(yàn)用水為自來(lái)水；粉煤灰選用Ⅰ級(jí)粉煤灰；水泥為P·O42.5普通硅酸鹽水泥。表1為試驗(yàn)混凝土配合比及抗壓強(qiáng)度。

2.2 試塊設(shè)計(jì)制作

試驗(yàn)試塊為150 mm×150 mm×150 mm的立方體試塊。其中，試塊中間為陶?；炷翃A層，左右兩側(cè)為后澆普通混凝土。試塊制作時(shí)，首先澆筑中間陶?；炷敛糠?，模擬實(shí)際工程中的預(yù)制構(gòu)件部分；硬化拆模后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，待陶?；炷琉B(yǎng)護(hù)到疊合澆筑規(guī)定時(shí)間后，對(duì)預(yù)制陶?；炷猎噳K兩側(cè)面進(jìn)行處理。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)2種混凝土結(jié)合面的粗糙度處理尚無(wú)具體的規(guī)范或規(guī)程要求，大多采用人工鑿毛法、植筋法、摻入界面劑等方法[15-18]。本文采用人工鑿毛以及涂刷粉煤灰砂漿的方法對(duì)陶粒混凝土試塊兩側(cè)表面進(jìn)行處理。澆筑結(jié)合面鑿毛處理完成后，用水清洗界面，待飽和面自然干后同時(shí)澆筑左右兩側(cè)的普通混凝土。粉煤灰砂漿涂刷處理完成后的陶?；炷猎噳K，需在砂漿尚未硬化前澆筑左右兩側(cè)的普通混凝土。疊合試塊完成澆筑脫模后，進(jìn)行28 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。

表1 試驗(yàn)混凝土配合比及抗壓強(qiáng)度

試驗(yàn)共設(shè)計(jì)制作10組疊合澆筑試塊，每組5塊。由于混凝土在澆筑完成后，終凝時(shí)間不得小于10 h，同時(shí)考慮到實(shí)際混凝土疊合構(gòu)件預(yù)制部分的運(yùn)輸、吊裝要求以及施工工藝的多樣性，選擇疊合澆筑間隔時(shí)間分別為10 h、2 d、7 d、14 d、28 d進(jìn)行試驗(yàn)，表2為試塊編號(hào)及參數(shù)分組。

表2 疊合澆筑試塊分組及參數(shù)

圖1為試塊澆筑結(jié)合面通過(guò)人工鑿毛和粉煤灰砂漿涂刷處理方式的處理效果。

由圖1可看出，人工鑿毛處理后澆筑結(jié)合面表現(xiàn)為人為的粗糙及凹凸不平，部分陶粒骨料裸露或被鑿裂，結(jié)合面粗糙度由灌砂法測(cè)定得出的平均灌砂深度為5 mm；粉煤灰砂漿涂刷后結(jié)合面相對(duì)平整，表面附有一薄層砂漿水膜。

圖1 試塊澆筑結(jié)合面不同處理方式的處理效果

2.3 試驗(yàn)加載

試驗(yàn)加載時(shí)，在疊合澆筑試塊兩側(cè)普通混凝土底部分別架設(shè)鋼墊塊，在中間陶粒混凝土上表面架設(shè)鋼墊塊。鋼墊塊寬度略小于各部分混凝土的寬度，圖2為組合試塊的加載示意圖。

圖2 疊合澆筑試塊的加載示意圖

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 試塊破壞特征

試塊澆筑結(jié)合面不同處理方式的直剪試驗(yàn)破壞及破壞后澆筑破壞面形態(tài)見(jiàn)圖3。

由圖3可看出，澆筑結(jié)合面不同處理方式的試塊均表現(xiàn)為典型的直剪脆性破壞，疊合澆筑試塊中間陶?；炷敛糠峙c兩側(cè)普通混凝土部分基本表現(xiàn)為對(duì)稱(chēng)性的相互變形錯(cuò)裂，在試驗(yàn)過(guò)程中，加載峰值附近伴隨明顯的“嘭嘭”聲。結(jié)合面不同處理方式下，疊合澆筑試塊的直剪破壞特征有所區(qū)別：(1)人工鑿毛方式處理后，疊合澆筑結(jié)合面呈無(wú)規(guī)則的凹凸不平狀，同時(shí)陶?；炷羶?nèi)部的部分孔洞也暴露在澆筑結(jié)合面上。后期澆筑普通混凝土后，水泥漿有效包裹在澆筑結(jié)合面上。在剪切試驗(yàn)荷載作用下，試塊基本沿著澆筑結(jié)合面剪切錯(cuò)裂，破壞后的澆筑結(jié)合面相對(duì)澆筑前較平整規(guī)則；(2)澆筑結(jié)合面涂刷粉煤灰砂漿處理后，砂漿層完全覆蓋于結(jié)合面上，平均厚度約為1 mm，后期澆筑普通混凝土后，新混凝土漿體直接與粉煤灰砂漿有效融合硬化。試塊剪切破壞后，基本沿著澆筑結(jié)合面斷裂，破壞面較為平直，結(jié)合面兩側(cè)混凝土均出現(xiàn)粘連剪切破壞，砂漿基本附著在陶粒混凝土界面上，說(shuō)明澆筑結(jié)合面經(jīng)粉煤灰砂漿涂刷處理后與前期陶?；炷敛糠钟休^好的粘結(jié)性能。

剪切試驗(yàn)破壞后，人工鑿毛處理與粉煤灰砂漿涂刷處理相比，澆筑結(jié)合面上局部存在裸露的陶粒骨料，部分陶粒骨料受剪碎裂；脫落的普通混凝土試塊側(cè)面局部粘連澆筑時(shí)填補(bǔ)人工鑿毛處理凹凸面的后澆普通混凝土凸起，經(jīng)過(guò)粉煤灰砂漿涂刷處理的澆筑結(jié)合面總體較為平整。

圖3 試塊澆筑結(jié)合面不同處理方式的直剪試驗(yàn)破壞及破壞后澆筑破壞面形態(tài)

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

試塊澆筑結(jié)合面的平均粘結(jié)剪切強(qiáng)度可參照公式(1)進(jìn)行近似計(jì)算[19]：

(1)

式中：F為試驗(yàn)破壞荷載，N；A為疊合澆筑結(jié)合面面積，mm2。

通過(guò)試驗(yàn)和計(jì)算得出的不同結(jié)合面處理方式的各試塊澆筑結(jié)合面平均粘結(jié)剪切強(qiáng)度及相關(guān)擬合曲線(xiàn)見(jiàn)表3和圖4。

分析表3和圖4可知：(1)不同處理方式下疊澆試塊結(jié)合面的平均粘結(jié)剪切強(qiáng)度變化有所不同。對(duì)應(yīng)相同澆筑間隔時(shí)間下，人工鑿毛處理后的試塊平均粘結(jié)剪切強(qiáng)度略高于粉煤灰砂漿涂刷處理。原因在于經(jīng)過(guò)人工鑿毛處理后，結(jié)合表面較明顯的凹凸粗糙不平，加之部分粗骨料局部裸露，有效提高了結(jié)合面的機(jī)械咬合力。(2)在人工鑿毛和粉煤灰砂漿涂刷處理兩種方式下，陶?；炷僚c普通混凝土疊合澆筑結(jié)合面的平均粘結(jié)剪切強(qiáng)度隨澆筑間隔時(shí)間的增大，均發(fā)生規(guī)律相同的降低變化。初始澆筑間隔時(shí)間為10 h時(shí)，兩種處理方式下試塊澆筑結(jié)合面的平均粘結(jié)剪切強(qiáng)度分別為2.40和2.26 MPa，鑿毛處理比粉煤灰砂漿涂刷處理剪切強(qiáng)度約高出6.2%。隨著澆筑間隔時(shí)間的增大，粉煤灰砂漿涂刷處理下平均粘結(jié)剪切強(qiáng)度的降低幅度略微大于人工鑿毛處理方式。其中，當(dāng)澆筑間隔時(shí)間從初始的10 h增大為2 d時(shí)，兩種處理方式下的結(jié)合面平均粘結(jié)剪切強(qiáng)度的下降幅度最為顯著。當(dāng)澆筑間隔時(shí)間為28 d時(shí)，兩種處理方式下的結(jié)合面平均粘結(jié)剪切強(qiáng)度分別為相應(yīng)初始值的44.2%和38.9%；人工鑿毛處理后的澆筑結(jié)合面平均粘結(jié)剪切強(qiáng)度比粉煤灰砂漿涂刷處理后高出約17%。(3)澆筑間隔時(shí)間的延長(zhǎng)使得結(jié)合面平均粘結(jié)剪切強(qiáng)度的降低變化愈加明顯。由此可見(jiàn)，在實(shí)際施工過(guò)程允許情況下，選用人工鑿毛處理方式，并在較短時(shí)間內(nèi)澆筑疊合部分，更能有效保證澆筑結(jié)合面的粘結(jié)抗剪性能。

表3 不同結(jié)合面處理方式的各試塊澆筑結(jié)合面平均粘結(jié)剪切強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

圖4 不同結(jié)合面處理方式的各試塊澆筑結(jié)合面平均粘結(jié)剪切強(qiáng)度隨疊合澆筑間隔時(shí)間的變化情況

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，得到組合混凝土試塊澆筑結(jié)合面平均粘結(jié)剪切強(qiáng)度與界面處理方式和疊合澆筑間隔時(shí)間的關(guān)系式為：

τt=(1-ktn)τ

(2)

式中：τt為不同結(jié)合面處理方式下的組合混凝土試塊在澆筑間隔時(shí)間為t時(shí)的澆筑結(jié)合面平均粘結(jié)剪切強(qiáng)度，MPa；τ為不同結(jié)合面處理方式下的組合混凝土試塊在澆筑間隔時(shí)間為10 h時(shí)的澆筑結(jié)合面平均粘結(jié)剪切強(qiáng)度，MPa；k為常數(shù)，體現(xiàn)澆筑結(jié)合面處理方式的影響；n為小于1的指數(shù)，反映澆筑間隔時(shí)間的影響；t為疊合澆筑間隔時(shí)間，d。

不同結(jié)合面處理方式的擬合相關(guān)系數(shù)見(jiàn)表4。

表4 不同結(jié)合面處理方式的擬合相關(guān)系數(shù)

由此得到人工鑿毛處理及粉煤灰砂漿涂刷處理下，試塊澆筑結(jié)合面的平均粘結(jié)剪切強(qiáng)度擬合關(guān)系式分別為：

τt=2.4(1-0.146t0.419)

(3)

τt=2.26(1-0.163t0.413)

(4)

4 澆筑結(jié)合面微觀結(jié)構(gòu)特征

為分析不同結(jié)合面處理方式對(duì)澆筑結(jié)合面微觀結(jié)構(gòu)的影響，甄選部分有代表特征的澆筑結(jié)合面區(qū)域的碎屑作為樣品放入無(wú)水酒精中終止水化，烘干并進(jìn)行表面鍍金處理，采用掃描電子顯微鏡觀測(cè)分析微觀形貌。圖5為Z1組和F1組試塊澆筑結(jié)合面局部微觀形貌的觀測(cè)結(jié)果。

圖5 Z1組和F1組試塊澆筑結(jié)合面微觀形貌(放大倍率200)

經(jīng)過(guò)人工鑿毛處理的澆筑結(jié)合面存在較明顯的界面印跡，但局部未見(jiàn)有明顯的收縮裂縫或空隙，如圖5(a)所示。原因在于鑿毛處理后澆筑結(jié)合面凹凸不平且粗糙度明顯增大，此外，結(jié)合面局部裸露的陶粒骨料能有效吸收附近部分水分，明顯減小了“墻壁作用”的效應(yīng)及影響[20]，從而減少了裂縫和孔隙的生成，使結(jié)合面微觀結(jié)構(gòu)更加致密。有效提高了與后澆普通混凝土之間的接觸效果。

圖5(b)為粉煤灰砂漿涂刷處理后的澆筑結(jié)合面微觀形貌。由圖5(b)可發(fā)現(xiàn)，試塊中普通混凝土與陶粒混凝土之間局部存在較明顯的收縮空隙。此外，澆筑結(jié)合面未見(jiàn)具有明顯厚度的粉煤灰砂漿層。原因在于后期澆筑普通混凝土?xí)r，粉煤灰砂漿尚未凝結(jié)，除少量粉煤灰砂漿在后期硬化過(guò)程中浸入早期硬化的陶粒混凝土基體中外，大部分粉煤灰砂漿與后期澆筑的普通混凝土相溶硬化，從而改善了結(jié)合面的水灰比及水化產(chǎn)物形態(tài)。

圖6、7分別為Z1組和F1組試塊澆筑結(jié)合面更大放大倍率下的微觀形貌。

圖6 Z1試塊澆筑結(jié)合面微觀形貌 圖7 F1試塊澆筑結(jié)合面微觀形貌

由圖6可見(jiàn)，人工鑿毛處理后的澆筑結(jié)合面區(qū)域發(fā)生了較充分的水化反應(yīng)，分布較規(guī)則的六邊形片板狀氫氧化鈣晶體(C-H)，其間穿插有少量針棒狀鈣礬石(AFt)和少量C-S-H凝膠，有效減小了孔隙的數(shù)量和尺寸。澆筑結(jié)合面經(jīng)過(guò)人工鑿毛處理后，增大了后期澆筑時(shí)結(jié)合面區(qū)域的接觸比面積，促進(jìn)了結(jié)合面區(qū)域的水化反應(yīng)，使結(jié)合面區(qū)域結(jié)合更緊密。人工鑿毛處理在結(jié)合面區(qū)域產(chǎn)生的微裂縫以及毛細(xì)孔結(jié)構(gòu)使得后期硬化水化產(chǎn)物晶體輻射滲入前期的陶?；炷羶?nèi)部，從而有效改善了兩種混凝土在澆筑結(jié)合面區(qū)域的粘結(jié)性能。同時(shí)，由于“墻壁效應(yīng)”產(chǎn)生的水膜一定程度上滲透進(jìn)入陶?；炷羶?nèi)部，使陶?；炷廉a(chǎn)生二次養(yǎng)護(hù)并改善了結(jié)合面處的水灰比，使兩種混凝土連成整體，界面模糊。因此，人工鑿毛處理有效改善了界面的微觀形貌，減小了界面出現(xiàn)微裂縫、微孔隙的概率，從而提高了結(jié)合面的粘結(jié)性能。

由圖7可知，經(jīng)過(guò)粉煤灰砂漿涂刷處理后，澆筑結(jié)合面區(qū)域部分粉煤灰顆粒表層附著凝膠，形成團(tuán)簇，在結(jié)合面處與陶粒混凝土基體相結(jié)合，同時(shí)存在部分C-H晶體和C-S-H凝膠與AFt晶體互相交織，提高了結(jié)合面區(qū)微觀結(jié)構(gòu)的密實(shí)度。粉煤灰溶解后的二次水化反應(yīng)緩解了C-H晶體的富集與定向排列現(xiàn)象，而未參與反應(yīng)的部分粉煤灰團(tuán)將會(huì)與水化產(chǎn)物相互交織，填充了水化產(chǎn)物之間的空隙，但仍有部分未參與水化反應(yīng)的粉煤灰團(tuán)存在于界面區(qū)域，由于體積較大無(wú)法填充已產(chǎn)生的縫隙。粉煤灰還可以減小結(jié)合面孔隙產(chǎn)生的概率，提高粘結(jié)性能。在澆筑結(jié)合面區(qū)域，后期澆筑的普通混凝土的硬化收縮受到前期澆筑硬化的陶?；炷粱w的約束，收縮引起的體積變化導(dǎo)致兩種材料之間的體積變化不協(xié)調(diào)，從而在澆筑結(jié)合面上出現(xiàn)拉應(yīng)力與剪切應(yīng)力。而相對(duì)于人工鑿毛處理，經(jīng)過(guò)粉煤灰砂漿涂刷處理的澆筑結(jié)合面上的機(jī)械咬合力和摩阻力較小，結(jié)合面微觀結(jié)構(gòu)相對(duì)平整光滑，當(dāng)收縮引起的應(yīng)力超過(guò)結(jié)合面粘結(jié)強(qiáng)度時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)局部微裂縫和分層現(xiàn)象。所以，粉煤灰砂漿涂刷處理后，會(huì)導(dǎo)致部分結(jié)合面區(qū)域粘結(jié)性能較好，而部分區(qū)域由于硬化收縮而產(chǎn)生局部微裂縫。

5 結(jié) 論

(1)人工鑿毛和粉煤灰砂漿涂刷處理兩種方式下，陶?；炷僚c普通混凝土疊合澆筑結(jié)合面的粘結(jié)剪切性能隨澆筑間隔時(shí)間的增大，均發(fā)生規(guī)律相同的降低變化。其中，從初始澆筑間隔時(shí)間10 h到2 d，疊合澆筑結(jié)合面的粘結(jié)剪切強(qiáng)度降低最為顯著；隨著疊合澆筑間隔時(shí)間的增大，粉煤灰砂漿涂刷處理方式下，結(jié)合面粘結(jié)剪切性能的降低幅度略大于人工鑿毛處理。

(2)人工鑿毛處理后的澆筑結(jié)合面區(qū)域由于良好的機(jī)械咬合性，以及所產(chǎn)生的微裂縫與毛細(xì)孔使得后期硬化水化產(chǎn)物晶體輻射滲入前期的陶?；炷羶?nèi)部，從而使得結(jié)合面區(qū)域發(fā)生了較充分的水化反應(yīng)，減小了孔隙的數(shù)量和尺寸，結(jié)合面區(qū)域微觀結(jié)構(gòu)更加致密，有效提高了澆筑結(jié)合面區(qū)域的粘結(jié)剪切性能。

(3)粉煤灰砂漿涂刷處理后的澆筑結(jié)合面上C-H晶體和C-S-H凝膠與AFt晶體相互交織，提高了界面區(qū)微觀結(jié)構(gòu)的密實(shí)度；后期普通混凝土硬化過(guò)程中受到陶?；炷粱w的約束，在結(jié)合面上產(chǎn)生拉應(yīng)力和剪切應(yīng)力，致使出現(xiàn)局部收縮微裂縫。隨著澆筑間隔時(shí)間的增大，這種影響略加明顯，從而導(dǎo)致粘結(jié)剪切強(qiáng)度的降低略微明顯于人工鑿毛處理方式。