曾 衛(wèi),何 淼

(蘇州建設交通高等職業(yè)技術學校,江蘇 蘇州 215104)

鋼筋混凝土結構的耐高溫性能遠優(yōu)于鋼結構、木結構。主要因為鋼筋混凝土構件的截面厚實,混凝土包裹在鋼筋外側,火災時構件內部升溫慢,強度損失少,并且作為主體材料的混凝土是一種熱惰性材料。但是,當火災持續(xù)較長時間后,混凝土結構將發(fā)生不同程度的損傷和破壞現(xiàn)象。本文主要從混凝土表面粗糙度方面,通過實驗分析其對鋼筋混凝土梁耐高溫性能的影響。

1 混凝土表面粗糙度研究

對結構或構件進行加固補強,原構件能否與加固層共同工作是首要條件,新老混凝土表面必須進行處理?；炷帘砻娲植诙仁侵高M行混凝土表面處理時,表層的粗集料外露而形成的凹凸程度。

1.1 混凝土表面處理方法

1.1.1 噴砂法

用噴射機向混凝土表面噴射不同粒徑的小碎石,通過控制噴射速度和噴射密度,得到滿意的粗糙度。

1.1.2 高壓水射法

用高壓水槍對混凝土表面進行沖毛粗糙處理。高壓水槍噴射的水壓力一般在 100～250MPa之間,利用巨大的水沖射力除去混凝土表面的水泥石,使其表層的粗集料外露形成凹凸不平的粘結面。

1.1.3 鋼刷劃毛法

在新澆注的混凝土初凝后、終凝前12～24 h以內進行鋼刷劃毛處理。鋼刷劃毛法對混凝土表面只能進行輕度粗糙處理。

1.1.4 鑿毛法

人工鑿毛法是借人力用鐵錘和鑿對混凝土表面進行敲打,使其表面形成隨機的凹凸不平狀,從而增加混凝土表面粗糙度。

機器鑿毛法是采用鑿毛機在混凝土表面來回均勻鑿毛,多齒頭鑿毛機可根據(jù)需要鑿出不同粗糙程度的混凝土結構界面。

比較以上幾種方法,其中采用多齒頭鑿毛機的機器鑿毛法施工方便、高效、技術簡單,對混凝土擾動小、損傷小,混凝土表面凹凸均勻性好,可以更好地滿足試驗或工程實踐需要。

1.2 混凝土表面粗糙度測量

混凝土表面粗糙度的評定方法國內外有許多實驗研究,主要有:觸針法、灌砂法、分數(shù)維法、硅粉堆落法等。這些方法各有特點,但是都不適宜直接在工程中使用?，F(xiàn)在,在這些方法的基礎上加以改進,總結出一種簡單易行的粗糙度評定方法,即抹砂法。

1.2.1 評定原理

標準石英砂摻水時,具有易粘結,干燥后不擾動、不脫落的特性。對混凝土構件鑿毛面進行抹砂,測定平均抹砂深度,以平均抹砂深度與構件表面鑿毛最大深度限值的比作為混凝土構件表面的粗糙度。

1.2.2 評定工具和材料

工具:量筒、漏斗、抹砂刀、豬鬃木柄刷、方形開洞不銹鋼鐵皮。

材料:標準石英砂(粒徑為 40±3μm),自來水。

1.2.3 評定流程

(1)鑿毛機依靠高速旋轉的轉盤帶動多齒頭對混凝土構件表面進行打磨;

(2)對鑿毛的混凝土構件表面用壓縮空氣除去松散的材料和塵土,再使用高壓水沖洗;

(3)構件表面干燥后,用抹砂刀將砂水配合比為 1∶0.25的濕砂均勻地涂抹于鑿毛表面;

(4)等構件表面所抹的砂干燥后,進行刮砂處理,采用200mm×200mm方形開洞不銹鋼鐵皮封住混凝土結構表面,用豬鬃木柄刷在該區(qū)域內,輕輕地將砂刷下;

(5)最后將刷下的砂全部倒入量筒中,測量刮砂體積。

1.2.4 評定公式

式中:h為所抹標準砂平均深度,單位mm;V為 200mm×200mm方形區(qū)域內標準砂體積,單位mm3;S為方形區(qū)域面積,為 40000mm2。

式中:n為界面粗糙度;h為所抹標準砂平均深度,單位mm;δ為鑿毛最大深度限值,為 10mm。

1.3 混凝土表面粗糙度等級劃分

混凝土表面的粗糙度等級劃分,目前還沒有相應的規(guī)范或規(guī)程對其作出明確的規(guī)定。為了定量地分析混凝土表面粗糙度對加固補強的混凝土構件耐高溫的影響,依據(jù)所得粗糙度n值,現(xiàn)將混凝土構件表面粗糙度劃分三個等級。

Ⅰ級粗糙度:界面粗糙度n<0.1

Ⅱ級粗糙度:界面粗糙度 0.1≤n≤0.2

Ⅲ級粗糙度:界面粗糙度n>0.2

2 粗糙度評定試驗研究

2.1 試件準備

制作 9根鋼筋混凝土梁試件,截面尺寸為 b×h=150mm×300mm,長度 l=1400mm,跨度 l0=1200mm,跨中作用集中荷載 p,剪跨比 λ為 2.2?；炷猎O計強度等級為C25,底部縱筋為 316,其中 116在支座邊截斷,鋼筋等級為 HRB335,試件未配置箍筋(圖1)。

圖1 粗糙度試驗

2.2 粗糙度評定試驗

對以上試件進行表面處理,采用機械鑿毛法,鑿出三個粗糙度級別的表面,即Ⅰ級約有 10%粗骨料可見;Ⅱ級 30%～40%粗骨料可見;Ⅲ級 60%～80%粗骨料可見。每根梁每個側面各取兩個測區(qū),每個測區(qū)各測三次,以減小誤差。

3 混凝土表面粗糙度對構件高溫性能的影響

3.1 試驗方案

將上面試驗中不同粗糙度等級的梁試件各取兩根,正位安放在高溫試驗爐內,兩端鉸支,在試件跨中位置施加初始荷載P并維持恒定。按照 ISO國際標準升溫曲線進行升溫,模擬火災高溫環(huán)境。ISO國際標準升溫曲線是一個統(tǒng)一的、單調升溫過程,與真實火災溫度有較大差別,但是,在結構構件的抗火試驗、高溫性能分析或耐火極限驗算中,作為一個標準統(tǒng)一應用。

3.2 試驗內容

(1)試驗現(xiàn)象:升溫過程中,試件內部水蒸氣的逸出、表面顏色、敲擊聲響、外表損傷狀況和試件破壞形態(tài)等。

(2)試件破壞時的極限溫度和時間。

3.3 試驗結果

3.3.1 試驗現(xiàn)象

(1)L1、L2:升溫 4～5 min后,爐內有水蒸汽冒出;14～16m in時,加載點處混凝土頂面有垂直軸向的裂縫;28m in時,左端支座出現(xiàn)斜裂縫;54 min時,右端支座也出現(xiàn)斜裂縫,試件受剪切破壞。

(2)L4、L5:升溫 5～6m in后,爐內有水蒸汽冒出;27～30m in時,加載點處混凝土頂面有垂直軸向的裂縫;78m in時,南端支座發(fā)現(xiàn)斜裂縫;98 min時,北端支座也發(fā)現(xiàn)斜裂縫,試件受剪切破壞。

(3)L7、L8:升溫 5～6m in后,爐內有水蒸汽冒出;36～40m in時,加載點處混凝土頂面有垂直軸向的裂縫;84m in時,南端支座發(fā)現(xiàn)斜裂縫;114min時,北端支座也發(fā)現(xiàn)斜裂縫,試件受剪切破壞。

3.3.2 表觀顏色及敲擊聲音

混凝土呈灰黃色,加蓋密封處為棕黃色,粗骨料顏色變成紅色。用錘子敲擊混凝土表層時,發(fā)出較響亮聲音。粗糙度等級越高,混凝土表面顏色越淺,粗骨料顏色越淺,敲擊時聲音越響亮。

3.3.3 爆裂情況

試件在試驗過程中無爆裂現(xiàn)象,但混凝土受到嚴重損傷,變得疏松易碎,梁右側底部混凝土脫落,露出縱筋。粗糙度等級越低,混凝土損傷越嚴重,脫落露筋區(qū)域越大。

各試件在試驗中出現(xiàn)類似的現(xiàn)象,升溫 4～6min時,明顯可見水蒸氣從梁中溢出;升溫 20～40min時,水蒸汽溢出量最大,之后逐漸減少;至 70min后不再見水蒸氣。各試件的表面顏色隨爐溫的升高,也呈現(xiàn)出規(guī)律性的變化。各試件在不同的粗糙度等級、初始荷載水平下的試驗結果對比見表1。

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L1、L4、L7均是在 70 kN荷載下進行高溫試驗,由于混凝土表面粗糙度的提高,極限時間由54m in延長到 114min,極限溫度由 929℃提高到 1043℃。

L2、L5、L8均是在 110 kN荷載下進行高溫試驗,由于混凝土表面粗糙度的提高,極限時間由 28 min延長到 84min,極限溫度由 821℃提高到 990℃。

3.4 試驗分析

試驗結果表明:Ⅱ、Ⅲ級粗糙度的試件,混凝土界面粘結強度大,不易開裂,試件高溫下的工作性能好,且Ⅱ、Ⅲ級間相差不大;Ⅰ級粗糙度的試件,混凝土界面粘結強度小,易開裂,裂縫開展較快,且靠近支座處的混凝土出現(xiàn)脫落現(xiàn)象,試件高溫下的工作性能差。因此,混凝土表面粗糙可以阻止或延緩界面處各種應力 導致的裂縫產生或開展,同時混凝土表面的凸起對界面結構有增強作用,并能改變界面裂縫擴展方向,使裂縫“路徑”曲折,也能消耗部分能量。

通過試驗發(fā)現(xiàn)混凝土表面粗糙度對鋼筋混凝土梁的耐熱性能有很大影響,混凝土表面越粗糙,其耐熱性能越強。

[1]婁建軍,馮偉東,王海青.淺談新老混凝土界面粗糙度處理方法及應用.山西建筑,2009(11)

[2]韓菊紅,畢蘇萍,張啟明,等.粗糙度對新老混凝土粘結性能的影響.鄭州工業(yè)大學學報(自然科學版),2001(3)

[3]劉利先,呂龍,劉錚,等.高溫下及高溫后混凝土的力學性能研究.建筑科學,2005(3)

[4]陸洲導.鋼筋混凝土梁對火災反應的研究[D].同濟大學,1989

[5]馬忠誠.火災后鋼筋混凝土結構損傷評估與抗震修復[D].哈爾濱建筑大學,1997

[6]余德軍.高性能水泥復合砂漿鋼筋網加固 RC受剪梁的高溫性能試驗研究[D].湖南大學,2008