工程混凝土構(gòu)件修復(fù)材料粘接性能研究

王穩(wěn)江,薛 茹,孫文文

(1.楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西 楊凌 712100;2.陜西交通建設(shè)養(yǎng)護工程有限公司,陜西 西安 710117;3.東北石油大學(xué),黑龍江 大慶 163318)

修復(fù)材料和基底混凝土構(gòu)件之間的良好粘接是修復(fù)構(gòu)件所需的基本性能之一[1]。通過充分的粘接性能可以提高對各種物質(zhì)滲透的抵抗力[2]。通過去除界面處的弱邊界層并處理表面使其粗糙化,可以改善粘接性能[3]。不僅應(yīng)適當(dāng)評估這些修復(fù)的粘接性能,還應(yīng)適當(dāng)評估全面修復(fù)構(gòu)件的未來性能[4]。通過使用可控制修復(fù)材料的多裂紋和分層行為的材料設(shè)計概念,可提高修復(fù)構(gòu)件的韌性[5-7]。

評估粘接性能的常規(guī)指標(biāo)是拉伸粘接強度、彎曲粘接強度、剪切粘接強度等參數(shù)[8]。然而,不能使用這些指標(biāo)評估最大荷載后的粘接性能[9]。為了估計修復(fù)構(gòu)件的破壞過程,評估最大荷載后的粘接性能非常重要[10]。拉伸軟化圖是斷裂力學(xué)參數(shù)之一[11],是混凝土斷裂過程區(qū)的拉伸應(yīng)力與裂縫寬度之間的關(guān)系。拉伸軟化圖下的總面積定義為開裂所需的斷裂能[12]。

1 材料配比與實驗條件

模型試樣的形狀如圖1所示。基底混凝土的配合比如表1所示。使用高早期強度硅酸鹽水泥。粗骨料(碎石)的尺寸范圍為5～15 mm。當(dāng)基底混凝土的齡期達(dá)到17周(119 d)時,將修復(fù)材料放置在模型試樣的凹陷區(qū)域。混凝土的抗壓強度和楊氏模量分別為62.6 MPa、25.0 GPa。4個模型試樣(指定試樣A～D)的條件及為模型試樣的垂直界面選擇了2種表面條件,如表2所示。一個在移除鋼模板后是光滑的,另一個在沖洗表面砂漿后是粗糙的,因為使用緩凝劑延遲硬化。所有模型試件的水平界面均處理成粗糙面。采用具有玻璃纖維的砂漿(水泥∶水∶砂=1.0∶0.27∶1.8)和聚合物水泥砂漿(苯乙烯-丁二烯橡膠型,PCM)作為修補材料。在放置修復(fù)材料后,將樣品在室外潮濕條件下固化7 d,然后用防水板覆蓋它們直到測試。

表1 基底混凝土的配合比

表2 接縫試樣

表3 修復(fù)材料的抗壓強度和楊氏模量

表4 抗拉強度和斷裂能

圖1 試樣模型

測定了稀土材料的抗壓強度和楊氏模量。如圖2所示,將5個由黃銅制成的塞子粘在模型試樣的修復(fù)層表面上,以使用接觸應(yīng)變儀(測量長度:250 mm)測量收縮應(yīng)變。為了監(jiān)測垂直界面處的裂紋形成,如圖3所示,使用接觸應(yīng)變儀測量了點a1和a2之間以及點b1和b2之間的距離變化(移動)。點a1和b1被認(rèn)為是原點。點a2和b2向試樣中心的移動被認(rèn)為是正的。采用放置修復(fù)材料后1 d的收縮應(yīng)變和運動的測量作為原點。

圖2 修復(fù)材料收縮應(yīng)變的測量

圖3 垂直界面附近收縮應(yīng)變的測量

通過圖4所示的連接試樣彎曲試驗確定了界面處的拉伸軟化圖?；炷梁托扪a材料(砂漿或PCM)在中心界面處接合(粗糙或光滑)。連接試樣的尺寸為(100×100×400)mm。接頭處的缺口深度為試樣深度的三分之一,由混凝土切割機制成。4種類型的節(jié)理試樣被命名為A～D系列,與模型試樣相對應(yīng)。在所有系列的7 d齡時,對3個連接試樣(加載跨度:300 mm)進(jìn)行了三點彎曲試驗。拉伸軟化圖通過使用實驗中測量的載荷CMOD(裂縫口張開位移)曲線的多線性近似分析方法確定。

圖4 拉伸軟化圖測定用連接試樣

2 參數(shù)測試

砂漿和PCM在7、14和31 d的抗壓強度如圖5所示。14 d后,砂漿的抗壓強度沒有增加;31 d砂漿的抗壓強度和楊氏模量分別為63.5 MPa和29.6 GPa。7 d后,PCM的抗壓強度略有增加;PCM在31 d的抗壓強度和楊氏模量分別為28.7 MPa和12.4 GPa。

圖5 模型試樣隨時間的收縮應(yīng)變

在模型試樣的4個截面上測量的收縮應(yīng)變的年齡和平均值之間的關(guān)系如圖5所示。砂漿收縮應(yīng)變的增量在7 d之前大于7 d后。PCM的收縮應(yīng)變在31 d之前的增量小于31 d后的增量,垂直界面處的表面條件不影響收縮應(yīng)變值。

3 性能分析與評價

3.1 模型試樣的收縮和開裂行為

時間與點a2和b2的運動之間的關(guān)系如圖6(a)、(b)所示。圖6(c)顯示了點a2和點b2的運動之間的差異,假設(shè)這是垂直界面裂紋寬度(VCW)。在樣品A和B的情況下,點a2的移動增加;但點b2的移動在14 d后減少。當(dāng)VCW大于零時,垂直界面處的裂紋似乎正在發(fā)生。14 d時,用肉眼在光滑表面的試樣B上觀察到垂直界面處的裂紋,21 d時,在粗糙表面的試樣A上觀察到裂紋。在樣本C和D的情況下,點a2和b2的移動在7 d后減少,這種減少似乎是由基底混凝土的收縮引起的。試樣C和D的VCW小于系列A和B的VCW。在21 d時,在表面光滑的試樣D上發(fā)現(xiàn)了垂直界面處的裂紋;但在粗糙表面的試樣C上沒有觀察到界面裂紋。

(a)點a2

對于試樣A～D,在試樣A和B的砂漿中觀察到了裂縫。裂縫的原因可能是砂漿的收縮應(yīng)變大于PCM的收縮應(yīng)變,并且楊氏模量高于PCM所致。在本研究中,任何試樣的水平界面均未觀察到裂紋。

3.2 粘接性能

用拉伸軟化圖評價模型試樣的粘接性能。拉伸軟化圖是根據(jù)在7 d時對連接試樣進(jìn)行彎曲試驗期間測得的載荷裂縫口張距離(CMOD)曲線確定的[13],如圖7所示。表5列出了7 d時拉伸軟化圖的拉伸強度和斷裂能(圖下面積)。從表面粗糙的系列A和C的抗拉強度和斷裂能高于表面光滑的系列B和D可以得出結(jié)論,它們具有更高的抗界面開裂能力。盡管拉伸強度大小與界面裂紋形成之間的關(guān)系尚不清楚,但斷裂能與裂紋形成的年齡之間存在相關(guān)性。

表5 分析用修復(fù)材料的特性

圖7 張力軟化圖

3.3 收縮和開裂行為分析

通過通用有限元程序和涂抹裂紋模型分析了模型試樣的收縮和開裂行為[14]。假定基底混凝土具有線性彈性[15]。表5顯示了用于分析的修復(fù)材料的特性。修復(fù)材料的拉伸軟化圖的形狀與拉伸強度和斷裂能一起假設(shè)為線性[16]。在混凝土和修復(fù)材料之間的界面處使用界面元件[17](長度為3 mm),3 mm的長度對應(yīng)于沖刷的深度。在垂直于界面的方向上,考慮了7 d時的拉伸軟化圖[18]。在平行于界面的方向上,假設(shè)彈性行為,考慮到試樣的對稱性[19],對一半試樣進(jìn)行了分析[20]。

圖8顯示了每個樣本點a2和b2(VCW,如圖3所示)運動的差異。裂紋寬度的突然增加意味著垂直界面裂紋的形成。當(dāng)收縮應(yīng)變約為60×10-6時,試樣B中出現(xiàn)垂直界面裂紋,此后裂紋寬度顯著增加。對于試樣A和D,收縮應(yīng)變約為150×10-6時出現(xiàn)裂紋,試樣A和B的裂紋寬度小于試樣B。試樣C上沒有裂紋。試樣A和C的VCW值與圖6(c)所示的實驗結(jié)果一致。然而,試樣B和C的VCW值小于實驗結(jié)果。

圖8 垂直界面裂縫寬度和收縮應(yīng)變

4 結(jié)語

(1)混凝土和修補材料之間界面的粘接斷裂特性可以用拉伸軟化圖表示。該圖是通過對連接試樣進(jìn)行彎曲試驗確定的;

(2)修補材料的收縮和開裂行為受基底混凝土的表面條件和修補材料的性能的影響。這表明,界面粗糙化處理和選擇合適的修復(fù)材料至關(guān)重要;

(3)通過使用拉伸軟化圖作為界面處的粘接特性,通過數(shù)值分析可以很好地模擬垂直界面處和修復(fù)材料中的裂紋。使用拉伸軟化圖評估了修復(fù)中的粘接性能,并將其應(yīng)用于分析研究。因此,拉伸軟化圖和斷裂能是有效的指標(biāo)。修復(fù)系統(tǒng)由各種修復(fù)材料組成,并且存在一些不同介質(zhì)的界面。修復(fù)材料的性能和界面處的粘接性能嚴(yán)重影響修復(fù)構(gòu)件的性能。