硅灰增強(qiáng)混雜纖維水泥基灌漿料與老混凝土粘結(jié)強(qiáng)度研究

喬慶浩，李志華，張 聰,2,3

(1. 江南大學(xué) 環(huán)境與土木工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122；2. 武漢理工大學(xué) 硅酸鹽建筑材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430000；3. 綠色建筑材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100024)

0 引 言

水泥基灌漿料與老混凝土粘結(jié)界面在既有結(jié)構(gòu)的修復(fù)和加固中十分重要，由于老混凝土的收縮變形基本完成，而新澆水泥基灌漿料隨著期齡增長(zhǎng)產(chǎn)生的收縮變形將使界面過渡區(qū)(ITZ)變形不協(xié)調(diào)，產(chǎn)生復(fù)雜的初應(yīng)變和拉應(yīng)力，造成大量微裂縫從界面向外擴(kuò)展、連通等缺陷，導(dǎo)致粘結(jié)力學(xué)性能變差[1-2]。因此，材料的適應(yīng)性是影響新老混凝土粘結(jié)效果的一個(gè)重要參數(shù)，選擇合適的加固材料十分重要。

為了減小水泥基灌漿料與老混凝土層之間的收縮變形，提高兩者的粘結(jié)強(qiáng)度，采取了在灌漿料中摻入纖維的方法[3]。鋼纖維彈性模量高，能提高混凝土材料的強(qiáng)度、剛度和韌性，降低收縮變形，抑制大尺度裂縫發(fā)展。聚乙烯醇(PVA)纖維直徑小、親水性強(qiáng)，在混凝土中容易拌和，分散均勻，能增強(qiáng)與混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度，抑制早期收縮產(chǎn)生的裂隙。采用鋼纖維和PVA纖維混雜，在不同層次發(fā)揮混雜效應(yīng)，達(dá)到增強(qiáng)增韌灌漿料的作用[4]。此外，硅灰是一種高活性火山灰材料，顆粒極細(xì)，能有效填充孔隙，其主要化學(xué)成分為SiO2，能與水泥石中的Ca(OH)2反應(yīng)，生成C-S-H凝膠，填充混凝土內(nèi)的空隙，提高結(jié)構(gòu)密實(shí)度[5]。在混雜纖維材料中摻入硅灰，利用硅灰的火山灰效應(yīng)和微集料填充效應(yīng)提高纖維與老混凝土的界面粘結(jié)性能，充分發(fā)揮纖維的增強(qiáng)增韌作用，同時(shí)改善灌漿料與老混凝土界面過渡區(qū)內(nèi)的缺陷。

目前，關(guān)于硅灰增強(qiáng)混雜纖維水泥基灌漿料對(duì)既有結(jié)構(gòu)的修復(fù)和加固的研究較少，本文通過四因素四水平正交試驗(yàn)，研究硅灰摻量、鋼纖維類型、鋼纖維摻量和PVA纖維摻量對(duì)水泥基灌漿料與老混凝土粘結(jié)強(qiáng)度的影響。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

水泥(Cement，C),無錫市天山水泥廠生產(chǎn)的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥；粉煤灰(Fly ash，F(xiàn)A)和硅灰(Silica fume，SF)，鞏義市恒諾濾料有限公司生產(chǎn)，硅灰化學(xué)成分和比表面積見表1；平直型和銑削型鋼纖維，鄭州市亨盛環(huán)保公司生產(chǎn)；端鉤型鋼纖維，宜興市華源金屬纖維有限公司生產(chǎn)，鋼纖維種類和特征參數(shù)見表2；聚乙烯醇(PVA)纖維，上?；そú奶砑觿┯邢薰咎峁?，其特征參數(shù)見表3；西卡牌聚羧酸減水劑(WR)，減水率30%；細(xì)骨料采用天然河砂(S)，中砂，細(xì)度模數(shù)2.4；水(W)為自來水。

表1 硅灰的化學(xué)成分和比表面積

表2 鋼纖維類型和特征參數(shù)

表3 聚乙烯醇纖維特征參數(shù)

1.2 配合比

為了提高灌漿料的流動(dòng)性，摻加膠凝材料總質(zhì)量20%的粉煤灰。纖維與水泥基體界面的粘結(jié)能力受水灰比影響[6]，結(jié)合文獻(xiàn)[7]，設(shè)計(jì)本研究的水灰比為0.3[7]。按照絕對(duì)體積法，基準(zhǔn)水泥基灌漿料的配合比如表4所示。

表4 基準(zhǔn)水泥基灌漿料配合比(kg/m3)

Table 4 Mix proportion of benchmark cement based grouting material(kg/m3)

水泥粉煤灰砂子水減水劑水灰比77619497029114.60.3

1.3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究采用四因素四水平正交試驗(yàn)，考慮了硅灰摻量、鋼纖維類型、鋼纖維摻量和PVA纖維摻量4個(gè)因素，其中各因素水平分別為：硅灰摻量分別為3%、6%、9%、12%，鋼纖維類型分別為平直型、銑削型、長(zhǎng)度25 mm端鉤型、長(zhǎng)度35 mm端鉤型，鋼纖維體積率分別為0.4%、0.8%、1.2%、1.6%，PVA纖維體積率分別為0.5%、1.0%、1.5%、2.0%。正交因素和水平如表5所示。

表5 正交試驗(yàn)因素和水平

1.4 試驗(yàn)方法

老混凝土采用齡期180 d、邊長(zhǎng)100 mm的C30立方體試塊。雙面剪切試驗(yàn)將老混凝土試塊平均切割成三等份，劈裂抗拉試驗(yàn)將老混凝土試塊平均切割成兩等份。對(duì)切割后的老混凝土試塊采取人工鑿毛處理，鑿去粘結(jié)面的浮漿和部分水泥石，形成凹凸不平的表面，并用灌砂法測(cè)量粘結(jié)面的粗糙度為0.5 mm左右，以提高新老混凝土之間的粘結(jié)強(qiáng)度[8]。將鑿毛處理后的試塊放于水槽內(nèi)浸泡12 h，再用鋼絲刷清除干凈，然后室內(nèi)環(huán)境下風(fēng)干至表面不留水跡。

材料進(jìn)行攪拌時(shí)，先將膠凝材料和砂子放入攪拌機(jī)內(nèi)干拌30 s，再加入水和減水劑攪拌60 s，然后依次加入PVA纖維和鋼纖維，分別攪拌120 s，將老混凝土試塊提前放入模具中，隨后澆筑灌漿料，并在振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)60 s。硅灰和纖維摻量變化時(shí)僅適當(dāng)調(diào)整減水劑的用量，以控制拌合物的流動(dòng)度在200 mm左右。試塊成型24 h拆模，并在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)28 d。試驗(yàn)在WE-300型萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，加載速度為0.05 MPa/s[9]。

1.4.1 雙面剪切試驗(yàn)

雙面剪切試驗(yàn)采用2/3體積老混凝土與1/3體積灌漿料雙面粘結(jié)的邊長(zhǎng)100 mm復(fù)合立方體試塊。共制備了16組48個(gè)試塊，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行雙面剪切試驗(yàn)。粘結(jié)面剪切強(qiáng)度按式(1)計(jì)算

(1)

式中：τ為試塊粘結(jié)面剪切強(qiáng)度，MPa；P為試塊剪切破壞荷載，N；A為單個(gè)粘結(jié)面面積，mm2。

試驗(yàn)試塊加載情況如圖1所示。

1，2—老混凝土；3—灌漿料；4—粘結(jié)面；5，6—墊塊圖1 雙面剪切試驗(yàn)示意圖Fig 1 Schematic diagram of double-sided shear test

1.4.2 劈裂抗拉試驗(yàn)

劈裂抗拉試驗(yàn)采用1/2體積老混凝土與1/2體積灌漿料單面粘結(jié)的邊長(zhǎng)100 mm復(fù)合立方體試塊。共制備了16組48個(gè)試塊，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行劈裂抗拉試驗(yàn)。粘結(jié)面劈拉強(qiáng)度按式(2)計(jì)算

(2)

式中：fts為試塊粘結(jié)面劈拉強(qiáng)度，MPa；P為試塊劈拉破壞荷載，N；A為粘結(jié)面面積，mm2。

試驗(yàn)試塊加載情況如圖2所示。

1—老混凝土;2—灌漿料;3—粘結(jié)面;4,5—墊塊;6,7—墊條圖2 劈裂抗拉試驗(yàn)示意圖Fig 2 Schematic diagram of splitting tensile test

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 粘結(jié)強(qiáng)度

本試驗(yàn)采用水泥基灌漿料與老混凝土粘結(jié)試塊的剪切強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度作為粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)指標(biāo)，利用極差分析法進(jìn)行粘結(jié)強(qiáng)度影響因素分析。試驗(yàn)測(cè)得16組粘結(jié)試塊的剪切強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度，正交試驗(yàn)結(jié)果如表6所示，正交試驗(yàn)極差分析結(jié)果如表7所示。

從極差分析結(jié)果可以看出，對(duì)粘結(jié)試塊剪切強(qiáng)度影響的顯著性大小順序依次為：硅灰摻量(A)>鋼纖維類型(B)>鋼纖維摻量(C)>PVA纖維摻量(D)。對(duì)粘結(jié)試塊劈拉強(qiáng)度影響的顯著性大小順序依次為：硅灰摻量(A)>PVA纖維摻量(D)>鋼纖維類型(B)>鋼纖維摻量(C)。硅灰摻量對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度的影響最為顯著，鋼纖維類型對(duì)剪切強(qiáng)度的影響較為顯著，PVA纖維摻量對(duì)劈拉強(qiáng)度的影響較為顯著。 綜合考慮，最佳組合為A3B4C3D1，正交試驗(yàn)中每個(gè)因素的各個(gè)水平對(duì)于試塊粘結(jié)強(qiáng)度的影響如圖3～6所示。

表6 正交試驗(yàn)結(jié)果

表7 正交試驗(yàn)極差分析結(jié)果

從圖3可以看出，隨著硅灰摻量的增加，粘結(jié)強(qiáng)度先增加后下降，當(dāng)硅灰摻量為9%時(shí)，剪切強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度分別達(dá)到最大值4.27和3.24 MPa，較摻量3%分別提高了39.5%和30.6%。當(dāng)硅灰摻量達(dá)到12%時(shí)，粘結(jié)強(qiáng)度出現(xiàn)明顯的下降。硅灰具有超細(xì)的顆粒以及極高的火山灰活性，能深入老混凝土粘結(jié)面孔隙內(nèi)部。其主要成分SiO2與老混凝土中殘余的Ca(OH)2反應(yīng)生成的C-S-H凝膠，填充于老混凝土的空隙之中，并沿孔隙生長(zhǎng)，增加了結(jié)構(gòu)的致密性[10]。同時(shí)硅灰降低了CH晶體的取向性，使得薄弱的界面過渡區(qū)厚度得以減小[11]，增強(qiáng)了灌漿料與老混凝土表面的機(jī)械咬合作用。此外，未水化的硅灰顆?？梢园l(fā)揮微集料作用，改善粘結(jié)面孔隙結(jié)構(gòu)，減少界面過渡區(qū)的缺陷，提高粘結(jié)面的密實(shí)度。但當(dāng)硅灰摻量過多時(shí)，與之反應(yīng)的水泥含量持續(xù)減少，使得堿含量不足，影響水化反應(yīng)效果，導(dǎo)致粘結(jié)強(qiáng)度增長(zhǎng)緩慢，甚至下降。

圖3 硅灰摻量的影響Fig 3 Effect of silic a fume content

從圖4可以看出，與平直型鋼纖維相比，銑削型、25 mm端鉤型和35 mm端鉤型鋼纖維粘結(jié)試塊的剪切強(qiáng)度分別提高了6.1%、8.8%和12.0%，劈拉強(qiáng)度分別提高了3.7%、7.0%和9.5%，長(zhǎng)度35 mm端鉤型鋼纖維對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度的提高最為顯著。平直型鋼纖維長(zhǎng)度短，直徑小，形如針狀；銑削型鋼纖維呈波浪形，兩端有錨尾；端鉤型鋼纖維兩端有彎鉤處理。不同形狀的鋼纖維與水泥基質(zhì)的握裹能力不同。平直型鋼纖維短且直，僅受到對(duì)其的黏聚力，對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度的提高作用有限。銑削型和端鉤型鋼纖維，不僅受到對(duì)鋼纖維的黏聚力，由于其特殊的結(jié)構(gòu)，還受到水泥基質(zhì)的握裹力[12]。其中，端鉤型鋼纖維兩端變形程度大，握裹力更強(qiáng)，能與老混凝土粘結(jié)面產(chǎn)生更大的機(jī)械咬合作用。且長(zhǎng)徑比更大的35mm端鉤型鋼纖維與水泥基質(zhì)接觸面積更大，更大概率接觸到老混凝土粘結(jié)面，從而強(qiáng)化錨固作用，增加粘結(jié)強(qiáng)度[13]。

圖4 鋼纖維類型的影響Fig 4 Effect of steel fiber type

從圖5可以看出，隨著鋼纖維摻量的不斷增加，剪切強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度緩慢增加，當(dāng)鋼纖維體積率為1.2%時(shí)，分別達(dá)到最大值3.78和2.99 MPa，之后開始降低。鋼纖維的加入，減小了灌漿料的收縮，提高了灌漿料與老混凝土的協(xié)同粘結(jié)作用，而正是粘結(jié)面之間的收縮差異，導(dǎo)致了粘結(jié)強(qiáng)度的下降[14]。同時(shí)鋼纖維的末端可以伸入到老混凝土凹凸不平的表面，在水泥基質(zhì)的握裹下提供更大的摩擦阻力和錨固力，增加粘結(jié)強(qiáng)度。當(dāng)鋼纖維摻量過大時(shí)，一方面鋼纖維體積大，攪拌過程中相互搭接，阻礙了漿體的流動(dòng)，使其無法充分深入老混凝土凹凸不平的粘結(jié)面，產(chǎn)生有效的結(jié)合作用。另一方面，隨著鋼纖維摻量的增加，由于缺乏足夠的界面粘結(jié)劑，鋼纖維在粘結(jié)面上的包裹與填充受到影響，削弱了鋼纖維搭接橋聯(lián)作用[15]，降低了灌漿料與老混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度。

圖5 鋼纖維摻量的影響Fig 5 Effect of steel fiber content

從圖6可以看出，剪切強(qiáng)度在PVA纖維摻量較低時(shí)變化并不顯著，當(dāng)PVA纖維體積率為1.0%時(shí)，達(dá)到最大值3.75 MPa，隨后開始顯著下降。而劈拉強(qiáng)度則隨著PVA纖維摻量的不斷增加而減小，體積率為0.5%時(shí)，劈拉強(qiáng)度最大值為3.01 MPa。PVA纖維密度低、直徑細(xì)小，親水性好，具有較大的比表面積，受到砂子、鋼纖維的沖擊，被均勻地分散到混凝土之中。PVA纖維通過伸入到老混凝土凹凸不平的表面，與老混凝土產(chǎn)生良好的粘結(jié)，并且相互搭接形成一個(gè)空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，有效抑制了粘結(jié)面細(xì)小裂縫的發(fā)展，且能減小灌漿料與老混凝土之間的收縮差[16]，從而提高粘結(jié)強(qiáng)度。但當(dāng)PVA纖維含量過高時(shí)，容易團(tuán)結(jié)在一起，使得材料內(nèi)部出現(xiàn)原始缺陷，降低了材料的密實(shí)性[17]。同時(shí)減弱了與鋼纖維的協(xié)同工作效應(yīng)，無法充分發(fā)揮纖維橋聯(lián)作用，導(dǎo)致粘結(jié)強(qiáng)度降低。

圖6 PVA纖維摻量的影響Fig 6 Effect of PVA fiber content

2.2 混雜纖維粘結(jié)特性

基于正交試驗(yàn)分析結(jié)果，制備不同纖維摻量的四組水泥基灌漿料與老混凝土粘結(jié)試塊，每組灌漿料摻加9%硅灰，進(jìn)行雙面剪切試驗(yàn)和劈裂抗拉試驗(yàn)。雙面剪切試驗(yàn)用百分表和荷載傳感器，采集試塊粘結(jié)面相對(duì)剪切位移及剪切荷載。劈裂抗拉試驗(yàn)采用損傷指數(shù)，對(duì)試塊破壞后的粘結(jié)面損傷程度進(jìn)行定量表征。不同纖維摻量試驗(yàn)情況如表8所示。

表8 不同纖維摻量試驗(yàn)

2.2.1 界面剪切特性

圖7為4組不同纖維摻量粘結(jié)試塊的界面剪切-滑移曲線。未摻纖維的試塊剪切-滑移曲線基本呈直線狀態(tài)，粘結(jié)面一旦出現(xiàn)裂縫，試件隨即破壞分離，破壞界面較為平直，屬于典型的脆性破壞。單摻鋼纖維和PVA纖維的試塊剪切-滑移曲線先緩慢上升，曲線斜率變小，然后逐漸加速上升，達(dá)到最高點(diǎn)后出現(xiàn)下降趨勢(shì)，破壞時(shí)極限荷載與位移也隨之增大，單摻鋼纖維表現(xiàn)出更高的剪切強(qiáng)度。由于纖維的橋聯(lián)作用，試件破壞時(shí)未被完全分割成獨(dú)立的試塊，部分區(qū)域依然粘連在一起，變形能力增強(qiáng)?；祀s兩種纖維的剪切-滑移曲線逐漸上升，曲線斜率最小，達(dá)到最高點(diǎn)后開始下降，下降段略微變得平緩，剪切強(qiáng)度和位移都有較大程度的提高，破壞時(shí)消耗的能量最大。試件裂而不壞，保持較好的整體性，表現(xiàn)出較好的剪切延性[18]。混雜纖維的摻入顯著提高了耗能能力，增加了破壞時(shí)的延性，發(fā)揮了正混雜效應(yīng)，對(duì)灌漿料與老混凝土粘結(jié)界面剪切變形性能有較大的提高。

圖7 剪切-滑移曲線Fig 7 Shear-slip curve

2.2.2 劈拉破壞形態(tài)

為了對(duì)試塊劈拉破壞后界面的損傷程度進(jìn)行定量表征，本試驗(yàn)定義了損傷指數(shù)，按式(3)進(jìn)行計(jì)算

(3)

式中：D為損傷指數(shù)；R為試塊破壞后老混凝土界面粗糙度，mm；r為老混凝土界面原始粗糙度，mm。

在試驗(yàn)中，試塊破壞后界面粗糙度R采用灌砂法測(cè)量，老混凝土原始界面粗糙度r取0.5 mm。當(dāng)損傷指數(shù)D>0時(shí)，粘結(jié)界面發(fā)生損傷，損傷指數(shù)數(shù)值越大，說明劈拉破壞時(shí)的損傷程度越大，消耗的能量越大，新老混凝土粘結(jié)強(qiáng)度越高。劈拉破壞界面的損傷指數(shù)如表9所示。

表9 劈拉破壞界面的損傷指數(shù)

圖8是4組不同纖維摻量試塊劈拉破壞后老混凝土界面損傷狀況，白色斑點(diǎn)部分均為被拉斷的老混凝土部分的石子，灌漿料包裹在老混凝土裸露的石子表面，在硅灰的作用下，與老混凝土界面產(chǎn)生了較強(qiáng)的粘結(jié)?？梢耘袛喑鰯嗔衙婊緸楣酀{料與老混凝土粘結(jié)界面[19]，主要區(qū)別在于老混凝土界面的破損程度不同。圖8(a)中破壞界面較為平直，試塊邊緣基本完好，屬于脆性破壞，損傷指數(shù)只有0.46。圖8(b)、(c)中界面邊緣出現(xiàn)幾處小規(guī)模破損，部分破損的老混凝土被纖維粘連在灌漿料一側(cè)界面上，單摻1.2%鋼纖維和單摻0.5%PVA纖維試塊界面的損傷指數(shù)分別提高了2.5倍和3.1倍。纖維在老混凝土界面產(chǎn)生了有效的結(jié)合與錨固，增強(qiáng)了界面的粘結(jié)作用。圖8(d)中老混凝土試塊邊緣出現(xiàn)連續(xù)的、面積較大的破損，大塊的破損老混凝土粘連在灌漿料一側(cè)的界面上，其損傷指數(shù)提高了7.4倍。界面損傷程度更嚴(yán)重，破壞過程更劇烈，與劈拉強(qiáng)度之間表現(xiàn)出很好的正相關(guān)性[20]。

圖8 劈拉破壞界面損傷狀況Fig 8 Damage condition of split failure interface

纖維混雜疊加效應(yīng)對(duì)粘結(jié)面處微裂縫開展的阻滯和約束作用明顯，從圖9(a)、(b)中劈拉破壞試塊的裂縫走向也說明了這一點(diǎn)。不摻纖維試塊的粘結(jié)面由于灌漿料的收縮，導(dǎo)致許多微裂縫的產(chǎn)生，破壞裂縫沿著粘結(jié)面發(fā)展貫通。而混雜纖維使粘結(jié)面處微裂縫的開展得到抑制，部分破壞裂縫出現(xiàn)在老混凝土一側(cè)[21]，破壞面損傷程度更大，破壞過程消耗更多的能量，劈拉強(qiáng)度更高。

圖9 劈拉破壞試塊開裂狀況Fig 9 Cracking condition of split failure test block

3 結(jié) 論

(1)硅灰對(duì)水泥基灌漿料與老混凝土界面粘結(jié)強(qiáng)度的影響最為顯著，硅灰的活性效應(yīng)、填充效應(yīng)、微集料效應(yīng)可以很好的改善界面過渡區(qū)內(nèi)的缺陷，提高粘結(jié)強(qiáng)度。

(2)纖維能減小灌漿料與老混凝土之間的收縮差。鋼纖維可以提供更強(qiáng)的錨固作用，使粘結(jié)面產(chǎn)生良好的粘結(jié)；PVA纖維可以形成一個(gè)空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，有效抑制粘結(jié)面細(xì)小裂縫的發(fā)展。

(3)鋼-PVA混雜纖維粘結(jié)試塊的界面剪切強(qiáng)度和剪切變形增強(qiáng)顯著，劈拉破壞時(shí)損傷指數(shù)較大，界面破損程度大，表現(xiàn)出較強(qiáng)的劈拉強(qiáng)度。