表面状态对混凝土叠合面抗剪性能影响试验研究

作者：张富文高润东李向民

单位：上海市建筑科学研究院上海市工程结构安全重点实验室

摘要：基于混凝土叠合面2类不同表面状态, 在第Ⅰ类叠合试件中设置0, 2, 4, 6, 8, 10mm 6种不同凹凸深度, 第Ⅱ类叠合试件针对凹凸深度为8mm的情况设置0%, 5%, 10%, 15%, 20%, 25%6种不同缺陷占比, 基于此研究表面状态对叠合面抗剪性能的影响。研究结果表明, 混凝土叠合面抗剪承载力与凹凸深度间存在指数相关性, 当凹凸深度达10mm时, 混凝土叠合面抗剪承载力约为整浇对比试件抗剪承载力的40%;混凝土叠合面抗剪承载力与预设缺陷占比存在线性关系;混凝土叠合面破坏均以由后浇混凝土形成的凸面根部剪断破坏为主, 且呈脆性破坏。

关键词：混凝土叠合面抗剪承载力试验

作者简介： 张富文, 博士, 高级工程师, E-mail:2004_zhang@tongji.edu.cn; *李向民, 博士, 教授级高级工程师, E-mail:13601902634@163.com;
基金：上海市科委社发领域课题 (18DZ1205705);

0 引言

混凝土叠合面一般指在预制构件表面形成的粗糙面, 后浇混凝土通过该粗糙面与预制构件形成叠合构件, 从而整体受力。由于叠合不同时段2次浇筑的混凝土, 表面状态对叠合面抗剪性能的影响至关重要。现行行业标准JGJ1—2014《装配式混凝土结构技术规程》^[1]规定:“预制板的粗糙面凹凸深度不应小于4mm, 预制梁端、预制柱端、预制墙端的粗糙面凹凸深度不应小于6mm”。后浇混凝土嵌入粗糙面的深度与凹凸深度密切相关, 直接影响叠合面抗剪性能。

叠合面上常分布一定数量的钢筋和预埋件, 现场还需安装相关线管和线盒, 施工现场通常较杂乱, 易产生临时残留物。如果浇筑混凝土前未对叠合面进行彻底清理或混凝土振捣不充分, 将在叠合面上形成各类缺陷, 包括孔洞、脱空、浮土杂质等, 这些缺陷的存在在一定程度上减少叠合面有效受力面积, 对叠合面抗剪性能产生不利影响。

赵勇等^[2,3]结合国内外标准, 研究预制混凝土构件结合面粗糙化处理施工工艺和量测方法, 在此基础上, 进一步研究结合面处理方法、抗剪钢筋强度及其配筋率对结合面抗剪承载力的影响;郭进军等^[4]基于自制粗糙度测定仪, 提出曲面拟合法和测量数平均法2种测量混凝土表面粗糙度的方法;尚守平等^[5]研发抹砂法, 可对被加固混凝土构件表面粗糙度进行评定和等级划分;张雄等^[6]提出新老混凝土黏结面粗糙度可用分形维数表征, 并研究新老混凝土黏结抗折强度与分形维数的关系;赵志方等^[7,8,9]系统研究新老混凝土黏结拉剪性能、抗拉性能、抗折性能等。Rakgate等^[10]研究不处理、简单打毛、丝刷、凿毛+砂轮打磨4种不同加固面处理方式对粘贴钢板加固混凝土梁抗弯承载力的影响;Tudjono等^[11]研究加固面采用垂直、对角、交叉、平行4种不同拉毛方向对粘贴FRP加固抗剪和抗拉性能的影响;Mirmoghtadaei等^[12]研究直接浇筑、丝刷、酸洗、刻痕、刻痕+丝刷、刻痕+酸洗6种不同界面粗糙化处理方式对掺偏高岭土混凝土与普通混凝土间黏结性能的影响, 研究结果表明, 刻痕+酸洗处理方式效果最优;Costa等^[13]研究不同类型表面粗糙度对轻骨料混凝土间、轻骨料混凝土与普通混凝土间黏结性能的影响, 并给出表面黏结系数、摩擦系数与表面粗糙度的关系。

综上所述, 对于目前广泛采用的预制混凝土叠合构件, 关于不同凹凸深度、表面缺陷面积等典型表面状态对混凝土叠合面抗剪性能影响的研究较少, 而对其进行研究可为准确评价叠合构件受力性能提供科学依据。

1 试验设计

1.1 混凝土

叠合试件预制部分混凝土设计强度等级为C40、后浇部分为C45, 标准养护条件下, 28d实测立方体抗压强度分别为46.7, 50.2MPa。

1.2 试件设计

参考文献[7], 叠合试件设计如图1所示, 试件厚150mm, 预制部分和后浇部分形成的叠合面尺寸为100mm×150mm。叠合试件共分2类, 用于模拟2种不同类型表面状态。

图1 叠合试件

Fig.1 Composite specimens

1) 第Ⅰ类在叠合面上分别设置0 (未处理) , 2, 4, 6, 8, 10mm的凹凸深度, 相应编号依次为AT0, AT2, AT4, AT6, AT8, AT10, 每种凹凸深度均成型3个相同试件。成型装置如图2所示, 滚轴中间为多排锥形齿, 相邻2排间距为20mm, 每排沿圆周均匀分布10个锥形齿。锥形齿初始有效工作高度为10mm, 图2中最下方圆垫圈厚2mm, 套入滚轴锥形齿两侧时, 锥形齿有效工作高度变为8mm, 以此类推, 图2中圆垫圈厚度自下而上依次为2, 4, 6, 8mm, 利用滚轴装置可在叠合面上形成8, 6, 4, 2mm的凹凸深度, 当不套任何垫圈时, 则可以在叠合面上形成10mm的凹凸深度。

图2 成型装置

Fig.2 Forming device

2) 第Ⅱ类叠合面凹凸深度统一设为8mm, 在叠合面中心部位用环氧树脂粘贴聚四氟乙烯板模拟脱空缺陷, 如图3所示。聚四氟乙烯板厚1mm, 铺设面积与叠合面总面积比值 (预设缺陷占比) 分别为0% (未设置) , 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 相应编号依次为QX0, QX5, QX10, QX15, QX20, QX25, 每种缺陷面积均成型3个相同试件。

图3 叠合面缺陷设置

Fig.3 Defect setting of composite surface

制作专用模板, 先在模板中放置预制部分, 然后后浇混凝土, 形成叠合试件 (见图4) 。另外, 整浇3个对比试件S-1～S-3, 混凝土强度等级为C40。

1.3 试验方法与测试内容

试验加载装置如图5所示, 通过微机控制电液伺服万能试验机在上下端水平面上施加竖向荷载, 测试叠合试件抗剪承载力。

图4 叠合试件成型

Fig.4 Composite specimens forming

图5 试验加载装置

Fig.5 Test loading device

2 试验结果分析

当同组3个试件抗剪承载力试验值最大值或最小值中有1个与中间值差值超过中间值的15%时, 则将最大值和最小值一并舍弃, 取中间值;如最大值和最小值均与中间值差均超过中间值的15%, 则该组试件试验结果无效;其他情况取3个试件试验值平均值^[14]。

实测整浇对比试件S-1～S-3抗剪承载力平均值F₀=111.60kN。

2.1 凹凸深度的影响

1) 叠合面破坏形态

第Ⅰ类叠合试件典型破坏形态如图6所示。由图6可知, 当在叠合面上后浇混凝土时, 后浇混凝土嵌入叠合面凹面, 形成一定凹凸机械咬合力。随着凹凸深度增加, 机械咬合长度和面积增大, 机械咬合力变大, 叠合面抗剪承载力随之增大。不同凹凸深度下, 叠合面破坏一般为由后浇混凝土形成的凸面根部剪断破坏, 也存在部分试件由于机械咬合力较小, 发生由后浇混凝土形成的凸面拔出破坏。

2) 叠合面抗剪承载力

第Ⅰ类叠合试件不同凹凸深度下叠合面抗剪承载力、叠合面抗剪承载力与整浇对比试件抗剪承载力比值如表1所示。

图6 第Ⅰ类叠合试件破坏形态

Fig.6 Typical failure modes of classⅠcomposite specimens

基于表1数值, 对第Ⅰ类叠合试件叠合面抗剪承载力 (以y表示) 与凹凸深度 (以x表示) 的关系进行拟合可知二者存在指数关系, 即y=31.158e^{0.034 5 x}, R²=0.986 8, 表明二者具有良好指数相关性 (见图7) 。当凹凸深度由0mm增至10mm时, 叠合面抗剪承载力与整浇对比试件抗剪承载力平均值比值为0.282～0.401, 叠合面抗剪承载力最大值约为整浇对比试件抗剪承载力平均值的40%。

2.2 缺陷面积的影响

1) 叠合面破坏形态

第Ⅱ类叠合试件典型破坏形态如图8所示。由图8可知, 聚四氟乙烯板具有高润滑性和低黏性等特征, 能较准确模拟脱空、孔洞等缺陷。随着聚四氟乙烯板粘贴面积的增加, 叠合面有效工作面积不断减小, 即有效凹凸嵌入数量不断减少。各缺陷下叠合面破坏仍以由后浇混凝土形成的凸面根部剪断破坏为主, 也存在部分拔出破坏。

表1 不同凹凸深度下叠合面试验结果
Table 1 Test results of composite surface under different concavity and convexity depths

表2 不同大小缺陷下叠合面试验结果
Table 2 Test results of composite surface under different size of defect

图7 叠合面抗剪承载力与凹凸深度的关系

Fig.7 The relationship between shear bearing capacity and concavity and convexity depth of composite surface

图8 第Ⅱ类叠合试件破坏形态

Fig.8 Typical failure modes of classⅡcomposite specimens

2) 叠合面抗剪承载力

第Ⅱ类叠合试件不同缺陷面积下叠合面抗剪承载力、叠合面抗剪承载力相对于无缺陷叠合面抗剪承载力损失率如表2所示。其中, QX0组叠合面抗剪承载力为41.70kN, AT8组叠合面抗剪承载力为41.10kN, 2组试件叠合面凹凸深度均为8mm, 可知实测叠合面抗剪承载力基本一致。

由表2可知, 随着预设缺陷占比的不断增大, 叠合面抗剪承载力不断减小, 各缺陷下叠合面抗剪承载力相对于无缺陷叠合面抗剪承载力损失率与预设缺陷占比基本吻合。对第Ⅱ类叠合试件叠合面抗剪承载力 (以y表示) 与预设缺陷占比 (以x表示) 的关系进行拟合可知二者基本呈线性关系, 即y=-41.143x+41.893, R²=0.998 6, 表明二者具有良好线性相关性 (见图9) 。

图9 叠合面抗剪承载力与缺陷占比的关系

Fig.9 The relationship between shear bearing capacity and defect ratio of composite surface

3 结语

1) 混凝土叠合面抗剪承载力与叠合面凹凸深度间存在指数关系:y=31.158e^{0.034 5 x}。当凹凸深度由0mm增至10mm时, 叠合面抗剪承载力与整浇对比试件抗剪承载力平均值比值为0.282～0.401, 叠合面抗剪承载力最大值约为整浇对比试件抗剪承载力平均值的40%。叠合面破坏以由后浇混凝土形成的凸面根部剪断破坏为主, 呈脆性破坏。

2) 混凝土叠合面抗剪承载力与预设缺陷占比存在线性关系:y=-41.143x+41.893, 各缺陷下叠合面抗剪承载力相对于无缺陷叠合面抗剪承载力的损失率与预设缺陷占比基本吻合。叠合面破坏也以由后浇混凝土形成的凸面根部剪断破坏为主, 也呈脆性破坏。

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Experimental Study on the Influence of Surface State on Shear Resistance of Concrete Composite Surface

ZHANG Fuwen GAO Rundong LI Xiangmin

(Shanghai Research Institute of Building Sciences Shanghai Key Laboratory of Engineering Structure Safety)

Abstract: Based on two different types of surface states of concrete composite surface, the first type set six different concavity and convexity depths of 0, 2, 4, 6, 8, 10 mm, and the second type set six different defect ratios of 0%, 5%, 10%, 15%, 20%, 25% for the case that the concavity and convexity depth is 8 mm, the influence of the surface state on the shear resistance of the composite surface is studied. Study results show that there is an exponential correlation between the shear bearing capacity and the concavity and convexity depth. When the concavity and convexity depth reaches 10 mm, the shear bearing capacity of the composite surface is about 40% of the shear bearing capacity of the whole cast-inplace contrast specimen. There is a linear relationship between the shear bearing capacity and the defect ratio. The root shear failure of the convex surface formed by the post-cast concrete is dominant, and all the composite specimens show brittle failure mode.

Keywords: concrete; composite surface; shear bearing capacity; testing;

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