凍融環(huán)境下廢舊纖維混凝土與舊混凝土粘結(jié)面劈拉試驗(yàn)

李 妍，賀柱國

吉林建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院,長春 130118

0 引言

混凝土是日常生活中最為常見的建筑材料之一,在世界各大城市中均能找到他們的身影.隨著我國大規(guī)?；窘ㄔO(shè)的實(shí)施,出現(xiàn)許多大型混凝土建筑和結(jié)構(gòu).但隨著混凝土的老化也出現(xiàn)了一些問題,如在高海拔和高緯度等寒冷地區(qū)溫度的變化導(dǎo)致荷載發(fā)生變化、港口,城市立交橋等結(jié)構(gòu)遭遇嚴(yán)重的凍融破壞等情況,建筑的長時間使用將導(dǎo)致耐久性不足存在安全隱患,因此必須對遭受凍融破壞的混凝土進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng).

工業(yè)廢舊纖維混凝土相比普通混凝土具有抗壓強(qiáng)度高、韌性性能好等特性[1],將其作為新混凝土加固的材料,能夠提高被加固物體整體的力學(xué)性能,這對處于惡劣環(huán)境、受荷復(fù)雜的混凝土結(jié)構(gòu)的修補(bǔ)或?qū)炷两Y(jié)構(gòu)有更高要求的無疑是一種理想材料[2].因此,研究纖維混凝土與舊混凝土粘結(jié)復(fù)合結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)用價值.當(dāng)前,一些學(xué)者做了許多相關(guān)研究,文獻(xiàn)[3]研究了先凍融后粘結(jié)的新舊混凝土復(fù)合立方體試件和先粘結(jié)后凍融的新舊混凝土復(fù)合立方體試件,根據(jù)界面粗糙度、凍融循環(huán)次數(shù)和界面劑3種不同因素作用下劈裂抗拉強(qiáng)度的變化.文獻(xiàn)[4]研究了超低溫凍融循環(huán)后混凝土的損傷機(jī)理及控制措施,根據(jù)試驗(yàn)得出了混凝土的凍融循環(huán)損傷主要是由于混凝土內(nèi)部的水孔隙水結(jié)冰導(dǎo)致體積膨脹對混凝土內(nèi)部細(xì)微孔隙壁產(chǎn)生凍脹壓力使得孔隙增大,許多原本不相連的孔隙連通甚至形成通縫,從而造成混凝土的內(nèi)部破壞.粘結(jié)劈拉性能是新舊混凝土粘結(jié)的基本力學(xué)性能之一[5].本文擬通過對工業(yè)廢舊纖維混凝土與舊混凝土粘結(jié)試塊的慢速凍融試驗(yàn),探究纖維摻量、凍融循環(huán)次數(shù)對粘結(jié)面劈裂抗拉強(qiáng)度的影響.

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料及其配合比

在半年之前澆筑一批100 mm×100 mm×100 mm的舊混凝土試件,水泥采用吉林亞泰水泥有限公司生產(chǎn)的32.5級復(fù)合硅酸鹽水泥,其他原材料包括中粗河沙(細(xì)度模數(shù)為2.62)、碎石(粒徑為4.75 mm～20.5 mm)、減水劑(減水率為20 %).舊混凝土所用混凝土強(qiáng)度等級為C 30,根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)規(guī)范》(GB 50367-2013)[6],混凝土結(jié)構(gòu)加固時所用混凝土等級應(yīng)比原結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度等級高一級.因此,新纖維混凝土強(qiáng)度設(shè)計等級為C 40.工業(yè)廢舊纖維采用從輪胎中提取出來的高強(qiáng)胎圈鋼絲,對廢舊纖維進(jìn)行拉拔試驗(yàn)測得工業(yè)廢舊纖維的抗拉強(qiáng)度平均值為1 900 MPa,用鋼絲球擦去纖維表面的殘留橡膠和鐵銹使之成為光圓鋼絲并按照試驗(yàn)要求進(jìn)行剪切,其平均長度為30.5 mm,長徑比為30，纖維的體積摻量為0 %,0.5 %,1.0 %,1.5 %,試驗(yàn)材料的配合比(系指1 m3廢舊纖維混凝土中所含各材料的質(zhì)量)見表1.

表1 試驗(yàn)材料配合比的設(shè)計

1.2 粘結(jié)面的處理

新舊混凝土粘結(jié)界面需經(jīng)過粗糙處理,以提高其表面的粗糙度,通常所用方法為高壓水沖法、人工鑿毛法和噴砂法等[7].本試驗(yàn)中將100 mm×100 mm×100 mm 的舊混凝土試塊用石材切割機(jī)切割成100 mm×100 mm×50 mm 的小塊,然后用鑿等工具將粘結(jié)面鑿毛,清除松動開裂部分并刷洗干凈如圖1所示,用灌砂法控制粘結(jié)面的粗糙度在1.5 mm～2.3 mm之間.本試驗(yàn)的界面粘結(jié)劑選用水泥砂漿,其配比為水泥∶砂∶水=1∶1∶0.4.

圖1 粘結(jié)面

圖2 側(cè)向澆筑新混凝土

1.3 試驗(yàn)方法

將粘結(jié)面處理后的100 mm×100 mm×50 mm 的試塊用水沖洗干凈并通風(fēng)晾干至表面無水狀態(tài).澆筑時,先在粘結(jié)面涂上界面劑放置在模具內(nèi),并迅速側(cè)向澆筑各類纖維摻量的工業(yè)廢舊纖維混凝土如圖2所示.24 h小時后拆模,送入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28 d.每組試件澆筑3個試塊,共計17組51個試塊.在凍融循環(huán)之前將試塊放入養(yǎng)護(hù)箱中加水浸泡96 h至試塊水飽和狀態(tài).本試驗(yàn)采用慢速凍融法,新舊混凝土復(fù)合立方體分別凍融循環(huán)30次、60次、90次.根據(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)[8],1個凍融循環(huán)周期為8 h左右,冷凍期間凍融試驗(yàn)箱內(nèi)保持在-20 ℃～-18 ℃,融化期間凍融箱內(nèi)浸泡混凝土試件水溫保持在20 ℃～18 ℃.試驗(yàn)中同時測量新舊混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度和質(zhì)量損失率.本試驗(yàn)采用600 kN的液壓萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行,如圖3所示,墊條放在粘結(jié)面的上下兩側(cè).新舊混凝土試塊的劈裂抗拉強(qiáng)度按下式計算:

fτ=2P/(πA)

(1)

式中,fτ為劈裂抗拉強(qiáng)度,MPa;P為最大劈裂荷載,N;A為粘結(jié)面的面積,mm2.

圖3 劈裂抗拉試驗(yàn)

圖4 粘結(jié)破壞表面

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 破壞形態(tài)

所有復(fù)合立方體試件的破壞面均沿著新舊混凝土的粘結(jié)面而破壞，且所有的新舊混凝土復(fù)合立方體的劈裂抗拉強(qiáng)度均低于舊混凝土試塊和新混凝土試塊的劈裂抗拉強(qiáng)度,經(jīng)過凍融循環(huán)之后復(fù)合立方體劈裂抗拉強(qiáng)度也顯著低于未經(jīng)凍融循環(huán)的復(fù)合立方體的劈裂抗拉強(qiáng)度,且隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加其劈裂抗拉強(qiáng)度逐漸降低.鋼纖維分布如圖4所示,均勻分布在新混凝土中且部分纖維裸露在外部說明鋼纖維發(fā)揮了部分阻裂耗能的作用.為了衡量凍融循環(huán)后復(fù)合立方體試塊劈裂抗拉強(qiáng)度的下降程度,本文采用相對劈拉強(qiáng)度β衡量試驗(yàn)結(jié)果,其定義式為:

β=(fτn/fτo)×100 %

(2)

式中,β為相對劈拉強(qiáng)度,%;fτo為老混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度,MPa;fτn為凍融循環(huán)作用n次后新舊混凝土復(fù)合立方體的劈裂抗拉強(qiáng)度,MPa.

2.2 凍融循環(huán)次數(shù)對粘結(jié)面劈裂抗拉性能的影響

各纖維摻量的工業(yè)廢舊纖維混凝土和舊混凝土復(fù)合立方體的相對劈裂抗拉強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化曲線如圖5所示,凍融循環(huán)次數(shù)對復(fù)合立方體的劈拉強(qiáng)度的影響很大.各個纖維摻量下,復(fù)合立方體的劈裂抗拉強(qiáng)度均隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低,未經(jīng)凍融循環(huán)時,復(fù)合立方體的劈裂抗拉強(qiáng)度為舊立方體劈裂抗拉強(qiáng)度的70 %～90 %,經(jīng)過30次的凍融循環(huán),劈裂抗拉強(qiáng)度降到了舊混凝土的65 %～78 %且隨著凍融循環(huán)次數(shù)的進(jìn)一步增加劈裂抗拉強(qiáng)度大幅下降,到第90次凍融循環(huán)時只有舊混凝土的20 %～35 %,粘結(jié)面基本破裂.復(fù)合立方體試塊粘結(jié)面是新舊混凝土通過界面劑粘結(jié)在一起,在澆筑和粘結(jié)硬化的過程中會存在一些細(xì)微孔隙,因此造成粘結(jié)面處于復(fù)合立方體試件的最薄弱處,未經(jīng)凍融循環(huán)的復(fù)合立方體劈裂抗拉強(qiáng)度均低于舊混凝土和工業(yè)廢舊纖維混凝土試塊.由于這些孔隙的存在,在飽水狀態(tài)下經(jīng)過數(shù)次的凍融循環(huán),孔隙內(nèi)的水分多次結(jié)冰膨脹使得裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展[9],從而導(dǎo)致新舊混凝土粘結(jié)性能遭到破壞機(jī)械咬合力下降.從斷面分析,經(jīng)過多次凍融循環(huán)的復(fù)合立方體粘結(jié)面相比未經(jīng)凍融循環(huán)的粘結(jié)面更疏松多孔,凍融循環(huán)過后的新舊混凝土試塊粘結(jié)面粘結(jié)強(qiáng)度下降,導(dǎo)致在外力的作用下更容易破壞.

圖5 凍融循環(huán)次數(shù)對相對劈拉強(qiáng)度的影響

圖6 工業(yè)廢棄纖維體積摻量對相對劈拉強(qiáng)度的影響

2.3 纖維體積摻量對粘結(jié)面劈裂抗拉性能的影響

圖6為凍融循環(huán)0次、30次、60次和90次的新舊混凝土復(fù)合立方體試塊相對劈拉強(qiáng)度隨纖維摻量的變化曲線.由圖6可以看出,纖維體積摻量的變化對試塊相對劈裂抗拉強(qiáng)度有較大影響.在上述4種凍融循環(huán)次數(shù)下,增加纖維體積摻量均不同程度地提升了復(fù)合立方體的相對劈裂抗拉強(qiáng)度,且當(dāng)纖維體積摻量為1.5 %時達(dá)到最優(yōu).由前述研究可知,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,復(fù)合立方體的劈裂抗拉強(qiáng)度降低,而工業(yè)廢棄纖維的摻入則能延緩其降低程度.例如經(jīng)90次凍融循環(huán)后,未摻廢棄纖維的新混凝土復(fù)合立方體的相對劈裂抗拉強(qiáng)度值僅為23 %,而相同條件下?lián)饺?.5 %廢棄纖維的新混凝土復(fù)合立方體的相對劈裂抗拉強(qiáng)度值提升到了30 %,而摻入1.0 %,1.5 %體積摻量的復(fù)合立方體的相對劈裂強(qiáng)度值分別達(dá)到了29.5 %和33.2 %.在相同條件下,劈裂抗拉強(qiáng)度基本隨著纖維體積摻量的增加而增大.這是由于新舊混凝土的收縮差異是粘結(jié)面產(chǎn)生細(xì)微裂縫而影響粘結(jié)效果的因素之一,而工業(yè)廢舊纖維的摻入使得新混凝土的收縮大為減少,從而改善了粘結(jié)面的粘結(jié)效果[10].同時,工業(yè)廢舊纖維亂向分布在新混凝土中有的橫貫粘結(jié)面,劈拉時阻礙了破壞面通縫的形成,提高試塊的劈裂抗拉強(qiáng)度.

3 結(jié)論

本文通過不同纖維體積摻量下新型工業(yè)廢棄纖維混凝土與舊混凝土粘結(jié)面的凍融劈拉試驗(yàn),研究了試塊在不同纖維體積摻量及凍融循環(huán)次數(shù)下劈裂抗拉強(qiáng)度的影響變化規(guī)律,并觀察了試塊粘結(jié)面的破壞特征,綜合得出如下結(jié)論:

(1)在新混凝土中摻入工業(yè)廢棄纖維能提高混凝土復(fù)合立方體在凍融循環(huán)下的劈裂抗拉強(qiáng)度,其原因在于新混凝土中摻入工業(yè)廢棄纖維能改善混凝土的收縮性能及部分橫穿粘結(jié)面的纖維也能起到阻裂作用.相同凍融循環(huán)下,新舊混凝土復(fù)合立方體劈裂抗拉強(qiáng)度隨纖維體積摻量的增加而增大.

(2)在飽水狀態(tài)下,工業(yè)廢棄纖維混凝土與舊混凝土粘結(jié)的復(fù)合立方體試件劈裂抗拉強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而減小.