劉宏波,朱文明,魏魯彬,葉曉旭,汪凱柄

(1.河北建筑工程學(xué)院 土木工程學(xué)院,河北 張家口 075000;2.河北省土木工程診斷、改造與抗災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北 張家口 075000)

在混凝土建筑的施工工藝上,為了使建筑工業(yè)化,裝配式建筑技術(shù)愈來(lái)愈趨近于成熟,使用預(yù)制技術(shù)已經(jīng)是大勢(shì)所趨。疊合構(gòu)件是在預(yù)制構(gòu)件的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次澆筑,這種工藝不僅環(huán)保節(jié)能,還縮短了施工時(shí)間,同時(shí)兼具現(xiàn)澆整體性好,抗震性能優(yōu)越,操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)?；炷怜B合構(gòu)件的預(yù)制部分與后澆部分的粘結(jié)性能對(duì)于構(gòu)件整體性至關(guān)重要。鋼纖維混凝土相較傳統(tǒng)混凝土有著更好的抗拉,抗彎,增韌性能[1-3],且弓形鋼纖維對(duì)混凝土抗拉性能的提升更顯著[4-5]。隨著鋼纖維混凝土逐漸運(yùn)用到裝配式工程中,而目前對(duì)于高強(qiáng)鋼纖維混凝土粘結(jié)性能的研究并不多,所以對(duì)于鋼纖維混凝土疊合面粘結(jié)性能的研究很具有社會(huì)和經(jīng)濟(jì)意義。

何橋敏等對(duì)不同鋼纖維摻量的混凝土試塊進(jìn)行基本力學(xué)試驗(yàn),得出鋼纖維摻量對(duì)于混凝土抗拉性能有顯著影響[2];黃選明等通過(guò)對(duì)預(yù)制混凝土構(gòu)件不同疊合面的劈裂抗拉試驗(yàn),得出疊合面處理方式對(duì)劈拉強(qiáng)度影響較大[6];王德奎等對(duì)普通混凝土試塊的養(yǎng)護(hù)齡期進(jìn)行研究,得出抗拉強(qiáng)度隨齡期的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)[7]。現(xiàn)階段雖然已經(jīng)有不少對(duì)于鋼纖維混凝土的研究,但對(duì)鋼纖維混凝土疊合試塊劈裂性能的研究并不多。本文通過(guò)對(duì)不同鋼纖維含量和齡期的高強(qiáng)鋼纖維混凝土整澆試塊進(jìn)行劈裂試驗(yàn)研究其抗拉性能,對(duì)不同齡期和疊合面處理方式的高強(qiáng)鋼纖維混凝土疊合試塊進(jìn)行劈裂實(shí)驗(yàn)研究其粘結(jié)性能。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 試驗(yàn)材料

(1)膠凝材料:金隅水泥有限公司生產(chǎn)的P.O42.5普通硅酸鹽水泥,材料性能指標(biāo)如表1所示。

表1 水泥性能指標(biāo)

(2)粗骨料:石灰?guī)r石子,粒徑范圍為5～20mm,連續(xù)級(jí)配。粗骨料分為倆個(gè)級(jí)配,5～10mm和10～20mm,其中5～10mm與10～20mm石子用量比例為3:7,含水率為0.18%。

(3)細(xì)骨料:河北張家口的天然砂,細(xì)度模數(shù)為2.77,屬于中粗砂。

(4)減水劑:山東省萊陽(yáng)市宏祥建筑外加劑廠生產(chǎn)的灰霸高效減水劑,摻量為2%,減水率為18～25%。

(5)鋼纖維:端勾型,長(zhǎng)為35mm,直徑為0.75mm,長(zhǎng)徑比為46.7,抗拉強(qiáng)度為1044MPa。

(6)水:生活用水。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

共設(shè)計(jì)了13組共39個(gè)劈裂試驗(yàn)試塊,其中6組整澆試塊,如圖1所示,7組疊合試塊,如圖2所示。

圖1 整澆試塊

圖2 疊合試塊

6組整澆試塊中2組鋼纖維含量為1%,2組鋼纖維含量為1.5%,2組鋼纖維含量為2%,分別在7天和28天養(yǎng)護(hù)結(jié)束后進(jìn)行劈裂抗拉試驗(yàn)。

鋼纖維混凝土配合比和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)值如表2所示。

7組疊合試塊在初次澆筑時(shí),進(jìn)行疊合面處理,疊合面處理方式分為振搗自然面,插鋼纖維面,拉毛面,劈裂面,分別制作了1組振搗自然面疊合試塊,1組插鋼纖維面疊合試塊,1組劈裂面疊合試塊,4組拉毛面疊合試塊,拉毛面疊合試塊2組為橫向拉毛,2組為縱向拉毛,分別對(duì)養(yǎng)護(hù)7天,28天的拉毛疊合試塊進(jìn)行劈裂粘結(jié)試驗(yàn)。其中振搗自然面是在振搗臺(tái)上振搗后自然形成的不平整面;插鋼纖維面是在疊合面上不規(guī)則插入22根鋼纖維;劈裂面試塊是取一月前試配時(shí),進(jìn)行劈裂試驗(yàn)的試塊;拉毛面是使用12mm直徑的鋼筋在混凝土初凝前對(duì)試塊表面進(jìn)行拉毛,深度6mm左右,拉痕寬度維持在12mm左右,拉痕間距大約12mm。疊合面處理方式如圖3所示。

疊合試塊二次澆筑時(shí)間為一次澆筑完成后7天。將試件放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù),養(yǎng)護(hù)條件為溫度20±3℃,相對(duì)濕度90%以上,養(yǎng)護(hù)28天。

2 加載裝置與試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)使用的是2000kN微機(jī)控制壓力試驗(yàn)機(jī),試驗(yàn)步驟如圖4和圖5所示。

圖4 加載示意圖

圖5 鋼纖維混凝土立方體試塊劈裂加載圖

根據(jù)《鋼纖維混凝土》(JG/T472—2015)[8],使用100mm非標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊時(shí),相對(duì)于150mm標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊,立方體抗壓強(qiáng)度換算系數(shù)宜取為0.90,劈裂抗拉強(qiáng)度換算系數(shù)宜取為0.80。

根據(jù)《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50081-2019[9],進(jìn)行劈裂抗拉試驗(yàn)時(shí),為確保劈裂位置的準(zhǔn)確,提前在試件的頂面和底面畫(huà)出相互平行的直線,加速度宜取0.06MPa/s。

混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度計(jì)算如式(1)所示。

(1)

式(1)中:fts—混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度(MPa),計(jì)算結(jié)果應(yīng)精確至0.01MPa;

F—試件破壞荷載(N);

A—試件劈裂面面積(mm2)

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 劈裂試驗(yàn)結(jié)果與破壞現(xiàn)象

根據(jù)規(guī)范《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50081-2019[9]要求,3個(gè)測(cè)值中的最大值或最小值中當(dāng)有一個(gè)與中間值的差值超過(guò)中間值的15%時(shí),則應(yīng)把最大值及最小值一并舍除,取中間值作為該組試件的劈裂抗拉強(qiáng)度。劈裂試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 試驗(yàn)變量與結(jié)果

鋼纖維混凝土整澆試塊與劈裂面試塊,插鋼纖維面試塊由于內(nèi)部鋼纖維交錯(cuò)分布,即使已經(jīng)劈裂破壞,仍能保持一定的試塊完整性,相比于傳統(tǒng)混凝土主要由水泥砂漿黏結(jié)力承受劈裂抗拉承載力,鋼纖維混凝土中鋼纖維與水泥砂漿的握裹力也能起到不錯(cuò)的抗拉效果,所以在達(dá)到極限劈裂強(qiáng)度后不會(huì)立即斷裂,如圖6(a),圖6(b),圖6(c)所示。

振搗自然面試塊與傳統(tǒng)混凝土試塊類似,主要是由水泥砂漿的黏結(jié)力承受劈拉承載力,表面擁有一定的粗糙度但并不明顯,也沒(méi)有鋼纖維裸露在表面,經(jīng)過(guò)劈裂試驗(yàn)斷裂成倆半后劈裂面能較好的保持完整,如圖6(d)所示。

橫向拉毛面與縱向拉毛面試塊破壞現(xiàn)象類似,如圖6(e),圖6(f)所示。除了水泥砂漿的黏結(jié)力,拉毛凹槽讓預(yù)制試塊與二次澆筑混凝土很好的結(jié)合在一起,斷裂面能明顯看出拉毛凹槽處混凝土的破壞,也起到了抵御劈裂荷載的作用。

3.2 整澆試塊劈裂抗拉強(qiáng)度分析

對(duì)于整澆的鋼纖維混凝土試塊,在養(yǎng)護(hù)7天后,1%鋼纖維含量的混凝土試塊抗壓強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到28天抗壓強(qiáng)度的65.7%,抗拉強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到28天劈拉強(qiáng)度的84.8%;1.5%鋼纖維含量的混凝土試塊抗壓強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到28天抗壓強(qiáng)度的69%,抗拉強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到28天劈拉強(qiáng)度的65.7%;2%鋼纖維含量的混凝土試塊抗壓強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到28天抗壓強(qiáng)度的65.7%,抗拉強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到28天劈拉強(qiáng)度的42.5%。不同鋼纖維含量下7天和28天抗壓、抗拉強(qiáng)度對(duì)比如圖7所示。

(a)抗壓強(qiáng)度對(duì)比圖

由此可見(jiàn),隨著鋼纖維含量的增加,高強(qiáng)鋼纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度并沒(méi)有明顯的提升。隨著鋼纖維含量的增加,高強(qiáng)鋼纖維混凝土的劈裂抗拉性能在7天養(yǎng)護(hù)周期的時(shí)候并沒(méi)有明顯提升,反而還有所降低,但在28天養(yǎng)護(hù)周期結(jié)束后抗拉強(qiáng)度提升明顯,鋼纖維的摻量越多,高強(qiáng)鋼纖維混凝土的28天抗拉強(qiáng)度相對(duì)于7天抗拉強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度越大:1%鋼纖維混凝土的抗拉強(qiáng)度,28天相較于7天,增長(zhǎng)了17.9%;1.5%鋼纖維混凝土的抗拉強(qiáng)度,28天相較于7天,增長(zhǎng)了52.2%;2%鋼纖維混凝土的抗拉強(qiáng)度,28天相較于7天,增長(zhǎng)了135.3%。但鋼纖維摻量并不是越多越好,當(dāng)纖維摻量在1.5%時(shí),抗拉強(qiáng)度最高,在2%時(shí),抗拉強(qiáng)度已經(jīng)沒(méi)有多大提升。而且從本文試驗(yàn)結(jié)果看,高強(qiáng)鋼纖維混凝土7天到28天的抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度并不能明顯影響到劈拉強(qiáng)度的增長(zhǎng)幅度。

3.3 疊合試塊劈裂粘結(jié)強(qiáng)度分析

高強(qiáng)鋼纖維混凝土疊合試塊采用鋼纖維含量1%的CF60配比,與C-4養(yǎng)護(hù)期為28天的整澆1%鋼纖維混凝土試塊進(jìn)行劈裂強(qiáng)度對(duì)比:振搗自然面疊合試塊劈拉粘結(jié)強(qiáng)度為整澆試塊的69.3%,插鋼纖維面疊合試塊劈拉粘結(jié)強(qiáng)度為整澆試塊的66.5%,劈裂面疊合試塊劈拉粘結(jié)強(qiáng)度為整澆試塊的49.8%,橫向拉毛面疊合試塊劈拉粘結(jié)強(qiáng)度為整澆試塊的50.5%,豎向拉毛面疊合試塊劈拉粘結(jié)強(qiáng)度為整澆試塊的57.6%,其中橫向拉毛面疊合試塊7天劈拉粘結(jié)強(qiáng)度是28天的95.2%,豎向拉毛面疊合試塊7天劈拉粘結(jié)強(qiáng)度是28天的80%。疊合試塊與整澆試塊劈裂強(qiáng)度對(duì)比如圖8所示。

圖8 疊合試塊與整澆試塊劈裂強(qiáng)度對(duì)比圖

插鋼纖維面疊合試塊是在振搗自然面的基礎(chǔ)上插上一定量的鋼纖維,從劈裂試驗(yàn)結(jié)果看,并沒(méi)有起到增強(qiáng)粘結(jié)性能的作用,反而劈拉粘結(jié)強(qiáng)度還略低于振搗自然面,但破壞后并沒(méi)有立即斷裂,仍能保持一定的整體性。理論上疊合面的粗糙度越大,新/老混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度應(yīng)該越高[10],但在本文實(shí)驗(yàn)中,劈裂面疊合試塊的疊合面粗糙度是疊合試塊中最大的,疊合面粗糙度次之,振搗自然面粗糙度最差,但劈裂面疊合試塊的劈裂粘結(jié)強(qiáng)度確是疊合試塊中最低的,這是因?yàn)榕衙姣B合試塊的預(yù)制試塊一開(kāi)始已經(jīng)經(jīng)過(guò)劈裂試驗(yàn),劈裂區(qū)域混凝土已經(jīng)受到破壞,鋼纖維,水泥砂漿和粗細(xì)骨料間已經(jīng)有所松動(dòng),表面雖然粗糙,但裂縫很多,所以新舊混凝土粘結(jié)不是很好。劈裂面疊合試塊與振搗自然面疊合試塊相比,能很好的證明光看表面粗糙度并不能準(zhǔn)確的表明粘結(jié)性能的好壞,如果疊合面表面干凈,微裂縫少,輕度粗糙且沒(méi)有薄弱的外皮,也能擁有較好的粘結(jié)性能。

橫向拉毛面疊合試塊28天劈拉粘結(jié)強(qiáng)度相較于7天劈拉粘結(jié)強(qiáng)度,提升了23.6%,橫向拉毛面疊合試塊28天劈拉粘結(jié)強(qiáng)度相較于7天劈拉粘結(jié)強(qiáng)度,提升了25.4%,橫向拉毛面疊合試塊的7天劈裂粘結(jié)強(qiáng)度為縱向拉毛面疊合試塊的104.6%,28天劈裂粘結(jié)強(qiáng)度為縱向拉毛疊合試塊的103.1%,且破壞現(xiàn)象也類似。由此可以看出在正方形疊合面中,橫向拉毛比縱向拉毛的粘結(jié)強(qiáng)度稍高一些,但并不明顯,兩者劈拉粘結(jié)效果差不多。

結(jié)語(yǔ)

(1)高強(qiáng)鋼纖維整澆試塊,劈裂面疊合試塊和插鋼纖維面疊合試塊在劈裂破壞后仍能保持一定的完整性,不會(huì)直接斷裂,具有一定的韌性;振搗自然面疊合試塊,拉毛面疊合試塊劈裂后直接斷裂成兩半。

(2)隨著鋼纖維含量的增加,高強(qiáng)鋼纖維混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度并不能明顯提升,但抗拉性能提升明顯,但超過(guò)1.5%之后提升并不明顯;進(jìn)行7天和28天養(yǎng)護(hù)時(shí)長(zhǎng)的對(duì)比,鋼纖維的摻量越多,高強(qiáng)鋼纖維混凝土試塊的抗拉強(qiáng)度提升幅度越大。

(3)疊合面粗糙度并不是影響疊合試塊粘結(jié)性能的唯一要素,疊合面表面干凈,微裂縫少,輕度粗糙且沒(méi)有薄弱的外皮,也能擁有較好的粘結(jié)性能;在正方形疊合面中,橫向拉毛比縱向拉毛的劈拉粘結(jié)性能差不多。