改性活性粉末混凝土装配式梁柱节点界面粘结抗折性能试验研究

陈浩，王雨晗，刘国安，栾学立，秦浩，谢群

（1.山东建筑大学 土木工程学院，山东 济南 250101；2.山东建筑大学 建筑城规学院，山东 济南 250101；3.山东建筑大学 建筑结构加固改造与地下空间工程教育部重点实验室，山东 济南 250101；4.山东建大工程鉴定加固研究院，山东 济南 250013；5.济南大学 土木建筑学院，山东 济南 250022）

与传统现浇混凝土结构相比，装配式混凝土结构由于存在后期装配及二次浇筑的工艺，预制与后浇混凝土交界面受力复杂且内力较大，易产生大量接缝，因此粘结面受力性能是影响装配式结构刚度、承载能力和整体性能的关键因素[1-2]。本课题组以超细颗粒致密体系（Densified Systems Containing homogeneously arranged ultrafine Particles，DSP）和活性粉末混凝土（RPC）为基础，在不使用粗骨料基础上用砂代替，通过改善超细颗粒之间的级配，使材料空隙率降到最低，提高了骨料的均匀性，产生良好的填充效应以优化孔结构。另外，掺入适量聚丙烯纤维和钢纤维能够提高其延性及抗拉强度，加入高效减水剂拌和得到改性活性粉末混凝土（MRPC），是一种在强度、韧性和耐久性等方面都表现出高性能的混凝土，应用于装配式混凝土框架结构不仅能够大幅度提高建筑物质量，还符合可持续发展要求。

目前，国内外众多学者研究集中在对预制混凝土与后浇混凝土粘结构件的宏观力学性能，其中研究的重点多数集中于粘结面的各种粘结性能指标[3-4]及其主要影响因素[5-6]，关于普通混凝土（NC）与RPC粘结面的抗拉和抗剪性能、复杂应力条件下的剪切强度和抗折、抗弯性能等方面已有大量的试验与研究。Jang等[7]对RPC与NC叠合界面的抗剪性能进行了试验研究，研究了不同界面处理方法对其抗剪承载力和破坏形态的影响。贾方方等[8]及沈捷[9]研究了不同钢纤维掺量和不同粘结方式对RPC与NC粘结劈拉性能的影响，分析了两者之间的粘结机理。安明喆等[10]采用梁式试验方法分析了RPC各因素对粘结性能的影响，并与普通C40混凝土进行对比，建立了RPC的粘结应力-滑移本构模型。冯虎[11]研究了粘结试件的尺寸效应及劈拉变形性能，考虑钢纤维体积率、旧混凝土劈拉强度、粗糙度和界面剂综合影响下，钢纤维混凝土与旧混凝土劈拉强度的计算模式及劈拉强度尺寸换算系数。

1 试验

1.1 试验原材料

（1）水泥：济南某公司生产，P·O42.5级；硅灰：济南某公司生产，SF93级，比表面积约为26 400 m2/kg；矿粉：巩义某公司生产，S95级，比表面积约为800 m2/kg；粉煤灰：济南某公司产，Ⅰ级，比表面积约为600 m2/kg。

（2）钢纤维：泰安某公司生产的超细超短高强平直钢纤维，长13 mm，等效直径0.2 mm；聚丙烯纤维（PP纤维）：泰安某公司生产，单丝状，长18～20 mm，等效直径45μm。

（3）砂：普通中粗河砂，最大粒径2.5 mm，细度模数约2.5，级配优良；石子：5～20 mm连续级配，含泥量约0.7%。

（4）高效减水剂：济南某公司生产的PC1701粉状聚羧酸高效减水剂，固含量95%。

（5）水：自来水。

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C40预制混凝土和MRPC后浇混凝土的配合比见表1。C40实测立方体抗压强度43.1 MPa，抗折强度5.7 MPa；MRPC实测立方体抗压强度80.2 MPa。

表1 预制混凝土和后浇混凝土配合比 kg/m3

1.2 试验设计

为了研究不同温度、界面处理方式对MRPC-NC粘结构件抗折强度的影响，采用粘结抗折试件尺寸为150 mm×150 mm×550 mm，预制NC部分浇筑尺寸为150 mm×150 mm×275 mm，然后分别对粘结面（150 mm×150 mm）进行凿毛、露骨料、凹槽、凹槽与泡泡膜联合4种界面处理，按照灌砂法[12]测试采用4种界面处理方式后粘结面的粗糙度，NC标准养护7 d后，浇筑MRPC制作成型抗折试件，标准养护至28 d后进行试验，保证在28 d+20 h内对所需高温200℃和300℃处理的试件完成处理，并进行抗折测试，试件数为每组3个，共12组36个试件，其中各影响因素分别为1—温度20℃、2—温度200℃、3—温度300℃，A—凿毛、B—露骨料、C—凹槽、D—凹槽与泡泡膜联合。

1.3 制备与养护

预制部分制备与后浇成型：NC预制过程根据GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》中的标准试验方法进行，浇筑完成后覆膜静置1 d后拆模，然后立即放入标准养护箱中，按10～20 mm的间距放在支架上，7 d后取出浇筑MRPC。后浇MRPC的制备过程根据GB/T 31387—2015《活性粉末混凝土》进行，浇筑方向如图1所示，均采用无锡建仪仪器机械有限公司生产的HJW60型混凝土试验用搅拌机，在后浇成型过程中首先对试件NC部分进行湿润处理，保证处理界面湿润但无积水残留后置于涂抹脱模剂的钢模具中，搅拌结束后一次性放入已经提前放置好NC的试模中，在振动台上振动至表面出浆且无大气泡溢出为止，覆膜静置1 d后标准养护28 d。

图1 混凝土粘结抗折试件浇筑示意

预制混凝土界面处理：在7 d标准养护后对需要凿毛界面处理的试件进行人工凿毛；采用露骨料界面处理方式的试件在浇筑前先在中间隔板上进行缓凝剂抹面，4 h后用钢刷刷去表层水泥砂浆，并清理使其粗骨料露出；采用凹槽界面处理方式的试件是将带2个槽深20 mm、槽宽30 mm的凹槽的木模具放在钢模中间位置后浇筑制成；采用凹槽与泡泡膜联合界面处理方式的试件是将泡泡膜粘贴在凹槽表面，再将模具放入钢模中浇筑制成。经处理后的试件界面如图2所示。

图2 界面处理后试件界面

界面粗糙度试验：对凿毛和露骨料界面采用灌砂法测试界面粗糙度，将NC部分试件竖立，使处理过的粗糙面朝上，用塑料板将试件四周围合，使得塑料板上壁与界面凸出最高处齐平，将标准砂灌入并抹平。将界面上的标准砂用毛刷收集至量筒中量取体积，对每个试件反复进行3次以上操作后记录数据。为了获得凹槽与泡泡膜联合界面处理试件的界面粗糙度，首先将标准砂用量去除凹槽界面处理的标准砂平均用量作为凹槽与泡泡膜联合界面处理的标准砂用量，进而求得粗糙度，所得粗糙度仅作为与凹槽界面处理试件做分析对比数据。灌砂平均深度代表试件界面的粗糙度，按式（1）计算：

式中：Δ——粗糙度，mm；

V——标准砂体积（灌砂法），mm3；

A——面积（灌砂法），mm2。

高温处理：将需要高温处理的试件在28 d+20 h内放入电热恒温鼓风干燥箱中，温度变量分别设置为200℃和300℃，该仪器由上海精宏实验设备有限公司生产，型号为DHG-9246A，额定温度300℃；采用热电偶连接仪器（安捷伦34980A）测量试件内部温度，通过网线与电脑连接采集内部温度，恒温0.5 h后将试件取出自然冷却。

1.4 试验方法

NC标准立方体试块抗压强度根据GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》进行测试；MRPC标准立方体试块抗压强度根据GB/T 31387—2015进行测试；MRPCNC粘结试验小梁的抗折强度按照GB/T50081—2019中的三分点法进行测试。抗压、抗折试验机分别为上海新三思计量仪器制造有限公司生产的最大负荷为3000 kN的YAW4306微机控制电液伺服压力试验机和最大负荷为600 kN的SHT-4605微机控制电液伺服万能试验机。

2 试验结果与分析

2.1 试验现象与外观形貌

将每一组同高温条件的3个试件放入烘箱后发现，当温度升至180～220℃时，烘箱内有大量的刺鼻性气体排出，这是由于MRPC中掺入的PP纤维在达到165℃熔点后，熔解不完全产生，随后试件内部温度不断升温，PP纤维完全熔解后气体随之消失[13]。

NC相对于MRPC的抗折强度要低很多。由抗折试验过程可以观察到，试件从开始加载到完全破坏，未出现明显的破坏征兆，当试件到达抗折强度峰值时，抗折承载力急速下降直至丧失，试件迅速开裂并伴随发出“砰”的声音，属于典型的脆性破坏。试验结束后2种材料处于分离状态或者施加轻微的力就可将其分离，其中经高温条件处理的试件较常温试件内部混凝土颜色泛白严重。

凿毛界面处理试件抗折破坏均在NC和MRPC粘结面发生脆断，试件的抗折破坏界面比较平直，MRPC一侧没有发生破坏，仅附着一层薄薄的水泥砂浆。露骨料界面处理试件抗折破坏均在NC一侧发生明显的剪切脆断，MRPC一侧折断面处有明显的水泥砂浆和石子剥离的现象，在试件抗折粘结面没有发生断裂，两者仍结合在一起。凹槽界面处理试件抗折破坏均发生在NC沿着MRPC凸出翼缘端部剪断，MRPC未发生破坏，破坏界面可以明显看到NC骨料，呈现“直线破坏形态”。凹槽与泡泡膜联合界面处理试件发生的破坏类型与凹槽界面处理试件相同，不同之处在于泡泡膜浇筑而成的孔洞被MRPC填满，破坏的界面可以看到大量的钢纤维，同时也存在大量未被填充实满的孔洞。破坏界面如图3所示。

图3 试件破坏形态

2.2 试验结果

预制混凝土与后浇混凝土粘结试件抗折强度试验结果如表2所示，表中数据为每组3个试件试验值的平均值。为了与预制混凝土的抗折强度有更准确、直观的对比分析，定义α、γ如式（2）、式（3）所示：

式中：ffz——粘结后抗折强度，MPa；

ff——预制混凝土整浇抗折强度，MPa；

fcu——预制混凝土整浇抗压强度，MPa。

表2 粘结抗折强度试验结果

2.3 界面处理方式的影响

由于界面处理方式的特殊性，不能进行抗折强度与粗糙度关系的整体对比。由表2可见，在不同温度条件下，露骨料和凿毛界面处理，凹槽和凹槽与泡泡膜联合界面处理2组对比中，MRPC-NC粘结试件的抗折强度都随着粘结面粗糙度的增加而增大，其中4种界面处理方式粘结后抗折强度大小顺序为：露骨料>凹槽与泡泡膜联合>凹槽>凿毛。常温条件下的凿毛和露骨料界面处理对比的α值以及凹槽和凹槽与泡泡膜联合界面处理对比的α值都随粘结面粗糙度的增加而增大。当高温条件时，MRPC-NC粘结试件的抗折强度依然随着粘结面粗糙度的增加而提高，但γ值增长幅度较常温时小，说明MRPC-NC粘结构件抗折强度受粘结面粗糙度影响较大，但随着温度的升高，粗糙度的影响程度随之减小。

相比于其他3种界面处理方式，露骨料界面处理的MRPC-NC粘结试件抗折强度最高。由于经处理后的NC骨料露出使其整个粘结面表面更粗糙，与MRPC接触更好，MRPC中的钢纤维也能更好地与NC骨料接触粘结，能够起到更好的抗裂作用，试验过程中NC水泥浆体与粗骨料之间的相互咬合也承担一定的弯矩，提高了粘结性能；凿毛界面处理试件在原有粘结面的基础上凿去表面一层浮浆，粗糙度较采用露骨料处理方式的小，因此试件出现界面基体材料失效特征，NC一侧中的粗骨料未能发挥其重要作用，NC与MRPC之间粘结性较差；凹槽界面处理试件粘结面的凹槽未经凿毛处理，表面比较平滑，其次MRPC的抗压强度比NC高出接近40MPa，被MRPC交错抱合的NC翼缘抗折强度不高，沿直线破坏路径耗能较低易被剪断，粘结试件破坏裂缝更倾向于沿强度和耗能较低的直线破坏形式；凹槽与泡泡膜联合界面处理试件的粗糙度相较凹槽界面处理提高较多，但泡泡膜在NC粘结面形成的砂浆厚度薄且强度不高，其次MRPC对孔洞的填充不完全，对粘结试件抗折强度的影响不大。

预制混凝土与后浇混凝土之间的粘结强度主要取决于其粘结力，粘结力包括表面张力、范德华力、粘结键力和机械咬合力[14]。其中在凿毛和露骨料2种界面处理方式中，范德华力占粘结力主要部分，增大粘结面的粗糙度即增大MRPC中的水泥砂浆与NC表层的接触面积，进而增大了NC与MRPC粘结面的范德华力，故抗折强度提高明显；在凹槽和凹槽与泡泡膜联合2种界面处理方式中，机械咬合力占粘结力主要部分，当MRPC填充满NC的凹槽时，由于受凹槽的特殊构造和表面粗糙度的影响，粘结后的混凝土水化产物的渗入与骨料相互交错抱合而达到一定的强度。另外，NC一侧中的粗骨料对粘结试件的抗折强度也起到重要作用。

2.4 温度的影响

利用ORIGIN软件对表2数据进行回归分析可拟合出不同界面处理方式的MRPC-NC粘结试件抗折强度随温度的变化曲线，结果如式（4）～式（7）和图4所示。

凿毛处理：

露骨料处理：

凹槽处理：

凹槽与泡泡膜联合处理：

图4 MRPC-NC粘结试件抗折强度与温度的关系

通过表2和图4可以得出，随温度的升高，4种界面处理方式的MRPC-NC粘结试件抗折强度显著降低，且温度越高，粘结试件的抗折强度下降幅度越大。与常温（20℃）相比，当温度升高到200℃和300℃时，通过凿毛、露骨料、凹槽和凹槽与泡泡膜联合界面处理方式得到的粘结试件抗折强度分别降低了35.5%～60.3%、31.5%～60.3%、38.6%～61.9%和38.8%～60.1%。

高温对MRPC-NC粘结试件损伤主要体现在，高温条件下NC与MRPC中的水泥砂浆变形不协调，NC中的粗骨料在温度升高的过程中不断受热膨胀，而水泥砂浆因自身失水会急剧收缩，在两者间产生较大的内应力，从而内部产生较多的微小裂缝，温度越高这些微裂缝发展越快，粘结构件的抗折强度下降越显著。其次，在温度为100～300℃时，粘结面的层间水以及吸附水不断的脱除，使得粘结面材料产生膨胀和收缩，导致NC和MRPC两者间变形不协调；另外，在升温状态下，试件会受到温度应力的影响对结构造成一定的损伤，拉、压应力分别会在试件内部和外部产生；冷却状态下，拉、压应力产生位置与之相反，由于温度应力的变化，导致MRPC-NC粘结试件在升温时内部产生裂缝，在粘结面表现尤为突出，表面更容易产生细微裂缝，从而粘结试件的抗折强度不断下降[15]。

3 结论

（1）4种界面处理方式形成的界面粗糙度有明显差异，采用露骨料和凹槽与泡泡膜界面处理方式能显著增大NC与MRPC粘结界面的粗糙度，MRPC-NC粘结试件抗折强度随着粗糙度增加而增大，但随着温度的升高，粗糙度的影响作用逐渐减弱。

（2）在4种界面处理方式中，粘结抗折破坏形式有粘结面破坏和NC破坏2种；露骨料界面处理方式得到的MRPC-NC粘结试件抗折强度最高，在一定程度上能够提升粘结界面的粘结抗折能力。

（3）温度是影响MRPC-NC粘结试件抗折强度的一个重要因素，随着温度升高，抗折强度急剧下降，当温度达到300℃时，抗折强度较常温相比下降60%。

（4）采用露骨料界面处理的试件，MRPC与NC之间表现了优越的粘结性，能够极大提高装配式梁柱节点界面的粘结性能。