改性活性粉末混凝土裝配式梁柱節(jié)點(diǎn)界面粘結(jié)抗折性能試驗(yàn)研究

陳浩，王雨晗，劉國安，欒學(xué)立，秦浩，謝群

（1.山東建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101；2.山東建筑大學(xué) 建筑城規(guī)學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101；3.山東建筑大學(xué) 建筑結(jié)構(gòu)加固改造與地下空間工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250101；4.山東建大工程鑒定加固研究院，山東 濟(jì)南 250013；5.濟(jì)南大學(xué) 土木建筑學(xué)院，山東 濟(jì)南 250022）

與傳統(tǒng)現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)相比，裝配式混凝土結(jié)構(gòu)由于存在后期裝配及二次澆筑的工藝，預(yù)制與后澆混凝土交界面受力復(fù)雜且內(nèi)力較大，易產(chǎn)生大量接縫，因此粘結(jié)面受力性能是影響裝配式結(jié)構(gòu)剛度、承載能力和整體性能的關(guān)鍵因素[1-2]。本課題組以超細(xì)顆粒致密體系（Densified Systems Containing homogeneously arranged ultrafine Particles，DSP）和活性粉末混凝土（RPC）為基礎(chǔ)，在不使用粗骨料基礎(chǔ)上用砂代替，通過改善超細(xì)顆粒之間的級(jí)配，使材料空隙率降到最低，提高了骨料的均勻性，產(chǎn)生良好的填充效應(yīng)以優(yōu)化孔結(jié)構(gòu)。另外，摻入適量聚丙烯纖維和鋼纖維能夠提高其延性及抗拉強(qiáng)度，加入高效減水劑拌和得到改性活性粉末混凝土（MRPC），是一種在強(qiáng)度、韌性和耐久性等方面都表現(xiàn)出高性能的混凝土，應(yīng)用于裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)不僅能夠大幅度提高建筑物質(zhì)量，還符合可持續(xù)發(fā)展要求。

目前，國內(nèi)外眾多學(xué)者研究集中在對(duì)預(yù)制混凝土與后澆混凝土粘結(jié)構(gòu)件的宏觀力學(xué)性能，其中研究的重點(diǎn)多數(shù)集中于粘結(jié)面的各種粘結(jié)性能指標(biāo)[3-4]及其主要影響因素[5-6]，關(guān)于普通混凝土（NC）與RPC粘結(jié)面的抗拉和抗剪性能、復(fù)雜應(yīng)力條件下的剪切強(qiáng)度和抗折、抗彎性能等方面已有大量的試驗(yàn)與研究。Jang等[7]對(duì)RPC與NC疊合界面的抗剪性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，研究了不同界面處理方法對(duì)其抗剪承載力和破壞形態(tài)的影響。賈方方等[8]及沈捷[9]研究了不同鋼纖維摻量和不同粘結(jié)方式對(duì)RPC與NC粘結(jié)劈拉性能的影響，分析了兩者之間的粘結(jié)機(jī)理。安明喆等[10]采用梁式試驗(yàn)方法分析了RPC各因素對(duì)粘結(jié)性能的影響，并與普通C40混凝土進(jìn)行對(duì)比，建立了RPC的粘結(jié)應(yīng)力-滑移本構(gòu)模型。馮虎[11]研究了粘結(jié)試件的尺寸效應(yīng)及劈拉變形性能，考慮鋼纖維體積率、舊混凝土劈拉強(qiáng)度、粗糙度和界面劑綜合影響下，鋼纖維混凝土與舊混凝土劈拉強(qiáng)度的計(jì)算模式及劈拉強(qiáng)度尺寸換算系數(shù)。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原材料

（1）水泥：濟(jì)南某公司生產(chǎn)，P·O42.5級(jí)；硅灰：濟(jì)南某公司生產(chǎn)，SF93級(jí)，比表面積約為26 400 m2/kg；礦粉：鞏義某公司生產(chǎn)，S95級(jí)，比表面積約為800 m2/kg；粉煤灰：濟(jì)南某公司產(chǎn)，Ⅰ級(jí)，比表面積約為600 m2/kg。

（2）鋼纖維：泰安某公司生產(chǎn)的超細(xì)超短高強(qiáng)平直鋼纖維，長13 mm，等效直徑0.2 mm；聚丙烯纖維（PP纖維）：泰安某公司生產(chǎn)，單絲狀，長18～20 mm，等效直徑45μm。

（3）砂：普通中粗河砂，最大粒徑2.5 mm，細(xì)度模數(shù)約2.5，級(jí)配優(yōu)良；石子：5～20 mm連續(xù)級(jí)配，含泥量約0.7%。

（4）高效減水劑：濟(jì)南某公司生產(chǎn)的PC1701粉狀聚羧酸高效減水劑，固含量95%。

（5）水：自來水。

在綠色建筑中，屋頂雖然不能夠接受與外墻等同的太陽能，但是其采光性能要比天窗好很多。另外，由于屋頂平行于水平面，并且高于地面，陽光遮擋物較少，因此，在屋頂布局光伏發(fā)電系統(tǒng)無須考慮角度問題，只需要保證光電板最大面積覆蓋即可。另外，由于屋頂獨(dú)立于整個(gè)綠色建筑之上，容易遭受自然災(zāi)害的影響，其使用壽命最短，這些都是設(shè)計(jì)者需要考慮的問題[4]。

C40預(yù)制混凝土和MRPC后澆混凝土的配合比見表1。C40實(shí)測立方體抗壓強(qiáng)度43.1 MPa，抗折強(qiáng)度5.7 MPa；MRPC實(shí)測立方體抗壓強(qiáng)度80.2 MPa。

表1 預(yù)制混凝土和后澆混凝土配合比 kg/m3

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了研究不同溫度、界面處理方式對(duì)MRPC-NC粘結(jié)構(gòu)件抗折強(qiáng)度的影響，采用粘結(jié)抗折試件尺寸為150 mm×150 mm×550 mm，預(yù)制NC部分澆筑尺寸為150 mm×150 mm×275 mm，然后分別對(duì)粘結(jié)面（150 mm×150 mm）進(jìn)行鑿毛、露骨料、凹槽、凹槽與泡泡膜聯(lián)合4種界面處理，按照灌砂法[12]測試采用4種界面處理方式后粘結(jié)面的粗糙度，NC標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7 d后，澆筑MRPC制作成型抗折試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至28 d后進(jìn)行試驗(yàn)，保證在28 d+20 h內(nèi)對(duì)所需高溫200℃和300℃處理的試件完成處理，并進(jìn)行抗折測試，試件數(shù)為每組3個(gè)，共12組36個(gè)試件，其中各影響因素分別為1—溫度20℃、2—溫度200℃、3—溫度300℃，A—鑿毛、B—露骨料、C—凹槽、D—凹槽與泡泡膜聯(lián)合。

1.3 制備與養(yǎng)護(hù)

預(yù)制部分制備與后澆成型：NC預(yù)制過程根據(jù)GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法進(jìn)行，澆筑完成后覆膜靜置1 d后拆模，然后立即放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中，按10～20 mm的間距放在支架上，7 d后取出澆筑MRPC。后澆MRPC的制備過程根據(jù)GB/T 31387—2015《活性粉末混凝土》進(jìn)行，澆筑方向如圖1所示，均采用無錫建儀儀器機(jī)械有限公司生產(chǎn)的HJW60型混凝土試驗(yàn)用攪拌機(jī)，在后澆成型過程中首先對(duì)試件NC部分進(jìn)行濕潤處理，保證處理界面濕潤但無積水殘留后置于涂抹脫模劑的鋼模具中，攪拌結(jié)束后一次性放入已經(jīng)提前放置好NC的試模中，在振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)至表面出漿且無大氣泡溢出為止，覆膜靜置1 d后標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d。

圖1 混凝土粘結(jié)抗折試件澆筑示意

預(yù)制混凝土界面處理：在7 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后對(duì)需要鑿毛界面處理的試件進(jìn)行人工鑿毛；采用露骨料界面處理方式的試件在澆筑前先在中間隔板上進(jìn)行緩凝劑抹面，4 h后用鋼刷刷去表層水泥砂漿，并清理使其粗骨料露出；采用凹槽界面處理方式的試件是將帶2個(gè)槽深20 mm、槽寬30 mm的凹槽的木模具放在鋼模中間位置后澆筑制成；采用凹槽與泡泡膜聯(lián)合界面處理方式的試件是將泡泡膜粘貼在凹槽表面，再將模具放入鋼模中澆筑制成。經(jīng)處理后的試件界面如圖2所示。

圖2 界面處理后試件界面

界面粗糙度試驗(yàn)：對(duì)鑿毛和露骨料界面采用灌砂法測試界面粗糙度，將NC部分試件豎立，使處理過的粗糙面朝上，用塑料板將試件四周圍合，使得塑料板上壁與界面凸出最高處齊平，將標(biāo)準(zhǔn)砂灌入并抹平。將界面上的標(biāo)準(zhǔn)砂用毛刷收集至量筒中量取體積，對(duì)每個(gè)試件反復(fù)進(jìn)行3次以上操作后記錄數(shù)據(jù)。為了獲得凹槽與泡泡膜聯(lián)合界面處理試件的界面粗糙度，首先將標(biāo)準(zhǔn)砂用量去除凹槽界面處理的標(biāo)準(zhǔn)砂平均用量作為凹槽與泡泡膜聯(lián)合界面處理的標(biāo)準(zhǔn)砂用量，進(jìn)而求得粗糙度，所得粗糙度僅作為與凹槽界面處理試件做分析對(duì)比數(shù)據(jù)。灌砂平均深度代表試件界面的粗糙度，按式（1）計(jì)算：

式中：Δ——粗糙度，mm；

V——標(biāo)準(zhǔn)砂體積（灌砂法），mm3；

A——面積（灌砂法），mm2。

高溫處理：將需要高溫處理的試件在28 d+20 h內(nèi)放入電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中，溫度變量分別設(shè)置為200℃和300℃，該儀器由上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司生產(chǎn)，型號(hào)為DHG-9246A，額定溫度300℃；采用熱電偶連接儀器（安捷倫34980A）測量試件內(nèi)部溫度，通過網(wǎng)線與電腦連接采集內(nèi)部溫度，恒溫0.5 h后將試件取出自然冷卻。

1.4 試驗(yàn)方法

NC標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊抗壓強(qiáng)度根據(jù)GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測試；MRPC標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊抗壓強(qiáng)度根據(jù)GB/T 31387—2015進(jìn)行測試；MRPCNC粘結(jié)試驗(yàn)小梁的抗折強(qiáng)度按照GB/T50081—2019中的三分點(diǎn)法進(jìn)行測試?？箟骸⒖拐墼囼?yàn)機(jī)分別為上海新三思計(jì)量儀器制造有限公司生產(chǎn)的最大負(fù)荷為3000 kN的YAW4306微機(jī)控制電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)和最大負(fù)荷為600 kN的SHT-4605微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象與外觀形貌

將每一組同高溫條件的3個(gè)試件放入烘箱后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度升至180～220℃時(shí)，烘箱內(nèi)有大量的刺鼻性氣體排出，這是由于MRPC中摻入的PP纖維在達(dá)到165℃熔點(diǎn)后，熔解不完全產(chǎn)生，隨后試件內(nèi)部溫度不斷升溫，PP纖維完全熔解后氣體隨之消失[13]。

NC相對(duì)于MRPC的抗折強(qiáng)度要低很多。由抗折試驗(yàn)過程可以觀察到，試件從開始加載到完全破壞，未出現(xiàn)明顯的破壞征兆，當(dāng)試件到達(dá)抗折強(qiáng)度峰值時(shí)，抗折承載力急速下降直至喪失，試件迅速開裂并伴隨發(fā)出“砰”的聲音，屬于典型的脆性破壞。試驗(yàn)結(jié)束后2種材料處于分離狀態(tài)或者施加輕微的力就可將其分離，其中經(jīng)高溫條件處理的試件較常溫試件內(nèi)部混凝土顏色泛白嚴(yán)重。

鑿毛界面處理試件抗折破壞均在NC和MRPC粘結(jié)面發(fā)生脆斷，試件的抗折破壞界面比較平直，MRPC一側(cè)沒有發(fā)生破壞，僅附著一層薄薄的水泥砂漿。露骨料界面處理試件抗折破壞均在NC一側(cè)發(fā)生明顯的剪切脆斷，MRPC一側(cè)折斷面處有明顯的水泥砂漿和石子剝離的現(xiàn)象，在試件抗折粘結(jié)面沒有發(fā)生斷裂，兩者仍結(jié)合在一起。凹槽界面處理試件抗折破壞均發(fā)生在NC沿著MRPC凸出翼緣端部剪斷，MRPC未發(fā)生破壞，破壞界面可以明顯看到NC骨料，呈現(xiàn)“直線破壞形態(tài)”。凹槽與泡泡膜聯(lián)合界面處理試件發(fā)生的破壞類型與凹槽界面處理試件相同，不同之處在于泡泡膜澆筑而成的孔洞被MRPC填滿，破壞的界面可以看到大量的鋼纖維，同時(shí)也存在大量未被填充實(shí)滿的孔洞。破壞界面如圖3所示。

圖3 試件破壞形態(tài)

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

預(yù)制混凝土與后澆混凝土粘結(jié)試件抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，表中數(shù)據(jù)為每組3個(gè)試件試驗(yàn)值的平均值。為了與預(yù)制混凝土的抗折強(qiáng)度有更準(zhǔn)確、直觀的對(duì)比分析，定義α、γ如式（2）、式（3）所示：

式中：ffz——粘結(jié)后抗折強(qiáng)度，MPa；

ff——預(yù)制混凝土整澆抗折強(qiáng)度，MPa；

fcu——預(yù)制混凝土整澆抗壓強(qiáng)度，MPa。

表2 粘結(jié)抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

2.3 界面處理方式的影響

由于界面處理方式的特殊性，不能進(jìn)行抗折強(qiáng)度與粗糙度關(guān)系的整體對(duì)比。由表2可見，在不同溫度條件下，露骨料和鑿毛界面處理，凹槽和凹槽與泡泡膜聯(lián)合界面處理2組對(duì)比中，MRPC-NC粘結(jié)試件的抗折強(qiáng)度都隨著粘結(jié)面粗糙度的增加而增大，其中4種界面處理方式粘結(jié)后抗折強(qiáng)度大小順序?yàn)椋郝豆橇?凹槽與泡泡膜聯(lián)合>凹槽>鑿毛。常溫條件下的鑿毛和露骨料界面處理對(duì)比的α值以及凹槽和凹槽與泡泡膜聯(lián)合界面處理對(duì)比的α值都隨粘結(jié)面粗糙度的增加而增大。當(dāng)高溫條件時(shí)，MRPC-NC粘結(jié)試件的抗折強(qiáng)度依然隨著粘結(jié)面粗糙度的增加而提高，但γ值增長幅度較常溫時(shí)小，說明MRPC-NC粘結(jié)構(gòu)件抗折強(qiáng)度受粘結(jié)面粗糙度影響較大，但隨著溫度的升高，粗糙度的影響程度隨之減小。

相比于其他3種界面處理方式，露骨料界面處理的MRPC-NC粘結(jié)試件抗折強(qiáng)度最高。由于經(jīng)處理后的NC骨料露出使其整個(gè)粘結(jié)面表面更粗糙，與MRPC接觸更好，MRPC中的鋼纖維也能更好地與NC骨料接觸粘結(jié)，能夠起到更好的抗裂作用，試驗(yàn)過程中NC水泥漿體與粗骨料之間的相互咬合也承擔(dān)一定的彎矩，提高了粘結(jié)性能；鑿毛界面處理試件在原有粘結(jié)面的基礎(chǔ)上鑿去表面一層浮漿，粗糙度較采用露骨料處理方式的小，因此試件出現(xiàn)界面基體材料失效特征，NC一側(cè)中的粗骨料未能發(fā)揮其重要作用，NC與MRPC之間粘結(jié)性較差；凹槽界面處理試件粘結(jié)面的凹槽未經(jīng)鑿毛處理，表面比較平滑，其次MRPC的抗壓強(qiáng)度比NC高出接近40MPa，被MRPC交錯(cuò)抱合的NC翼緣抗折強(qiáng)度不高，沿直線破壞路徑耗能較低易被剪斷，粘結(jié)試件破壞裂縫更傾向于沿強(qiáng)度和耗能較低的直線破壞形式；凹槽與泡泡膜聯(lián)合界面處理試件的粗糙度相較凹槽界面處理提高較多，但泡泡膜在NC粘結(jié)面形成的砂漿厚度薄且強(qiáng)度不高，其次MRPC對(duì)孔洞的填充不完全，對(duì)粘結(jié)試件抗折強(qiáng)度的影響不大。

預(yù)制混凝土與后澆混凝土之間的粘結(jié)強(qiáng)度主要取決于其粘結(jié)力，粘結(jié)力包括表面張力、范德華力、粘結(jié)鍵力和機(jī)械咬合力[14]。其中在鑿毛和露骨料2種界面處理方式中，范德華力占粘結(jié)力主要部分，增大粘結(jié)面的粗糙度即增大MRPC中的水泥砂漿與NC表層的接觸面積，進(jìn)而增大了NC與MRPC粘結(jié)面的范德華力，故抗折強(qiáng)度提高明顯；在凹槽和凹槽與泡泡膜聯(lián)合2種界面處理方式中，機(jī)械咬合力占粘結(jié)力主要部分，當(dāng)MRPC填充滿NC的凹槽時(shí)，由于受凹槽的特殊構(gòu)造和表面粗糙度的影響，粘結(jié)后的混凝土水化產(chǎn)物的滲入與骨料相互交錯(cuò)抱合而達(dá)到一定的強(qiáng)度。另外，NC一側(cè)中的粗骨料對(duì)粘結(jié)試件的抗折強(qiáng)度也起到重要作用。

2.4 溫度的影響

利用ORIGIN軟件對(duì)表2數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析可擬合出不同界面處理方式的MRPC-NC粘結(jié)試件抗折強(qiáng)度隨溫度的變化曲線，結(jié)果如式（4）～式（7）和圖4所示。

鑿毛處理：

露骨料處理：

凹槽處理：

凹槽與泡泡膜聯(lián)合處理：

圖4 MRPC-NC粘結(jié)試件抗折強(qiáng)度與溫度的關(guān)系

通過表2和圖4可以得出，隨溫度的升高，4種界面處理方式的MRPC-NC粘結(jié)試件抗折強(qiáng)度顯著降低，且溫度越高，粘結(jié)試件的抗折強(qiáng)度下降幅度越大。與常溫（20℃）相比，當(dāng)溫度升高到200℃和300℃時(shí)，通過鑿毛、露骨料、凹槽和凹槽與泡泡膜聯(lián)合界面處理方式得到的粘結(jié)試件抗折強(qiáng)度分別降低了35.5%～60.3%、31.5%～60.3%、38.6%～61.9%和38.8%～60.1%。

高溫對(duì)MRPC-NC粘結(jié)試件損傷主要體現(xiàn)在，高溫條件下NC與MRPC中的水泥砂漿變形不協(xié)調(diào)，NC中的粗骨料在溫度升高的過程中不斷受熱膨脹，而水泥砂漿因自身失水會(huì)急劇收縮，在兩者間產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，從而內(nèi)部產(chǎn)生較多的微小裂縫，溫度越高這些微裂縫發(fā)展越快，粘結(jié)構(gòu)件的抗折強(qiáng)度下降越顯著。其次，在溫度為100～300℃時(shí)，粘結(jié)面的層間水以及吸附水不斷的脫除，使得粘結(jié)面材料產(chǎn)生膨脹和收縮，導(dǎo)致NC和MRPC兩者間變形不協(xié)調(diào)；另外，在升溫狀態(tài)下，試件會(huì)受到溫度應(yīng)力的影響對(duì)結(jié)構(gòu)造成一定的損傷，拉、壓應(yīng)力分別會(huì)在試件內(nèi)部和外部產(chǎn)生；冷卻狀態(tài)下，拉、壓應(yīng)力產(chǎn)生位置與之相反，由于溫度應(yīng)力的變化，導(dǎo)致MRPC-NC粘結(jié)試件在升溫時(shí)內(nèi)部產(chǎn)生裂縫，在粘結(jié)面表現(xiàn)尤為突出，表面更容易產(chǎn)生細(xì)微裂縫，從而粘結(jié)試件的抗折強(qiáng)度不斷下降[15]。

3 結(jié)論

（1）4種界面處理方式形成的界面粗糙度有明顯差異，采用露骨料和凹槽與泡泡膜界面處理方式能顯著增大NC與MRPC粘結(jié)界面的粗糙度，MRPC-NC粘結(jié)試件抗折強(qiáng)度隨著粗糙度增加而增大，但隨著溫度的升高，粗糙度的影響作用逐漸減弱。

（2）在4種界面處理方式中，粘結(jié)抗折破壞形式有粘結(jié)面破壞和NC破壞2種；露骨料界面處理方式得到的MRPC-NC粘結(jié)試件抗折強(qiáng)度最高，在一定程度上能夠提升粘結(jié)界面的粘結(jié)抗折能力。

（3）溫度是影響MRPC-NC粘結(jié)試件抗折強(qiáng)度的一個(gè)重要因素，隨著溫度升高，抗折強(qiáng)度急劇下降，當(dāng)溫度達(dá)到300℃時(shí)，抗折強(qiáng)度較常溫相比下降60%。

（4）采用露骨料界面處理的試件，MRPC與NC之間表現(xiàn)了優(yōu)越的粘結(jié)性，能夠極大提高裝配式梁柱節(jié)點(diǎn)界面的粘結(jié)性能。