钢纤维混凝土叠合试块劈裂性能试验研究

刘宏波,朱文明,魏鲁彬,叶晓旭,汪凯柄

(1.河北建筑工程学院 土木工程学院,河北 张家口 075000;2.河北省土木工程诊断、改造与抗灾重点实验室,河北 张家口 075000)

在混凝土建筑的施工工艺上,为了使建筑工业化,装配式建筑技术愈来愈趋近于成熟,使用预制技术已经是大势所趋。叠合构件是在预制构件的基础上进行二次浇筑,这种工艺不仅环保节能,还缩短了施工时间,同时兼具现浇整体性好,抗震性能优越,操作简单等优点。混凝土叠合构件的预制部分与后浇部分的粘结性能对于构件整体性至关重要。钢纤维混凝土相较传统混凝土有着更好的抗拉,抗弯,增韧性能[1-3],且弓形钢纤维对混凝土抗拉性能的提升更显著[4-5]。随着钢纤维混凝土逐渐运用到装配式工程中,而目前对于高强钢纤维混凝土粘结性能的研究并不多,所以对于钢纤维混凝土叠合面粘结性能的研究很具有社会和经济意义。

何桥敏等对不同钢纤维掺量的混凝土试块进行基本力学试验,得出钢纤维掺量对于混凝土抗拉性能有显著影响[2];黄选明等通过对预制混凝土构件不同叠合面的劈裂抗拉试验,得出叠合面处理方式对劈拉强度影响较大[6];王德奎等对普通混凝土试块的养护龄期进行研究,得出抗拉强度随龄期的增长而增长[7]。现阶段虽然已经有不少对于钢纤维混凝土的研究,但对钢纤维混凝土叠合试块劈裂性能的研究并不多。本文通过对不同钢纤维含量和龄期的高强钢纤维混凝土整浇试块进行劈裂试验研究其抗拉性能,对不同龄期和叠合面处理方式的高强钢纤维混凝土叠合试块进行劈裂实验研究其粘结性能。

1 试验准备

1.1 试验材料

(1)胶凝材料:金隅水泥有限公司生产的P.O42.5普通硅酸盐水泥,材料性能指标如表1所示。

表1 水泥性能指标

(2)粗骨料:石灰岩石子,粒径范围为5～20mm,连续级配。粗骨料分为俩个级配,5～10mm和10～20mm,其中5～10mm与10～20mm石子用量比例为3:7,含水率为0.18%。

(3)细骨料:河北张家口的天然砂,细度模数为2.77,属于中粗砂。

(4)减水剂:山东省莱阳市宏祥建筑外加剂厂生产的灰霸高效减水剂,掺量为2%,减水率为18～25%。

(5)钢纤维:端勾型,长为35mm,直径为0.75mm,长径比为46.7,抗拉强度为1044MPa。

(6)水:生活用水。

1.2 试验设计

共设计了13组共39个劈裂试验试块,其中6组整浇试块,如图1所示,7组叠合试块,如图2所示。

图1 整浇试块

图2 叠合试块

6组整浇试块中2组钢纤维含量为1%,2组钢纤维含量为1.5%,2组钢纤维含量为2%,分别在7天和28天养护结束后进行劈裂抗拉试验。

钢纤维混凝土配合比和抗压强度试验值如表2所示。

7组叠合试块在初次浇筑时,进行叠合面处理,叠合面处理方式分为振捣自然面,插钢纤维面,拉毛面,劈裂面,分别制作了1组振捣自然面叠合试块,1组插钢纤维面叠合试块,1组劈裂面叠合试块,4组拉毛面叠合试块,拉毛面叠合试块2组为横向拉毛,2组为纵向拉毛,分别对养护7天,28天的拉毛叠合试块进行劈裂粘结试验。其中振捣自然面是在振捣台上振捣后自然形成的不平整面;插钢纤维面是在叠合面上不规则插入22根钢纤维;劈裂面试块是取一月前试配时,进行劈裂试验的试块;拉毛面是使用12mm直径的钢筋在混凝土初凝前对试块表面进行拉毛,深度6mm左右,拉痕宽度维持在12mm左右,拉痕间距大约12mm。叠合面处理方式如图3所示。

叠合试块二次浇筑时间为一次浇筑完成后7天。将试件放入标准养护室进行养护,养护条件为温度20±3℃,相对湿度90%以上,养护28天。

2 加载装置与试验过程

试验使用的是2000kN微机控制压力试验机,试验步骤如图4和图5所示。

图4 加载示意图

图5 钢纤维混凝土立方体试块劈裂加载图

根据《钢纤维混凝土》(JG/T472—2015)[8],使用100mm非标准立方体试块时,相对于150mm标准立方体试块,立方体抗压强度换算系数宜取为0.90,劈裂抗拉强度换算系数宜取为0.80。

根据《混凝土物理力学性能试验方法标准》GB/T50081-2019[9],进行劈裂抗拉试验时,为确保劈裂位置的准确,提前在试件的顶面和底面画出相互平行的直线,加速度宜取0.06MPa/s。

混凝土劈裂抗拉强度计算如式(1)所示。

(1)

式(1)中:fts—混凝土劈裂抗拉强度(MPa),计算结果应精确至0.01MPa;

F—试件破坏荷载(N);

A—试件劈裂面面积(mm2)

3 试验结果与分析

3.1 劈裂试验结果与破坏现象

根据规范《混凝土物理力学性能试验方法标准》GB/T50081-2019[9]要求,3个测值中的最大值或最小值中当有一个与中间值的差值超过中间值的15%时,则应把最大值及最小值一并舍除,取中间值作为该组试件的劈裂抗拉强度。劈裂试验结果如表3所示。

表3 试验变量与结果

钢纤维混凝土整浇试块与劈裂面试块,插钢纤维面试块由于内部钢纤维交错分布,即使已经劈裂破坏,仍能保持一定的试块完整性,相比于传统混凝土主要由水泥砂浆黏结力承受劈裂抗拉承载力,钢纤维混凝土中钢纤维与水泥砂浆的握裹力也能起到不错的抗拉效果,所以在达到极限劈裂强度后不会立即断裂,如图6(a),图6(b),图6(c)所示。

振捣自然面试块与传统混凝土试块类似,主要是由水泥砂浆的黏结力承受劈拉承载力,表面拥有一定的粗糙度但并不明显,也没有钢纤维裸露在表面,经过劈裂试验断裂成俩半后劈裂面能较好的保持完整,如图6(d)所示。

横向拉毛面与纵向拉毛面试块破坏现象类似,如图6(e),图6(f)所示。除了水泥砂浆的黏结力,拉毛凹槽让预制试块与二次浇筑混凝土很好的结合在一起,断裂面能明显看出拉毛凹槽处混凝土的破坏,也起到了抵御劈裂荷载的作用。

3.2 整浇试块劈裂抗拉强度分析

对于整浇的钢纤维混凝土试块,在养护7天后,1%钢纤维含量的混凝土试块抗压强度已经达到28天抗压强度的65.7%,抗拉强度已经达到28天劈拉强度的84.8%;1.5%钢纤维含量的混凝土试块抗压强度已经达到28天抗压强度的69%,抗拉强度已经达到28天劈拉强度的65.7%;2%钢纤维含量的混凝土试块抗压强度已经达到28天抗压强度的65.7%,抗拉强度已经达到28天劈拉强度的42.5%。不同钢纤维含量下7天和28天抗压、抗拉强度对比如图7所示。

(a)抗压强度对比图

由此可见,随着钢纤维含量的增加,高强钢纤维混凝土的抗压强度并没有明显的提升。随着钢纤维含量的增加,高强钢纤维混凝土的劈裂抗拉性能在7天养护周期的时候并没有明显提升,反而还有所降低,但在28天养护周期结束后抗拉强度提升明显,钢纤维的掺量越多,高强钢纤维混凝土的28天抗拉强度相对于7天抗拉强度增长幅度越大:1%钢纤维混凝土的抗拉强度,28天相较于7天,增长了17.9%;1.5%钢纤维混凝土的抗拉强度,28天相较于7天,增长了52.2%;2%钢纤维混凝土的抗拉强度,28天相较于7天,增长了135.3%。但钢纤维掺量并不是越多越好,当纤维掺量在1.5%时,抗拉强度最高,在2%时,抗拉强度已经没有多大提升。而且从本文试验结果看,高强钢纤维混凝土7天到28天的抗压强度增长幅度并不能明显影响到劈拉强度的增长幅度。

3.3 叠合试块劈裂粘结强度分析

高强钢纤维混凝土叠合试块采用钢纤维含量1%的CF60配比,与C-4养护期为28天的整浇1%钢纤维混凝土试块进行劈裂强度对比:振捣自然面叠合试块劈拉粘结强度为整浇试块的69.3%,插钢纤维面叠合试块劈拉粘结强度为整浇试块的66.5%,劈裂面叠合试块劈拉粘结强度为整浇试块的49.8%,横向拉毛面叠合试块劈拉粘结强度为整浇试块的50.5%,竖向拉毛面叠合试块劈拉粘结强度为整浇试块的57.6%,其中横向拉毛面叠合试块7天劈拉粘结强度是28天的95.2%,竖向拉毛面叠合试块7天劈拉粘结强度是28天的80%。叠合试块与整浇试块劈裂强度对比如图8所示。

图8 叠合试块与整浇试块劈裂强度对比图

插钢纤维面叠合试块是在振捣自然面的基础上插上一定量的钢纤维,从劈裂试验结果看,并没有起到增强粘结性能的作用,反而劈拉粘结强度还略低于振捣自然面,但破坏后并没有立即断裂,仍能保持一定的整体性。理论上叠合面的粗糙度越大,新/老混凝土的粘结强度应该越高[10],但在本文实验中,劈裂面叠合试块的叠合面粗糙度是叠合试块中最大的,叠合面粗糙度次之,振捣自然面粗糙度最差,但劈裂面叠合试块的劈裂粘结强度确是叠合试块中最低的,这是因为劈裂面叠合试块的预制试块一开始已经经过劈裂试验,劈裂区域混凝土已经受到破坏,钢纤维,水泥砂浆和粗细骨料间已经有所松动,表面虽然粗糙,但裂缝很多,所以新旧混凝土粘结不是很好。劈裂面叠合试块与振捣自然面叠合试块相比,能很好的证明光看表面粗糙度并不能准确的表明粘结性能的好坏,如果叠合面表面干净,微裂缝少,轻度粗糙且没有薄弱的外皮,也能拥有较好的粘结性能。

横向拉毛面叠合试块28天劈拉粘结强度相较于7天劈拉粘结强度,提升了23.6%,横向拉毛面叠合试块28天劈拉粘结强度相较于7天劈拉粘结强度,提升了25.4%,横向拉毛面叠合试块的7天劈裂粘结强度为纵向拉毛面叠合试块的104.6%,28天劈裂粘结强度为纵向拉毛叠合试块的103.1%,且破坏现象也类似。由此可以看出在正方形叠合面中,横向拉毛比纵向拉毛的粘结强度稍高一些,但并不明显,两者劈拉粘结效果差不多。

结语

(1)高强钢纤维整浇试块,劈裂面叠合试块和插钢纤维面叠合试块在劈裂破坏后仍能保持一定的完整性,不会直接断裂,具有一定的韧性;振捣自然面叠合试块,拉毛面叠合试块劈裂后直接断裂成两半。

(2)随着钢纤维含量的增加,高强钢纤维混凝土试块的抗压强度并不能明显提升,但抗拉性能提升明显,但超过1.5%之后提升并不明显;进行7天和28天养护时长的对比,钢纤维的掺量越多,高强钢纤维混凝土试块的抗拉强度提升幅度越大。

(3)叠合面粗糙度并不是影响叠合试块粘结性能的唯一要素,叠合面表面干净,微裂缝少,轻度粗糙且没有薄弱的外皮,也能拥有较好的粘结性能;在正方形叠合面中,横向拉毛比纵向拉毛的劈拉粘结性能差不多。