歐陽志鵬,孫 彬,王 霓,毛詩洋
(中國建筑科學(xué)研究院有限公司, 北京 100013)
因環(huán)境影響小、人工需求少、資源消耗低等諸多優(yōu)點(diǎn),裝配式混凝土建筑在全國得到廣泛的推廣應(yīng)用。裝配式混凝土結(jié)構(gòu)中存在大量的預(yù)制混凝土與現(xiàn)澆混凝土的結(jié)合面,因結(jié)合面混凝土的抗拉強(qiáng)度和密實(shí)性均低于整體現(xiàn)澆混凝土,結(jié)合面成為影響結(jié)構(gòu)安全性與耐久性的薄弱部位[1],在結(jié)合面處,大氣環(huán)境中的二氧化碳、水和氧氣更容易滲入,混凝土抗碳化能力降低,鋼筋更容易發(fā)生銹蝕。
國內(nèi)外對結(jié)合面的研究主要集中在新老混凝土結(jié)合面的粘結(jié)強(qiáng)度,He Yan等[1]開展的新老混凝土結(jié)合面粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)表明,結(jié)合面粘結(jié)強(qiáng)度與界面分形維數(shù)相關(guān),粗糙面的處理方法及粘結(jié)劑種類均會影響粘結(jié)強(qiáng)度。張晉峰等[2]開展了基于鉆芯植筋拉拔法的結(jié)合面正拉粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)研究,結(jié)果表明,結(jié)合面正拉粘結(jié)強(qiáng)度明顯弱于混凝土本體,且表面施工清理狀況對粘結(jié)強(qiáng)度影響較大。針對環(huán)境介質(zhì)在混凝土結(jié)合面處的滲透規(guī)律,Zhou Jian等[3]對老混凝土與加固水泥砂漿粘結(jié)界面的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行電子掃描成像,發(fā)現(xiàn)界面區(qū)的孔隙率更大,飽水后的老混凝土能使界面水化更徹底,顯著降低孔隙率;李國平等[4]對分段成型橋梁接縫處的碳化、氯離子擴(kuò)散、抗凍融等多項(xiàng)耐久性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究,證明接縫的耐久性能相比整體現(xiàn)澆混凝土更差,環(huán)境介質(zhì)更容易侵入內(nèi)部。李平先等[5]開展的新老混凝土結(jié)合面試件的抗?jié)B性能試驗(yàn)研究表明,結(jié)合面的滲透系數(shù)遠(yuǎn)大于新、老混凝土本體,滲透系數(shù)相比混凝土本體大約高1~2個數(shù)量級;Li Fumin等[6]對混凝土結(jié)合面的氯離子滲透進(jìn)行了研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn)氯離子在結(jié)合面處的滲透深度大于兩側(cè)混凝土?,F(xiàn)有的研究成果均表明結(jié)合面處混凝土抵抗介質(zhì)侵入的能力低于整體現(xiàn)澆混凝土。
混凝土碳化性能是評價一般大氣環(huán)境下混凝土耐久性能的重要指標(biāo),現(xiàn)階段國內(nèi)外未見關(guān)于裝配式結(jié)構(gòu)混凝土結(jié)合面抗碳化能力的系統(tǒng)性研究。根據(jù)《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 1—2014)(簡稱JGJ 1—2014規(guī)程)第12.3.7條規(guī)定,預(yù)制構(gòu)件結(jié)合面疏松部分的混凝土應(yīng)剔除并清理干凈,在澆筑混凝土前應(yīng)灑水濕潤結(jié)合面,而在實(shí)際施工中,結(jié)合面清理狀況往往達(dá)不到JGJ 1—2014規(guī)程要求,進(jìn)而影響混凝土的粘結(jié)質(zhì)量。本文設(shè)計(jì)制作了含有混凝土結(jié)合面的疊合構(gòu)件,考慮了結(jié)合面處不同的施工清理狀況,鉆取結(jié)合面處混凝土芯樣進(jìn)行快速碳化試驗(yàn),研究結(jié)合面混凝土的碳化特征和規(guī)律,為裝配式混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)與評定提供參考。
考慮工程中結(jié)合面是否清理和是否灑水濕潤的實(shí)際情況,共設(shè)計(jì)了4種不同的結(jié)合面清理狀況,混凝土疊合試件設(shè)計(jì)見圖1。圖1中A,B,C,D代表不同的清理狀況分區(qū),A區(qū)是按JGJ 1—2014規(guī)程要求清理并灑水濕潤結(jié)合面,B區(qū)是清理但不灑水濕潤結(jié)合面,C區(qū)是不清理但灑水濕潤結(jié)合面,D區(qū)是不清理并不灑水濕潤結(jié)合面。預(yù)制部分和后澆部分的混凝土配合比參數(shù)見表1,預(yù)制混凝土與現(xiàn)澆混凝土的水灰比分別是0.5,0.4。
圖1 試件尺寸與結(jié)合面清理狀況分區(qū)
混凝土配合比參數(shù)/(kg/m3) 表1
通過均勻鋪灑灰土模擬結(jié)合面未清理的情況,考慮到構(gòu)件表面積灰粒徑一般小于0.2mm,堆積密度約為1 000kg/m3,采用方孔砂石篩泥土,篩選出直徑小于0.16mm的灰土,按滿鋪一層灰塵考慮,結(jié)合面設(shè)計(jì)鋪灑0.2kg/m2的積灰。為減小灑水對積灰的影響,采用低速水流在預(yù)制板面上方約10cm處緩慢灑水濕潤結(jié)合面。
澆筑尺寸為2 800mm×350mm×200mm的預(yù)制構(gòu)件,預(yù)制構(gòu)件成型模板表面設(shè)有凸起鍵槽,澆筑后形成的粗糙面深度為6mm,各項(xiàng)參數(shù)符合JGJ 1—2014 規(guī)程要求。在平均溫度23℃、平均相對濕度43%的自然環(huán)境下養(yǎng)護(hù)30d后,按設(shè)計(jì)清理狀況對結(jié)合面進(jìn)行處理,實(shí)際處理效果如圖2所示。最后,再進(jìn)行后澆混凝土澆筑,完成尺寸為2 800mm×350mm×400mm的疊合構(gòu)件制作。
圖2 結(jié)合面不同清理狀況
后澆混凝土養(yǎng)護(hù)30d后進(jìn)行鉆芯取樣,鉆芯時使結(jié)合面位于芯樣軸線處,每個分區(qū)各鉆取3個直徑100mm的圓柱體芯樣。采用切割機(jī)去除端面不平整部分和在空氣中已發(fā)生碳化的混凝土表面,加工成直徑100mm、長度300mm的混凝土芯樣碳化試件。對試件進(jìn)行編號,以字母代表試件在圖1中所處的分區(qū),例如,A2試件代表在A區(qū)鉆取的第2個芯樣試件,對應(yīng)的結(jié)合面清理狀況為清理+灑水濕潤。疊合構(gòu)件和芯樣碳化試件的制作過程見圖3。
圖3 疊合構(gòu)件和芯樣碳化試件制作
將混凝土芯樣碳化試件置于60℃的烘箱中烘干48h后取出,兩端的圓形面用石蠟密封,以圓柱體側(cè)面為暴露面,放入碳化箱內(nèi)進(jìn)行快速碳化。依據(jù)《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50082—2009)進(jìn)行快速碳化試驗(yàn),快速碳化箱型號為CCB-70F,CO2濃度為(20±3)%,溫度為(20±2)℃,相對濕度為(70±5)%,并對CO2濃度、溫度和相對濕度進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和調(diào)整。
快速碳化前,測試結(jié)合面處的初始碳化值;試驗(yàn)過程中,分別在快速碳化進(jìn)行到3,7,14,28,56d時取出試件,從芯樣端部劈裂用于測試碳化深度,剩余部分用石蠟密封端面繼續(xù)進(jìn)行碳化。測量碳化深度時先清除劈裂面殘存粉末,滴上濃度為1%的酚酞酒精溶液,靜置30s后測量各點(diǎn)碳化深度,精確至0.1mm。
由于混凝土碳化分界線不規(guī)則,為避免測量過程中人為因素的影響,在測量前預(yù)先設(shè)定測點(diǎn)位置。為對比結(jié)合面碳化深度與預(yù)制混凝土、后澆混凝土的差異,重點(diǎn)關(guān)注結(jié)合面周圍區(qū)域碳化深度的變化規(guī)律,故在結(jié)合面兩側(cè)進(jìn)行測點(diǎn)加密,測點(diǎn)間距5mm,在遠(yuǎn)離結(jié)合面處適當(dāng)減少測點(diǎn)數(shù)量,測點(diǎn)布置及測點(diǎn)編號見圖4。
圖4 碳化深度測點(diǎn)布置
(1)按JGJ 1—2014規(guī)程要求清理的結(jié)合面混凝土碳化特征
不同碳化齡期下,按JGJ 1—2014規(guī)程要求清理的結(jié)合面混凝土碳化特征照片見圖5,圖中的標(biāo)記框?yàn)榻Y(jié)合面位置,下部為預(yù)制混凝土,上部為后澆混凝土。由于后澆混凝土中的OH-向預(yù)制混凝土內(nèi)擴(kuò)散,預(yù)制部分已碳化混凝土的孔隙溶液恢復(fù)堿性,存在再堿化過程,故圖5(a)中結(jié)合面處預(yù)制混凝土未見碳化。因后澆混凝土比預(yù)制混凝土的水灰比小,混凝土密實(shí)度較高,CO2在后澆混凝土中的擴(kuò)散速度較慢,因此,相同碳化齡期下后澆混凝土碳化深度小于預(yù)制混凝土。
圖5 按JGJ 1—2014規(guī)程清理的混凝土結(jié)合面的碳化特征
快速碳化7d時,可觀察到芯樣外周混凝土為淡紫色,與核心區(qū)域混凝土的顏色界限不明顯,表明混凝土已發(fā)生一定程度碳化但pH值尚未降低到使酚酞試劑不變色??焖偬蓟?4d時,可以清晰分辨碳化區(qū)和未碳化區(qū)混凝土的界限,同時觀察到結(jié)合面處碳化分界線向內(nèi)略微凹陷,可見,按JGJ 1—2014規(guī)程要求清理也會削弱結(jié)合面處混凝土的抗碳化能力。對比圖5(d)和圖5(f)發(fā)現(xiàn),快速碳化14d時僅在距結(jié)合面3mm范圍內(nèi)的混凝土碳化深度加大,快速碳化56d時結(jié)合面周圍約7mm范圍內(nèi)的混凝土碳化深度均有明顯增大,說明CO2沿著結(jié)合面向混凝土內(nèi)部滲入更快,隨后向結(jié)合面的兩側(cè)擴(kuò)散,加速結(jié)合面周圍混凝土的碳化,且隨著碳化時間的增加,受結(jié)合面影響的區(qū)域會逐漸變大。
(2)未按JGJ 1—2014規(guī)程要求清理的結(jié)合面混凝土碳化特征
未按JGJ 1—2014規(guī)程要求清理的結(jié)合面混凝土碳化特征典型照片見圖6。快速碳化14d時,B,C,D區(qū)試件組結(jié)合面混凝土碳化深度均大于混凝土本體,各清理狀況下結(jié)合面碳化深度X的大小依次為XD>XC>XB>XA,但因結(jié)合面影響范圍較小,對截面的碳化分界線影響不顯著。隨著碳化時間的增加,各組試件結(jié)合面的影響區(qū)域均逐漸變大,在碳化齡期達(dá)到56d時,B,C區(qū)試件組的結(jié)合面碳化特征與A區(qū)試件組基本一致,D區(qū)試件組結(jié)合面的碳化深度相對混凝土本體明顯增大。
圖6 未按JGJ 1—2014規(guī)程清理的結(jié)合面混凝土碳化特征
為對比不同清理狀況對結(jié)合面混凝土碳化的影響,在結(jié)合面周圍碳化分界線的曲率變化處加密測點(diǎn),以測試結(jié)果作為控制點(diǎn)繪出每一個試件的碳化分界線,精確完整地表征結(jié)合面周圍混凝土碳化深度的變化趨勢??焖偬蓟?8d時,4種清理狀況的結(jié)合面周圍混凝土碳化分界線對比見圖7,可以得到以下特征:
圖7 快速碳化28d時各清理狀況結(jié)合面碳化分界線對比
1)碳化齡期較長時,A,B,C區(qū)3組試件結(jié)合面處碳化分界線的曲率變化均相對平緩,在距結(jié)合面約5mm處混凝土的碳化深度開始逐漸變大。結(jié)合面混凝土的碳化深度略大于預(yù)制混凝土,說明清理+不灑水濕潤和不清理+灑水濕潤這兩種清理狀況對結(jié)合面長期抗碳化能力的影響不顯著。
2)D區(qū)試件組結(jié)合面混凝土的碳化深度相對預(yù)制混凝土顯著增大,說明不清理+不灑水濕潤結(jié)合面會嚴(yán)重削弱后澆混凝土與預(yù)制混凝土的有效粘結(jié),使結(jié)合面的密實(shí)度顯著低于按JGJ 1—2014規(guī)程要求清理的試件,加上未灑水濕潤造成結(jié)合面積灰占比大,CO2沿結(jié)合面方向滲透速度遠(yuǎn)大于垂直結(jié)合面方向的滲透速度,造成結(jié)合面處混凝土碳化深度明顯增大。
3)A,B區(qū)試件組在結(jié)合面處碳化深度相差不大,但D區(qū)試件組結(jié)合面碳化深度明顯大于C區(qū),說明后澆前灑水濕潤結(jié)合面對于混凝土的抗碳化能力有改善作用。這是由于灑水濕潤一方面可以使結(jié)合面處后澆混凝土的水化更徹底,另一方面積灰隨水流聚集在表面不平整的孔洞與凹槽內(nèi),在一定程度上減小了結(jié)合面的積灰面積比例,從而提高了結(jié)合面的粘結(jié)質(zhì)量。
將試件沿結(jié)合面劈裂并噴灑酚酞試劑,測試結(jié)果見圖8。預(yù)制構(gòu)件通常采用拉毛法、壓痕法等工藝增加結(jié)合面的粗糙度,以提高預(yù)制混凝土與后澆混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度。本試驗(yàn)通過壓痕法在預(yù)制構(gòu)件結(jié)合面設(shè)置凹槽,從圖8(a)可見,凹槽處更容易積納灰塵進(jìn)而影響混凝土的有效粘結(jié)。在結(jié)合面未清理的狀況下,凹槽處混凝土碳化深度顯著大于其他部位,如圖7、圖8(c)中D區(qū)試件,說明結(jié)合面抗碳化能力還受粗糙面處理工藝影響。對比各組試件結(jié)合面剖面碳化深度,A,B區(qū)試件組在結(jié)合面剖面測得的碳化深度略大于預(yù)制混凝土,而C,D區(qū)試件組的結(jié)合面碳化深度則明顯大于預(yù)制混凝土,如圖8(b),(c)所示。圖8(d)為結(jié)合面剖面兩側(cè)混凝土的碳化,后澆混凝土與預(yù)制混凝土在結(jié)合面處碳化深度相同,但由于后澆混凝土CO2擴(kuò)散系數(shù)較小,結(jié)合面滲入的CO2大部分向預(yù)制混凝土內(nèi)擴(kuò)散,導(dǎo)致在碳化深度測試面上后澆混凝土的碳化基本不受結(jié)合面的影響。
圖8 結(jié)合面所在剖面碳化深度對比
碳化深度試驗(yàn)結(jié)果 表2
圖9 各清理狀況下結(jié)合面碳化深度對比
碳化系數(shù)擬合結(jié)果 表3
可見,各清理狀況下結(jié)合面的碳化系數(shù)均大于混凝土本體,證明結(jié)合面是裝配式混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的薄弱環(huán)節(jié)。A區(qū)與B區(qū)試件組的碳化系數(shù)差異不明顯,說明清理結(jié)合面后是否灑水濕潤對結(jié)合面抗碳化能力影響不顯著,而D區(qū)試件組的碳化系數(shù)大于C區(qū)試件組,說明未清理結(jié)合面的情況下,灑水濕潤可以提高結(jié)合面抗碳化能力。在其他試驗(yàn)條件相同時,結(jié)合面正拉粘結(jié)強(qiáng)度與抗碳化能力正相關(guān),文獻(xiàn)[1]中植筋拉拔試驗(yàn)證明清理+灑水濕潤和清理+不灑水濕潤兩種清理狀況下結(jié)合面強(qiáng)度無顯著差異,與本次碳化試驗(yàn)結(jié)果一致。由于施工過程中未按JGJ 1—2014規(guī)程要求對結(jié)合面進(jìn)行清理+灑水濕潤,不清理+不灑水濕潤清理情況的試件組結(jié)合面碳化系數(shù)為預(yù)制混凝土的2.6倍。
為量化結(jié)合面對混凝土抗碳化能力的影響,定義單個試件的界面系數(shù)BI:
(1)
式中BI為無量綱參數(shù),BI=1代表結(jié)合面對混凝土碳化無影響,BI>1代表結(jié)合面會削弱混凝土的抗碳化能力。
以BIn表示快速碳化n天時的BI值(n=14,28,56),BIi表示不同結(jié)合面清理情況分區(qū)i的BI值(i=A,B,C,D),結(jié)果見表4。取同組3個試件界面系數(shù)的平均值為該清理狀況下結(jié)合面的界面系數(shù),界面系數(shù)對比見圖10。
界面系數(shù)對比 表4
圖10 不同清理狀況下界面系數(shù)對比
總體上BID>BIC>BIC>BIA>1,按照J(rèn)GJ 1—2014規(guī)程清理的結(jié)合面混凝土界面系數(shù)約為1.5~1.6。快速碳化14d時,結(jié)合面未清理的C,D區(qū)試件組界面系數(shù)大部分超過2.0,表明后澆前不清理結(jié)合面會顯著降低混凝土的抗碳化能力??焖偬蓟?6d時,C區(qū)試件組界面系數(shù)平均值為1.68,與A,B區(qū)試件組較為接近,D區(qū)試件組界面系數(shù)平均值則達(dá)到2.99,表明未進(jìn)行清理+灑水濕潤的結(jié)合面抗碳化能力較差,且灑水濕潤可以減小結(jié)合面未清理對抗碳化能力的影響。對比各清理狀況下界面系數(shù)隨碳化時間的變化規(guī)律,按JGJ 1—2014規(guī)程要求清理的A區(qū)試件組界面系數(shù)平均值穩(wěn)定在1.5左右,不按JGJ 1—2014規(guī)程要求清理的D區(qū)試件組界面系數(shù)平均值則逐漸由2.33增大至2.99。
通過理論研究與實(shí)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,國內(nèi)外學(xué)者提出了眾多基于不同參數(shù)的混凝土碳化模型[7-9],3種典型的模型及其特點(diǎn)見表5。碳化模型1為基于Fick定律的理論模型,碳化模型2為基于配合比的經(jīng)驗(yàn)?zāi)P?,碳化模?為基于抗壓強(qiáng)度的實(shí)用模型。
3種典型碳化模型及其特點(diǎn) 表5
對比現(xiàn)有模型的理論基礎(chǔ)、優(yōu)缺點(diǎn)及實(shí)用性,本文選用《既有混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評定標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 51355—2019) 中的實(shí)用碳化模型:
X=3KCO2Kk1KktKksKFT0.25RH1.5(1-
(2)
試驗(yàn)結(jié)果表明,由于兩次澆筑的混凝土結(jié)合面處存在一個類似的微裂紋,CO2和水的滲入擴(kuò)散速度更快,裝配式結(jié)構(gòu)混凝土結(jié)合面相比整體現(xiàn)澆混凝土的碳化速度更快。為了反映結(jié)合面處混凝土抗碳化能力的降低,在式(2)模型基礎(chǔ)上乘以結(jié)合面碳化影響系數(shù)KⅠ以考慮結(jié)合面的不利影響。
快速碳化56d時,A,B,C區(qū)試件組結(jié)合面界面系數(shù)BI56比較接近,平均值為1.63;結(jié)合面清理狀況較差的D區(qū)試件組碳化深度相對較大,界面系數(shù)BI56平均值為2.99。綜合本文試驗(yàn)結(jié)果,現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)及裝配式結(jié)構(gòu)中的非結(jié)合面混凝土取KⅠ=1.0;混凝土結(jié)合面處取KⅠ=1.7;當(dāng)考慮結(jié)合面施工質(zhì)量存在缺陷時,可根據(jù)結(jié)合面正拉粘結(jié)強(qiáng)度及破壞斷面積灰清理狀況對KⅠ進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整,當(dāng)結(jié)合面正拉粘結(jié)強(qiáng)度顯著低于混凝土本體或者破壞面積灰比例較高時,取KⅠ=3.0,其他情況KⅠ可以在1.7~3.0之間插值。
碳化模型驗(yàn)證結(jié)果 表6
(1)混凝土結(jié)合面是裝配式結(jié)構(gòu)耐久性的薄弱部位,即使按照J(rèn)GJ 1—2014規(guī)程要求清理,結(jié)合面混凝土抗碳化能力依然弱于混凝土本體,結(jié)合面碳化系數(shù)約為混凝土本體的1.5倍。
(2)結(jié)合面清理質(zhì)量對其抗碳化能力有顯著影響,若不清理+不灑水濕潤結(jié)合面,結(jié)合面混凝土碳化系數(shù)最大可達(dá)到預(yù)制混凝土本體的3倍;在清理結(jié)合面的情況下,是否灑水濕潤對結(jié)合面抗碳化能力影響不顯著,但在不清理的情況下,后澆混凝土前灑水濕潤結(jié)合面對于結(jié)合面混凝土的抗碳化能力有改善作用。
(3)按照J(rèn)GJ 1—2014規(guī)程要求處理,結(jié)合面碳化系數(shù)相對穩(wěn)定,其不隨碳化時間而發(fā)生變化;不按照J(rèn)GJ 1—2014規(guī)程要求處理,結(jié)合面碳化系數(shù)隨碳化時間表現(xiàn)出不同的特征??焖偬蓟?4d時,結(jié)合面混凝土碳化系數(shù)從小到大對應(yīng)的結(jié)合面清理狀況依次為清理+灑水濕潤、清理+不灑水濕潤、不清理+灑水濕潤和不清理+不灑水濕潤;快速碳化時間大于28d時,清理+灑水濕潤、清理+不灑水濕潤和不清理+灑水濕潤這三種狀況的碳化系數(shù)之間差異不顯著,但不清理+不灑水濕潤的碳化系數(shù)明顯較大;不清理+不灑水濕潤的結(jié)合面碳化系數(shù)隨著碳化時間的增加有明顯增大趨勢。
(4)因預(yù)制構(gòu)件粗糙面的處理方式會影響結(jié)合面抗碳化能力,在研究粗糙面處理工藝時應(yīng)關(guān)注處理方式對結(jié)合面耐久性的影響。
(5)考慮到結(jié)合面及其施工質(zhì)量對混凝土抗碳化能力的不利影響,提出了采用結(jié)合面影響系數(shù)修正現(xiàn)有碳化模型的方法。經(jīng)驗(yàn)證,修正后的模型預(yù)測結(jié)果與試驗(yàn)實(shí)測結(jié)果吻合較好。