混凝土露骨料處理結(jié)合面壓剪承載力試驗研究*

姜國永 黃選明 張新江,2 王景賢 張 寧

(1.中國建筑科學(xué)研究院有限公司, 國家建筑工程技術(shù)研究中心, 北京 100013;2.北京工業(yè)大學(xué), 北京 100124; 3.北京榆構(gòu)有限公司, 北京 100070)

裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)中的疊合構(gòu)件分為預(yù)制層和后澆層,為確保疊合構(gòu)件之間的有效連接,除須關(guān)注鋼筋方面的構(gòu)造措施,還要對預(yù)制層與后澆層間的薄弱部位-結(jié)合面進行粗糙處理。結(jié)合面的粗糙處理是預(yù)制混凝土與后澆混凝土共同工作的重要條件,因此有必要對混凝土結(jié)合面力學(xué)性能進行研究[1-2]。

眾多學(xué)者對混凝土結(jié)合面做了大量的試驗研究,初步探尋結(jié)合面黏結(jié)、剪力傳遞和破壞機理[3-4];研究表明經(jīng)過粗糙處理的結(jié)合面,其抗剪強度有所提高[5];調(diào)整結(jié)合面中和軸的相對高度以及提高混凝土強度,可以提升結(jié)合面力學(xué)性能[6]。建筑工程中常用露骨料、拉毛、壓痕、切槽、自然振搗、鑿毛和噴砂等工藝對結(jié)合面進行粗糙處理,以此達(dá)到等同整澆的目的[7-8];采用灌砂法、機械探針法、分?jǐn)?shù)維法、數(shù)字圖像法和3D激光掃描法對結(jié)合面進行粗糙度檢測[9-10]。但是針對疊合構(gòu)件的質(zhì)量控制及驗收評價,尚無適用于工程的實用粗糙度檢測方法。

露骨料處理是一種比較常用的粗糙處理工藝,通過緩凝劑滲入深度、水槍沖洗壓力及時間來控制骨料露出的深淺。初凝前在混凝土表面涂刷緩凝劑,使水泥無法水化凝結(jié)而保持松散狀態(tài),待混凝土達(dá)到規(guī)定強度后,用高壓水槍沖洗混凝土表面,露出混凝土原始級配下的骨料面[8]。而相較于傳統(tǒng)的結(jié)合面粗糙度檢測方法,激光掃描法可以突破場地、環(huán)境和人工等條件限制,具有效率高、精度高及數(shù)字化等優(yōu)點,是一種非接觸式檢測方法。在結(jié)合面黏結(jié)質(zhì)量評價方面,粗糙度是其重要影響因素,反映總體的數(shù)量特征,包含統(tǒng)計學(xué)參數(shù)和分形參數(shù)。

采用3D激光掃描技術(shù)獲取露骨料結(jié)合面形貌信息,將三維點坐標(biāo)代入MATLAB進行量化計算,基于統(tǒng)計學(xué)原理得出二維粗糙度參數(shù)換算深度,用以表征結(jié)合面粗糙度;通過壓剪承載力試驗得出不同粗糙度下混凝土露骨料處理結(jié)合面壓剪強度的變化規(guī)律,為我國混凝土預(yù)制裝配式疊合構(gòu)件的質(zhì)量控制及驗收評價提供參考。

1 試驗概況

1.1 試件設(shè)計

考慮混凝土強度、緩凝劑涂刷次數(shù)和法向應(yīng)力等因素,設(shè)計4組共120個露骨料試件和2組共30個整澆試件,試件尺寸均為150 mm×150 mm×150 mm,試件結(jié)合面高度均為75 mm,各試件分組情況及數(shù)量見表1。

露骨料試件分為預(yù)制層和后澆層兩部分,預(yù)制層混凝土強度等級均為C30;分組編號中前兩位字母LG表示露骨料粗糙處理工藝,中間數(shù)字1表示涂刷緩凝劑1次、2表示涂刷緩凝劑2次、3表示涂刷緩凝劑3次,末尾兩數(shù)字表示后澆層混凝土強度等級;整澆試件分組編號中前兩位字母ZJ表示整體澆筑,末尾兩數(shù)字表示混凝土強度等級。

表1 各試件分組情況及數(shù)量Table 1 The grouping and quantity of specimens

試件預(yù)制層和后澆層分批次澆筑,按照試驗標(biāo)準(zhǔn)要求[11],各批次混凝土均預(yù)留6組邊長為150 mm的標(biāo)準(zhǔn)混凝土立方體試塊,與試驗試件進行同條件養(yǎng)護?；炷亮⒎襟w試塊抗壓強度實測值:預(yù)制層為44.2 MPa,后澆層分別為41.1 MPa和59.4 MPa。本試驗骨料粒徑區(qū)間主要為5～25 mm,露骨料預(yù)期處理區(qū)間為3～8 mm,混凝土骨料級配曲線見圖1。

圖1 混凝土骨料級配曲線Fig.1 Concrete aggregate gradation curve

1.2 抗剪試驗夾具設(shè)計

針對國內(nèi)尚無夾具適用于小尺寸混凝土試件抗剪試驗的問題,依照試驗規(guī)程[12],設(shè)計一種新式混凝土立方體結(jié)合面抗剪試驗夾具[13],如圖2所示。該抗剪夾具可以保證試驗時水平力作用線與結(jié)合面重合,使水平力直接施加于結(jié)合面位置,得到破壞時結(jié)合面的剪應(yīng)力。試驗前確?？辜魥A具與其上下部滑軌的隨動狀態(tài),避免試件所受的豎向作用與水平作用產(chǎn)生耦合關(guān)系,影響試驗結(jié)果。

圖2 混凝土立方體結(jié)合面抗剪試驗夾具Fig.2 Shear test fixture for the interface of concrete cube

1.3 加載方案及測點布置

在試驗正式加載前進行預(yù)加載,對試件施加豎向力并保持恒定,然后施加水平力。水平力采用力-位移聯(lián)合控制,加載初期采用力控制,待試件剛度下降后改為位移控制,試件發(fā)生剪切破壞后,繼續(xù)持荷施加水平力直至試件剪切面相對位移達(dá)到5 mm后卸載。豎向采用2 500 kN單向千斤頂,位移量程200 mm;水平采用1 000 kN拉壓千斤頂,位移量程±300 mm;控制器為高精度、高穩(wěn)定計算機全數(shù)字伺服液壓控制臺,型號為JSKF-IV/31.5-8。試驗加載裝置見圖3。

圖3 試驗加載裝置Fig.3 Test loading devices

在夾具上下兩部分各布置2個位移測點。分別將每部分左右側(cè)的位移取平均值,用以減小夾具制造誤差帶來的扭轉(zhuǎn)影響,再計算夾具上下部分的相對位移,位移測點布置見圖4。

圖4 位移測點布置Fig.4 Arrangements of displacement measurement points

2 試驗結(jié)果

2.1 試驗現(xiàn)象

露骨料試件與整澆試件的破壞過程大體上相似。在剛度下降之前,受剪區(qū)未出現(xiàn)明顯裂縫,臨近峰值荷載時,由細(xì)微裂縫快速發(fā)展成宏觀裂縫,進而裂縫變寬,伴隨著混凝土起皮和混凝土被剪碎的聲音,試件發(fā)生脆性破壞,隨后荷載迅速降低直至穩(wěn)定。露骨料試件的破壞表面與露骨料粗糙處理后的結(jié)合面基本重合;整澆試件破壞表面的起伏明顯,基本沿夾具上下部邊緣作用點連線方向發(fā)展。

雖然各試件均發(fā)生剪切脆性破壞,但當(dāng)法向應(yīng)力較低時,試件破壞形式以粗骨料沿砂漿面滑出的剪脹破壞為主,在結(jié)合面上留下磨損痕跡;當(dāng)法向應(yīng)力較高時,試件破壞形式以粗骨料被截斷的剪斷破壞為主。

相比于試驗組LG1-30,試驗組LG2-30和LG3-30的結(jié)合面凸凹起伏更明顯,粗骨料露出的更多,骨料咬合作用更明顯,整體粗糙處理效果更佳,見圖5。

a—ZJ30; b—LG1-30; c—LG2-30; d—LG3-30。圖5 試件破壞形態(tài)Fig.5 Specimen failure patterns

2.2 數(shù)據(jù)處理及分析

1)歸一化處理。

將露骨料試件壓剪強度τs與試驗組ZJ30相應(yīng)工況下試件壓剪強度平均值τm的比值定義為露骨料試件壓剪強度等效系數(shù)[14],進行歸一化處理,分析試驗數(shù)據(jù)的數(shù)字特征。不同法向應(yīng)力下露骨料試件等效系數(shù)箱型圖及換算深度Sa,見圖6。不同法向應(yīng)力下露骨料試件等效系數(shù)及換算深度平均值對比結(jié)果,見表2。

圖6中的箱型圖反映不同法向應(yīng)力時各組露骨料試件壓剪強度等效系數(shù)的平均數(shù)、中位數(shù)、尾長、分布區(qū)間等信息,其中圓框內(nèi)的點表示極端離散值。如圖6a所示,法向應(yīng)力0.5 MPa下試驗組LG1-40存在兩個極端離群值,這表明,如果粗糙處理達(dá)不到應(yīng)有水平,水泥漿體與骨料無法充分黏結(jié),即便后澆混凝土強度提高,試件壓剪強度也較低。

分析主要原因是,混凝土微觀結(jié)構(gòu)由水化水泥漿體、骨料及水泥漿體與骨料之間的過渡區(qū)三相組成,組分之間的耦合作用及性質(zhì)決定了混凝土的宏觀力學(xué)性能。而混凝土結(jié)合面相當(dāng)于水泥漿體與骨料之間的過渡區(qū),預(yù)制層混凝土可看成一個大而平的“骨料”,結(jié)合面處往往集中的孔隙和微裂縫較多。如果粗糙處理不佳,會使裂縫發(fā)展路徑不夠曲折,延伸和傳播速度較快,進而導(dǎo)致過渡區(qū)黏結(jié)能力弱,此時就難以發(fā)揮混凝土強度提高的作用[14]。

將試驗組LG1-40、LG1-30、LG2-30、LG3-30的壓剪強度與試驗組ZJ30的壓剪強度進行對比,可以看出法向應(yīng)力為0.5,1.0,1.5,2.0,2.5 MPa時,各組露骨料試件壓剪強度與試驗組ZJ30整澆試件相比有一定差距。試驗組LG1-40試件壓剪強度平均值可達(dá)整澆試件的73.7%～84.0%;試驗組LG1-30試件壓剪強度平均值可達(dá)整澆試件的68.5%～78.9%;試驗組LG2-30試件壓剪強度平均值可達(dá)整澆試件的73.5%～88.3%;試驗組LG3-30試件壓剪強度平均值可達(dá)整澆試件的67.2%～85.9%。

a—法向應(yīng)力0.5 MPa; b—法向應(yīng)力1.0 MPa; c—法向應(yīng)力1.5 MPa; d—法向應(yīng)力2.0 MPa; e—法向應(yīng)力2.5 MPa。圖6 露骨料試件等效系數(shù)箱型圖及換算深度Fig.6 Box diagrams of equivalence coefficients and conversion depths of exposed aggregate specimens

表2 露骨料試件等效系數(shù)及換算深度平均值對比結(jié)果Table 2 Comparisons of equivalence coefficients and conversion depth averages for exposed aggregate specimens

隨著露骨料處理深度的提高,試件壓剪強度整體上先提高后降低,這表明適當(dāng)處理結(jié)合面可以提高試件壓剪強度,但過度處理會降低試件壓剪強度。分析主要原因是,經(jīng)過露骨料工藝處理的結(jié)合面,其表層形成凹凸不平的骨料外露面,增大骨料接觸表面積,骨料間機械咬合力亦隨之提高,從而提高了露骨料試件壓剪強度;但過度處理會導(dǎo)致骨料間水泥砂漿過少,增大界面間孔隙,使骨料松動或脫落,且易于吸附雜質(zhì),進而降低露骨料試件壓剪強度[5]。

2)結(jié)合面換算深度。

基于3D激光掃描技術(shù)具有非接觸、客觀及可數(shù)據(jù)化等優(yōu)點[15],在露骨料試件制作過程中,通過該技術(shù)獲取結(jié)合面形貌信息,如圖7所示。在結(jié)合面區(qū)域內(nèi)居中選定100 mm×100 mm的基準(zhǔn)面,并等距截取50條二維輪廓線,將其坐標(biāo)數(shù)據(jù)輸入MATLAB中進行量化計算[16],得出基于灌砂法原理下各試件結(jié)合面換算深度Sa,其表達(dá)式為:

(1)

式中:Sa為試件結(jié)合面的換算深度;Hmax,,j為第j條輪廓線上測點高度最大值;Hij為第j條輪廓線上第i個測點高度;m為選定區(qū)域內(nèi)輪廓線數(shù)量;n為選定輪廓線內(nèi)測點數(shù)量。

a—手持式激光掃描儀; b—基準(zhǔn)面選取; c—二維輪廓線截取。圖7 激光掃描儀獲取結(jié)合面形貌特征Fig.7 The topographic features of the bonding surface obtained by the laser scanner

隨著露骨料處理深度的提高,試件換算深度平均值整體上先提高后降低,這表明適當(dāng)處理結(jié)合面可以提高結(jié)合面換算深度,但過度處理會降低結(jié)合面換算深度,與相應(yīng)露骨料試件壓剪強度的變化規(guī)律一致。這表明基于3D激光掃描技術(shù)得出的結(jié)合面粗糙度參數(shù),可以用來表征露骨料試件壓剪強度。

2.3 結(jié)合面壓剪承載力影響因素分析

土力學(xué)及巖石力學(xué)領(lǐng)域一般采用內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角兩項參數(shù)評價土和巖石壓剪承載力,在低法向應(yīng)力下,壓剪強度與法向應(yīng)力呈正相關(guān)[17]。借鑒以上兩參數(shù)評價混凝土結(jié)合面壓剪承載力,以試件壓剪強度和所受法向應(yīng)力為變量,得到各組試件內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角的分析結(jié)果,見表3。直線方程表達(dá)式為:

τ=c+σtanφ

(2)

式中:τ為試件壓剪強度;σ為試件所受法向應(yīng)力;c為試驗組內(nèi)聚力;φ為試驗組內(nèi)摩擦角。

表3 各組試件內(nèi)聚力與內(nèi)摩擦角分析結(jié)果Table 3 Analysis results of cohesive forces andinternal friction angles of each group of specimens

內(nèi)聚力c反映試件不受任何法向應(yīng)力的壓剪強度;內(nèi)摩擦角φ反映試件內(nèi)部各顆粒之間的摩擦特性。各組試件σ-τ關(guān)系曲線見圖8。

a—對比后澆層混凝土強度; b—對比涂刷緩凝劑次數(shù)。圖8 各組試件σ-τ關(guān)系曲線Fig.8 The σ-τ curves of each group of specimens

1)后澆層混凝土強度。

如圖8a所示,相比于試驗組ZJ30,試驗組ZJ40的內(nèi)聚力提高6.0%、內(nèi)摩擦角提高4.1%;相比于試驗組LG1-30,試驗組LG1-40的內(nèi)聚力提高8.7%、內(nèi)摩擦角提高4.0%。對比試驗組ZJ40、ZJ30、LG1-40和LG1-30,可以看出隨著混凝土強度的提高,抗剪性能參數(shù)提高幅度不足9%。各組試件的σ-τ關(guān)系曲線基本平行。

提高后澆層混凝土強度對結(jié)合面壓剪承載力有一定的提升作用,但提升作用并不顯著。分析主要原因是,微觀上結(jié)合面黏結(jié)效果主要靠范德華力和機械咬合力等物理力,隨著混凝土強度提高,只有化學(xué)作用力明顯提高,其他抗力提高不明顯[3];宏觀上試件壓剪承載力與混凝土抗拉強度直接相關(guān),混凝土強度提升一個等級,其抗拉強度提升不多。

2)涂刷緩凝劑次數(shù)。

如圖8b所示,將試驗組LG1-30、LG2-30、LG3-30的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角與試驗組ZJ30的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角進行對比,可以看出:隨著結(jié)合面露骨料處理深度的提高,LG1-30內(nèi)聚力達(dá)到其71.0%,內(nèi)摩擦角達(dá)到其90.6%;LG2-30內(nèi)聚力達(dá)到其85.5%,內(nèi)摩擦角達(dá)到其76.7%;LG3-30內(nèi)聚力達(dá)到其78.4%,內(nèi)摩擦角達(dá)到其77.1%。

露骨料試件內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角分別達(dá)到整澆試件的71.0%～85.5%和76.7%～90.6%,其中LG2-30的σ-τ關(guān)系曲線整體上處于LG1-30和LG3-30的上方,可以看出露骨料試件壓剪承載力參數(shù)與整澆試件相比仍有一定差距。分析主要原因是,混凝土結(jié)合面與整體澆筑混凝土中骨料與水泥砂漿界面過渡區(qū)的破壞機理雖然基本相同,但其內(nèi)部缺陷更嚴(yán)重、初始應(yīng)力更復(fù)雜、裂縫延伸和傳播更快,導(dǎo)致結(jié)合面承載力明顯較弱[3]。

3)法向應(yīng)力。

根據(jù)各試驗組的σ-τ關(guān)系可知,相同法向應(yīng)力下LG1-30、LG2-30、LG3-30的結(jié)合面壓剪強度不同,相同處理等級的結(jié)構(gòu)面,試件壓剪強度隨著法向應(yīng)力的增大而增大,壓剪強度與法向應(yīng)力呈正相關(guān),該試驗結(jié)果與相關(guān)研究結(jié)果一致[17-19]。

分析主要原因是,隨著法向應(yīng)力的提高,試件破壞形式由粗骨料沿砂漿面滑出的剪脹破壞轉(zhuǎn)化為以粗骨料被截斷的剪斷破壞,兩種不同形式對試件壓剪強度影響不同,受剪試件豎向擴張(剪脹作用)受到約束越大,試件壓剪強度越高[20]。

3 結(jié)束語

1)隨著露骨料處理深度提高,試件壓剪強度整體上先提高后降低。表明結(jié)合面經(jīng)過適當(dāng)粗糙處理,可以提高露骨料試件壓剪強度,但過度處理會降低露骨料試件壓剪強度。

2)隨著露骨料處理深度提高,試件換算深度整體上先提高后降低,適當(dāng)處理結(jié)合面可以提高結(jié)合面換算深度,但過度處理會降低結(jié)合面換算深度,與相應(yīng)露骨料試件壓剪強度的變化規(guī)律一致。這表明基于3D 激光掃描技術(shù)得出的結(jié)合面粗糙度參數(shù),可以用來表征露骨料試件壓剪強度。

3)隨著后澆層混凝土強度的提高,試件內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角提高幅度不足9%。表明提高后澆層混凝土強度,結(jié)合面壓剪承載力提高效果并不顯著。

4)露骨料試件內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角分別達(dá)到整澆試件的71.0%～85.5%和76.7%～90.6%,與整澆試件相比有一定差距。表明工程中最常用的露骨料工藝尚無法達(dá)到等同整澆的要求。

通過混凝土結(jié)合面壓剪承載力試驗研究,得到露骨料工藝處理下不同粗糙度混凝土結(jié)合面壓剪承載力的變化規(guī)律?；?D激光掃描技術(shù),初步選取一種二維粗糙度表征參數(shù)來評價結(jié)合面粗糙度,驗證該技術(shù)應(yīng)用于結(jié)合面粗糙度檢測的可行性。后續(xù)研究中將考慮多種粗糙處理工藝,進一步引入基于統(tǒng)計學(xué)及分形幾何理論的二維、三維粗糙度參數(shù),確定更合理的混凝土結(jié)合面粗糙度表征參數(shù)和量化評價方法,為我國混凝土預(yù)制裝配式疊合構(gòu)件的質(zhì)量控制及驗收評價提供參考和數(shù)據(jù)支撐。