预制与后浇混凝土粘结后的抗折性能分析

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(1.安徽理工大学土木建筑学院，安徽 淮南 232001； 2.黄山学院建筑工程学院，安徽 黄山 245041)

1 引 言

在装配式混凝土结构中，对于主要承受弯拉应力的叠合构件，预制与后浇混凝土粘结后的抗折强度起着关键的作用[1-3]。预制与后浇混凝土粘结后的抗拉强度、抗剪强度等其他力学性能也间接与粘结抗折强度相关。目前对混凝土材料性能的研究主要集中于纤维增强混凝土[4-5]、轻骨料混凝土[6-7]等，对于混凝土的粘结性能主要在新老混凝土方面开展研究。赵志方等[8]考虑不同界面剂、混凝土类型和粘结面粗糙度对新老混凝土粘结抗折性能的影响，研究表明粘结面表面粗骨料露出50%、水泥浆类界面剂均能有效地提高粘结后的抗折强度。袁群等[9]研究不同界面剂对新混凝土与碳化混凝土的粘结抗折性能影响，表明使用水泥净浆界面剂能有效地提高粘结后的抗折强度。秦明强等[10]对界面湿度状态、不同界面剂对新老混凝土粘结后抗折强度的影响进行了研究，研究表明粘结面干燥时，粘结后抗折强度高于粘结面为自然和湿饱和时的抗折强度。但上述研究都只集中在使用龄期长的老混凝土与新混凝土的粘结抗折性能，对未经使用的预制混凝土与后浇混凝土的粘结抗折性能研究较少。本文考虑了不同粘结面粗糙度、混凝土强度、温度和冷却方式等因素对预制构件混凝土与后浇混凝土粘结后抗折性能的影响，进行系统的试验研究并阐述相关机理。

2 试验概况

2.1 试验原材料

选用P·O42.5R级普通硅酸盐水泥，采用淮河细度模数为2.7的普通河砂，选用粒径为5～10mm连续级配碎石，自来水作为搅拌用水。预制混凝土强度等级为C30，后浇混凝土强度等级分别为C30、C35和C40，采用的配合比如表1所示。测得C30的混凝土立方体试块抗压强度为39.5N/mm2，抗折强度为4.62N/mm2；C35、C40的混凝土立方体试块抗压强度分别为45.4N/mm2、50.4N/mm2。

表1 混凝土配合比

2.2 试验设计

预制与后浇混凝土粘结后抗折试件尺寸为150×150×550mm，提前浇筑并标准养护28天的预制部分构件尺寸为150×150×275mm，并在混凝土硬化前对其粘结面作拉毛处理，分别得到Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ三种不同类型的粘结面。采用灌砂法[11]测量其表面粗糙度h，其中，Ⅰ型粘结面平均粗糙度h=1.25～1.52mm，Ⅱ型粘结面平均粗糙度h=2.78～3.22mm，Ⅲ型粘结面平均粗糙度h=4.65～4.98mm。

先将预制部分混凝土试块水平放置于150×150×550mm标准钢模中，粘结面方向垂直于钢模的底面，按图1浇筑后浇部分混凝土，得到标准长方体抗折试块，每组3个试件，标准养护28天，按《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081-2002)中三分点法进行抗折性能试验，跨度为450mm，试验装置如图2所示。

图1 混凝土粘结抗折试件浇筑示意图Fig.1 Sketch of moulding the adhesive bend concrete specimen

图2 混凝土粘结抗折试验装置Fig.2 Test for adhesive bending strength

为了研究装配式混凝土结构预制与后浇混凝土粘结后的抗火性能，考察温度对粘结抗折性能的影响，试验设计常温和高温两种条件，常温条件是温度为20℃；高温条件是将预制与后浇混凝土粘结试件放入电热恒温干燥箱内，分别设置温度为100、200和300℃，在达到设定温度后，恒温加热0.5h后取出冷却，冷却方式有两种，一种为自然冷却至室温，另一种为喷水冷却，喷水时间为5min。

3 试验结果及分析

3.1 试验结果

预制与后浇混凝土粘结后抗折强度试验结果如表2所示，表中试验数据为每组3个试件的平均值。

定义λ为粘结后抗折强度fz与预制混凝土整体抗折强度fcz的比值；β为粘结后抗折强度fz与预制混凝土立方体试块抗压强度fcu的比值；λ、β都直接反映了粘结后混凝土抗折强度占预制整体混凝土强度的比例。

3.2 后浇混凝土强度的影响

根据《装配式混凝土结构技术规程》(JGJ 1-2014)6.5.5条规定，预制板粗糙面面积不宜小于结合面面积的80%，凹凸深度不应小于4mm，基本对应于本试验中Ⅲ型粘结面类型。由表2可知，常温条件下，粘结面类型为Ⅲ型时，预制混凝土强度等级为C30，后浇混凝土强度等级分别为C30、C35、C40时，λ值分别为58.4%、60.2%、61.0%。后浇混凝土强度每提高两个等级(10MPa)，其粘结抗折强度fz的增加量仅占预制混凝土整体抗折强度fcz的2.6%。这表明：粘结面类型为Ⅲ型时，随着后浇混凝土强度的增加，预制与后浇混凝土粘结抗折强度有所增大，但增大幅度很小。

表2 粘结抗折试验结果 Table 2 Adhesive bending test results

对于预制与后浇混凝土粘结力而言，主要取决于预制与后浇混凝土协调工作能力，因此，要求后浇混凝土弹性模量和热膨胀系数应该与预制混凝土相近，强度至少不小于预制混凝土。试验结果表明，后浇混凝土强度如选用过高，粘结性能提高有限，效益不高。实际工程中，建议后浇混凝土强度比预制混凝土强度提高一个等级。

3.3 粘结面粗糙度的影响

预制与后浇混凝土粘结后的抗折强度和粘结面粗糙度之间的关系如图3所示。

图3 粘结后抗折强度与粘结面粗糙度的关系Fig.3 Relationship between interfacial roughness and adhesive bending strength

从表2和图3可以看出，常温条件下，预制与后浇混凝土粘结后的抗折强度随着粘结面的粗糙度的增加而显著增大，λ随粘结面粗糙度的增加分别为45.9%、52.2%、60.2%。预制与后浇混凝土粘结后抗折强度主要取决于其粘结力，也就是粘结面范德华力和化学键力，其中以范德华力为主。随着粘结面粗糙度增大，后浇混凝土水泥浆体与预制混凝土互相咬合、嵌固，微观上增大了接触面积，宏观上增大了粘结面上的范德华力、咬合力，其粘结后抗折强度就越高。

当T=300℃时，无论是自然冷却还是喷水冷却，粘结后抗折强度随着粘结面粗糙度的增加而增大，但β的回归直线的斜率与常温相比在下降，且下降幅度较大。这说明在高温条件下，粘结面粗糙度对粘结后抗折强度仍有重要的影响，但随着温度的升高，粗糙度的影响会减小。

3.4 温度的影响

对表2中的相关试验数据进行回归分析，可以分别得到Ⅲ型粘结面粗糙度情况下，自然冷却和喷水冷却时粘结后抗折强度和温度的回归曲线，见式(1)、(2)和图4。

自然冷却时：

fz=(-5.72×10-8T2-1.04×10-4T+0.072)fcu
R2=0.999

(1)

喷水冷却时：

fz=(-1.08×10-7T2-1.01×10-4T+0.072)fcu
R2=0.988

(2)

其中：T为粘结面所受温度，℃。

图4 粘结后抗折强度与温度的关系Fig.4 Relationship between temperature and adhesive bending strength

从图4和表2中可以看到，在Ⅲ型粘结面粗糙度的情况下，不论试件是自然冷却还是喷水冷却，预制与后浇混凝土粘结后的抗折强度整体上随着温度的升高而降低，且温度越高下降的幅度越大。如在100～200℃时，自然冷却时粘结后的抗折强度比常温时下降了近13.3～29.5%，300℃时粘结后的抗折强度下降更为明显，自然冷却时比常温下降了48.9%。

高温环境下，预制混凝土与后浇混凝土的水泥砂浆变形是不协调的，预制混凝土粘结面上砂石与水泥砂浆变形也是不协调的。粗骨料随着温度的升高一直在膨胀，但水泥砂浆因温度升高大量失水而快速收缩，导致在粗骨料和水泥砂浆间产生较大的内应力，继而形成微裂缝，温度越高，裂缝就扩展得越快，故而粘结后抗折强度下降的趋势就更显著[12]。再者，预制与后浇混凝土粘结面处是整个试件的受力薄弱位置，易形成应力集中效应，温度越高，薄弱处集中应力越大，粘结后抗折强度下降得越快。最后，试件在升温过程中，试件内部产生拉应力、外部产生压应力，冷却过程正好与之相反，这种温度应力变化将使得试件升温时粘结面处容易开裂、冷却时试件表面容易产生微裂缝，导致粘结后的抗折强度下降[13]。

3.5 冷却方式的影响

从表2和图4中还可以看到，不论是自然冷却还是喷水冷却，预制与后浇混凝土粘结后的抗折强度都随温度的升高而降低。其中，100～200℃时，自然冷却时粘结后的抗折强度比常温时下降了近13.3～29.5%，喷水冷却时下降了15.5～30.9%；300℃时，自然冷却时比常温下降了48.9%，喷水冷却时比常温下降了55%。比较两种不同试件的冷却方式，在100～200℃之间，冷却方式对预制与后浇混凝土粘结后的抗折强度的影响差别较小，但在300℃时，喷水冷却试件的粘结后的抗折强度明显比自然冷却的下降幅度更大，这说明温度越高，喷水冷却对预制与后浇混凝土粘结面的损伤越厉害。

造成上述规律的主要原因是：温度加热到200℃以内时，混凝土试件没有明显的破坏现象，两种冷却方式对试件产生的热应力差别不大，故两种冷却方式对预制与后浇混凝土粘结后的抗折强度的影响差别较 小；但随着温度继续升高到300℃时，喷水冷却方式使得处于高温状态的试件急剧降温，瞬间产生较大的热应力加剧了预制与后浇混凝土粘结面的破坏与损伤，加速了粘结后的抗折强度的下降趋势。

4 结 论

通过预制与后浇混凝土粘结后的抗折性能试验，并对试验结果进行比较分析，结论如下：

1.预制与后浇混凝土粘结后的抗折强度随着粘结面的粗糙度的增加而显著增大，但随着温度的增加，影响作用在减小，本试验中粘结面类型为Ⅲ型时，提高后浇混凝土强度等级并不能有效增大粘结后的抗折强度。

2.温度是影响预制与后浇混凝土粘结后的抗折强度的重要因素。预制与后浇混凝土粘结后的抗折强度随着温度的升高急剧下降，到300℃时，比常温下降近50%。

3.在200℃以内，试件冷却方式对预制与后浇混凝土粘结后的抗折强度的影响较小，但对于200℃以上的粘结后的抗折强度却影响显著，其中喷水冷却对预制与后浇混凝土粘结面损伤要比自然冷却的严重。

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