裝配式結(jié)構(gòu)混凝土結(jié)合面剪切性能試驗研究

李瑞瑞，雅 菁，尚靜媛，劉曉錚，陳 倩，文 超，楊志祥，王義慶

（1.天津城建大學(xué)，天津 300384；2.天津津貝爾建筑工程試驗檢測技術(shù)有限公司，天津 300171）

因人工需求量小、施工周期短、能源消耗小等優(yōu)點，裝配式混凝土建筑成為我國新時代建筑產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向[1-3].裝配式混凝土疊合構(gòu)件是在預(yù)制構(gòu)件廠生產(chǎn)混凝土預(yù)制構(gòu)件，然后在施工現(xiàn)場拼裝澆筑建造而成[4]，在裝配式建筑中采用了大量疊合構(gòu)件，其結(jié)合面所采用的粗糙處理工藝繁多且不同處理工藝得到的剪切力有較大差異.另外疊合構(gòu)件在澆筑后澆混凝土?xí)r通常會在預(yù)制構(gòu)件上預(yù)埋各種管線且鋼筋分布密集，施工現(xiàn)場可能出現(xiàn)的結(jié)合面油污、渣土、積水等缺陷[5]，這些都會導(dǎo)致結(jié)合面的黏結(jié)無法保證結(jié)構(gòu)的整體性能，從而難以達到“等同現(xiàn)澆”的設(shè)計初衷[6].目前國內(nèi)外針對于疊合構(gòu)件的剪切力主要集中在工程加固領(lǐng)域范圍[7-10].由于結(jié)合面處理是影響疊合構(gòu)件連接受力和結(jié)構(gòu)整體性的重要因素，且結(jié)合面剪切強度是衡量其協(xié)同受力不可替代的性能指標，所以有必要研究不同結(jié)合面處理工況對裝配式試件剪切受力性能的影響.

1 試驗過程

1.1 疊合試件設(shè)計與制作

為研究不同結(jié)合面粗糙度處理工藝及其施工質(zhì)量對疊合試件抗剪性能的影響，考慮實際施工中結(jié)合面粗糙度處理工藝、結(jié)合面脫空情況、結(jié)合面清理質(zhì)量情況，設(shè)計了不同結(jié)合面工況的混凝土疊合試件，試件剪切試驗示意見圖1.圖1 中鋼板的作用為使剪切力與結(jié)合面相平行.試件設(shè)計尺寸見圖2，混凝土配合比見表1.

圖1 試件剪切試驗示意

圖2 試件設(shè)計尺寸

表1 試件試驗配合比參數(shù) kg/m3

先澆筑試件預(yù)制混凝土層，標準養(yǎng)護28 d 后，進行結(jié)合面處理并澆筑試件現(xiàn)澆混凝土層.本試驗疊合試件結(jié)合面粗糙度處理工藝采用自然振搗、人工鑿毛、人工拉毛、高壓水沖毛[11].其中自然振搗處理工藝：在預(yù)制混凝土層振搗后不加抹平而形成的有一定凹凸起伏的自然表面.人工鑿毛處理工藝：用鐵錘和鑿子人工對結(jié)合面敲打，使其形成隨機的凸凹不平狀，除去表面浮渣.人工拉毛處理工藝：采用直徑為3 mm的鋼絲在結(jié)合面進行拉刮，拉痕深度為5 mm，拉痕間距為30 mm，分為橫向拉毛（平行于荷載施加方向）和縱向拉毛（垂直于荷載施加方向）.高壓水沖毛處理工藝：借助約100 MPa 的水流沖擊力除去結(jié)合面的水泥石，形成凹凸不平的黏結(jié)界面.針對各結(jié)合面測得平均灌沙深度（見表2），其中結(jié)合面粗糙度由灌沙法測定，其公式為

表2 不同粗糙度處理工藝得到的灌砂法平均深度

結(jié)合面脫空缺陷由涂抹約2 mm 厚的環(huán)氧膠覆蓋聚乙烯薄膜模擬制作.結(jié)合面脫空缺陷設(shè)計為不同面積和位置兩類.不同脫空面積為20%、50%，其位置均為中央.脫空面積為20%時位置為中央、一側(cè)、均布、豎向，如圖3 所示.為模擬施工中結(jié)合面潤濕清理的情況，對潤濕試件使用低速水流緩慢潤濕；對不清理試件按0.3 kg/m2的用量在結(jié)合面鋪灑灰土，使結(jié)合面滿鋪一層灰土，得到4 種不同清理狀況試件：清理潤濕、清理不潤濕、不清理潤濕、不清理不潤濕.

圖3 脫空位置示意

1.2 剪切試驗方法

采用美特斯工業(yè)系統(tǒng)有限公司生產(chǎn)的YAW6206微機控制電液伺服壓力試驗機，進行疊合試件剪切性能試驗.加載速度為0.03 MPa/s，加載直至試件破壞，采用數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)對試驗荷載數(shù)據(jù)進行實時采集.試件具體數(shù)量為：每種工況3 個試件，剪切結(jié)果取平均值.

疊合試件剪切強度按剪切面的平均剪應(yīng)力計算，其公式為

其中：τ 為抗剪強度；V 為剪切力破壞荷載，N；A 為結(jié)合面積，mm2.

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 試件破壞形態(tài)

本試驗疊合試件破壞均從結(jié)合面處發(fā)生，說明結(jié)合面是決定疊合試件力學(xué)性能的關(guān)鍵，是疊合試件的薄弱環(huán)節(jié).在試驗過程中能觀察到，隨著荷載的增加，結(jié)合面出現(xiàn)細微裂縫，隨即裂縫快速延伸直至貫穿結(jié)合面，預(yù)制混凝土和現(xiàn)澆混凝土分離，疊合試件發(fā)生破壞，屬于典型的脆性破壞.破壞形態(tài)如圖4 所示.

圖4 試件加載前后形態(tài)

2.2 試件剪切強度

2.2.1 結(jié)合面粗糙度處理工藝對剪切強度的影響

不同結(jié)合面粗糙度處理工藝對剪切強度的影響如圖5 所示，對于不同結(jié)合面粗糙度處理工藝的剪切強度都明顯小于整體澆筑，但均大于GB 50010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》與JGJ 1—2014《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》要求的0.4 MPa，且有較大富余.分析其原因為：疊合試件間的主要作用力為機械咬合力和范德華力，各種結(jié)合面粗糙度處理工藝都在物理方面提高了結(jié)合面的粗糙度，增大了結(jié)合面的咬合力[12].在不同的結(jié)合面處理工藝中高壓水沖毛工藝剪切強度高于其它處理工藝，而剪切強度最低的為自然振搗.這是因為，對于高壓水沖毛工藝破壞形態(tài)，剪切面水泥漿體相互交錯，在結(jié)合面處出現(xiàn)斷裂破壞，少量骨料被拉斷.而對于自然振搗破壞形態(tài)不一，對于剪切強度較小的試塊剪切面保持澆筑前較為平整的形態(tài)，對于剪切強度較大的結(jié)合面出現(xiàn)水泥漿體斷裂現(xiàn)象.在人工拉毛處理工藝中，縱向拉毛剪切強度優(yōu)于橫向拉毛.這是因為粗糙的黏結(jié)面具有非常良好的中間鎖結(jié)作用，能提供較大的抗剪強度，縱向拉痕于荷載施加方向垂直，所以能更好地提供水平抗剪力，阻止預(yù)制層與現(xiàn)澆層相對滑移，保證兩者共同工作，所以縱向拉毛剪切強度優(yōu)于橫向拉毛.各種結(jié)合面破壞形態(tài)如圖6 所示.

圖5 不同結(jié)合面處理工藝疊合試件的剪切強度

圖6 不同結(jié)合面粗糙度處理方式破壞形態(tài)

3.2.2 結(jié)合面脫空缺陷對剪切強度的影響

不同結(jié)合面脫空缺陷對剪切強度的影響如圖7所示.對于相同脫空位置不同脫空面積，20%脫空面積剪切強度值為2.5 MPa，剪應(yīng)力損失為26%；而50%脫空面積剪切強度值為1.3 MPa，剪應(yīng)力損失為62%.說明即使脫空面積達50%，仍滿足規(guī)范要求的0.4 MPa.對于相同脫空面積不同脫空位置，脫空位置在中間橫向和豎向剪切強度值相差無幾，說明脫空位置對剪切強度影響不大.而對于均布脫空缺陷剪切強度小于中央和一側(cè)的強度值，說明相同脫空缺陷面積分布分散，剪切強度損失值變大.

圖7 不同脫空缺陷位置疊合試件的剪切強度

2.2.3 結(jié)合面清理質(zhì)量對剪切強度的影響

不同結(jié)合面處理情況對剪切強度的影響如圖8所示.不清理和不潤濕結(jié)合面清理情況的剪切強度值都要小于清理潤濕情況，而不清理潤濕的剪切值明顯小于清理不潤濕，說明不清理的結(jié)合面處理對剪切強度影響大于不潤濕的結(jié)合面處理.而不清理不潤濕的結(jié)合面處理剪切強度為1.8 MPa，剪應(yīng)力損失為45%，滿足規(guī)范要求的剪切強度0.4 MPa，說明兩者情況疊加對于結(jié)合面剪切強度更不利.這是因為在現(xiàn)澆混凝土水化過程中，預(yù)制混凝土可以看作是顆巨大的骨料，也參與著水化反應(yīng)，在現(xiàn)澆混凝土凝結(jié)硬化過程中，未潤濕情況影響現(xiàn)澆混凝土的水灰比，導(dǎo)致結(jié)合面黏結(jié)性能降低. 而表面存在大量積灰，澆筑混凝土前不清理結(jié)合面會導(dǎo)致結(jié)合面混凝土與預(yù)制部分接觸面積減少且黏結(jié)不充分，不能充分發(fā)揮混凝土的黏結(jié)強度，所以對結(jié)合面黏結(jié)性能產(chǎn)生較大影響.兩種不利情況疊加，不僅影響結(jié)合層混凝土的水灰比、混凝土的黏結(jié)面積，還可能在結(jié)合面混凝土中形成連通的孔隙，從而使結(jié)合面抗剪強度大幅度下降.

圖8 不同結(jié)合面清理質(zhì)量疊合試件的剪切強度

3 結(jié)論

通過本次結(jié)合面抗剪性能試驗及分析，獲得以下結(jié)論.

（1）試件均沿結(jié)合面處發(fā)生剪切脆性破壞，沒有發(fā)生預(yù)制層和現(xiàn)澆層混凝土的擠壓破壞，說明結(jié)合面處是整個疊合試件最為薄弱的地方.

（2）在不同的結(jié)合面粗糙度處理工藝中，高壓水沖毛剪切強度優(yōu)于人工拉毛、人工鑿毛、自然振搗.人工拉毛方向與剪切方向垂直較平行剪切強度增加44%.50%脫空面積剪應(yīng)力損失為62%.相同的脫空面積，分布分散較分布集中的剪切強度多損失約為3%.

（3）結(jié)合面清理情況對疊合試件剪切強度有明顯影響，在不清理和不潤濕疊加情況下剪切強度下降45%，這不僅由于結(jié)合層混凝土的水灰比、混凝土的黏面積的改變，還可能與結(jié)合面混凝土形成連通的孔隙有關(guān).