玄武巖纖維混凝土補(bǔ)強(qiáng)新老混凝土粘結(jié)性能試驗(yàn)研究

周焱斌，夜鵬飛

（1、廣東建科交通工程質(zhì)量檢測(cè)中心有限公司 廣州 510550；2、廣東省交通基礎(chǔ)設(shè)施智能檢測(cè)工程技術(shù)研究中心 廣州 510550；3、中交二航局建筑科技有限公司 武漢 430415）

0 引言

國(guó)家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展離不開(kāi)良好的交通運(yùn)輸系統(tǒng)，而港口碼頭、公路橋梁等作為交通運(yùn)輸系統(tǒng)的重要組成部分，大量已建混凝土基礎(chǔ)設(shè)施經(jīng)過(guò)多年服役，大部分已出現(xiàn)老化、病害等現(xiàn)象，因此需要探索混凝土維修加固的方法，從而保證充分利用在役混凝土［1］基礎(chǔ)設(shè)施的剩余價(jià)值、延長(zhǎng)其使用年限、更好地產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益。

混凝土結(jié)構(gòu)維修加固中的增大截面法主要應(yīng)用于道路橋梁及港口碼頭中，由于新老混凝土的收縮差異，導(dǎo)致在界面處產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng)、裂縫［2］等現(xiàn)象。

大量的工程實(shí)踐表明［3-5］，維修加固的效果主要取決于新老混凝土結(jié)合面的處理，新老混凝土結(jié)合面為維修加固構(gòu)件中最薄弱的位置，往往決定了工程結(jié)構(gòu)的承載力。

玄武巖纖維作為一種高性能環(huán)保型材料，具有耐高溫、耐腐蝕、強(qiáng)度高、價(jià)格低廉、環(huán)保等優(yōu)良性能，在建筑行業(yè)逐漸得到應(yīng)用和發(fā)展。在混凝土拌合中摻入玄武巖纖維，能有效改善混凝土的收縮性能，它與添加減縮劑以及增加新老混凝土結(jié)合面［6-7］的粗糙度等方法一起常用于破舊混凝土的修補(bǔ)工作。

目前國(guó)內(nèi)大多考慮單因素對(duì)新老混凝土結(jié)構(gòu)的收縮進(jìn)行分析［8］，而對(duì)于多個(gè)因素共同影響新老混凝土收縮的相關(guān)試驗(yàn)不多見(jiàn)，因此本文采用室內(nèi)試驗(yàn)的方法，考慮新老混凝土結(jié)合面的粗糙度、減縮劑的摻量、玄武巖纖維的摻量3 個(gè)因素對(duì)于新老混凝土試件的粘結(jié)收縮進(jìn)行分析，所獲相關(guān)試驗(yàn)結(jié)論以期為相關(guān)混凝土結(jié)構(gòu)維修加固工程提供參考。

1 試驗(yàn)材料

玄武巖纖維［9-10］較其他材料相比，以其綠色環(huán)保、優(yōu)異的性能廣泛應(yīng)用于工程領(lǐng)域，試驗(yàn)采用玄武巖纖維主要性能如下：密度為2.63 g/cm3，抗拉強(qiáng)度為3 000～4 800 MPa，彈性模量為93.1 GPa，斷后伸長(zhǎng)率為3.1%，最高工作溫度為650 ℃。

采用CHUPOL JS-1減縮劑，其化學(xué)物質(zhì)主要為聚醚衍生物，主要特征為影響表面活性，降低干燥收縮。水泥采用強(qiáng)度等級(jí)為42.5的普通硅酸鹽水泥。選用的中砂細(xì)度模數(shù)為2.57，表觀(guān)密度為2.63 g/cm3，堆積密度為1.40 g/cm3。選用粒徑為5～25 mm 級(jí)配良好的碎石，表觀(guān)密度為2.62～2.71 g/cm3，堆積密度為1.36g/cm3。試驗(yàn)用水采用符合《混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)：JGJ 63—2006》規(guī)定的自來(lái)水。水泥用量為460 kg/m3，用水為195 kg/m3，用砂為580 kg/m3，用碎石為1 165 kg/m3。

2 試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)采用不同新舊結(jié)合面粗糙度（結(jié)合面鑿毛深度0.4～0.5 mm、1.5～2.0 mm、3.0～3.5 mm）、不同減縮劑摻量（0%、2%、4%）以及不同玄武巖纖維摻量（0 kg/m3、3 kg/m3、6 kg/m3），共設(shè)計(jì)27個(gè)混凝土試件進(jìn)行新老混凝土粘結(jié)收縮試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)備采用HSP-540混凝土收縮膨脹儀，加配臥式標(biāo)具臺(tái)和千分表一套，參照《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 50082—2009》［11］規(guī)定的接觸法進(jìn)行試驗(yàn)。試件舊混凝土齡期已達(dá)180 d，新老混凝土尺寸50 mm×100 mm×515 mm，收縮試驗(yàn)所用混凝土試件具體尺寸如圖1 所示，觀(guān)測(cè)混凝土試件收縮發(fā)展時(shí)間為30 d。

圖1 新老混凝土試件模型尺寸Fig.1 Model Size of New and Old Concrete Specimen （mm）

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 混凝土收縮結(jié)果及典型試驗(yàn)曲線(xiàn)

根據(jù)設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方案，本次新老混凝土粘結(jié)收縮30 d收縮率如表1所示。27個(gè)新老混凝土試件在30 d的收縮率為175～457（10-6），對(duì)于27 個(gè)試件試驗(yàn)結(jié)果，其中SJ1 試件收縮率最大，為457（10-6），SJ27 試件收縮率最小，為175（10-6）。典型試件收縮時(shí)間發(fā)展曲線(xiàn)如圖2所示。

表1 新老混凝土粘結(jié)收縮試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Test Results of Bond Shrinkage of New and Old Concrete

圖2 SJ22試件粘結(jié)收縮時(shí)間發(fā)展曲線(xiàn)Fig.2 Development Curve of Bond Shrinkage Time of SJ22 Test Piece

從圖2 中可以看出，SJ22 試件隨時(shí)間收縮發(fā)展大致經(jīng)歷了兩階段，第一階段為早期的快速發(fā)展階段，SJ22 試件第8 d 收縮率為304×10-6，占30 d 收縮率的78.6%，第二階段為穩(wěn)定發(fā)展階段，粘結(jié)收縮時(shí)間曲線(xiàn)較為平緩。

3.2 結(jié)合面粗糙度、減縮劑摻量、玄武巖纖維摻量與收縮率關(guān)系分析

不同結(jié)合面粗糙度新老混凝土試件玄武巖纖維摻量與粘結(jié)收縮關(guān)系如圖3所示。

圖3 不同結(jié)合面試件玄武巖纖維摻量收縮關(guān)系Fig.3 Shrinkage Relationship of Basalt Fiber Content in Different Bonding Parts

結(jié)合表2 及圖3?中可以看出：結(jié)合面粗糙度為0.4～0.5 mm，玄武巖纖維摻量從0 kg/m3增加到3 kg/m3時(shí)，試驗(yàn)粘結(jié)收縮率分別減少了11.8%、18.3%、13.8%，當(dāng)玄武巖纖維摻量增加到6 kg/m3，收縮率分別減少了24.1%、35.9%、40.7%。

表2 各因素水平試驗(yàn)收縮值統(tǒng)計(jì)Tab.2 Statistics of Shrinkage Value of Each Factor Level Test

結(jié)合表2 及圖3?中可以看出：結(jié)合面粗糙度為1.5～2.0 mm，玄武巖纖維摻量從0 kg/m3增加到3 kg/m3時(shí)，試驗(yàn)粘結(jié)收縮率分別減少了13.0%、22.6%、16.9%，當(dāng)玄武巖纖維摻量增加到6 kg/m3，收縮率分別減少了28.9%、38.6%、43.1%。

結(jié)合表1 及圖3?中可以看出：結(jié)合面粗糙度為3.0～3.5 mm，玄武巖纖維摻量從0 kg/m3增加到3 kg/m3時(shí)，試驗(yàn)粘結(jié)收縮率分別減少了13.6%、23.5%、13.4%，當(dāng)玄武巖纖維摻量增加到6 kg/m3，收縮率分別減少了31.1%、41.9%、42.8%。

從以上分析可知，增加新老混凝土結(jié)合面粗糙程度，混凝土試件中摻入玄武巖纖維能夠改善試件粘結(jié)收縮性能，此外從表1 及圖3 中可以看出摻加一定量的減縮劑能夠改善試件的粘結(jié)收縮性能。

為了進(jìn)一步分析結(jié)合面粗糙程度、減縮劑摻量、玄武巖纖維摻量對(duì)于新老混凝土粘結(jié)收縮的影響，將各因素相同的水平試驗(yàn)結(jié)果取平均值，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2 所示，并繪制各因素不同水平試驗(yàn)結(jié)果收縮率平均值關(guān)系曲線(xiàn)，如圖4所示。

從表2及圖4中可以看出：

⑴新老混凝土在結(jié)合面粗糙度、減縮劑摻量、玄武巖纖維摻量3個(gè)水平的極差分別為45、106、139。

⑵新老混凝土試件收縮隨結(jié)合面粗糙度增加而減小，當(dāng)新舊結(jié)合面粗糙度從0.4～0.5 mm到1.5～2.0 mm，粘結(jié)收縮率從345 降低到319，降低了7.5%，到3.0～3.5 mm 時(shí)，降低了13.1%，表明改變結(jié)合面粗糙度可以減小新老混凝土試件的收縮，但效果不理想。

⑶摻入2%減縮劑較不摻加時(shí)混凝土試件收縮率降低了14.4%，摻入4%減縮劑時(shí)則降低了28.3%。

⑷對(duì)于玄武巖纖維摻量來(lái)說(shuō)，當(dāng)摻量從0 kg/m3增加到3 kg/m3時(shí)，粘結(jié)收縮率從389 降低到325，降低了16.5%，再到6 kg/m3時(shí)，降低到250，降低了35.7%。說(shuō)明改變玄武巖纖維摻量相較于其他兩個(gè)因素，對(duì)新老混凝土的粘結(jié)收縮性能影響最為顯著。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)設(shè)計(jì)試驗(yàn)對(duì)27 個(gè)不同因素水平的新老混凝土試件收縮試驗(yàn)結(jié)果分析，得出以下結(jié)論：

⑴新老混凝土試件收縮發(fā)展曲線(xiàn)大致經(jīng)歷了兩階段：第一階段為早期的快速發(fā)展階段；第二階段為穩(wěn)定發(fā)展階段，粘結(jié)收縮時(shí)間曲線(xiàn)較為平緩。

⑵新老混凝土試件收縮隨著結(jié)合面粗糙度的增加、減縮劑摻量的增加、玄武巖纖維摻量的增加而減小，改變玄武巖纖維摻量相較于其他兩個(gè)因素，對(duì)新老混凝土粘結(jié)收縮性能影響最為顯著。