盾構(gòu)隧道管片非定型嵌縫材料粘結(jié)面特性分析

龔彥峰，蔣雅君，魏晨茜，潘基先，王少鋒

(1.水下隧道技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心，武漢 430063；2.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063；3.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，成都 610031)

引言

隨著我國(guó)交通基礎(chǔ)建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，近年來(lái)市政和水下等工程，使用盾構(gòu)法修建隧道的情況越來(lái)越多，盾構(gòu)隧道的數(shù)量和里程不斷增多[1]。盾構(gòu)法隧道管片襯砌拼裝產(chǎn)生環(huán)縫及縱縫，在地下水豐富的情況下，盾構(gòu)隧道防水問題對(duì)于隧道施工.運(yùn)營(yíng).維護(hù)等環(huán)節(jié)的質(zhì)量把控和功能實(shí)現(xiàn)具有舉足輕重的地位[2-3]。

目前，根據(jù)規(guī)范中“以防為主.多道設(shè)防.因地制宜.綜合治理”的防水原則，盾構(gòu)隧道經(jīng)常在接縫表面施作嵌縫，使之作為一道輔助防水防線[4]。盾構(gòu)管片接縫所用嵌縫材料分為定型類和非定型類，考慮到定型密封材料存在抵抗水壓能力有限.對(duì)管片拼裝精度要求高.處理十字縫部位難度較大等問題，目前國(guó)內(nèi)普遍采用非定型材料，如環(huán)氧樹脂.聚硫.聚氨酯等[4]。然而，上述材料防水作用有限，其部分原因在于我國(guó)地鐵盾構(gòu)隧道通常采取局部范圍全環(huán)嵌縫，并未形成完整的嵌縫閉環(huán)；但更重要的原因是，在實(shí)際應(yīng)用中，嵌縫材料與混凝土管片間由于種種原因?qū)е缕湔辰Y(jié)效果不佳，特別是在高速鐵路和地鐵區(qū)間隧道中，嵌縫材料受到交變的氣動(dòng)壓力作用，影響材料的拉伸.剪切狀態(tài)，最終致使粘結(jié)面脫開.剝離，使得其防水能力減弱甚至喪失。

目前對(duì)非定型嵌縫材料與混凝土之間的粘結(jié)面性能研究主要集中在公路系統(tǒng)的伸縮縫.路面填縫等方面[5-6]，盾構(gòu)接縫防水的研究對(duì)象多是彈性密封墊[7-9]，對(duì)管片混凝土與接縫內(nèi)非定型嵌縫材料間粘結(jié)面特性的研究較少[10-12]，選用倒退拔式嵌縫槽形式為分析對(duì)象，從粘結(jié)機(jī)理.室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算等方面，對(duì)管片混凝土-非定型嵌縫材料粘結(jié)面(下文簡(jiǎn)稱“混凝土-嵌縫材料粘結(jié)面”)進(jìn)行粘結(jié)特性.基本力學(xué)性能和動(dòng)力特性分析，旨在得出影響嵌縫材料受力的主要因素，為盾構(gòu)隧道嵌縫防水設(shè)計(jì)提供有益建議。

1 混凝土-嵌縫材料粘結(jié)面力學(xué)性能試驗(yàn)研究

盾構(gòu)隧道接縫部位的粘結(jié)面是指鋼筋混凝土管片與嵌縫材料之間發(fā)生粘結(jié)效應(yīng)的界面。隧道運(yùn)營(yíng)期間，列車振動(dòng).滲漏水壓.管片錯(cuò)臺(tái)或張開等情況會(huì)使相鄰管片混凝土接縫內(nèi)嵌縫材料處于拉伸.剪切等受力狀態(tài)。粘結(jié)界面處的拉伸.剪切強(qiáng)度較混凝土和嵌縫材料本身更小，受力后更易分離乃至破壞從而發(fā)生滲漏，因而，其是決定嵌縫材料防水性能實(shí)現(xiàn)與否的控制性因素，故對(duì)管片-嵌縫材料粘結(jié)面的力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1.1 界面拉伸試驗(yàn)

根據(jù)GBT 13477.8—2018《建筑密封材料試驗(yàn)方法》制作粘結(jié)試塊，嵌縫材料選用環(huán)氧樹脂類。同批制作5個(gè)試樣作為1組，在(23±2)℃下進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸速率為5 mm/min，試驗(yàn)如圖1所示，數(shù)據(jù)結(jié)果見表1。可以發(fā)現(xiàn)，拉伸試樣的界面抗拉強(qiáng)度在(0.35±0.05)MPa之間，小于選用砂漿的抗拉強(qiáng)度樣本均值4.35 MPa，因此，管片間發(fā)生相對(duì)張開時(shí)，由粘結(jié)面的抗拉強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)防水性能控制。

表1 粘結(jié)界面拉伸試驗(yàn)結(jié)果

圖1 粘結(jié)界面拉伸試驗(yàn)

1.2 界面剪切試驗(yàn)

根據(jù)JGJ/T70—2009《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，界面剪切試樣尺寸為70.7 mm×70.7 mm，原始橫截面面積為4 998 mm2。根據(jù)GB/T 528—2009《硫化橡膠或熱塑性橡膠拉伸應(yīng)力應(yīng)變性能的測(cè)定》和GBT 13477.8—2018《建筑密封材料試驗(yàn)方法》，界面剪切試樣中嵌縫材料的厚度設(shè)為0.3 mm，剪切速率為5 mm/min。試驗(yàn)設(shè)置5個(gè)試件樣品，試驗(yàn)狀態(tài)如圖2所示，數(shù)據(jù)結(jié)果見表2。

圖2 粘結(jié)界面剪切試驗(yàn)

表2 粘結(jié)界面剪切試驗(yàn)結(jié)果

粘結(jié)界面破壞具有兩種形式：①界面表層粘結(jié)性能較好，粘結(jié)關(guān)系保留，砂漿剪切破壞并剝落；②界面表面粘結(jié)性能較差，嵌縫材料與砂漿表面發(fā)生剝離，砂漿基本完好。由材料力學(xué)知識(shí)可知，砂漿受純剪切作用發(fā)生剪切破壞時(shí)，應(yīng)力圓圓心為坐標(biāo)原點(diǎn)，主應(yīng)力方向(與水平夾角45°)正應(yīng)力達(dá)到材料抗拉強(qiáng)度，垂直主應(yīng)力方向產(chǎn)生剪切破壞面，故材料的抗剪強(qiáng)度可用其抗拉強(qiáng)度代替。

考慮制作精度.試塊個(gè)體差異等導(dǎo)致的數(shù)據(jù)離散性，篩去序號(hào)3結(jié)果。可以發(fā)現(xiàn)，剪切試樣的界面剪切強(qiáng)度在(1.0±0.1)MPa之間，小于選用砂漿的抗拉強(qiáng)度樣本均值4.35 MPa。因此，可以判定該粘結(jié)界面破壞為嵌縫材料與砂漿表面剝離的形式，即管片間發(fā)生錯(cuò)臺(tái)時(shí)，由粘結(jié)面的界面抗剪強(qiáng)度控制嵌縫防水性能。

2 混凝土-嵌縫材料粘結(jié)面粘結(jié)機(jī)理探討

粘結(jié)面的力學(xué)性能是管片接縫嵌縫防水的控制因素，由于粘結(jié)面屬于異種材料間的接觸粘結(jié)行為，混凝土與嵌縫材料之間粘結(jié)作用的強(qiáng)弱將直接關(guān)系到粘結(jié)面的力學(xué)性能。因此，應(yīng)對(duì)粘結(jié)界面的粘結(jié)機(jī)理展開研究。

2.1 混凝土-嵌縫材料粘結(jié)理論簡(jiǎn)介

目前各界學(xué)者對(duì)粘結(jié)機(jī)理已有較為深入的研究，形成很多理論來(lái)解釋粘結(jié)現(xiàn)象的本質(zhì)，其中機(jī)械結(jié)合理論.吸附理論.相互擴(kuò)散理論.化學(xué)結(jié)合理論.靜電吸附理論.極性理論和弱界面層理論等為目前較為公認(rèn)的幾種粘結(jié)理論[13-18]。文獻(xiàn)[18]以聚氨酯嵌縫材料為研究對(duì)象，認(rèn)為聚氨酯與混凝土之間的粘結(jié)無(wú)法由單-粘結(jié)理論明確闡述，而需多種理論內(nèi)不同種類的作用方式綜合解釋，其中較為主要的粘結(jié)方式是機(jī)械粘結(jié)和化學(xué)結(jié)合。

在微觀層面上，混凝土表面存在諸多孔隙和凸起。當(dāng)固化的嵌縫材料浸潤(rùn)到該界面上時(shí)，待到交聯(lián)固化以后，就形成了混凝土表面嵌接，如圖3所示。這種嵌接對(duì)粘結(jié)界面力學(xué)性能的貢獻(xiàn)在于使嵌縫材料與混凝土形成咬合或勾連，表征為機(jī)械粘結(jié)。

圖3 機(jī)械粘結(jié)類型

以聚氨酯嵌縫材料為例，經(jīng)正常工藝生產(chǎn)得到的混凝土中均會(huì)含有不同程度的水分，這些水分可與異氰酯反應(yīng)生成脲類化合物，而脲類化合物與混凝土中的金屬氧化物(如Al2O3等)螯合形成酰脲。脲類化合物具有較大極性，可使嵌縫材料與管片混凝土之間形成氫鍵，表征為化學(xué)粘結(jié)。其主要化學(xué)反應(yīng)如下

(1)

(2)

目前尚無(wú)相關(guān)研究表明該種混合粘結(jié)方式同樣可以用來(lái)解釋環(huán)氧樹脂嵌縫材料與管片混凝土的粘結(jié)狀態(tài)，因此還需要做進(jìn)一步研究探索。

2.2 試驗(yàn)試塊粘結(jié)面微觀分析

以改性環(huán)氧類材料與砂漿試塊間的粘結(jié)拉伸破壞為例，使用SEM掃描電鏡掃描其拉伸破壞界面，并對(duì)該面進(jìn)行制樣和噴金處理。試樣如圖4所示，SEM電鏡掃描如圖5所示。

圖4 拉伸破壞界面

圖5 電鏡掃描結(jié)果

由圖4可以看出，粘結(jié)界面破壞時(shí)嵌縫材料呈不均勻撕裂狀態(tài)分布于界面表面，與砂漿粘結(jié)較好部位的破壞表面帶有零星砂漿碎隙；粘結(jié)較差處嵌縫材料相對(duì)稠密。而圖5顯示，構(gòu)成嵌縫材料的高分子官能團(tuán)同砂漿內(nèi)物晶之間存在鑲嵌.包裹關(guān)系，可以推測(cè)嵌縫材料滲入砂漿表面凹凸不平的空隙內(nèi)，形成了粘結(jié)層(紅線所標(biāo)記部分)。在外力作用下，該粘結(jié)層受迫錯(cuò)動(dòng)后至少存在機(jī)械嚙合抗力。

但上述掃描結(jié)果僅能得出其存在機(jī)械粘結(jié)，尚無(wú)法判斷嵌縫材料與試塊粘結(jié)界面上是否存在化學(xué)粘結(jié)作用。故選擇上述破壞后的粘結(jié)試塊各3塊，將界面內(nèi)粘結(jié)良好部位制成切片，切片尺寸為2 cm×1 cm×1 cm，如圖6所示。使用X射線衍射儀對(duì)切片進(jìn)行X射線衍射技術(shù)(XRD)掃描分析，測(cè)試子項(xiàng)為廣角衍射(5°～85°)×6，即測(cè)試角度為5°～85°，采用默認(rèn)測(cè)試條件即可，目的為測(cè)試固體晶型是否發(fā)生改變，掃描結(jié)果如圖7所示，原始混凝土掃描結(jié)果如圖8所示。

圖6 切片情況

圖7 試樣掃描結(jié)果

圖8 原始混凝土掃描結(jié)果

對(duì)比圖7與圖8可以發(fā)現(xiàn)：在低角度的區(qū)域內(nèi)(橫坐標(biāo)表示角度)，砂漿試塊出現(xiàn)較大鈍峰，在其余石英峰和硅酸鹽峰也出現(xiàn)了較大的偏移，這是由有機(jī)物官能團(tuán)與無(wú)機(jī)物晶相互交錯(cuò)導(dǎo)致的結(jié)果，即物理(機(jī)械)粘結(jié)效應(yīng)。同時(shí)考慮到在該粘結(jié)試樣中，高角度區(qū)域未能找到其他相關(guān)的石英及硅酸鹽峰，由此推測(cè)此試樣中可能同時(shí)存在物理(機(jī)械)和化學(xué)粘結(jié)效應(yīng)。

3 混凝土-嵌縫材料粘結(jié)面動(dòng)力特性計(jì)算研究

盾構(gòu)隧道實(shí)際運(yùn)營(yíng)期間，列車振動(dòng).管片錯(cuò)臺(tái)或張開等情況會(huì)持續(xù)改變混凝土間相對(duì)位移，使接縫嵌縫部位被迫處于拉伸.剪切等受力狀態(tài)。另外，當(dāng)滲水滲透至嵌縫材料背面時(shí)，嵌縫材料受到一定水壓，對(duì)該處粘結(jié)面存在不利影響。因此，根據(jù)上述實(shí)際工況，對(duì)管片-嵌縫材料粘結(jié)面部位建立ABAQUS數(shù)值模型，討論該粘結(jié)面的動(dòng)力特性。

3.1 模型概況及加載處理

模型從工程實(shí)際出發(fā)，取管片混凝土強(qiáng)度等級(jí)C50，設(shè)置為各向同性彈性材料。嵌縫材料作為不可壓縮各向同性超彈性材料，選擇Mooney-Rivlin本構(gòu)模型[19-20]，具體參數(shù)見表3。其中界面抗拉強(qiáng)度和界面剪切強(qiáng)度數(shù)據(jù)主要依據(jù)文獻(xiàn)[11-12]。粘結(jié)面采用CZM模型，相關(guān)參數(shù)同樣采用試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)。內(nèi)聚力單元選擇COH3D8(八節(jié)點(diǎn)三維粘結(jié)單元)。

表3 模型參數(shù)

約束模型左側(cè)邊界混凝土的X.Y方向位移，通過控制右側(cè)混凝土X.Y方向位移來(lái)模擬管片的張開.錯(cuò)臺(tái)或振動(dòng)，將水壓施加在超彈性單元和內(nèi)聚力單元上邊界，即嵌縫材料背面。模型尺寸如圖9所示，總計(jì)13 524個(gè)單元。

圖9 模型尺寸(單位：mm)

關(guān)于列車振動(dòng)和氣動(dòng)荷載的計(jì)算，取自文獻(xiàn)[12]中第4章計(jì)算結(jié)果，如圖10所示。為防止動(dòng)力分析中出現(xiàn)應(yīng)力突變和荷載激化現(xiàn)象，水壓在1 s前以平滑曲線方式施加在嵌縫材料上表面(背面)，后面13 s保持水壓不變；管片變形以平滑曲線方式在7 s末施加在右側(cè)管片上；后7 s施加上述列車振動(dòng)荷載和氣動(dòng)荷載[10]。

圖10 動(dòng)力荷載

計(jì)算工況：靜力作用設(shè)置為張開量X=2 mm.錯(cuò)臺(tái)量Y=2 mm，水壓為0.7 MPa；動(dòng)力作用施加上述振動(dòng).氣動(dòng)荷載；計(jì)算時(shí)長(zhǎng)為14 s。監(jiān)測(cè)面取嵌縫材料左右2個(gè)粘結(jié)界面，具體表現(xiàn)為數(shù)值模型中兩粘結(jié)面上的內(nèi)聚力單元，如圖11所示。

圖11 模型監(jiān)測(cè)面

3.2 粘結(jié)面應(yīng)力歷程分析

粘結(jié)面內(nèi)聚力模型是基于彈塑性力學(xué)剝離過程的計(jì)算模型，因此提取嵌縫材料在斷裂臨界狀態(tài)內(nèi)聚力單元(監(jiān)測(cè)面上單元)的平均Mises應(yīng)力歷程進(jìn)行分析。嵌縫材料破壞歷程可由初始狀態(tài).剝離臨界狀態(tài).剝離發(fā)生狀態(tài)和完全剝離狀態(tài)作為歷程節(jié)點(diǎn)進(jìn)行劃分，3.1節(jié)所述工況下各歷程節(jié)點(diǎn)應(yīng)力云圖如圖12所示。

圖12 破壞歷程節(jié)點(diǎn)應(yīng)力云圖

由圖12可以發(fā)現(xiàn)，模型左側(cè)粘結(jié)面先開始剝離，隨后右側(cè)粘結(jié)面剝離，分析結(jié)束時(shí)右側(cè)粘結(jié)面單元留有一定殘余應(yīng)力，左側(cè)單元完全剝離，應(yīng)力減小為零。粘結(jié)面平均Mises應(yīng)力在前1 s均勻增加，隨后保持在一定范圍內(nèi)波動(dòng)；當(dāng)單元達(dá)到極限強(qiáng)度時(shí)單元開始損傷，應(yīng)變能達(dá)到破壞閾值時(shí)，粘結(jié)面開始剝離，平均Mises應(yīng)力下降。粘結(jié)面平均Mises應(yīng)力歷程如圖13所示。

圖13 粘結(jié)面平均Mises應(yīng)力歷程

另外，計(jì)算時(shí)改變水壓發(fā)現(xiàn)，混凝土-嵌縫材料粘結(jié)面的破壞形式可分為兩種：當(dāng)水壓過大時(shí)，界面粘結(jié)強(qiáng)度不足，嵌縫材料直接整體脫落；而當(dāng)嵌縫材料所受水壓較小時(shí)，粘結(jié)面的粘結(jié)強(qiáng)度足夠，嵌縫材料單側(cè)剝離，但未脫落。其界面破壞狀態(tài)如圖14所示。

圖14 粘結(jié)界面破壞狀態(tài)示意

3.3 粘結(jié)面臨界狀態(tài)應(yīng)力分析

粘結(jié)面破壞前臨界狀態(tài)應(yīng)力反映了粘結(jié)面的破壞趨勢(shì)，對(duì)其進(jìn)行分析將有助于改善嵌縫材料與管片的粘結(jié)受力性能，減少防水失效。為消除邊界效應(yīng)，取相同模型粘結(jié)面縱向中間部位處6個(gè)內(nèi)聚力單元進(jìn)行分析，兩側(cè)粘結(jié)面單元應(yīng)力分布如圖15所示。

圖15 兩側(cè)粘結(jié)面單元應(yīng)力分布

根據(jù)圖15可知，對(duì)于將要發(fā)生剝離的粘結(jié)面內(nèi)聚力單元，上部單元應(yīng)力較大，而在另一側(cè)粘結(jié)面內(nèi)則為下部單元應(yīng)力較大。可以推斷粘結(jié)面破壞形式為：在外荷載作用下，某側(cè)上部單元的內(nèi)聚能隨著應(yīng)力的增加而增加，當(dāng)其內(nèi)聚力單元上的應(yīng)力達(dá)到破壞判定條件時(shí)，單元開始發(fā)生分離，內(nèi)聚能積累至破壞閾值時(shí)，粘結(jié)面發(fā)生剝離并自上而下進(jìn)行擴(kuò)展。此時(shí)，粘結(jié)面有效接觸面積減小，另一側(cè)粘結(jié)面單元應(yīng)力顯著增加，若外荷載繼續(xù)增加，則該側(cè)粘結(jié)面也逐漸趨向破壞。因此，為減少嵌縫在動(dòng)力作用下的防水失效現(xiàn)象，可以在混凝土-嵌縫材料的粘結(jié)面上部增加粘結(jié)面面積，即增大接縫深度，擴(kuò)大接縫內(nèi)嵌縫材料和兩側(cè)管片混凝土的有效接觸面積，從而提升粘結(jié)面的粘結(jié)力。

4 結(jié)語(yǔ)

以管片混凝土-嵌縫材料粘結(jié)面為研究對(duì)象，通過靜力試驗(yàn).粘結(jié)機(jī)理試驗(yàn)和動(dòng)力數(shù)值模擬分析了盾構(gòu)隧道內(nèi)管片混凝土-嵌縫材料粘結(jié)面的基本力學(xué)性能.粘結(jié)機(jī)理和動(dòng)力特性，得出以下結(jié)論。

(1)以環(huán)氧樹脂系為嵌縫材料，經(jīng)過室內(nèi)試驗(yàn)得出粘結(jié)界面抗拉強(qiáng)度在(0.35±0.05)MPa之間，粘結(jié)界面剪切強(qiáng)度在(1.0±0.1)MPa之間。通過SEM電鏡和XRD掃描結(jié)果顯示，混凝土-環(huán)氧樹脂嵌縫材料的粘結(jié)面同時(shí)存在機(jī)械粘結(jié)和化學(xué)粘結(jié)兩種方式。

(2)動(dòng)力作用下，粘結(jié)面存在剝離破壞閾值，且嵌縫材料的剝離與否及剝離程度由動(dòng)力荷載的量值決定。超過該閾值時(shí)一側(cè)粘結(jié)面先行剝離，并隨荷載量值增大而擴(kuò)展至完全脫離；同時(shí)，另一側(cè)粘結(jié)面隨之發(fā)生剝離。

(3)增大接縫深度，擴(kuò)大接縫內(nèi)嵌縫材料和兩側(cè)管片混凝土的有效接觸面積，可適當(dāng)提升粘結(jié)面的粘結(jié)性能。