因人工需求小、节能减排等优点,建筑工业化成为我国新时代建筑产业的发展方向,装配式混凝土建筑的市场规模快速增长。装配式结构存在大量的混凝土结合面,而结合面处的混凝土粘结强度和密实性均低于整体现浇混凝土,容易成为装配式结构整体性与耐久性的薄弱部位。

　　 目前国内外对新老混凝土结合面的研究主要集中在工程加固领域中的粘结强度,对装配式结构中混凝土结合面的粘结质量及其抗渗性能的研究较少。结合面的粘结强度与粗糙面处理工艺及界面分形维数等因素有关 ^[1],当粗糙面采用适当的处理方式时,预制构件叠合面劈裂抗拉强度可达到等同现浇的效果 ^[2]。张晋峰 ^[3]利用钻芯植筋拉拔法研究了不同清理状况的结合面正拉粘结强度,试验结果表明结合面正拉粘结强度低于混凝土本体的抗拉强度,清理状况不达标会进一步降低结合面的粘结强度。Li Guoping ^[4]通过试验研究了预制桥梁构件接缝的种类及应变大小对氯离子渗透性能的影响,证明不同条件下的混凝土接缝抗氯离子渗透性能均弱于整体现浇混凝土。Qian Peng ^[5]对分层混凝土进行了抗渗试验和界面微观结构分析,验证了混凝土界面间易形成渗流通道并导致抗渗性能下降。

　　 混凝土的抗渗性能与材料孔结构及裂缝形态等因素密切相关,直接影响混凝土的抗冻和抗氯离子渗透 ^[6],是评价结构耐久性与适用性的重要指标。根据规范 ^[7]要求,预制构件结合面疏松部分的混凝土应剔除并清理干净,在浇筑混凝土前应洒水湿润结合面,但实际施工中结合面清理状况往往不符合规范要求,导致粘结质量不好。本文设计制作了含有4种不同结合面清理状况的混凝土叠合构件,钻取带有结合面的混凝土芯样进行抗水渗透试验,研究结合面混凝土的抗渗性能,为装配式建筑的工程质量控制与耐久性评定提供参考依据。

　　 为研究结合面及其施工质量对混凝土抗渗性能的影响,考虑实际施工中后浇混凝土前结合面是否清理、是否洒水湿润的情况,设计了带有4种结合面清理状况的混凝土叠合试件,结合面清理状况及试件设计分区见图1,混凝土配合比见表1。

　　 先浇筑尺寸为2 800mm×350mm×200mm的预制混凝土构件,预制构件成型模板表面设有凸起键槽,浇筑后形成的粗糙面凹槽深度约6mm,尺寸参数符合《装配式混凝土结构技术规程》(JGJ 1—2014) ^[7]中的相关规定。养护30d后对结合面进行处理并二次浇筑混凝土,为模拟施工中后浇混凝土前结合面未清理的情况,按0.2kg/m²的用量在结合面铺洒直径小于0.16mm的灰土,使结合面满铺一层灰尘;使用低速水流缓慢洒水湿润结合面分区C,避免积灰被水流冲散,实际处理效果见图2。按照设计清理状况处理各分区后,浇筑后浇混凝土,得到尺寸为2 800mm×350mm×400mm的叠合试件。

　　 后浇混凝土养护30d后,在叠合试件上钻取直径100mm的混凝土芯样,钻取结合面芯样时使结合面位于芯样轴线处。使用混凝土切割机去除芯样两端不平整部分,将每个芯样切割为2个长度150mm的圆柱体试件,对中放入上直径175mm、下直径185mm、高度150mm的标准圆台体试模中,浇筑CGM高强无收缩灌浆料并放入养护室中养护7d,得到标准尺寸的混凝土抗渗试件。考虑到结合面与混凝土本体抗渗性能的差异较大,在试验中可能出现结合面渗水速度过快等问题,结合面粘结质量较差的C,D组试件均预留一组备份试件,共制作预制混凝土试件、后浇混凝土试件、A组结合面试件及B组结合面试件各1组,C组结合面试件与D组结合面试件各2组,其中A～D组试件分别对应清理状况A～D。对各个试件进行编号,以S1A2-1为例对试件编号进行说明:试验代号S1代表加载水压为1.2MPa(S2代表加载水压为0.8MPa);分区代号A代表试件的结合面清理状况为清理+湿润;试件编号2-1代表该试件为A分区的第2个芯样加工成的第1个试件。Y和H代表预制混凝土和后浇混凝土,为不带结合面的试件。试件制作步骤见图3。

　　 结合《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082—2009)与《水工混凝土试验规程》(DL/T 5150—2001)的试验标准,按如下步骤进行抗渗试验:1)用石蜡将试件侧面及加载表面的灌浆料部分密封,放入预热的试模中。2)将密封好的试件安装在抗渗仪上,启动抗渗仪加载至设计水压,记录开始加压时间t、水压稳定时间t₀。3)水压恒定后持续观察试件端面的渗水情况,当试件端面出现渗水时,停止该试件的试验并记录编号与时间;对于试件端面未出现渗水的情况,在试验24h后停止试验并取出试件。4)将取下来的试件在压力机上劈裂,在试件的上下表面沿垂直结合面的直径方向各放置一根钢垫条,将试件沿纵断面劈裂为两半,并用防水笔描出水痕。5)按图4的设计测点测量渗水高度,测点间距为10mm。

　　 首先以1.2MPa水压对A,B,C,D四组结合面试件及预制混凝土、后浇混凝土试件进行抗渗试验。开始加载15min后,C,D组试件全部出现端面结合面渗水,表明C,D组试件结合面毛细孔渗透阻力小,粘结质量及抗渗性能均弱于A,B组试件及混凝土本体。因C,D组试件在1.2MPa水压下渗透流量较大、水压不稳定、加载时间短等原因,无法定量计算相对渗透系数,故以0.8MPa水压再次进行试验。

　　 预制混凝土试件及后浇混凝土试件在1.2MPa水压下渗水高度分布见图5,不含结合面的混凝土本体抗渗性能较好,劈裂面渗水高度分布比较均匀。后浇混凝土因水灰比小,抗压强度与密实性均高于预制混凝土,抗渗性能较好。

　　 A组试件在1.2MPa水压下渗水高度分布见图6,试件的渗水高度在结合面处最大,由结合面向两侧逐渐减小。试件剖面按材料及部分可划分为图7(a)中的预制区、后浇区及结合面,相同水压下水沿结合面的渗透速度比混凝土本体快,从结合面渗入混凝土内部的水向两侧的预制区及后浇区扩散,导致结合面附近预制混凝土与后浇混凝土渗水高度明显增大,在结合面处呈抛物线型分布。由渗水特征可见,按照规范清理的结合面抗渗性能明显弱于混凝土本体。

　　 B组试件在1.2MPa水压下渗水高度分布见图8。因结合面的影响,预制区混凝土渗水高度总体较大,结合面处渗水高度明显大于后浇混凝土,渗水特征见图7(b)。B组试件结合面渗水高度小于A组,说明未洒水湿润的结合面抗渗性能更好,可能是洒水湿润后结合面有部分积水,导致结合面处后浇混凝土的水灰比变大,混凝土的孔隙率增加,抗渗性能略有下降。

　　 C组在1.2MPa水压下加压7min后所有试件均端面渗水,在0.8MPa水压下12h内陆续出现端面渗水,试件端面渗水均位于结合面处,如图9(a)所示。渗水高度分布及渗水特征见图9与图7(c),由于加压时间较短,预制混凝土与后浇混凝土本体渗水高度小,结合面处形成贯通试件的渗水通道。与A组相比,C组试件在后浇混凝土前未对结合面进行清理,故粘结质量更差,抗渗性能显著降低。

　　 D组试件在1.2MPa水压下加压15min后所有试件均端面渗水,渗水特征与C组一致。在0.8MPa水压下渗水高度分布见图10,渗水特征见图7(d)。未清理的结合面混凝土粘结质量较差,因此,D组试件结合面渗水高度相比B组显著增大。未洒水湿润的D组试件结合面抗渗性能高于C组,验证了洒水湿润可能影响结合面后浇混凝土的水灰比,导致抗渗性能降低。

　　 根据图4的测点布置,以预制混凝土、后浇混凝土各试件渗水高度平均值计算该试件的相对渗透系数,以结合面处的渗水高度计算混凝土结合面的相对渗透系数,结果见表2。试件编号中的“*”表示该试件密封较差导致侧面漏水。相对渗透系数的计算公式为 ^[8]:

　　 ${\rm K}{}_{\text{r}}=\frac{aD{}_{\text{m}}^2}{2{\rm T}{\rm H}}(1)$

　　 式中:K_r为相对渗透系数;D_m为平均渗水高度;H为以水柱高度表示的水压力,1MPa水压力对应的水柱高度为10 200cm;T为恒压时间;a为混凝土吸水率,一般取0.03。

　　 为研究结合面对混凝土抗渗性能的影响,以各组试件相对渗透系数的平均值除以预制混凝土相对渗透系数进行归一化处理,各结合面试件渗透系数对比见图11。

　　 A组试件结合面相对渗透系数为预制混凝土的7.2倍,说明按照规范要求进行处理的结合面混凝土密实性也弱于整体浇筑的混凝土本体,结合面会削弱混凝土的抗渗性能。B组试件结合面相对渗透系数为预制混凝土4.9倍,略小于A组,表明湿润结合面可能会改变结合面处后浇混凝土的水灰比,导致孔隙率增大,抗渗性能下降。C,D组试件结合面相对渗透系数分别为预制混凝土95.8倍和34.5倍,表明结合面未清理会导致结合面抗渗性能大幅降低,在未清理的情况下洒水湿润也会进一步降低结合面的抗渗性能。

　　 混凝土是一种组分复杂的多孔材料,抗渗性能主要受孔隙率及孔径分布的影响,充分水化后的混凝土孔隙结构比较密实,液体在渗流过程中水头损失较大,抗渗性能较好。在装配式结构的结合面处,预制混凝土与后浇混凝土为分批浇筑,龄期、强度和收缩等均存在差异,密实性弱于整体现浇混凝土。结合面的渗透系数受混凝土浇筑质量、粗糙面处理方式、结合面清理质量等诸多因素影响,粘结质量较差的混凝土结合面处水的渗流阻力较小,可近似为平行板缝隙中的层流 ^[9],因此,抗渗性能显著降低。

　　 为改善混凝土结合面的粘结质量,实际施工中一般对预制构件表面采用拉毛、冲毛或压痕等方式增加结合面的粗糙度。粗糙面可以增大结合面渗流路径长度及沿程的水压损失,在一定程度上可以改善结合面的抗渗性能。预制构件在施工现场堆放过程中,表面存在疏松混凝土及大量积灰,后浇混凝土前不清理结合面会导致结合面混凝土形成连通的渗流孔隙,其抗渗性能大幅降低。

　　 (1)混凝土结合面是装配式结构抗渗透的薄弱部位,按标准清理的结合面相对渗透系数为预制混凝土本体的7.2倍,环境中的有害介质更容易渗入混凝土内部,使结合面成为结构耐久性的薄弱环节。

　　 (2)结合面清理质量对抗渗性能有显著影响,后浇混凝土前不清理结合面会显著降低混凝土抗渗性能,相对渗透系数可达预制混凝土本体的 95.8倍。

　　 (3)洒水湿润结合面造成的局部积水可能改变混凝土水灰比,增加了混凝土的孔隙率,导致抗渗性能降低。在洒水湿润时应冲去结合面未清理彻底的积灰,且后浇混凝土前应将结合面积水晾干,以减小对抗渗性能的不利影响。

　　 (4)考虑到实际工程中受施工条件等因素限制,结合面清理不彻底,故在装配式结构的外墙拼缝处宜采取构造防水、密封材料嵌缝等措施以改善结合面的抗渗性能。