內(nèi)埋聚氨酯膠管混凝土自修復(fù)效果計算式

王曉磊, 梁志權(quán)

(1.河北工程大學(xué) 土木工程學(xué)院, 河北 邯鄲 056038; 2.河北工程大學(xué) 河北省裝配式結(jié)構(gòu)技術(shù)創(chuàng)新中心, 河北 邯鄲 056038)

混凝土結(jié)構(gòu)在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中應(yīng)用廣泛,然而混凝土屬于一種脆性材料,容易開裂.若混凝土裂縫不及時處理,可能造成結(jié)構(gòu)使用功能喪失甚至發(fā)生事故.因此,混凝土結(jié)構(gòu)裂縫修補意義重大.

當前,關(guān)于混凝土自修復(fù)的研究為數(shù)不少[1],但主要集中于鋼-混凝土結(jié)構(gòu)承載力和混凝土立方體試塊力學(xué)性能的修復(fù)研究方面.如匡亞川等[2]提出內(nèi)置纖維膠液管和膠囊的修復(fù)方法,開展了鋼-混凝土結(jié)構(gòu)承載力的自修復(fù)研究;錢春雷等[3]進行了微生物導(dǎo)致混凝土表面缺陷及修復(fù)的研究;賈強等[4]對微生物沉積碳酸鈣修復(fù)混凝土裂縫進行了現(xiàn)場試驗;李沛豪等[5]進行了利用細菌誘導(dǎo)碳酸鈣沉積來修復(fù)混凝土裂縫的試驗研究,該研究對細小裂縫的修復(fù)研究進程有重要意義[6];李雙蓓等[7]運用雙樣條QR法對形狀記憶合金(SMA)混凝土梁修復(fù)進行了分析;陸洲導(dǎo)等[8]進行了環(huán)氧樹脂修復(fù)混凝土裂縫的斷裂試驗研究;程培峰等[9]研究了放置位置和放置方式等因素對混凝土自修復(fù)效果的影響.上述研究對提高混凝土的自修復(fù)能力作出了較大貢獻[1],但目前,針對混凝土構(gòu)件自修復(fù)效果計算式的研究還未有報道.

鑒于此,本文提出以混凝土的開裂荷載來表示修復(fù)前的最大承載力,以混凝土縫寬增量超過膠液最大彈性應(yīng)變時所對應(yīng)的荷載來表示修復(fù)后的承載力,將兩者比值作為混凝土自修復(fù)效果試驗值,并通過試驗驗證了自修復(fù)效果計算式的合理可靠性.

1 試驗概況

1.1 試件設(shè)計

為驗證混凝土自修復(fù)效果計算式是否適用于不同尺寸、受力方式、玻璃管形式及裂縫寬度等情況,試驗設(shè)計了10個混凝土基體,用其制作自修復(fù)混凝土試件,其參數(shù)如表1所示.其中CB系列混凝土試件(CB1～CB7)尺寸為100mm×100mm×500mm,用于剪壓試驗,裂縫寬度預(yù)控制為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5mm;CS系列混凝土試件(CS-1L、CS-2Z和CS-3W)尺寸為500mm×500mm×100mm,用于集中線荷載加載試驗,裂縫寬度均預(yù)控制為1.0mm[1-2,9-10].為防止混凝土試件脆性破壞,且較易形成不同寬度的裂縫,在其受拉區(qū)配置2種鋼筋,分別為直徑6mm的Q235鋼筋和直徑8mm的HPB300鋼筋.試驗修復(fù)因子選用修復(fù)建筑裂縫常用的長城牌聚氨酯黏結(jié)劑(購自當?shù)亟ú某?,其抗拉強度為2.45MPa,彈性模量為20～70MPa,光照1a后的抗拉強度折減至83%;修復(fù)裝置選用裝有聚氨酯黏結(jié)劑的石英玻璃管[2],玻璃管內(nèi)徑為12mm,外徑為14mm,長度為100mm,其制備過程參照文獻[9].試件裂縫使用ZBL—F103裂縫寬度觀測儀進行觀測.內(nèi)埋在試件中的修復(fù)裝置單層單列排列,鋼筋距試件底面25mm,距側(cè)邊25mm(CB系列試件)、50mm(CS系列試件).

表1 試件參數(shù)

1.2 加載設(shè)計

按GB/T 50081—2016《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標準》和GB/T 50152—2012《混凝土結(jié)構(gòu)試驗方法標準》分別進行CB系列試件的剪壓試驗和CS系列試件的集中線荷載加載試驗.當加載值達到開裂荷載附近時,需注意觀察裂縫出現(xiàn)情況,并記錄第1道裂縫形成時的荷載值;每級加載后觀察裂縫擴展情況,直到達到設(shè)定的裂縫寬度.若試驗過程中未達到規(guī)定裂縫寬度時就有膠液流出,則立即用速干膠將硬質(zhì)塑料粘在底面裂縫處,以防止因膠液流失,導(dǎo)致修復(fù)效果降低,同時采用隔級加載方式,加快加載進程.由于裂縫形成具有突然性和難控性,實際形成的裂縫寬度如下：0.6、0.9、1.2、1.8、2.5、3.0、3.5mm(CB系列試件)；1.1、1.2、1.0mm(CS系列試件).將加載好的混凝土試件放在室外地面上自然修復(fù)14d,測其修復(fù)效果[11].修復(fù)后的加載試驗過程與修復(fù)前的加載過程一樣,待裂縫寬度增量大于規(guī)定值或出現(xiàn)卸載情況時即終止試驗.試件加載示意圖如圖1所示.

1.3 混凝土基體參數(shù)確定

混凝土基體中的水泥采用強度等級為32.5的礦渣硅酸鹽水泥;砂采用中砂,細度模數(shù)為2.8;碎石采用青岡巖碎石,粒徑為5～31.5mm,其中5～10mm 的碎石質(zhì)量分數(shù)為35%,10～25mm的碎石質(zhì)量分數(shù)為65%.根據(jù)JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》設(shè)計混凝土基體的配合比,m(水泥)∶m(砂)∶m(碎石)∶m(水)=0.54∶1.00∶1.63∶3.30.

圖1 試件加載示意圖Fig.1 Schematic diagram of loading test(size:mm)

1.4 修復(fù)效果指標確定

(1)

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 試件受力破壞過程及形態(tài)

2.1.1加載過程

CB系列試件開裂前和開裂時均符合混凝土梁的剪切破壞特征.CB系列試件開裂后,隨著加載的繼續(xù)進行,當荷載到達某一值后,跨中裂縫不再擴展,加載點下方外側(cè)的裂縫則還在擴展;繼續(xù)加載,2個加載點下方裂縫中的1條停止擴展,另1條則繼續(xù)擴展;再繼續(xù)加載,該裂縫逐漸發(fā)展為裂縫寬度不同的貫通或不貫通的主裂縫.試驗中有3種現(xiàn)象出現(xiàn),如圖2所示.

圖2 CB系列試件破壞狀況Fig.2 Failure status of CB series specimen

由圖2可見：試件達到開裂荷載時,無跨中裂縫出現(xiàn),只有加載點下方外側(cè)出現(xiàn)裂縫(圖2(a));形成了1條裂縫貫通,且裂縫出現(xiàn)位置只集中在某一加載點下方,而非2個加載點下方(圖2(b));在底面主裂縫位置出現(xiàn)“人”字縫后與主裂縫交匯在一起(圖2(c)).產(chǎn)生圖2(a)裂縫有2個原因：一是石子大小不一,造成每個截面強度不完全相同;二是跨中處不是最大受力位置,因此跨中裂縫并未成為主裂縫.產(chǎn)生圖2(b)裂縫原因是2個加載位置截面強度不一致,導(dǎo)致形成了1條主裂縫.產(chǎn)生圖2(c)裂縫原因是試件底面的局部破壞.

CS系列試件開裂和裂縫發(fā)展過程較為常規(guī),符合素混凝土板集中荷載破壞特征.裂縫形成初期,跨中位置處形成非通長的3～4條間斷裂縫,從底部開始向上擴展,隨著加載的進行,間斷裂縫慢慢貫通,裂縫也向上擴展,裂縫變寬、變長.

2.1.2斷面破壞過程

為探究膠液-混凝土黏結(jié)強度與固化膠液自身抗拉強度的關(guān)系,對試件斷面處的固化膠片觀察分析.CB系列試件斷面破壞狀況如圖3所示.

圖3 CB系列試件斷面破壞狀況Fig.3 Failure status of CB series specimen

由圖3可見：CB系列試件的破壞面未發(fā)生在原裂縫處,而是在底部黏結(jié)處的外邊緣發(fā)生了破碎性斷裂.這說明試件底部修復(fù)膠液的黏結(jié)力很強,而距底部3cm以上位置黏結(jié)力較差;膠液并非均勻、整體充滿裂縫而是成片出現(xiàn)(或者離散無規(guī)律可循).從破裂面看,膠液固化形成的膠片未被撕裂,而是從混凝土的黏結(jié)面脫落,說明膠液的抗拉強度大于自然斷裂面的黏結(jié)強度.

2.2 特征點參數(shù)及自修復(fù)效果

通過試驗得到各試件的開裂荷載、縫寬、縫高及修復(fù)后的荷載等特征參數(shù),并計算出各試件的自修復(fù)效果試驗值,如表2所示.

表2 試件特征點參數(shù)

3 修復(fù)效果計算式

3.1 修復(fù)效果定義分析

混凝土自修復(fù)效果(η)是指混凝土修復(fù)前后性能的對比.由于混凝土的性能指標具有多樣性[1],導(dǎo)致其修復(fù)效果表達式也呈多樣性.從構(gòu)件的拉、彎、剪、扭承載力計算式中可知,除了鋼筋承擔(dān)部分荷載外,其余荷載均由混凝土承擔(dān)[12],且混凝土承載力計算值的大小與加載位置形式、構(gòu)件尺寸、混凝土抗拉強度和修正系數(shù)有關(guān).因此,本文在研究混凝土修復(fù)效果表達式時,將混凝土矩形截面構(gòu)件自修復(fù)效果表達式分為以下3類[12].

受拉構(gòu)件:

(2)

(3)

受彎構(gòu)件:

(4)

(5)

受剪構(gòu)件:

(6)

(7)

將上述混凝土自修復(fù)效果表達式整合簡化為：

(8)

式中：F1、F2分別為混凝土自修復(fù)后和自修復(fù)前的承載力;k為修正系數(shù).

令有效填充系數(shù)γ1=S1/S,則式(8)可表示為：

(9)

3.2 自修復(fù)后裂縫處抗拉強度的確定

混凝土自修復(fù)后裂縫處抗拉強度f分析示意圖如圖4所示.由圖4可見,混凝土自修復(fù)后裂縫處抗拉強度f的影響因素有2類——修復(fù)因子與接觸面(混凝土)的黏結(jié)強度fb和修復(fù)因子自身的抗拉強度ff.N為外界拉力.

圖4 混凝土修復(fù)后裂縫處抗拉強度分析示意圖Fig.4 Tensile stress analysis of cracks after repair

(10)

3.3 自修復(fù)效果計算式合理性分析

影響自修復(fù)混凝土修復(fù)效果的因素有很多[1,9],將這些影響因素分為4類：第1類是裂縫形式,不同的裂縫形式對修復(fù)因子黏結(jié)強度的消減程度不同;第2類是修復(fù)因子的黏結(jié)強度,具體可分為膠液黏結(jié)強度、微生物礦化沉淀黏結(jié)強度和其他可影響前兩者強度的因素;第3類是修復(fù)因子有效填充面積或有效填充量(包括裂縫尺寸,修復(fù)裝置形式、布置形式、位置及修復(fù)因子含量等因素);第4類是混凝土的強度等級.

綜上所述,裂縫處抗拉強度的4類影響因素與混凝土自修復(fù)效果試驗的4類影響因素相互對應(yīng).因此以裂縫為研究對象,混凝土自修復(fù)效果表達式用自修復(fù)后裂縫處抗拉強度和自修復(fù)前抗拉強度(即混凝土抗拉強度)的比值來表示是可行的.

3.4 單向單層縱筋(少筋)對混凝土自修復(fù)效果影響的判斷方法

由于混凝土具有脆性且裂縫較難控制,在大量混凝土自修復(fù)研究中,均采用底部(開裂處)配筋的解決辦法.而配筋是否影響修復(fù)效果的準確性尚無定論.本文從兩方面給出判定參考.

(2)由幾何(變形)條件可知：若截面在開裂前混凝土與鋼筋黏結(jié)良好,則二者的變形(δc和δs)可視為相同,即δc=δs.混凝土臨開裂前會出現(xiàn)少量塑性變形,應(yīng)力增長稍減,由于塑性階段承載力增量有限,相較于彈性階段的最大承載力,其可以略去不計[13].由彈性體抵抗變形計算公式k=F/δ[13](F為作用于結(jié)構(gòu)的恒力,δ為材料因力而產(chǎn)生的形變)可得到：

(11)

式中：Fc、Fs分別為作用于混凝土和鋼筋的恒力;kc、ks分別為混凝土和鋼筋的剛度;δc、δs分別為混凝土和鋼筋的形變;Ic、Is分別為混凝土和鋼筋的慣性矩.

式(11)中EcIc/EsIs<0.1%，則可認為Ic?Is，說明開裂前混凝土承擔(dān)的拉力遠大于鋼筋承擔(dān)的拉力,混凝土基體中的配筋對混凝土自修復(fù)的影響可以忽略.因此通過配筋控制混凝土的開裂,來研究混凝土的自修復(fù)效果是可行的.

3.5 計算式中參數(shù)的確定

3.5.1有效填充系數(shù)γ1的確定

根據(jù)混凝土自修復(fù)后修復(fù)因子(膠液)填充面積S1和裂縫面積S,計算得到有效填充系數(shù)γ1,見表3.

表3 有效填充系數(shù)γ1

由表3可知,修復(fù)因子填充面積隨裂縫面積的增大而有所上升,當裂縫面積等于混凝土試件橫截面面積時,修復(fù)因子填充面積不再增大,而是隨縫寬的增大而下降.裂縫面積較小時,縫寬也較小,石英玻璃管處的縫寬也較小,此時膠液流出較少,裂縫的毛細作用使膠液擴散,導(dǎo)致修復(fù)因子填充不充分.隨著裂縫面積增大,縫寬也在增大,玻璃管處的縫寬變大,膠液流出變多,毛細作用使膠液擴散,填充面積變大.當裂縫面積等于橫截面積時,縫寬變得肉眼可觀,膠液流出后不再有毛細作用,或者說毛細所用很弱,導(dǎo)致填充效果變差.以上分析可為膠液最佳填充面積的研究提供參考.

3.5.2斷面折減系數(shù)γ2的確定

根據(jù)JTG D40—2011《公路水泥混凝土路面設(shè)計規(guī)范》可知,混凝土抗折強度與抗拉強度成線性相關(guān),因此將混凝土抗折強度線性轉(zhuǎn)換為抗拉強度.表4 為C30混凝土不同形式斷面修復(fù)后的抗折強度[11].表5為長城717膠黏劑與混凝土不同形式斷面的黏結(jié)強度(抗拉強度).由表4、5可知,混凝土斷面折減系數(shù)γ2為0.688(14d自然斷裂面和切割面抗拉強度之比).

表4 C30混凝土不同斷面修復(fù)后的抗折強度

表5 用長城717膠黏劑修復(fù)后的混凝土抗拉強度

3.6 試驗結(jié)果驗證

為驗證自修復(fù)效果計算式(式(10))的可靠性,將自修復(fù)效果計算值(ηcal)與試驗值(ηexp)進行對比,如表6所示.

表6 自修復(fù)效果試驗值與計算值

由表6可知，混凝土自修復(fù)效果試驗值與有效填充系數(shù)線性相關(guān)性較強,相關(guān)系數(shù)為0.994；修復(fù)效果試驗值均略大于計算值,兩者比值的均值為1.0397,相關(guān)系數(shù)達0.9859,說明兩者相差不大,變異系數(shù)較小.可見本文提出的自修復(fù)混凝土修復(fù)效果表達式的計算值與試驗值吻合良好,計算合理可靠,可用于指導(dǎo)設(shè)計.

導(dǎo)致修復(fù)效果試驗值略大于計算值的原因有以下2點：(1)混凝土自修復(fù)后膠液在未完全填充截面的情況下,加載過程中的鋼筋會不可避免地提供小部分承載.(2)自修復(fù)效果計算(式(10))中斷面折減系數(shù)γ2理論上是不完全斷裂時的折減系數(shù),而計算時用的γ2是完全斷裂時的折減系數(shù),后者小于前者.在實際工程中,膠液一般不會完全填充斷裂面,且裂縫不會開展到足夠大,也就是說不允許斷裂面完全斷裂,因此以上2種情況都不容易解決,可將自修復(fù)效果試驗值與計算值間的差值作為工程上的安全儲備.需要說明的是，由于本文試驗數(shù)據(jù)有限,現(xiàn)行文獻也無數(shù)據(jù)可用,所以式(10)中的修正系數(shù)k需要在今后的研究工作中用大量試驗數(shù)據(jù)來確定.

4 結(jié)論

(1)推導(dǎo)出混凝土自修復(fù)效果的計算式,計算式中的系數(shù)與自修復(fù)效果影響因素一一對應(yīng);同時給出了各系數(shù)的確定方式,并通過不同試件尺寸、受力方式、玻璃管形式和裂縫寬度試驗驗證了計算式的準確性.

(2)試件開裂前,當鋼筋承載力Ns遠小于混凝土承載力Nc時,鋼筋對混凝土自修復(fù)效果的影響可以忽略.

(3)在膠液作為修復(fù)因子的混凝土自修復(fù)試驗中,黏結(jié)較好的底部裂縫不會再次破壞,而在膠縫周邊易出現(xiàn)局部破碎,從而導(dǎo)致自修復(fù)失效.

由于試驗限制,本文只進行了1種混凝土的配合比試驗,還需要大量的試驗數(shù)據(jù)來完善自修復(fù)效果表達式中的各系數(shù),同時自修復(fù)效果計算表達式也需要大量試驗進行驗證.因此,此公式僅為今后混凝土的自修復(fù)研究提供參考.