混凝土表面粗糙度對(duì)梁耐熱性能影響的實(shí)驗(yàn)研究

曾 衛(wèi),何 淼

(蘇州建設(shè)交通高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校,江蘇 蘇州 215104)

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐高溫性能遠(yuǎn)優(yōu)于鋼結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)。主要因?yàn)殇摻罨炷翗?gòu)件的截面厚實(shí),混凝土包裹在鋼筋外側(cè),火災(zāi)時(shí)構(gòu)件內(nèi)部升溫慢,強(qiáng)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(dāng)火災(zāi)持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間后,混凝土結(jié)構(gòu)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(shí)驗(yàn)分析其對(duì)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(duì)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng),原構(gòu)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(jìn)行處理。混凝土表面粗糙度是指進(jìn)行混凝土表面處理時(shí),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(jī)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(duì)混凝土表面進(jìn)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(jié)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(nèi)進(jìn)行鋼刷劃毛處理。鋼刷劃毛法對(duì)混凝土表面只能進(jìn)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(duì)混凝土表面進(jìn)行敲打,使其表面形成隨機(jī)的凹凸不平狀,從而增加混凝土表面粗糙度。

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

比較以上幾種方法,其中采用多齒頭鑿毛機(jī)的機(jī)器鑿毛法施工方便、高效、技術(shù)簡(jiǎn)單,對(duì)混凝土擾動(dòng)小、損傷小,混凝土表面凹凸均勻性好,可以更好地滿足試驗(yàn)或工程實(shí)踐需要。

1.2 混凝土表面粗糙度測(cè)量

混凝土表面粗糙度的評(píng)定方法國(guó)內(nèi)外有許多實(shí)驗(yàn)研究,主要有:觸針法、灌砂法、分?jǐn)?shù)維法、硅粉堆落法等。這些方法各有特點(diǎn),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(chǔ)上加以改進(jìn),總結(jié)出一種簡(jiǎn)單易行的粗糙度評(píng)定方法,即抹砂法。

1.2.1 評(píng)定原理

標(biāo)準(zhǔn)石英砂摻水時(shí),具有易粘結(jié),干燥后不擾動(dòng)、不脫落的特性。對(duì)混凝土構(gòu)件鑿毛面進(jìn)行抹砂,測(cè)定平均抹砂深度,以平均抹砂深度與構(gòu)件表面鑿毛最大深度限值的比作為混凝土構(gòu)件表面的粗糙度。

1.2.2 評(píng)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(biāo)準(zhǔn)石英砂(粒徑為 40±3μm),自來水。

1.2.3 評(píng)定流程

(1)鑿毛機(jī)依靠高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)盤帶動(dòng)多齒頭對(duì)混凝土構(gòu)件表面進(jìn)行打磨;

(2)對(duì)鑿毛的混凝土構(gòu)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(gòu)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(gòu)件表面所抹的砂干燥后,進(jìn)行刮砂處理,采用200mm×200mm方形開洞不銹鋼鐵皮封住混凝土結(jié)構(gòu)表面,用豬鬃木柄刷在該區(qū)域內(nèi),輕輕地將砂刷下;

(5)最后將刷下的砂全部倒入量筒中,測(cè)量刮砂體積。

1.2.4 評(píng)定公式

式中:h為所抹標(biāo)準(zhǔn)砂平均深度,單位mm;V為 200mm×200mm方形區(qū)域內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(jí)劃分

混凝土表面的粗糙度等級(jí)劃分,目前還沒有相應(yīng)的規(guī)范或規(guī)程對(duì)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(duì)加固補(bǔ)強(qiáng)的混凝土構(gòu)件耐高溫的影響,依據(jù)所得粗糙度n值,現(xiàn)將混凝土構(gòu)件表面粗糙度劃分三個(gè)等級(jí)。

Ⅰ級(jí)粗糙度:界面粗糙度n<0.1

Ⅱ級(jí)粗糙度:界面粗糙度 0.1≤n≤0.2

Ⅲ級(jí)粗糙度:界面粗糙度n>0.2

2 粗糙度評(píng)定試驗(yàn)研究

2.1 試件準(zhǔn)備

制作 9根鋼筋混凝土梁試件,截面尺寸為 b×h=150mm×300mm,長(zhǎng)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(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C25,底部縱筋為 316,其中 116在支座邊截?cái)?鋼筋等級(jí)為 HRB335,試件未配置箍筋(圖1)。

圖1 粗糙度試驗(yàn)

2.2 粗糙度評(píng)定試驗(yàn)

對(duì)以上試件進(jìn)行表面處理,采用機(jī)械鑿毛法,鑿出三個(gè)粗糙度級(jí)別的表面,即Ⅰ級(jí)約有 10%粗骨料可見;Ⅱ級(jí) 30%～40%粗骨料可見;Ⅲ級(jí) 60%～80%粗骨料可見。每根梁每個(gè)側(cè)面各取兩個(gè)測(cè)區(qū),每個(gè)測(cè)區(qū)各測(cè)三次,以減小誤差。

3 混凝土表面粗糙度對(duì)構(gòu)件高溫性能的影響

3.1 試驗(yàn)方案

將上面試驗(yàn)中不同粗糙度等級(jí)的梁試件各取兩根,正位安放在高溫試驗(yàn)爐內(nèi),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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線進(jìn)行升溫,模擬火災(zāi)高溫環(huán)境。ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線是一個(gè)統(tǒng)一的、單調(diào)升溫過程,與真實(shí)火災(zāi)溫度有較大差別,但是,在結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗火試驗(yàn)、高溫性能分析或耐火極限驗(yàn)算中,作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一應(yīng)用。

3.2 試驗(yàn)內(nèi)容

(1)試驗(yàn)現(xiàn)象:升溫過程中,試件內(nèi)部水蒸氣的逸出、表面顏色、敲擊聲響、外表?yè)p傷狀況和試件破壞形態(tài)等。

(2)試件破壞時(shí)的極限溫度和時(shí)間。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

3.3.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

(1)L1、L2:升溫 4～5 min后,爐內(nèi)有水蒸汽冒出;14～16m in時(shí),加載點(diǎn)處混凝土頂面有垂直軸向的裂縫;28m in時(shí),左端支座出現(xiàn)斜裂縫;54 min時(shí),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(nèi)有水蒸汽冒出;27～30m in時(shí),加載點(diǎn)處混凝土頂面有垂直軸向的裂縫;78m in時(shí),南端支座發(fā)現(xiàn)斜裂縫;98 min時(shí),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(nèi)有水蒸汽冒出;36～40m in時(shí),加載點(diǎn)處混凝土頂面有垂直軸向的裂縫;84m in時(shí),南端支座發(fā)現(xiàn)斜裂縫;114min時(shí),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(shí),發(fā)出較響亮聲音。粗糙度等級(jí)越高,混凝土表面顏色越淺,粗骨料顏色越淺,敲擊時(shí)聲音越響亮。

3.3.3 爆裂情況

試件在試驗(yàn)過程中無爆裂現(xiàn)象,但混凝土受到嚴(yán)重?fù)p傷,變得疏松易碎,梁右側(cè)底部混凝土脫落,露出縱筋。粗糙度等級(jí)越低,混凝土損傷越嚴(yán)重,脫落露筋區(qū)域越大。

各試件在試驗(yàn)中出現(xiàn)類似的現(xiàn)象,升溫 4～6min時(shí),明顯可見水蒸氣從梁中溢出;升溫 20～40min時(shí),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(jí)、初始荷載水平下的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見表1。

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

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

3.4 試驗(yàn)分析

試驗(yàn)結(jié)果表明:Ⅱ、Ⅲ級(jí)粗糙度的試件,混凝土界面粘結(jié)強(qiáng)度大,不易開裂,試件高溫下的工作性能好,且Ⅱ、Ⅲ級(jí)間相差不大;Ⅰ級(jí)粗糙度的試件,混凝土界面粘結(jié)強(qiáng)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(yīng)力 導(dǎo)致的裂縫產(chǎn)生或開展,同時(shí)混凝土表面的凸起對(duì)界面結(jié)構(gòu)有增強(qiáng)作用,并能改變界面裂縫擴(kuò)展方向,使裂縫“路徑”曲折,也能消耗部分能量。

通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)混凝土表面粗糙度對(duì)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(qiáng)。

[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(yīng)用.山西建筑,2009(11)

[2]韓菊紅,畢蘇萍,張啟明,等.粗糙度對(duì)新老混凝土粘結(jié)性能的影響.鄭州工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)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(xué)性能研究.建筑科學(xué),2005(3)

[4]陸洲導(dǎo).鋼筋混凝土梁對(duì)火災(zāi)反應(yīng)的研究[D].同濟(jì)大學(xué),1989

[5]馬忠誠(chéng).火災(zāi)后鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)損傷評(píng)估與抗震修復(fù)[D].哈爾濱建筑大學(xué),1997

[6]余德軍.高性能水泥復(fù)合砂漿鋼筋網(wǎng)加固 RC受剪梁的高溫性能試驗(yàn)研究[D].湖南大學(xué),2008