RPC-NC疊合面剪切滑移試驗研究

張劭明，過民龍

(1.中鐵豐橋橋梁有限公司，北京 100070;2.北京交通大學，北京 100044)

RPC是20世紀90年代由法國Bouygues公司研發(fā)的一種超細粒致密體系與纖維增強材料相復合的超高性能混凝土材料［1］。由于其具有超高的強度、斷裂韌性及耐久性等優(yōu)點，受到國內(nèi)外工程界的廣泛關(guān)注。預制裝配式RPC構(gòu)件通常為實際工程所用，但由于RPC制作工藝復雜(例如通常需要高溫蒸汽養(yǎng)護)、生產(chǎn)成本相對較高等原因，雖然能在一定程度上保證施工質(zhì)量及縮短施工周期，但較差的結(jié)構(gòu)整體性能通常為抗震設計等整體性需求高的結(jié)構(gòu)設計所詬?。?］。RPC-NC疊合構(gòu)件的使用，能夠較大程度地減少RPC材料的用量以降低生產(chǎn)成本，并結(jié)合預制與現(xiàn)澆工藝，在一定程度上保證施工質(zhì)量的同時，使結(jié)構(gòu)具有比全部由預制構(gòu)件組裝的情況，能更加符合結(jié)構(gòu)整體性能的設計要求。RPC-NC疊合梁即為一種有效的結(jié)構(gòu)組合方式。

在現(xiàn)已知的生產(chǎn)工藝下，RPC的抗壓強度能夠達到200～800 MPa。由于實際生產(chǎn)施工工藝的不同，已在工程中投入使用的RPC抗壓強度等級通常為100～200 MPa。在常用的配筋率及橫截面形式下，全截面采用RPC的梁式構(gòu)件于受彎破壞階段，受壓區(qū)混凝土并未充分發(fā)揮其抗壓強度，造成材料利用率低等問題。將RPC作為梁式構(gòu)件的受拉部分，以利用其耐久性及比普通混凝土高10余倍的抗拉強度，同時將普通混凝土作為受壓區(qū)，使得梁構(gòu)件在受力過程中開裂彎矩得以提高又不影響最終的受彎破壞形態(tài)，充分發(fā)揮兩種材料各自的特性，使得上述問題得以緩解。

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國的基礎設施建設正朝著工業(yè)化、節(jié)能化方向發(fā)展，混凝土疊合結(jié)構(gòu)以其優(yōu)良性能將得到越來越廣泛的應用。

雖然RPC-NC疊合梁因其諸多性能優(yōu)點，使其應用前景十分廣闊［7］，但二者結(jié)合時所產(chǎn)生的疊合面因其受力性能未知，令RPC-NC疊合梁整體工作性能存在不確定因素。故RPC與NC疊合面受力性能的研究，對于RPC-NC疊合構(gòu)件受力性能的探索，具有十分重要的意義。

本文從試件制作與試驗條件的角度出發(fā)，設計并試驗了36個雙面推出剪切試件，考慮了普通混凝土強度等級與試件側(cè)壓力等級對疊合面受力性能的影響，繪制疊合面剪應力滑移量曲線，探討疊合面受力破壞機理，并力求通過本項目的研究為活性粉末混凝土在鐵路中的應用、設計及規(guī)范制定提供技術(shù)支持。

1 試件設計與制作

1.1 試件設計

根據(jù)以往混凝土間疊合面剪切性能試驗的經(jīng)驗，疊合面受力性能的影響因素有疊合面幾何構(gòu)型、粗糙程度、混凝土強度等級、粘結(jié)劑的使用情況等。在實際工程使用中一般有光滑面、凹凸面和自然粗糙面等類型［3］。考慮到實際工程中RPC-NC疊合梁的施工方便，采用自然粗糙面作為推出試件結(jié)合面的形式，即對推出試件RPC部分成型過程不進行抹面操作。推出試件示意如圖1所示。

1.2 試件制作

試件制作方法為，先制作兩側(cè)100 mm×100 mm×400 mm的RPC棱柱體，在澆筑振搗過程中不進行抹面，使其在凝結(jié)過程中保持一個自然粗糙面。48 h蒸汽養(yǎng)護脫模后靜置24 h，隨后將RPC試件放入特制鋼模中，以自然面粗糙面相向放置充當模板，澆筑普通混凝土并共同自然養(yǎng)護至28 d齡期。鋼模板如圖2所示。

圖1 RPC-NC抗剪推出試件示意(單位:mm)

圖2 推出試件鋼模板

根據(jù)實際工程需要，推出試件的制作選用摻有鋼纖維的RPC，以提高其抗拉強度及延性。RPC配合比如表1所示［4，8］。

表1 RPC配合比 kg/m3

普通混凝土選用3種強度等級，分別為C40、C50及C60，其配合比如表2所示。

表2 普通混凝土配合比 kg/m3

試件的制作步驟如下［5］。

(1)攪拌:原料按表1所示配合比稱量后，先將石英砂、鋼纖維及骨料置于攪拌機中拌勻。其次倒入水泥和硅粉，攪拌2 min至均勻。然后混合均勻水與減水劑一并倒入攪拌機于4～8 min后卸料。每批RPC需留下同條件養(yǎng)護的力學性能試塊。

(2)RPC棱柱成型:使用100 mm×100 mm×400 mm的塑料模具，置于振動臺上振實，并保留自然粗糙面。入模溫度需保持在10℃、相對濕度60%以上，并靜停不少于6 h。

(3)初養(yǎng):在環(huán)境溫度不低于70℃、相對濕度不低于70%的蒸汽條件下，養(yǎng)護不少于48 h。

(4)拆模:初養(yǎng)以每小時不大于10℃的速率令其降溫至與環(huán)境溫度不超過20℃的條件下脫模，并靜置24 h。

(5)推出試件成型:依據(jù)表2所示配合比配置NC，并將以成型RPC棱柱置于鋼模兩肢且以自然面相對，如圖3所示，將NC倒入鋼模的同時壓緊RPC棱柱以防漏漿。然后置于振動臺振實抹平，并留置同條件養(yǎng)護力學性能試塊。

(6)推出試件養(yǎng)護:將推出試件放入標養(yǎng)室中養(yǎng)護3 d后脫模，并在自然條件下養(yǎng)護至28 d齡期。

圖3 剪切試件成型示意

1.3 試件基本力學性能測試

由于混凝土強度等級與原材料性質(zhì)和施工工藝關(guān)系較大，為確定推出試件各組分基本力學性能指標，需進行同條件養(yǎng)護標準力學性能試件試驗，并按照試驗規(guī)程進行測試［9］，測試結(jié)果如表3所示。

表3 材料基本力學性能測試結(jié)果

2 試驗方案

2.1 測試內(nèi)容

試驗主要測量及觀測內(nèi)容有:疊合面開裂情況、開裂荷載、極限抗剪承載力、疊合面滑移量等。

荷載通過千斤頂施加，數(shù)據(jù)通過量程為500 kN的圓筒形壓力傳感器采集。為了防止應力集中，放置1塊厚度為20 mm的鋼板于傳感器與試件之間。

相對滑移量的測量通過電阻式位移傳感器采集，將其置于普通混凝土棱柱下方以測量總滑移量。同時放置2個傳感器于RPC棱柱上方以監(jiān)測偏心加載引起的滑移量測量誤差。

試件側(cè)壓力等級的控制，以6枚螺栓將2塊方形鋼板連接，并通過鋼板與推出試件的相互作用控制其大小。加壓鋼板尺寸如圖4所示。

側(cè)向壓力的施加通過控制與推出試件側(cè)面作用的2塊鋼板間螺栓的應變量確定。進行推出試驗前，先將螺栓利用扭力扳手擰緊至規(guī)定應變值，并保持6枚螺栓變形量基本相同。試驗過程中，隨時采集螺栓應變的變化量，以考慮側(cè)壓力值變化對試驗結(jié)果的影響。加載裝置示意如圖5所示。

圖4 加壓鋼板尺寸(單位:mm)

圖5 剪切試驗加載裝置示意

數(shù)據(jù)采集使用東華DH3816綜合數(shù)據(jù)采集儀定時采樣，其中電阻應變片采用四分之一橋接法并設置溫度補償應變片，位移傳感器以及壓力傳感器采用全橋接法。

2.2 加載步驟

試驗步驟參考歐洲鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會ECSS關(guān)于鋼-混凝土組合構(gòu)件推出試驗的建議而設計，詳細步驟如下［6］。

(1)在推出試件兩肢底部與壓力機底座接觸部分鋪一層以0.33 mm孔徑篩網(wǎng)過濾的細沙，使試件底部兩肢與底座之間作用力分布均勻，并減輕偏心加載的影響。安放試件時嚴格對中。

(2)將普通混凝土棱柱距底邊3 cm中心處用砂紙磨平，用有機溶劑清理表面浮渣(應變片粘貼操作亦參照此條)，并粘貼鋼支點以承接位移傳感器。由于突然斷裂現(xiàn)象常發(fā)生于剪切試驗中，故于試件兩肢中部放置高9 cm鋼塊以確保試驗過程安全。

(3)實時采集貼于連接側(cè)壓鋼板螺栓上應變片的應變值，以控制所需的初始側(cè)壓力。仔細反復調(diào)節(jié)，直至6枚螺栓應變均勻。

(4)正式加載前進行預壓以消除各儀器之間的間隙，同時確認傳感器運作正常。加載過程，以10 kN/min的速率緩慢分級施荷，每級荷載之間穩(wěn)定15 s以記錄綜合數(shù)據(jù)采集儀數(shù)據(jù)記錄序號?？紤]到設備安全，當荷載接近極限荷載或者發(fā)現(xiàn)明顯破壞特制時，拆除位移傳感器后，適當減緩加載速率，加載直至破壞。

3 試驗現(xiàn)象及結(jié)果分析

推出試驗剪切破壞，不論是否施加側(cè)壓力，均無明顯征兆，由于影響疊合面剪切受力性能的影響因素較多，試驗結(jié)果存在一定的離散性，但破壞形態(tài)基本都表現(xiàn)為RPC與NC于疊合面處突然剪壞的脆性破壞形式。

3.1 無側(cè)壓力試件破壞現(xiàn)象

此試驗條件下，僅考慮普通混凝土強度變化對RPC－NC疊合面剪切性能的影響，共設計了 C40、C50、C60三種強度的混凝土，每種等級的混凝土分3組進行試驗，共9塊試件。試驗結(jié)果表明，受力初期為荷載與疊合面滑移量成比例穩(wěn)定增長，剪切裂縫出現(xiàn)后承載力有大幅度下降，即可認為疊合面已經(jīng)破壞。以下將分別闡述無側(cè)壓條件推出試件具體破壞現(xiàn)象。

加載初期荷載與滑移量成比例增長，當滑移量到達0.1 mm時，三種混凝土等級的推出試件荷載值為19～41 kN，且隨混凝土等級增高而增大。當加載至某荷載時(52～79 kN)，試件薄弱剪切面的一側(cè)開始出現(xiàn)長度為5～15 cm的細小裂紋，且隨混凝土等級升高無明顯變化規(guī)律。當荷載持續(xù)緩慢增加時，能夠聽見類似鋼纖維斷裂的“劈啪”聲，同時細小裂紋持續(xù)增多，但其開展方向比較任意，疊合面處表面浮漿剝落。當加載至極限荷載時(91～102 kN)，最先出現(xiàn)細小裂紋的一側(cè)疊合面突然通長斷裂，極限荷載值隨混凝土強度等級提升略有升高。隨后荷載立即下降至50～60 kN，并于小段位移量間穩(wěn)定在此值。隨后繼續(xù)緩慢施荷，可明顯看到荷載位移曲線斜率減少到原先未壞時的一半左右，伴隨著不時的“劈啪”斷裂聲，最終于70～102 kN另一側(cè)剪切薄弱面也突然通長斷裂，致使試件基本無繼續(xù)承載能力，殘余荷載為10～16 kN。

3.2 有側(cè)壓力試件破壞現(xiàn)象

側(cè)壓力等級共分3組，分別為0.5 MPa、1.0 MPa、1.5 MPa。每組側(cè)壓力等級下，分3組進行對比以減少誤差。每種等級普通混凝土試件，在不同側(cè)壓力等級下共進行9塊試件的測試，總共27個推出試塊。在側(cè)壓力作用下，試件的破壞荷載有較大的提升，且破壞形態(tài)也有所不同，具體破壞現(xiàn)象描述如下。

以0.5 MPa的側(cè)壓力條件為例，外荷載滑移量曲線斜率明顯提高。當滑移量到達0.1 mm時，荷載增至90 kN以上，且隨混凝土等級增高而略微增大。當荷載增加到179～236 kN時，某試件某一側(cè)剪切薄弱面突然產(chǎn)生肉眼可見的未通長發(fā)展的表面裂紋，且不同于無側(cè)壓條件下細微彌散裂紋先于明顯貫通裂紋出現(xiàn)的情況。繼續(xù)加載至227～239 kN時，伴隨著一聲輕微悶響先開裂一側(cè)完全貫通，但此時荷載基本無過大下降或基本保持穩(wěn)定，且此荷載值隨混凝土強度等級升高而略有升高。繼續(xù)加載至極限破壞過程中，荷載位移曲線斜率有不同程度下降，C40混凝土試件加載至523 kN時，另一側(cè)剪切面突然貫通，隨后下降至299 kN;C50混凝土試件加載至264 kN時，試件頂部突然發(fā)生破壞;C60混凝土加載至448 kN時，試件頂部突然發(fā)生破壞導致荷載下降。

其他等級側(cè)壓力試件破壞形態(tài)及荷載滑移量曲線趨勢基本與上述情況相同。兩種側(cè)壓條件疊合面平均剪應力－滑移量曲線，選取2組典型結(jié)果進行說明，如圖6所示。

圖6 兩類典型剪應力－滑移量曲線

3.3 試驗結(jié)果分析與討論

本文中RPC-NC疊合面力學性能影響因素包括混凝土強度等級與側(cè)向壓力，其中力學性能指標疊合面平均剪應力τ按下式計算

式中，F(xiàn)為荷載值;A為疊合面總面積(2×100×300 mm2)。

從平均剪應力-滑移量曲線可以看出，側(cè)向壓力對雙面剪切試驗結(jié)果影響較大，滑移量曲線共分2個階段。

(1)初始加載段:此階段不論是否加有側(cè)壓力，剪應力－滑移量曲線都呈線性。當荷載達到單側(cè)剪切面極限荷載90%左右時，無側(cè)壓力試件在剪切面表面出現(xiàn)細小彌散裂紋并于極限荷載時相互連接貫通。隨著初始側(cè)壓力增加，單側(cè)剪切面極限破壞時，由于疊合面處材料點主拉應力的發(fā)展受抑制，破壞前彌散裂紋的出現(xiàn)逐漸減緩，破壞模式呈現(xiàn)出無征兆的脆性破壞形式。裂后荷載有所下降，由于側(cè)壓力的存在致使疊合面材料之間的機械咬合作用增強，所以下降值隨著側(cè)壓力的增加而逐漸減小。對于無側(cè)壓力試件，破壞荷載隨混凝土等級提高而有所提高;而由于機械咬合作用的參與效應隨側(cè)壓力的提高而提高，故對于有側(cè)壓力試件，混凝土等級的提升對于疊合面抗剪強度的提升作用甚微。

(2)裂后繼續(xù)加載階段:由于試件制作存在誤差和材料性能不均等原因，試驗過程中一般為某側(cè)疊合面先破壞。疊合面破壞一般為突然脆性破壞，荷載下降后，部分荷載轉(zhuǎn)化為由破壞疊合面間的材料機械咬合作用承擔，同時另一側(cè)疊合面存在些許卸載，故可認為后繼剪應力－滑移量曲線為一側(cè)破壞面機械咬合作用與另一側(cè)未壞疊合面共同作用的結(jié)果。因為疊合面是利用自然粗糙面制成，機械咬合作用并非為大的凹凸物之間嵌套作用的結(jié)果，而更傾向于摩擦，故后繼加載階段剪應力－滑移量曲線的斜率應由未壞疊合面中材料的膠結(jié)力貢獻，所以從無側(cè)壓力位移曲線中可以看出后續(xù)加載段斜率較初始加載段有所下降，且下降幅值約為1/2左右。隨著初始側(cè)壓力的提高，加載初期疊合面機械咬合力的參與量增大，致使疊合面脆性降低，疊合面一側(cè)開裂后卸載情況逐漸緩解，后續(xù)加載段斜率下降幅值有增大趨勢。

后續(xù)加載段雖然能在一定程度上體現(xiàn)疊合面水泥膠體破壞后機械咬合力等因素對后續(xù)承載力的提升作用，但因其作用機理較復雜，且不易探究其變化規(guī)律，考慮到工程實際，取單側(cè)疊合面完全破壞時的平均剪應力作為疊合面抗剪強度，如表4所示。

表4 試件平均抗剪強度

表中結(jié)果表明，在無側(cè)壓力條件下，疊合面抗剪強度C50級比C40級增幅10.28%，C60級比C50級增幅6.83%;有側(cè)壓力條件下，以C40為例，C40－a級比C40－0級強度增幅165%，C40－b級比C40－a級強度增幅58.14%，C40－c級比C40－b級強度增幅8.50%;而有側(cè)壓力時，普通混凝土等級對抗剪強度的影響離散性大無明顯規(guī)律。故從工程角度保守取值，宜取無側(cè)壓力條件下的疊合面平均抗剪強度作為結(jié)構(gòu)設計計算的依據(jù)。

4 結(jié)論與意義

針對剪切試驗現(xiàn)象結(jié)果，分析混凝土等級及側(cè)壓力的影響，得出以下結(jié)論。

(1)RPC力學性能優(yōu)異，抗壓強度137 MPa級別的棱柱體在推出試驗過程中無任何損壞;普通混凝土一側(cè)僅在無側(cè)壓條件下破壞初期出現(xiàn)細小彌散裂紋，剪切破壞面最終發(fā)生于疊合面處且形狀平整，故疊合面是其共同工作的薄弱面;

(2)混凝土強度等級的提升可使疊合面抗剪強度適當提升，但當側(cè)壓力增加時，其提升效果逐漸減小。通過數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，抗剪強度隨混凝土等級提升幅度與混凝土抗拉強度提升幅度一致，故認為混凝土抗拉性能是疊合面受剪破壞機理的重要組成部分;

(3)初始側(cè)向壓力的提升對疊合面抗剪強度有明顯提升作用，且與試件最終破壞形態(tài)關(guān)系密切。增加初始側(cè)向壓力，使單面疊合面抗剪承載能力與切向剛度均有一定程度提升。其原因在于側(cè)壓力增大了疊合面之間機械咬合作用的貢獻。側(cè)壓力的存在使得疊合面膠結(jié)力、機械咬合力等組分相互耦合，并在很大程度上影響了后破壞疊合面在后續(xù)加載段的工作性能。需要后續(xù)試驗進一步研究疊合面承載力各個組成部分相互耦合作用的機理。

研究意義:

(1)RPC-NC疊合面剪切滑移研究是RPC-NC疊合結(jié)構(gòu)的前提。

(2)研究試驗結(jié)果可指導RPC-NC疊合結(jié)構(gòu)的設計;可指導RPC-NC疊合面配筋設計及疊合面的工藝處理方案。

(3)研究試驗結(jié)果對RPC-NC疊合結(jié)構(gòu)的應用將產(chǎn)生推動作用，應用RPC-NC疊合結(jié)構(gòu)是經(jīng)濟環(huán)保的工程方案。

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