混雜纖維混凝土與既有混凝土的粘結(jié)斜剪性能試驗研究

夏冬桃,李欣怡,吳 昊

(1.湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430068；2.長江航務(wù)管理局機關(guān)事務(wù)中心，湖北 武漢 430014)

混凝土結(jié)構(gòu)長時間在外界因素的影響下，受到環(huán)境的侵蝕以及不同程度的破壞，其耐久性以及承載能力隨之下降。在工程建設(shè)和應(yīng)用過程中，對于年久失修以及不再滿足使用要求的建(構(gòu))筑物、路面、橋面等，應(yīng)進(jìn)行混凝土的修補和加固改造，使其滿足規(guī)范的安全使用性能。在建筑結(jié)構(gòu)的加固、翻新或新建過程中經(jīng)常遇到疏松部分露出堅實的混凝土或砂漿，以及長期磨損或碰撞下混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)掉角、斷裂等問題[1]，當(dāng)對其進(jìn)行修補或加固時，需要新老混凝土界面具備較好的粘結(jié)力；其粘結(jié)性能的情況直接反映修補加固的成功與否[2-3]。因普通混凝土抗拉性能和抗裂性能較差，普通混凝土與既有混凝土界面粘結(jié)強度較低，導(dǎo)致粘結(jié)的質(zhì)量和加固效果較差。

摻入纖維是改善水泥基復(fù)合材料強度和韌性的有效途徑之一[4]，混凝土的力學(xué)性能和耐久性能隨著摻入纖維量增加而提高，性能不同的纖維對混凝土的改性優(yōu)勢得到充分發(fā)揮并產(chǎn)生互補疊加效應(yīng)[5-6]。目前對于單摻纖維混凝土作為新混凝土已經(jīng)取得一定研究成果，摻入一定量的纖維及使用界面劑能夠提高新老混凝土的粘結(jié)斜剪強度及粘結(jié)性能[7-13]，但是關(guān)于混雜纖維增強混凝土作為補強混凝土的研究尚不多見。從性能、應(yīng)用和經(jīng)濟上綜合考慮，選用高彈性模量的鋼纖維和低彈性模量的聚丙烯纖維，兩者優(yōu)勢互補所產(chǎn)生的混雜效應(yīng)能有效提高混凝土的阻裂和增韌性能。為更好地延長混凝土結(jié)構(gòu)的壽命，提高結(jié)構(gòu)修補加固的質(zhì)量，降低修補成本，從而符合“綠色建筑”可持續(xù)發(fā)展的要求，筆者通過開展混雜纖維增強混凝土與既有混凝土的粘結(jié)斜剪性能試驗研究以及粘結(jié)面微觀界面的分析，研究如何提高新老混凝土界面粘結(jié)強度，進(jìn)而為混凝土結(jié)構(gòu)加固補強提供借鑒。

1 試 驗

1.1 原材料

參照《纖維混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 221—2010)[14]選用原材料。水泥采用湖北“華新牌”P.O 42.5普通硅酸鹽水泥；粗骨料采用粒徑5～25 mm的連續(xù)集配碎石；細(xì)骨料采用細(xì)度模數(shù)為2.6的河砂；礦渣粉為武漢微神科技有限公司生產(chǎn)的P8000系列超細(xì)礦渣粉，取代率為20%；減水劑為高效聚羧酸減水劑，減水率為24%～26%；試驗用水為普通自來水；界面劑為Sika公司生產(chǎn)的32N&LP的雙組份環(huán)氧界面劑。

試驗所用的纖維：武漢新途工程新材料科技有限公司生產(chǎn)的多錨固點鋼纖維(SF)和美國“杜拉”牌聚丙烯單絲纖維(PF)，纖維性能指標(biāo)見表1。

表1 纖維參數(shù)

1.2 試驗配合比

表2 既有混凝土配合比

表3 新澆混雜纖維混凝土配合比及纖維摻量

1.3 試件制作

根據(jù)表2的既有混凝土配合比提前澆筑一批長寬高為100 mm×100 mm×300 mm的試件，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室養(yǎng)護28d后用切割機以保持夾角為30°的方式將單個試件斜切成兩個大小相同、形狀為楔形的既有混凝土斜剪試件(見圖1)。對養(yǎng)護成型的試件進(jìn)行切槽處理，然后通過“灌砂法”測量處理面的粗糙度，經(jīng)計算其平均灌砂深度為5.3 mm，滿足粘結(jié)質(zhì)量要求[17]。

圖1 既有混凝土斜剪試件

參照文獻(xiàn)[18]，新老混凝土粘結(jié)斜剪試件均為兩個相同尺寸的楔形試件結(jié)合而成的棱柱體，其粘結(jié)面與豎直面保持夾角為30°(見圖2)。將切槽處理好的既有混凝土試件放入試驗前準(zhǔn)備好的棱柱體模具內(nèi)，將拌好的環(huán)氧界面劑均勻地涂抹在粘結(jié)面處(見圖3)，另一半混雜纖維混凝土依照“斜上補”的方式進(jìn)行澆筑，隨后把混凝土振動均勻，將表面處抹平，試件在靜置24 h后進(jìn)行標(biāo)號記錄，最后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室養(yǎng)護28 d后取出，開展試驗。

圖2 斜剪試件示意圖

圖3 粘結(jié)面涂抹環(huán)氧界面劑

1.4 試驗方法

按照《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2019)[19]的相關(guān)規(guī)定，將試件直立放在下壓板的中心(見圖4)，試驗加載速度為每秒鐘3～5 kN，當(dāng)試件破壞時記錄最終破壞荷載?；炷琳辰Y(jié)試件的斜剪試驗是雙重力學(xué)性能破壞試驗，既是混凝土試件進(jìn)行受壓、也是粘結(jié)界面處進(jìn)行受剪的破壞，混凝土粘結(jié)斜剪強度以及剪切面上的壓應(yīng)力根據(jù)混凝土立方體抗壓公式進(jìn)行推算，按式(1)、式(2)計算，精確至0.01 MPa：

圖4 粘結(jié)斜剪強度試驗

(1)

(2)

式中：fst為混凝土粘結(jié)斜剪強度，MPa；N為破壞時粘結(jié)面上壓應(yīng)力，MPa；P為混凝土試件破壞荷載，N；A為試件承載面積，mm2。

2 試驗現(xiàn)象及結(jié)果分析

2.1 破壞形態(tài)

觀察壓好的混凝土試件可以發(fā)現(xiàn)，破壞面大多數(shù)發(fā)生在新老混凝土的粘結(jié)面上(見圖5)，側(cè)面證明了破壞面的位置與是否涂抹界面劑無關(guān)。在未涂抹界面劑的粘結(jié)面上，既有混凝土的切槽縫里含有混雜纖維混凝土的漿體，被拔出和剪斷的鋼纖維和聚丙烯纖維在粘結(jié)面上可被觀察到(見圖5(a))；當(dāng)粘結(jié)面上涂抹了環(huán)氧界面劑，既有混凝土和混雜纖維混凝土上均布滿著乳白色的界面劑以及拔出的和剪斷的鋼纖維(見圖5(b))。

圖5 粘結(jié)斜剪試件粘結(jié)面

混凝土粘結(jié)試件在斜剪試驗階段的破壞形式有三種(見圖6)：第一類破壞形式為既有混凝土未破壞但邊緣脫落，界面切槽間距較大，且深度不明顯；第二類和第三類破壞形式為既有混凝土被破壞且脫落，界面切槽較深且間距較密。

第二，進(jìn)一步提升社區(qū)家長教育的水平。經(jīng)過筆者調(diào)查，當(dāng)前社區(qū)教育主要管理者中大部分不是教育類專業(yè)畢業(yè)，這就容易導(dǎo)致社區(qū)教育政策和內(nèi)容出現(xiàn)偏差行為。專業(yè)的社區(qū)家長教育的管理者和執(zhí)行者不僅要能夠深刻理解有關(guān)的兒童和青少年教育理論和行為，更需要把握成人教育的立足點和切入點，能夠懂得如何設(shè)計系統(tǒng)的社區(qū)家長教育課程，能夠組合課程開發(fā)團隊，能夠指導(dǎo)形成科學(xué)規(guī)范的課程體系以及配備專業(yè)的教育師資。怎樣加強社區(qū)教師隊伍專業(yè)化建設(shè)，需要對如何加強社區(qū)教育專職教師、兼職教師和志愿者教師隊伍的專業(yè)化建設(shè)進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)研究［5］。

圖6 斜剪試件的三種破壞形式

2.2 試驗結(jié)果與分析

2.2.1 試驗結(jié)果

文獻(xiàn)[18]中采用的粘結(jié)斜剪強度的計算方法是綜合考慮壓力和剪切力兩個因素進(jìn)行推算的，而文獻(xiàn)[20]中采用的界面剪切粘結(jié)強度計算方法是按抗壓強度計算式(3)得來：

(3)

式中：τ為混凝土粘結(jié)斜剪強度，MPa；F為混凝土試件破壞荷載，N；A為混凝土界面實際粘結(jié)面積，mm2。

混凝土整體抗壓試驗、混雜纖維混凝土與既有混凝土粘結(jié)斜剪試驗結(jié)果見表4。

表4 混凝土整體抗壓及粘結(jié)試件斜剪強度

根據(jù)文獻(xiàn)[20]的相關(guān)規(guī)定，ACI標(biāo)準(zhǔn)界面斜剪試驗粘結(jié)強度在28 d的測試強度為14～21 MPa。表4中未加界面劑的普通混凝土粘結(jié)試件未達(dá)到強度要求，其他類型的粘結(jié)試件均在規(guī)范要求的強度范圍內(nèi)。

2.2.2 纖維的影響

圖7為各纖維種類分別在基于ASTM標(biāo)準(zhǔn)和ACI標(biāo)準(zhǔn)下對混凝土粘結(jié)斜剪強度的影響。由圖可知，當(dāng)粘結(jié)界面處無界面劑時，0.11PFRC、0.8SFRC、1.2SFRC、0.8HFRC和1.2HFRC的粘結(jié)斜剪強度與OC的粘結(jié)斜剪強度相比，增幅分別依次為4%、16%、24%、19%、29%；同理，當(dāng)粘結(jié)界面涂抹環(huán)氧劑時，0.11PFRC、0.8SFRC、1.2SFRC、0.8HFRC、1.2HFRC與OC的粘結(jié)斜剪強度相比，粘結(jié)斜剪強度的增幅依次為1%、10%、15%、12%、19%。

圖7 纖維對粘結(jié)斜剪強度影響

分析可知，當(dāng)涂抹環(huán)氧劑時，1.2HFRC的粘結(jié)斜剪強度增幅最大，0.11PFRC粘結(jié)斜剪強度增幅最小，SFRC粘結(jié)斜剪強度增幅介于二者之間。當(dāng)混凝土試件內(nèi)部摻入纖維后，新老混凝土與粘結(jié)面之間的收縮差減小，界面區(qū)細(xì)小裂縫的發(fā)展受到抑制，從而能有效地提高混凝土試件粘結(jié)斜剪強度。

2.2.3 混雜效應(yīng)分析

體積分?jǐn)?shù)分別為0.8%和1.2%的鋼纖維以單摻和混摻的形式對混凝土粘結(jié)斜剪強度影響曲線見圖8。從圖中可以看出，當(dāng)粘結(jié)界面未涂抹界面劑、鋼纖維摻量為0.8%時，混雜纖維混凝土試件的粘結(jié)斜剪強度比單摻鋼纖維混凝土試件增加了1.02 MPa，提高了7.2%；鋼纖維摻量為1.2%時，混雜纖維混凝土試件的粘結(jié)斜剪強度比單摻鋼纖維混凝土試件增加了1.14 MPa，提高了7.5%。同理，當(dāng)粘結(jié)界面涂抹環(huán)氧劑、鋼纖維摻量為0.8%時，混雜纖維混凝土試件的粘結(jié)斜剪強度比單摻鋼纖維混凝土試件增加了0.34 MPa，提高了2%；鋼纖維摻量為1.2%時，混雜纖維試件的粘結(jié)斜剪強度比單摻鋼纖維混凝土試件增加了0.60 MPa，提高了3.4%。

圖8 混雜纖維對粘結(jié)斜剪強度影響

分析可知，在鋼纖維摻量相同時，混雜纖維混凝土試件與單摻鋼纖維混凝土試件相比，粘結(jié)斜剪強度相差較小，平均提升幅度約為5%；同類型的混凝土試件隨著鋼纖維摻量增加能有效提高粘結(jié)斜剪強度，纖維摻量每增加0.1%，平均提升斜剪強度約為0.18 MPa。由此可知“混雜效應(yīng)”對粘結(jié)斜剪強度的提高并不明顯，所以在實際工程的應(yīng)用過程當(dāng)中，可以通過增加鋼纖維的摻量，有效提高混凝土的粘結(jié)斜剪強度。

2.2.4 界面劑的影響

不同纖維種類在涂抹環(huán)氧界面劑下對混凝土粘結(jié)斜剪強度的影響曲線見圖9。從圖中可以看出，無論粘結(jié)面是否涂抹界面劑，新澆混雜纖維混凝土的抗壓強度遠(yuǎn)大于混雜纖維混凝土與既有混凝土的粘結(jié)斜剪強度；在纖維摻量不同的混凝土試件中，無界面劑混凝土試件的粘結(jié)斜剪強度均低于涂抹環(huán)氧界面劑混凝土試件的粘結(jié)斜剪強度。OC普通混凝土試件涂抹環(huán)氧界面劑后，與未涂的試件相比，其粘結(jié)斜剪強度增幅最大，約為41%；而1.2SFRC單摻鋼纖維混凝土試件涂抹環(huán)氧界面劑后，與未涂的試件相比，粘結(jié)斜剪強度增幅最小，約為22%，在涂抹環(huán)氧界面劑后不同纖維摻量的混凝土試件增幅平均為3 MPa左右。

圖9 界面劑對粘結(jié)斜剪強度的影響

不同體積分?jǐn)?shù)纖維混雜和涂抹界面劑對粘結(jié)斜剪強度影響曲線見圖10。從圖中可以看出，OC、0.8SFRC、1.2SFRC三種粘結(jié)試件在涂抹環(huán)氧界面后強度的增幅都遠(yuǎn)超過纖維混雜效應(yīng)的強度增幅，影響粘結(jié)強度提高的主要因素是環(huán)氧界面劑，這為實際工程的加固提供了一定的借鑒。

圖10 纖維混雜和界面劑對粘結(jié)斜剪強度的影響

3 粘結(jié)面微觀分析

混凝土界面的粘結(jié)性能是宏觀力學(xué)性能的表現(xiàn)，纖維混凝土粘結(jié)面在應(yīng)力作用下，粘結(jié)界面會提前破壞，導(dǎo)致纖維增強的效果沒有完全發(fā)揮，因此有必要研究纖維-混凝土之間的粘結(jié)作用機理。筆者分別對1.2HFRC環(huán)氧界面劑粘結(jié)試件和OC無界面劑粘結(jié)試件取樣進(jìn)行SEM分析，觀察界面粘結(jié)面處的微觀構(gòu)造，取樣位置見圖11，兩種試件的微觀結(jié)構(gòu)圖如圖12和圖13所示。

圖11 試件取樣位置

圖12 無界面劑OC粘結(jié)試件粘結(jié)面SEM圖

圖13 環(huán)氧界面劑1.2HFRC粘結(jié)試件粘結(jié)面SEM圖

從微觀結(jié)構(gòu)來看，圖12中OC試件粘結(jié)面上有一條寬度約為80 μm的裂縫，其形成的原因是在混凝土發(fā)生水化反應(yīng)前期階段，新澆筑的混凝土內(nèi)部所含的水分通過振動臺振搗后，向著老混凝土一側(cè)移動，導(dǎo)致水灰比在粘結(jié)面處開始增大。與此同時，骨料經(jīng)過擠壓后水逐步形成一層水膜，老混凝土一側(cè)的水膜伴隨著界面區(qū)水化反應(yīng)持續(xù)增大開始逐漸消失，最終形成孔隙。同時水化反應(yīng)受界面區(qū)生成的大量C-H晶體以及AFT影響，造成了反應(yīng)的不充分；界面區(qū)存在大量疏松網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，粘結(jié)強度隨之降低。

從圖13可以看出，粘結(jié)面處無明顯裂縫，環(huán)氧界面劑附著在混凝土粘結(jié)面上，環(huán)氧界面劑在粘結(jié)面上形成一層“乳膜”，并且滲入新老混凝土間微小的孔隙中，與C-H晶體緊密粘結(jié)在一起，試件的粘結(jié)強度得到明顯提高。從圖中還可以看出，試件中混雜著少量聚丙烯纖維，并且從1K和5K放大的SEM圖中看到有少量C-H晶體和AFT晶體在聚丙烯纖維表面，孔隙率較OC粘結(jié)試件要小，分析原因是新混凝土在攪動過程中，纖維在水泥凝膠作用下形成化學(xué)粘結(jié)力，纖維周圍的孔隙率得到改善，基體粘結(jié)更緊密。

鋼纖維有親水性的特性，聚丙烯纖維有憎水性，混雜纖維混凝土在攪拌時，鋼纖維基體附近的干縮值隨著鋼纖維附近的水灰比增大而增大，與未摻加聚丙烯纖維的混凝土相比，此時鋼纖維受到更大的豎向壓力，基體緊緊包裹住鋼纖維，基體與鋼纖維之間的摩擦力也隨之增大，使鋼纖維難以從基體中拔出；異形鋼纖維在拔出時，與之接觸的混凝土易產(chǎn)生裂縫，摻入聚丙烯纖維則抑制了細(xì)小裂縫的發(fā)展，部分混凝土碎片與聚丙烯纖維攪成團，滯留在鋼纖維的拉拔通道中，阻礙鋼纖維拔出，若不摻聚丙烯纖維，鋼纖維隨受力方向拔出，則纖維的機械咬合力效果開始呈現(xiàn)出遞減狀(見圖14)。

圖14 機械咬合力受纖維的影響

4 結(jié) 論

(1)纖維混凝土試件相較普通混凝土試件，其粘結(jié)斜剪均達(dá)到了文獻(xiàn)[20]中28d斜剪強度；未涂抹界面劑下，1.2HFRC試件的粘結(jié)斜剪強度與OC相比增幅最大，為29%；1.2HFRC混雜纖維混凝土試件的粘結(jié)斜剪強度在涂抹環(huán)氧界面劑后，提高幅度最大，達(dá)到了19%。

(2)在鋼纖維摻量相同時，混雜纖維混凝土試件與單摻鋼纖維混凝土試件相比，粘結(jié)斜剪強度相差較小，平均提升幅度約為5%；同類混凝土試件隨著鋼纖維摻量增加能有效提高粘結(jié)斜剪強度，纖維摻量每增加0.1%，平均提升斜剪強度約為0.18 MPa。

(3)普通混凝土試件涂抹環(huán)氧界面劑后，與未涂的試件相比，其粘結(jié)斜剪強度增幅最大，約為41%。而1.2SFRC單摻鋼纖維混凝土試件涂抹環(huán)氧界面劑后，與未涂的試件相比，粘結(jié)斜剪強度增幅最小，約為22%。在涂抹環(huán)氧界面劑后，不同纖維摻量的混凝土試件增幅平均提高約為3 MPa左右，證明環(huán)氧界面劑是一種良好的混凝土界面劑。

(4)涂抹環(huán)氧界面劑的1.2HFRC粘結(jié)試件SEM圖上無明顯的裂縫，新老混凝土基體與界面劑粘結(jié)緊密；混雜纖維的摻入使纖維與基體附近的水化反應(yīng)加劇，改善了界面區(qū)的結(jié)構(gòu)；聚丙烯纖維抑制了裂縫的產(chǎn)生，鋼纖維與基體的機械咬合力增強，界面粘結(jié)性能增大。