自密实混凝土 (Self-Compacting Concrete或Self-Consolidating Concrete, 简称SCC) 是高性能混凝土的一个重要分支和发展方向。自密实混凝土由于无需任何振捣, 仅靠自重就能填充模板和钢筋间隙能力, 故在工程中的应用越来越广泛^[1,2]。同时, 叠合结构体系是一种工业化程度很高、建筑节能效果好的新型结构体系。新型叠合结构体系应用前景广阔, 如果将绿色高性能的SCC运用到新型叠合结构体系, 将对我国建筑节能发展、住宅工业化的推广具有重要意义。

　　 自密实混凝土随着水胶比的降低, 矿物细掺合料以及胶凝材料总量的增加, 也引发了一系列收缩问题, 导致其与预制墙板紧密粘结的情况下, 较大的收缩必然会导致约束收缩应力产生^[3,4], 甚至会出现粘结界面的开裂。同时, 由于预制墙板和自密实混凝土之间材料特性的差异也会影响到两者的界面粘结, 最终导致叠合墙体开裂, 影响到叠合墙的承载力要求^[5]。本文为探讨现浇自密实混凝土与预制墙体界面粘结性能, 关注界面破坏特点, 以及自密实混凝土叠合剪力墙的整体工作性能, 对自密实混凝土与预制墙体的界面粘结性能进行试验研究, 为自密实混凝土在预制叠合结构体系中的应用提供依据。

　　 根据《自密实混凝土技术手册》^[6], 利用体积法进行初步配合比设计, 粗细骨料、水泥、粉煤灰、水、减水剂的初步配合比见表1。根据评价自密实混凝土工作性能的试验方法, 对调整配合后的自密实混凝土拌和物进行试验测量, 各项指标如表2所示。其中, T500为自密实混凝土拌和物的坍落扩展速率以坍落度筒提起开始至坍落度达500mm时所经历的时间来表示;抗离析系数为通过5mm筛孔的自密实混凝土质量与参与试验的自密实混凝土总质量的百分比。各项指标表明三种配合比的自密实混凝土工作性能均良好。

　　 影响自密实混凝土与预制混凝土界面粘结性能的因素主要有:混凝土的强度、混凝土的类型、粘结面的面积、粘结面的处理、植筋、界面剂、现浇自密实混凝土的收缩等。本文重点考虑了自密实混凝土强度、混凝土类型 (普通混凝土 (简称NC) 与SCC) 、界面尺寸、粘结面的处理措施 (凿毛, 界面剂) 、膨胀剂掺量。综合这些因素设计了13组, 每组2个, 26个试件, 试件的具体参数概况如表3所示。

　　 图1为试件尺寸图, 其中试件SCC1-1, SCC2-1, SCC2-2, SCC2-4, SCC2-5, SCC3-1两侧的预制混凝土尺寸为150×200×300, 现浇自密实混凝土尺寸为200×200×390, 粘结面面积为300×200;SCC2-2两侧预制混凝土尺寸为200×150×150, 现浇自密实混凝土尺寸为200×150×250, 粘结面面积为150×200;SCC2-3两侧预制混凝土尺寸为150×150×300, 现浇自密实混凝土尺寸为150×200×390, 粘结面面积为300×150。

　　 制作三种普通混凝土预制试块 (图2 (a) , (b) ) , 尺寸分别为150×200×300, 150×150×200, 150×150×300, 设计强度均为C30。在标准条件下养护, 待养护时间达到28d后, 在试块的表面进行人工凿毛, 将其表面浮灰清理干净, 并浇水、用湿布覆盖12h, 而后取出洗净置于通风阴凉处, 使其表面无明水, 见图2 (c) 。通过灌沙法测量粘结面的粗糙度, 测得平均深度大约为2mm, 符合粗糙度要求^[7]。28d时预制试块的抗压强度为33.8MPa。。

　　 养护之后, 在预制试件上按照试验设计要求分别涂刷两种界面剂:粉煤灰水泥净浆, 掺0.75%纳米氧化硅的水泥浆。两者的水胶比均与预制试块的水胶比相同, 界面剂均匀涂抹厚度约0.5～1.5mm。在两块预制试件中间浇入自密实混凝土, 形成试验构件, 见图3。

　　 同时同期浇筑自密实混凝土立方体标准试件。考虑到结合面初期强度较低的影响, 试件成型2d后拆模, 拆模后的试件置于阴凉处用洒水养护, 在20℃左右的气温下养护15d, 然后自然养护, 直至开始试验。

　　 试验设计了推出式剪切试验装置, 见图4。推出试验在200t反力架下进行, 由一台100t的千斤顶逐级加载, 试验正式开始前必须对试件进行预加载, 加载速率为10kN/min, 并通过力传感器测千斤顶施加的荷载。试验时构件竖直放置, 调整试件, 使构件中心对准千斤顶中心, 试件两侧预制混凝土下端通过钢片垫起, 混凝土板底垫沙。试件的加载端设置位移传感器和千分表, 用来测试自密实混凝土的滑移量。试验数据采集设备采用DH3818静态应变测试仪和电子位移计, 电子千分表读数通过数据采集系统自动采集。

　　 试验表明, 所有试件从加载到破坏经历了3个阶段:弹性阶段、开裂阶段和破坏阶段。根据试件受力过程和破坏形态, 对试验试件的破坏特征分类描述。当试验荷载较小时, 几乎没有滑移量;当试验荷载达到P_c (开裂荷载) 时, 混凝土界面出现竖向裂缝, 裂缝宽度约0.2mm。随着试验荷载的增大, 混凝土应变继续增大;当试验荷载达到P_u (极限荷载) 时, 结合面发生错动破坏, 并伴有“砰砰”的响声, 试件从开裂到破坏的过程极短。脆性破坏特征明显, 几乎裂缝产生时, 结合面即发生破坏。自密实混凝土与预制混凝土沿结合面发生完全分离, 结合面无骨料拉断现象, 预制混凝土突出的骨料被自密实混凝土的水泥浆体包裹着。试件裂缝均首先出现在粘结面的顶端, 随后向下发展, 试件基本呈现单粘结面破坏 (图5 (a) ) , 个别为双粘结面破坏 (图5 (b) ) , 破坏面平直。

　　 图6是三种典型的粘结面破坏形式。图6 (a) 为自密实混凝土界面破坏形式, 图6 (b) 为涂有界面剂的自密实混凝土界面破坏形式, 图6 (c) 为普通混凝土的界面破坏形式。可以明显地看出, 现浇部分为自密实混凝土的试件粘结面上包裹大量的水泥砂浆且表面较为平整;现浇部分有界面剂的试件破坏面主要是一层界面剂与预制混凝土粘结较为紧密;现浇部分为普通混凝土的试件, 表面仅有少量水泥浆体附着, 能够清晰地看出预制混凝土的凿毛表面。

　　 粘结面的剪应力可近似以名义剪应力$\stackrel{—}{{\displaystyle \tau }}$表示, 即$\stackrel{—}{{\displaystyle \tau }}={\rm P}/A$, 其中P为外荷载, N;A为粘结面的面积, mm²。表4给出了相应的试验结果。

　　 通过加载端、自由端架设千分表以及加载端的荷载传感器, 可以准确地得到试件的剪应力-滑移$(\stackrel{—}{{\displaystyle \tau }}-S)$曲线。由试件从开始加载直至破坏的加载端滑移与自由端滑移, 分别作剪应力-加载端滑移$(\stackrel{—}{{\displaystyle \tau }}-S{}_j)$曲线和剪应力-自由端滑移$(\stackrel{—}{{\displaystyle \tau }}-S{}_{\text{z}})$曲线如图7～11所示。

　　 对于不同的粘结试件, 混凝土强度的提高会相应增加极限荷载以及极限滑移量。通过图7 (a) , (b) 可以看出强度越大, 初始弹性阶段稍长, 在弹塑性变形区, 滑移增长更加缓慢。通过图8 (a) , (b) 可以看出, 强度等级为C40的普通混凝土与强度等级为C30的普通混凝土的$\stackrel{—}{{\displaystyle \tau }}-S$曲线基本相近, 混凝土强度等级的提高, 其极限荷载和滑移也会提高一些, 但是变化不大。而混凝土强度等级为C50的试件却比混凝土强度等级为C30的试件极限荷载有明显的增加。现浇部分选用普通混凝土与自密实混凝土, 通过比较图7 (a) , (b) 和图8 (a) , (b) 可以看出, $\stackrel{—}{{\displaystyle \tau }}-S$曲线的趋势较为相近。但是自密实混凝土比普通混凝土的极限荷载以及极限滑移量相差不大。由于自密实混凝土有较低的水胶比, 收缩变形相对比较大, 但是其良好的流动性和孔隙的穿透性弥补了收缩性能的不足。自密实混凝土能比较好地包裹在预制混凝土粗糙的表面, 又因为自密实的强度要较普通混凝土强度略高, 从而一定程度上提高了现浇部分和预制部分的粘结力。

　　 图9 (a) , (b) 中粘结面积为150×200的试件, 由于其粘结面积较小, 混凝土之间的粘结力无法充分发挥, 其$\stackrel{—}{{\displaystyle \tau }}-S$曲线发展过程主要是弹塑性阶段, 塑性变形较小, 极限荷载与极限滑移量也较小。粘结面积为300×150和300×200的试件, 足够的粘结面积保证了应力在界面上的均匀传递。因而$\stackrel{—}{{\displaystyle \tau }}-S$曲线特征较为明显, 滑移量较大且塑性变形区较长。

　　 根据图10 (a) , (b) 可知, 随着膨胀剂掺量的增加, 粘结试件的粘结强度是呈现先变大后变小的趋势, 在膨胀剂的掺量达到10%左右时粘结试件的粘结强度最大, 膨胀剂掺量达到15%时, 界面粘结强度最小。膨胀剂掺量为5%和10%的粘结试件分别较不掺膨胀剂的试件界面强度增加15.5%和27.05%, 膨胀剂掺量为15%的试件强度降低7%。结果说明, 膨胀剂掺量的增加一定程度上能够增加混凝土之间的界面粘结性能, 但是膨胀剂的掺量最好控制在10%左右, 能够最大限度地提高粘结强度, 这种强度的增加主要是由于膨胀剂的使用让混凝土的强度增加, 也让混凝土的收缩减少, 最终导致自密实混凝土与预制混凝土之间粘结性能提高。过多的增加膨胀剂的掺量一方面会使混凝土本身立方体抗压强度下降, 同样会使得收缩落差增加, 产生较大的收缩应力, 破坏混凝土之间的骨料咬合力。

　　 采用粉煤灰水泥净浆做界面剂, 界面上的粘结力除了机械咬合力外, 还有粉煤灰的二次水化产生的化学作用力, 能够改善界面的粘结性能。从图11 (a) , (b) 中可以看出, SCC2-4试件极限应力较没有界面剂的试件提高10%左右。而以掺入纳米氧化硅的水泥浆做界面剂, 由于其火山灰性较高, 能更大程度提高化学作用力, 改善界面性能。表现为掺入纳米氧化硅的水泥浆做界面剂的极限滑移与粉煤灰水泥净浆界面剂试件的极限滑移相近的情况下, 其极限应力提高了15%;与没有界面剂的试件相比, 其极限应力提高了22%。因此, 在浇筑现浇混凝土之前, 对预制混凝土表面涂刷界面剂后, 粘结强度与极限滑移量较不涂刷均有提高, 粘结性能更好, 其中$\stackrel{—}{{\displaystyle \tau }}-S$曲线特征也与不涂刷的试件有所区别。主要表现为:1) 初始刚度阶段略长, 刚开始加载的过程几乎不发生滑移;2) 弹塑性变形区中, 滑移量变化较慢;3) 大约加载至极限荷载的70%～80%左右就进入了塑性变化区, 此后滑移量增加较快, 应力几乎不增加, 涂刷界面剂的试件的极限滑移量也较大。

　　 由图7～11可知, 大部分粘结试件的$\stackrel{—}{{\displaystyle \tau }}-S$曲线特征基本相似, 其典型粘结滑移曲线见图12, 主要分为4个阶段:1) 初始刚性阶段 (0A) 。由于粗糙度的存在, 荷载很小几乎没有变形。2) 弹性变形阶段 (AB) 。加载端和自由端的滑移量基本随剪应力呈线弹性增长, 弹性变形增长速率较快, 但总变形不大。3) 弹塑性变形阶段 (BC) 。当荷载加至峰值应力的15%～30%时, 粘结面上凸出骨料的咬合作用变大, 预制混凝土与现浇混凝土的相对滑动受到动摩擦力的影响, 因此变形稳定但速度减缓。4) 塑性破坏阶段 (CD) 。大约加载至极限荷载的90%时, 由于粘结面的水泥浆体和少量突出的骨料被剪断, 因而滑移量突然迅速增大, 直至试件达到极限应力而断开破坏。其中A, B, C, D四个拐点表示了试件表面破坏的不同特征, 拐点A表示试件表面未出现裂缝;拐点B表示试件界面连接处出现分散的细小裂缝;拐点C表示试件混凝土界面连接处出现连续的长裂缝;拐点D表示试件界面连接处出现剪切破坏。

　　 本文对自密实混凝土与预制混凝土界面粘结试件进行了推出试验, 对试验过程、试验现象和试验结果进行归纳和分析后, 得到以下结论:

　　 (1) 对推出试验的加载过程进行描述, 得到不同类型粘结试件的粘结面破坏形式。结果表明, 界面粘结破坏主要发生在结合面处, 且大部分的试件两个结合面的位移不是同步的。

　　 (2) 界面剂对界面粘结性能的提高较为明显, 粉煤灰水泥净浆和掺纳米氧化硅的水泥浆的界面剂的界面粘结强度比没有涂刷界面剂的试件分别增加了10%和22%;在一定范围内, 现浇层混凝土的强度等级的增加与界面粘结性能的提高几乎成线性关系;现浇层为自密实混凝土的试件比普通混凝土的试件界面粘结强度略有上升;界面的粘结面积对界面粘结性能影响较小;膨胀剂掺量为5%和10%的粘结试件较不掺膨胀剂的试件界面强度分别增加15.5%和27.05%, 比掺量为15%的试件界面强度降低7%。

　　 (3) 对试验得到的加载端与自由端的界面粘结滑移曲线进行归纳, 分析了试件的粘结滑移曲线, 得到典型的粘结滑移曲线。根据粘结滑移曲线将试件的受力过程划分为:初始刚度阶段、弹性变形阶段、塑性变形阶段、塑性破坏阶段。