混凝土表面粗糙度对梁耐热性能影响的实验研究

曾 卫,何 淼

(苏州建设交通高等职业技术学校,江苏 苏州 215104)

钢筋混凝土结构的耐高温性能远优于钢结构、木结构。主要因为钢筋混凝土构件的截面厚实,混凝土包裹在钢筋外侧,火灾时构件内部升温慢,强度损失少,并且作为主体材料的混凝土是一种热惰性材料。但是,当火灾持续较长时间后,混凝土结构将发生不同程度的损伤和破坏现象。本文主要从混凝土表面粗糙度方面,通过实验分析其对钢筋混凝土梁耐高温性能的影响。

1 混凝土表面粗糙度研究

对结构或构件进行加固补强,原构件能否与加固层共同工作是首要条件,新老混凝土表面必须进行处理。混凝土表面粗糙度是指进行混凝土表面处理时,表层的粗集料外露而形成的凹凸程度。

1.1 混凝土表面处理方法

1.1.1 喷砂法

用喷射机向混凝土表面喷射不同粒径的小碎石,通过控制喷射速度和喷射密度,得到满意的粗糙度。

1.1.2 高压水射法

用高压水枪对混凝土表面进行冲毛粗糙处理。高压水枪喷射的水压力一般在 100～250MPa之间,利用巨大的水冲射力除去混凝土表面的水泥石,使其表层的粗集料外露形成凹凸不平的粘结面。

1.1.3 钢刷划毛法

在新浇注的混凝土初凝后、终凝前12～24 h以内进行钢刷划毛处理。钢刷划毛法对混凝土表面只能进行轻度粗糙处理。

1.1.4 凿毛法

人工凿毛法是借人力用铁锤和凿对混凝土表面进行敲打,使其表面形成随机的凹凸不平状,从而增加混凝土表面粗糙度。

机器凿毛法是采用凿毛机在混凝土表面来回均匀凿毛,多齿头凿毛机可根据需要凿出不同粗糙程度的混凝土结构界面。

比较以上几种方法,其中采用多齿头凿毛机的机器凿毛法施工方便、高效、技术简单,对混凝土扰动小、损伤小,混凝土表面凹凸均匀性好,可以更好地满足试验或工程实践需要。

1.2 混凝土表面粗糙度测量

混凝土表面粗糙度的评定方法国内外有许多实验研究,主要有:触针法、灌砂法、分数维法、硅粉堆落法等。这些方法各有特点,但是都不适宜直接在工程中使用。现在,在这些方法的基础上加以改进,总结出一种简单易行的粗糙度评定方法,即抹砂法。

1.2.1 评定原理

标准石英砂掺水时,具有易粘结,干燥后不扰动、不脱落的特性。对混凝土构件凿毛面进行抹砂,测定平均抹砂深度,以平均抹砂深度与构件表面凿毛最大深度限值的比作为混凝土构件表面的粗糙度。

1.2.2 评定工具和材料

工具:量筒、漏斗、抹砂刀、猪鬃木柄刷、方形开洞不锈钢铁皮。

材料:标准石英砂(粒径为 40±3μm),自来水。

1.2.3 评定流程

(1)凿毛机依靠高速旋转的转盘带动多齿头对混凝土构件表面进行打磨;

(2)对凿毛的混凝土构件表面用压缩空气除去松散的材料和尘土,再使用高压水冲洗;

(3)构件表面干燥后,用抹砂刀将砂水配合比为 1∶0.25的湿砂均匀地涂抹于凿毛表面;

(4)等构件表面所抹的砂干燥后,进行刮砂处理,采用200mm×200mm方形开洞不锈钢铁皮封住混凝土结构表面,用猪鬃木柄刷在该区域内,轻轻地将砂刷下;

(5)最后将刷下的砂全部倒入量筒中,测量刮砂体积。

1.2.4 评定公式

式中:h为所抹标准砂平均深度,单位mm;V为 200mm×200mm方形区域内标准砂体积,单位mm3;S为方形区域面积,为 40000mm2。

式中:n为界面粗糙度;h为所抹标准砂平均深度,单位mm;δ为凿毛最大深度限值,为 10mm。

1.3 混凝土表面粗糙度等级划分

混凝土表面的粗糙度等级划分,目前还没有相应的规范或规程对其作出明确的规定。为了定量地分析混凝土表面粗糙度对加固补强的混凝土构件耐高温的影响,依据所得粗糙度n值,现将混凝土构件表面粗糙度划分三个等级。

Ⅰ级粗糙度:界面粗糙度n<0.1

Ⅱ级粗糙度:界面粗糙度 0.1≤n≤0.2

Ⅲ级粗糙度:界面粗糙度n>0.2

2 粗糙度评定试验研究

2.1 试件准备

制作 9根钢筋混凝土梁试件,截面尺寸为 b×h=150mm×300mm,长度 l=1400mm,跨度 l0=1200mm,跨中作用集中荷载 p,剪跨比 λ为 2.2。混凝土设计强度等级为C25,底部纵筋为 316,其中 116在支座边截断,钢筋等级为 HRB335,试件未配置箍筋(图1)。

图1 粗糙度试验

2.2 粗糙度评定试验

对以上试件进行表面处理,采用机械凿毛法,凿出三个粗糙度级别的表面,即Ⅰ级约有 10%粗骨料可见;Ⅱ级 30%～40%粗骨料可见;Ⅲ级 60%～80%粗骨料可见。每根梁每个侧面各取两个测区,每个测区各测三次,以减小误差。

3 混凝土表面粗糙度对构件高温性能的影响

3.1 试验方案

将上面试验中不同粗糙度等级的梁试件各取两根,正位安放在高温试验炉内,两端铰支,在试件跨中位置施加初始荷载P并维持恒定。按照 ISO国际标准升温曲线进行升温,模拟火灾高温环境。ISO国际标准升温曲线是一个统一的、单调升温过程,与真实火灾温度有较大差别,但是,在结构构件的抗火试验、高温性能分析或耐火极限验算中,作为一个标准统一应用。

3.2 试验内容

(1)试验现象:升温过程中,试件内部水蒸气的逸出、表面颜色、敲击声响、外表损伤状况和试件破坏形态等。

(2)试件破坏时的极限温度和时间。

3.3 试验结果

3.3.1 试验现象

(1)L1、L2:升温 4～5 min后,炉内有水蒸汽冒出;14～16m in时,加载点处混凝土顶面有垂直轴向的裂缝;28m in时,左端支座出现斜裂缝;54 min时,右端支座也出现斜裂缝,试件受剪切破坏。

(2)L4、L5:升温 5～6m in后,炉内有水蒸汽冒出;27～30m in时,加载点处混凝土顶面有垂直轴向的裂缝;78m in时,南端支座发现斜裂缝;98 min时,北端支座也发现斜裂缝,试件受剪切破坏。

(3)L7、L8:升温 5～6m in后,炉内有水蒸汽冒出;36～40m in时,加载点处混凝土顶面有垂直轴向的裂缝;84m in时,南端支座发现斜裂缝;114min时,北端支座也发现斜裂缝,试件受剪切破坏。

3.3.2 表观颜色及敲击声音

混凝土呈灰黄色,加盖密封处为棕黄色,粗骨料颜色变成红色。用锤子敲击混凝土表层时,发出较响亮声音。粗糙度等级越高,混凝土表面颜色越浅,粗骨料颜色越浅,敲击时声音越响亮。

3.3.3 爆裂情况

试件在试验过程中无爆裂现象,但混凝土受到严重损伤,变得疏松易碎,梁右侧底部混凝土脱落,露出纵筋。粗糙度等级越低,混凝土损伤越严重,脱落露筋区域越大。

各试件在试验中出现类似的现象,升温 4～6min时,明显可见水蒸气从梁中溢出;升温 20～40min时,水蒸汽溢出量最大,之后逐渐减少;至 70min后不再见水蒸气。各试件的表面颜色随炉温的升高,也呈现出规律性的变化。各试件在不同的粗糙度等级、初始荷载水平下的试验结果对比见表1。

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L1、L4、L7均是在 70 kN荷载下进行高温试验,由于混凝土表面粗糙度的提高,极限时间由54m in延长到 114min,极限温度由 929℃提高到 1043℃。

L2、L5、L8均是在 110 kN荷载下进行高温试验,由于混凝土表面粗糙度的提高,极限时间由 28 min延长到 84min,极限温度由 821℃提高到 990℃。

3.4 试验分析

试验结果表明:Ⅱ、Ⅲ级粗糙度的试件,混凝土界面粘结强度大,不易开裂,试件高温下的工作性能好,且Ⅱ、Ⅲ级间相差不大;Ⅰ级粗糙度的试件,混凝土界面粘结强度小,易开裂,裂缝开展较快,且靠近支座处的混凝土出现脱落现象,试件高温下的工作性能差。因此,混凝土表面粗糙可以阻止或延缓界面处各种应力 导致的裂缝产生或开展,同时混凝土表面的凸起对界面结构有增强作用,并能改变界面裂缝扩展方向,使裂缝“路径”曲折,也能消耗部分能量。

通过试验发现混凝土表面粗糙度对钢筋混凝土梁的耐热性能有很大影响,混凝土表面越粗糙,其耐热性能越强。

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