轻骨料混凝土具有密度小且强度高、良好的抗震性、保温性以及耐久性等优点, 在建筑行业应用愈加广泛。混凝土材料在结构中主要承受压力, 如果结构构件将非受压区混凝土替换为轻骨料混凝土, 则可有效减轻结构构件自重, 对于高层建筑和大跨度建筑更能发挥其轻质高强的优点^[1]。将纤维掺入混凝土中, 纤维与混凝土组成复合材料具有三维网络结构, 对混凝土构件的各项力学性能改善明显^[2]。

随着建筑工业化的发展, 装配式构件和叠合构件的研究也越来越广泛, 对于2种不同材料混凝土浇筑而成的构件, 由于混凝土材料的不同, 在不同时间间隔浇筑的条件影响下, 其接触面之间的黏结性能是整个构件能否较好整体工作的关键^[3]。国内外已有大量试验对新老混凝土界面的力学性能及黏结机理进行研究。而对PANF纤维陶粒混凝土与普通混凝土叠浇构件的力学性能研究基本上属于空白。随着陶粒混凝土在大跨度和高层建筑等领域的广泛应用, 研究陶粒混凝土与普通混凝土所组成的叠合结构的黏结性能具有重要的理论意义和实用价值。而2种混凝土黏结面的抗拉、抗剪强度能较好地反映新老混凝土黏结面的力学性能。因此, 本文试验通过制作Z型抗剪试件和立方体劈裂抗拉试件, 研究结合面的处理方式、浇筑时间间隔对PANF纤维陶粒混凝土和普通混凝土的黏结性能及变化规律的影响。

试件粗骨料为椭球形高强陶粒 (堆积密度850kg/m³) , 后浇混凝土粗骨料为石子 (堆积密度1 323kg/m³) , 使用P·O42.5普通硅酸盐水泥, 中砂 (堆积密度1 450kg/m³) , 粉煤灰和自来水以及纤维, 按照表1配合比进行制作。其中纤维采用聚丙烯腈纤维, 其规格参数:纤维类型为束状单丝, 密度1.15~1.20g/cm³, 抗拉强度≥450MPa, 杨氏模量≥5GPa, 断裂伸长率10%~40%, 长度15~20mm, 直径10~25μm。

试验设计:先浇LC30强度的PANF纤维陶粒混凝土, 后浇C40强度的普通混凝土。关于新老混凝土结合面粗糙度处理, 文献[4]给出了几种处理方式:人工凿毛法、高压水枪法、切槽法、钢刷刷净法以及电钻凿孔法等。为贴切建筑施工实际, 采用技术简单且常用方法, 本文试验结合面采用混凝土露骨料水洗剂处理法和人工凿毛面处理法。其中混凝土露骨料水洗剂处理法做法为:在PANF纤维陶粒混凝土结合面先均匀喷洒露骨料水洗剂, 使得接触面被药剂完全覆盖, 一定时间后用水冲刷混凝土表面使之露出清晰可见的骨料。凿毛法的做法为:人工对结合面施加作用力, 进行无规则小心轻凿, 避免产生附加的微裂缝, 除去表面浮渣和部分水泥石, 使得接触面形成凸凹不平状, 形成一定的粗糙度以增加黏结面的接触面积和机械咬合力^[5]。注意避免造成混凝土结合面处的剥落。作用效果如图1所示。

其中界面粗糙度由灌砂法测定:

测得平均灌砂深度2.7~3.3mm。

对于2种混凝土浇筑的时间间隔, 考虑到实际工程中, 大部分混凝土叠浇预制构件都在先浇筑混凝土终凝后短期进行, 根据终凝时间不得迟于10h的规范要求, 可以设置10h时间间隔作为一个变量。另外一方面, 由于预制构件需要运输到施工现场, 运输过程对构件的强度要求以及留出对预制构件结合面处理的时间, 将先浇筑的纤维陶粒混凝土在浇筑完成终凝结束后的1个工作日和2个工作日运达施工现场, 设置24h和48h时间间隔作为一个变量。另外建筑构件中的某些部位对结构的强度要求很高, 需要先浇筑的混凝土具有足够强度方可进行结合面的处理, 以保证对先浇筑的混凝土构件不会造成强度破坏, 则可设置时间间隔为14d, 因此, 具体浇筑的先后时间间隔分别为0, 10h, 24h, 48h, 14d。

先浇筑PANF纤维陶粒混凝土, 根据不同的时间间隔准时浇筑普通混凝土并对2种混凝土的黏结界面进行结合面处理 (露骨料水洗剂法和凿毛面处理法) 。界面处理完成后, 将24h, 48h, 14d之后浇筑的普通混凝土试快标准养护, 间隔时间10h的静置即可。待需要浇筑普通混凝土时, 首先对PANF纤维陶粒混凝土试件界面用水冲洗, 并用气枪吹去表面残留的骨料残渣, 使界面表面可以明显看到均匀分布的PANF纤维, 待结合面干燥无明水后再浇筑普通混凝土。将完整试件标准条件下养护28d。

制作PANF纤维陶粒混凝土和普通混凝土的叠合构件, 通过Z型试件研究其抗剪黏结性能及变化规律, 立方体试件研究其劈裂抗拉黏结性能及变化规律。试件尺寸如图2所示。Z型抗剪试件9组, 立方体劈裂抗拉试件9组, 抗压试件12组 (仅作为强度测试试件) , 每组试件各3个。

采用WAW-600C型60t液压伺服控制压力机进行试块力学性能测试。随着试验加载力不断增大, 构件上下受力面发生偏移, 不再保持平行, 相当于对构件形成附加的弯矩。当构件达到最大值时, 所形成的附加弯矩最大^[6]。而试验模型理论上是纯剪受力的加载方式。考虑PANF纤维对混凝土抗拉强度的提高, 在加载试件时, 将PANF纤维陶粒混凝土试件置于普通混凝土试件上方。

PANF纤维陶粒混凝土和普通混凝土Z型叠合构件均从结合面处发生破坏, 说明结合面决定黏结试件的力学性能, 是黏结试件的薄弱环节。在试验过程中能观察到, 随着荷载的加大, 黏结面出现细微裂缝, 裂缝快速延伸直至贯穿黏结面。可以明显听到砰的一声, PANF纤维陶粒混凝土和普通混凝土结合面分离, 黏结试件即发生破坏。从出现裂缝到整个构件结合面分离经历时间很短, 属于典型的脆性破坏。

其中露骨料水洗剂处理的破坏面沿着陶粒骨料和水泥浆体的结合面, 在陶粒混凝土构件上可以明显看到裸露完整的未被剪坏的陶粒颗粒, 在另一半普通混凝土构件上则出现水泥浆凹坑。破坏基本沿着普通混凝土的表面断开。这是由于浇筑普通混凝土前, 对纤维混凝土界面进行水洗剂的处理, 使得陶粒骨料完整露出。则2种混凝土黏结界面主要为陶粒表面, 也就是黏结试件的薄弱环节。凿毛面处理的破坏面较为平直, 可以看见部分陶粒被剪坏, 与新老混凝土结合面破坏形态类似^[7], 如图3所示。

比较不同叠浇间隔时间的破坏面形态, 破坏面陶粒颗粒的完整性随着叠浇间隔时间增长逐渐增大, 在10h间隔时间内, 陶粒骨料破坏较为明显, 破坏面趋近平面, 骨料在平直面处被剪断。当间隔时间为14d时, 试件骨料被剪断的减少。分析原因, 在较短时间内进行浇筑的叠合构件具有较好的黏结性能, 能够一起承担受力工作。随着叠浇时间增大, 先浇筑的纤维陶粒混凝土强度和完整性增大, 与后浇筑的普通混凝土界面协同工作能力降低, 因此破坏在骨料与水泥浆界面处, 骨料完整性较好。

黏结面的抗剪强度按剪切面的平均剪应力计算:

其中:τ为抗剪强度;V为剪力破坏荷载 (N) ;A为黏结面面积 (mm²) 。

不同结合面处理方式和不同叠浇时间间隔构件的抗剪强度相差明显, 测得最大的抗剪强度为5.8MPa, 最小的抗剪强度仅为2.89MPa。

混凝土黏结劈拉强度按下式计算^[8]:

式中:f_{at, s}为PANF纤维陶粒混凝土和普通混凝土黏结面劈裂抗拉强度 (MPa) ;P为破坏荷载 (N) ;A为黏结面面积 (mm²) 。

试验测得最大劈裂抗拉强度为5.52MPa。最小劈裂抗拉强度仅为3.16MPa。

将试验测得的抗剪强度结果汇总于表2中。

从表2中能够分析出, Z型试件抗剪强度随着叠浇间隔时间增长呈不断降低趋势, 对于露骨料水洗剂法和凿毛处理法所浇筑的构件, 在初凝刚完成10h所浇筑构件的抗剪强度可以达到整体浇筑强度的80.44%和73.65%, 但到14d后露骨料水洗剂法和凿毛处理法所浇筑成型的试件抗剪强度仅为整体浇筑试件抗剪强度的41.46%和40.48%。这是由于随着叠浇时间间隔的增长, 水泥泥浆的物理化学性质随着时间推移变的愈加稳固, 先浇筑的纤维陶粒混凝土界面更加稳定, 后浇筑的普通混凝土与先浇筑的纤维陶粒混凝土黏结愈加困难, 不能形成良好的工作作用, 而黏结面又是构件的危险面, 所以抗剪强度随时间推移呈下降趋势。

另外, 在任一叠浇时间间隔, 露骨料水洗剂处理法比凿毛面处理法的Z型试件抗剪强度都要高, 特别是在10h时要高出9.22%。分析其原因, 混凝土间的主要作用力为机械咬合力和范德华力, 露骨料水洗剂处理法和凿毛处理法都在物理作用方面提高结合面的粗糙度, 增大结合面的咬合力。另外露骨料水洗剂处理法还通过化学作用除去水泥颗粒和结合面处混凝土中水分, 使得混凝土表面级配更加天然原始, 相对粗糙度更大, 增大界面的黏结力。从而使得2类混凝土叠合构件的剪切强度较凿毛面更高。

综合分析这2种因素对混凝土抗剪强度的影响, 先浇纤维陶粒混凝土构件结合面性质未完全稳定时, 采用露骨料水洗剂进行处理, 能够有效地保证叠合构件的抗剪性能。

将试验测得的抗拉强度变化结果汇总于表3 中。

从表3中能够分析出, 抗拉试件劈裂抗拉强度和Z型试件的强度变化相似, 随着叠浇间隔时间增长呈不断降低趋势, 但总体下降幅度较Z型试件的抗剪强度下降要低。这是由于, 随着叠浇时间间隔的增长, 先浇纤维陶粒混凝土的界面性能稳定性不断提高, 相对黏结性能较低。在时间间隔为0~48h, 露骨料水洗剂法相对于凿毛处理法所浇筑的叠合构件劈裂抗拉强度下降缓慢。在叠浇时间间隔为10h时, 露骨料水洗剂处理法比凿毛面处理法的劈裂抗拉强度要高11.88%。在叠浇时间间隔为48h时, 露骨料水洗剂处理法所测得的试件劈裂抗拉强度可达到80.47%, 但凿毛面处理法劈裂抗拉强度仅为整体浇筑强度的66.73%。在叠浇时间间隔为14d时, 2种结合面处理方法的劈裂抗拉强度下降值均较大, 分别为整体浇筑强度的61.95%和60.73%。

另外, 在任一叠浇时间间隔, 抗拉试件通过露骨料水洗剂处理法比凿毛面处理法的劈裂抗拉强度都要高, 特别是当浇筑时间间隔为48h时, 构件劈裂抗拉强度要高出0.759MPa;当间隔时间为10h时, 构件劈裂抗拉强度高出0.521MPa;当叠浇时间间隔达到14d时, 2种结合面处理方式的劈裂抗拉强度相差无几。分析其原因可能是露骨料水洗剂的物理化学双重作用使得叠合构件表面形成露出混凝土原始级配纹理的粗糙面, 界面过渡区的黏结性能更加稳定。

综合分析这2种因素对叠浇构件混凝土劈裂抗拉强度的影响, 要想获得较好的叠浇混凝土劈裂抗拉强度, 应尽可能缩短叠浇的时间间隔, 控制在48h之内, 采用露骨料水洗剂法处理界面较凿毛面处理法对劈裂抗拉强度有明显提高。

1) 随着叠浇时间间隔的增长, 叠浇构件的抗剪和劈裂抗拉强度都减小。相对于凿毛面处理法, 露骨料水洗剂处理结合面的叠浇构件力学性能更优。

2) 对于Z型试件的抗剪强度, 宜采用露骨料水洗剂处理结合面, 在先浇混凝土初凝之后间隔时间为10h进行构件的叠浇, 其强度能够达到整体浇筑强度的80%, 能够保证试件的黏结性能。

3) 对于抗拉试件的劈裂抗拉强度, 缩短叠浇间隔时间有利于提高其劈裂抗拉强度, 露骨料水洗剂处理法和凿毛面处理法在时间间隔为14d时其强度只达到整体浇筑强度的60%左右。