張劭明，過民龍

(1.中鐵豐橋橋梁有限公司，北京 100070;2.北京交通大學(xué)，北京 100044)

RPC是20世紀(jì)90年代由法國Bouygues公司研發(fā)的一種超細(xì)粒致密體系與纖維增強材料相復(fù)合的超高性能混凝土材料［1］。由于其具有超高的強度、斷裂韌性及耐久性等優(yōu)點，受到國內(nèi)外工程界的廣泛關(guān)注。預(yù)制裝配式RPC構(gòu)件通常為實際工程所用，但由于RPC制作工藝復(fù)雜(例如通常需要高溫蒸汽養(yǎng)護)、生產(chǎn)成本相對較高等原因，雖然能在一定程度上保證施工質(zhì)量及縮短施工周期，但較差的結(jié)構(gòu)整體性能通常為抗震設(shè)計等整體性需求高的結(jié)構(gòu)設(shè)計所詬?。?］。RPC-NC疊合構(gòu)件的使用，能夠較大程度地減少RPC材料的用量以降低生產(chǎn)成本，并結(jié)合預(yù)制與現(xiàn)澆工藝，在一定程度上保證施工質(zhì)量的同時，使結(jié)構(gòu)具有比全部由預(yù)制構(gòu)件組裝的情況，能更加符合結(jié)構(gòu)整體性能的設(shè)計要求。RPC-NC疊合梁即為一種有效的結(jié)構(gòu)組合方式。

在現(xiàn)已知的生產(chǎn)工藝下，RPC的抗壓強度能夠達(dá)到200～800 MPa。由于實際生產(chǎn)施工工藝的不同，已在工程中投入使用的RPC抗壓強度等級通常為100～200 MPa。在常用的配筋率及橫截面形式下，全截面采用RPC的梁式構(gòu)件于受彎破壞階段，受壓區(qū)混凝土并未充分發(fā)揮其抗壓強度，造成材料利用率低等問題。將RPC作為梁式構(gòu)件的受拉部分，以利用其耐久性及比普通混凝土高10余倍的抗拉強度，同時將普通混凝土作為受壓區(qū)，使得梁構(gòu)件在受力過程中開裂彎矩得以提高又不影響最終的受彎破壞形態(tài)，充分發(fā)揮兩種材料各自的特性，使得上述問題得以緩解。

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)正朝著工業(yè)化、節(jié)能化方向發(fā)展，混凝土疊合結(jié)構(gòu)以其優(yōu)良性能將得到越來越廣泛的應(yīng)用。

雖然RPC-NC疊合梁因其諸多性能優(yōu)點，使其應(yīng)用前景十分廣闊［7］，但二者結(jié)合時所產(chǎn)生的疊合面因其受力性能未知，令RPC-NC疊合梁整體工作性能存在不確定因素。故RPC與NC疊合面受力性能的研究，對于RPC-NC疊合構(gòu)件受力性能的探索，具有十分重要的意義。

本文從試件制作與試驗條件的角度出發(fā)，設(shè)計并試驗了36個雙面推出剪切試件，考慮了普通混凝土強度等級與試件側(cè)壓力等級對疊合面受力性能的影響，繪制疊合面剪應(yīng)力滑移量曲線，探討疊合面受力破壞機理，并力求通過本項目的研究為活性粉末混凝土在鐵路中的應(yīng)用、設(shè)計及規(guī)范制定提供技術(shù)支持。

1 試件設(shè)計與制作

1.1 試件設(shè)計

根據(jù)以往混凝土間疊合面剪切性能試驗的經(jīng)驗，疊合面受力性能的影響因素有疊合面幾何構(gòu)型、粗糙程度、混凝土強度等級、粘結(jié)劑的使用情況等。在實際工程使用中一般有光滑面、凹凸面和自然粗糙面等類型［3］?？紤]到實際工程中RPC-NC疊合梁的施工方便，采用自然粗糙面作為推出試件結(jié)合面的形式，即對推出試件RPC部分成型過程不進行抹面操作。推出試件示意如圖1所示。

1.2 試件制作

試件制作方法為，先制作兩側(cè)100 mm×100 mm×400 mm的RPC棱柱體，在澆筑振搗過程中不進行抹面，使其在凝結(jié)過程中保持一個自然粗糙面。48 h蒸汽養(yǎng)護脫模后靜置24 h，隨后將RPC試件放入特制鋼模中，以自然面粗糙面相向放置充當(dāng)模板，澆筑普通混凝土并共同自然養(yǎng)護至28 d齡期。鋼模板如圖2所示。

圖1 RPC-NC抗剪推出試件示意(單位:mm)

圖2 推出試件鋼模板

根據(jù)實際工程需要，推出試件的制作選用摻有鋼纖維的RPC，以提高其抗拉強度及延性。RPC配合比如表1所示［4，8］。

表1 RPC配合比 kg/m3

普通混凝土選用3種強度等級，分別為C40、C50及C60，其配合比如表2所示。

表2 普通混凝土配合比 kg/m3

試件的制作步驟如下［5］。

(1)攪拌:原料按表1所示配合比稱量后，先將石英砂、鋼纖維及骨料置于攪拌機中拌勻。其次倒入水泥和硅粉，攪拌2 min至均勻。然后混合均勻水與減水劑一并倒入攪拌機于4～8 min后卸料。每批RPC需留下同條件養(yǎng)護的力學(xué)性能試塊。

(2)RPC棱柱成型:使用100 mm×100 mm×400 mm的塑料模具，置于振動臺上振實，并保留自然粗糙面。入模溫度需保持在10℃、相對濕度60%以上，并靜停不少于6 h。

(3)初養(yǎng):在環(huán)境溫度不低于70℃、相對濕度不低于70%的蒸汽條件下，養(yǎng)護不少于48 h。

(4)拆模:初養(yǎng)以每小時不大于10℃的速率令其降溫至與環(huán)境溫度不超過20℃的條件下脫模，并靜置24 h。

(5)推出試件成型:依據(jù)表2所示配合比配置NC，并將以成型RPC棱柱置于鋼模兩肢且以自然面相對，如圖3所示，將NC倒入鋼模的同時壓緊RPC棱柱以防漏漿。然后置于振動臺振實抹平，并留置同條件養(yǎng)護力學(xué)性能試塊。

(6)推出試件養(yǎng)護:將推出試件放入標(biāo)養(yǎng)室中養(yǎng)護3 d后脫模，并在自然條件下養(yǎng)護至28 d齡期。

圖3 剪切試件成型示意

1.3 試件基本力學(xué)性能測試

由于混凝土強度等級與原材料性質(zhì)和施工工藝關(guān)系較大，為確定推出試件各組分基本力學(xué)性能指標(biāo)，需進行同條件養(yǎng)護標(biāo)準(zhǔn)力學(xué)性能試件試驗，并按照試驗規(guī)程進行測試［9］，測試結(jié)果如表3所示。

表3 材料基本力學(xué)性能測試結(jié)果

2 試驗方案

2.1 測試內(nèi)容

試驗主要測量及觀測內(nèi)容有:疊合面開裂情況、開裂荷載、極限抗剪承載力、疊合面滑移量等。

荷載通過千斤頂施加，數(shù)據(jù)通過量程為500 kN的圓筒形壓力傳感器采集。為了防止應(yīng)力集中，放置1塊厚度為20 mm的鋼板于傳感器與試件之間。

相對滑移量的測量通過電阻式位移傳感器采集，將其置于普通混凝土棱柱下方以測量總滑移量。同時放置2個傳感器于RPC棱柱上方以監(jiān)測偏心加載引起的滑移量測量誤差。

試件側(cè)壓力等級的控制，以6枚螺栓將2塊方形鋼板連接，并通過鋼板與推出試件的相互作用控制其大小。加壓鋼板尺寸如圖4所示。

側(cè)向壓力的施加通過控制與推出試件側(cè)面作用的2塊鋼板間螺栓的應(yīng)變量確定。進行推出試驗前，先將螺栓利用扭力扳手?jǐn)Q緊至規(guī)定應(yīng)變值，并保持6枚螺栓變形量基本相同。試驗過程中，隨時采集螺栓應(yīng)變的變化量，以考慮側(cè)壓力值變化對試驗結(jié)果的影響。加載裝置示意如圖5所示。

圖4 加壓鋼板尺寸(單位:mm)

圖5 剪切試驗加載裝置示意

數(shù)據(jù)采集使用東華DH3816綜合數(shù)據(jù)采集儀定時采樣，其中電阻應(yīng)變片采用四分之一橋接法并設(shè)置溫度補償應(yīng)變片，位移傳感器以及壓力傳感器采用全橋接法。

2.2 加載步驟

試驗步驟參考?xì)W洲鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會ECSS關(guān)于鋼-混凝土組合構(gòu)件推出試驗的建議而設(shè)計，詳細(xì)步驟如下［6］。

(1)在推出試件兩肢底部與壓力機底座接觸部分鋪一層以0.33 mm孔徑篩網(wǎng)過濾的細(xì)沙，使試件底部兩肢與底座之間作用力分布均勻，并減輕偏心加載的影響。安放試件時嚴(yán)格對中。

(2)將普通混凝土棱柱距底邊3 cm中心處用砂紙磨平，用有機溶劑清理表面浮渣(應(yīng)變片粘貼操作亦參照此條)，并粘貼鋼支點以承接位移傳感器。由于突然斷裂現(xiàn)象常發(fā)生于剪切試驗中，故于試件兩肢中部放置高9 cm鋼塊以確保試驗過程安全。

(3)實時采集貼于連接側(cè)壓鋼板螺栓上應(yīng)變片的應(yīng)變值，以控制所需的初始側(cè)壓力。仔細(xì)反復(fù)調(diào)節(jié)，直至6枚螺栓應(yīng)變均勻。

(4)正式加載前進行預(yù)壓以消除各儀器之間的間隙，同時確認(rèn)傳感器運作正常。加載過程，以10 kN/min的速率緩慢分級施荷，每級荷載之間穩(wěn)定15 s以記錄綜合數(shù)據(jù)采集儀數(shù)據(jù)記錄序號。考慮到設(shè)備安全，當(dāng)荷載接近極限荷載或者發(fā)現(xiàn)明顯破壞特制時，拆除位移傳感器后，適當(dāng)減緩加載速率，加載直至破壞。

3 試驗現(xiàn)象及結(jié)果分析

推出試驗剪切破壞，不論是否施加側(cè)壓力，均無明顯征兆，由于影響疊合面剪切受力性能的影響因素較多，試驗結(jié)果存在一定的離散性，但破壞形態(tài)基本都表現(xiàn)為RPC與NC于疊合面處突然剪壞的脆性破壞形式。

3.1 無側(cè)壓力試件破壞現(xiàn)象

此試驗條件下，僅考慮普通混凝土強度變化對RPC－NC疊合面剪切性能的影響，共設(shè)計了 C40、C50、C60三種強度的混凝土，每種等級的混凝土分3組進行試驗，共9塊試件。試驗結(jié)果表明，受力初期為荷載與疊合面滑移量成比例穩(wěn)定增長，剪切裂縫出現(xiàn)后承載力有大幅度下降，即可認(rèn)為疊合面已經(jīng)破壞。以下將分別闡述無側(cè)壓條件推出試件具體破壞現(xiàn)象。

加載初期荷載與滑移量成比例增長，當(dāng)滑移量到達(dá)0.1 mm時，三種混凝土等級的推出試件荷載值為19～41 kN，且隨混凝土等級增高而增大。當(dāng)加載至某荷載時(52～79 kN)，試件薄弱剪切面的一側(cè)開始出現(xiàn)長度為5～15 cm的細(xì)小裂紋，且隨混凝土等級升高無明顯變化規(guī)律。當(dāng)荷載持續(xù)緩慢增加時，能夠聽見類似鋼纖維斷裂的“劈啪”聲，同時細(xì)小裂紋持續(xù)增多，但其開展方向比較任意，疊合面處表面浮漿剝落。當(dāng)加載至極限荷載時(91～102 kN)，最先出現(xiàn)細(xì)小裂紋的一側(cè)疊合面突然通長斷裂，極限荷載值隨混凝土強度等級提升略有升高。隨后荷載立即下降至50～60 kN，并于小段位移量間穩(wěn)定在此值。隨后繼續(xù)緩慢施荷，可明顯看到荷載位移曲線斜率減少到原先未壞時的一半左右，伴隨著不時的“劈啪”斷裂聲，最終于70～102 kN另一側(cè)剪切薄弱面也突然通長斷裂，致使試件基本無繼續(xù)承載能力，殘余荷載為10～16 kN。

3.2 有側(cè)壓力試件破壞現(xiàn)象

側(cè)壓力等級共分3組，分別為0.5 MPa、1.0 MPa、1.5 MPa。每組側(cè)壓力等級下，分3組進行對比以減少誤差。每種等級普通混凝土試件，在不同側(cè)壓力等級下共進行9塊試件的測試，總共27個推出試塊。在側(cè)壓力作用下，試件的破壞荷載有較大的提升，且破壞形態(tài)也有所不同，具體破壞現(xiàn)象描述如下。

以0.5 MPa的側(cè)壓力條件為例，外荷載滑移量曲線斜率明顯提高。當(dāng)滑移量到達(dá)0.1 mm時，荷載增至90 kN以上，且隨混凝土等級增高而略微增大。當(dāng)荷載增加到179～236 kN時，某試件某一側(cè)剪切薄弱面突然產(chǎn)生肉眼可見的未通長發(fā)展的表面裂紋，且不同于無側(cè)壓條件下細(xì)微彌散裂紋先于明顯貫通裂紋出現(xiàn)的情況。繼續(xù)加載至227～239 kN時，伴隨著一聲輕微悶響先開裂一側(cè)完全貫通，但此時荷載基本無過大下降或基本保持穩(wěn)定，且此荷載值隨混凝土強度等級升高而略有升高。繼續(xù)加載至極限破壞過程中，荷載位移曲線斜率有不同程度下降，C40混凝土試件加載至523 kN時，另一側(cè)剪切面突然貫通，隨后下降至299 kN;C50混凝土試件加載至264 kN時，試件頂部突然發(fā)生破壞;C60混凝土加載至448 kN時，試件頂部突然發(fā)生破壞導(dǎo)致荷載下降。

其他等級側(cè)壓力試件破壞形態(tài)及荷載滑移量曲線趨勢基本與上述情況相同。兩種側(cè)壓條件疊合面平均剪應(yīng)力－滑移量曲線，選取2組典型結(jié)果進行說明，如圖6所示。

圖6 兩類典型剪應(yīng)力－滑移量曲線

3.3 試驗結(jié)果分析與討論

本文中RPC-NC疊合面力學(xué)性能影響因素包括混凝土強度等級與側(cè)向壓力，其中力學(xué)性能指標(biāo)疊合面平均剪應(yīng)力τ按下式計算

式中，F(xiàn)為荷載值;A為疊合面總面積(2×100×300 mm2)。

從平均剪應(yīng)力-滑移量曲線可以看出，側(cè)向壓力對雙面剪切試驗結(jié)果影響較大，滑移量曲線共分2個階段。

(1)初始加載段:此階段不論是否加有側(cè)壓力，剪應(yīng)力－滑移量曲線都呈線性。當(dāng)荷載達(dá)到單側(cè)剪切面極限荷載90%左右時，無側(cè)壓力試件在剪切面表面出現(xiàn)細(xì)小彌散裂紋并于極限荷載時相互連接貫通。隨著初始側(cè)壓力增加，單側(cè)剪切面極限破壞時，由于疊合面處材料點主拉應(yīng)力的發(fā)展受抑制，破壞前彌散裂紋的出現(xiàn)逐漸減緩，破壞模式呈現(xiàn)出無征兆的脆性破壞形式。裂后荷載有所下降，由于側(cè)壓力的存在致使疊合面材料之間的機械咬合作用增強，所以下降值隨著側(cè)壓力的增加而逐漸減小。對于無側(cè)壓力試件，破壞荷載隨混凝土等級提高而有所提高;而由于機械咬合作用的參與效應(yīng)隨側(cè)壓力的提高而提高，故對于有側(cè)壓力試件，混凝土等級的提升對于疊合面抗剪強度的提升作用甚微。

(2)裂后繼續(xù)加載階段:由于試件制作存在誤差和材料性能不均等原因，試驗過程中一般為某側(cè)疊合面先破壞。疊合面破壞一般為突然脆性破壞，荷載下降后，部分荷載轉(zhuǎn)化為由破壞疊合面間的材料機械咬合作用承擔(dān)，同時另一側(cè)疊合面存在些許卸載，故可認(rèn)為后繼剪應(yīng)力－滑移量曲線為一側(cè)破壞面機械咬合作用與另一側(cè)未壞疊合面共同作用的結(jié)果。因為疊合面是利用自然粗糙面制成，機械咬合作用并非為大的凹凸物之間嵌套作用的結(jié)果，而更傾向于摩擦，故后繼加載階段剪應(yīng)力－滑移量曲線的斜率應(yīng)由未壞疊合面中材料的膠結(jié)力貢獻(xiàn)，所以從無側(cè)壓力位移曲線中可以看出后續(xù)加載段斜率較初始加載段有所下降，且下降幅值約為1/2左右。隨著初始側(cè)壓力的提高，加載初期疊合面機械咬合力的參與量增大，致使疊合面脆性降低，疊合面一側(cè)開裂后卸載情況逐漸緩解，后續(xù)加載段斜率下降幅值有增大趨勢。

后續(xù)加載段雖然能在一定程度上體現(xiàn)疊合面水泥膠體破壞后機械咬合力等因素對后續(xù)承載力的提升作用，但因其作用機理較復(fù)雜，且不易探究其變化規(guī)律，考慮到工程實際，取單側(cè)疊合面完全破壞時的平均剪應(yīng)力作為疊合面抗剪強度，如表4所示。

表4 試件平均抗剪強度

表中結(jié)果表明，在無側(cè)壓力條件下，疊合面抗剪強度C50級比C40級增幅10.28%，C60級比C50級增幅6.83%;有側(cè)壓力條件下，以C40為例，C40－a級比C40－0級強度增幅165%，C40－b級比C40－a級強度增幅58.14%，C40－c級比C40－b級強度增幅8.50%;而有側(cè)壓力時，普通混凝土等級對抗剪強度的影響離散性大無明顯規(guī)律。故從工程角度保守取值，宜取無側(cè)壓力條件下的疊合面平均抗剪強度作為結(jié)構(gòu)設(shè)計計算的依據(jù)。

4 結(jié)論與意義

針對剪切試驗現(xiàn)象結(jié)果，分析混凝土等級及側(cè)壓力的影響，得出以下結(jié)論。

(1)RPC力學(xué)性能優(yōu)異，抗壓強度137 MPa級別的棱柱體在推出試驗過程中無任何損壞;普通混凝土一側(cè)僅在無側(cè)壓條件下破壞初期出現(xiàn)細(xì)小彌散裂紋，剪切破壞面最終發(fā)生于疊合面處且形狀平整，故疊合面是其共同工作的薄弱面;

(2)混凝土強度等級的提升可使疊合面抗剪強度適當(dāng)提升，但當(dāng)側(cè)壓力增加時，其提升效果逐漸減小。通過數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，抗剪強度隨混凝土等級提升幅度與混凝土抗拉強度提升幅度一致，故認(rèn)為混凝土抗拉性能是疊合面受剪破壞機理的重要組成部分;

(3)初始側(cè)向壓力的提升對疊合面抗剪強度有明顯提升作用，且與試件最終破壞形態(tài)關(guān)系密切。增加初始側(cè)向壓力，使單面疊合面抗剪承載能力與切向剛度均有一定程度提升。其原因在于側(cè)壓力增大了疊合面之間機械咬合作用的貢獻(xiàn)。側(cè)壓力的存在使得疊合面膠結(jié)力、機械咬合力等組分相互耦合，并在很大程度上影響了后破壞疊合面在后續(xù)加載段的工作性能。需要后續(xù)試驗進一步研究疊合面承載力各個組成部分相互耦合作用的機理。

研究意義:

(1)RPC-NC疊合面剪切滑移研究是RPC-NC疊合結(jié)構(gòu)的前提。

(2)研究試驗結(jié)果可指導(dǎo)RPC-NC疊合結(jié)構(gòu)的設(shè)計;可指導(dǎo)RPC-NC疊合面配筋設(shè)計及疊合面的工藝處理方案。

(3)研究試驗結(jié)果對RPC-NC疊合結(jié)構(gòu)的應(yīng)用將產(chǎn)生推動作用，應(yīng)用RPC-NC疊合結(jié)構(gòu)是經(jīng)濟環(huán)保的工程方案。

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