新老碾壓混凝土粘結(jié)強(qiáng)度的影響因素分析

吳冠宇,董政良,余志堅(jiān),鄭剛峰,張曉飛

(1.陜西省水利水電工程咨詢(xún)中心,陜西 西安 710109;2.西安理工大學(xué) 水利水電學(xué)院,陜西 西安 710048;3.浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院,浙江 杭州 310000)

混凝土壩裂縫、坑槽等問(wèn)題頻繁出現(xiàn),這些問(wèn)題的存在會(huì)大大降低結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性[1],從而大幅縮短混凝土工程的使用年限。國(guó)家政府每年投入大量的資金對(duì)存在問(wèn)題的混凝土工程進(jìn)行修補(bǔ)和加固,混凝土結(jié)合面是加固維修中十分重要的環(huán)節(jié)[2]。通常來(lái)說(shuō),老碾壓混凝土是指已經(jīng)超過(guò)28 d齡期的混凝土,老混凝土一般已經(jīng)達(dá)到終凝,新混凝土是指澆筑在老混凝土上的混凝土,是一個(gè)相對(duì)的概念。新老混凝土的粘結(jié)面是一個(gè)質(zhì)量相對(duì)較差的薄弱面,它使得混凝土整體的力學(xué)性能均有所下降。其結(jié)合面的粘結(jié)性能決定著工程修補(bǔ)加固的成敗,因此整個(gè)壩工界對(duì)這個(gè)問(wèn)題十分關(guān)注[3]。實(shí)際上,混凝土表面粘結(jié)質(zhì)量是當(dāng)前工程修補(bǔ)加固的關(guān)鍵,是能否使破損的工程重新恢復(fù)功能并能持續(xù)安全運(yùn)行的重要基礎(chǔ),界面劑、混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度以及粘結(jié)面的粗糙程度都是影響粘結(jié)性能的主要因素[4]。柴敏等[5]將測(cè)試新老混凝土粘結(jié)強(qiáng)度的方法進(jìn)行了總結(jié):有劈拉強(qiáng)度試驗(yàn)法、粘結(jié)抗裂強(qiáng)度試驗(yàn)法、剪切強(qiáng)度試驗(yàn)法和抗折強(qiáng)度試驗(yàn)法等。吳吉昊等[6]發(fā)現(xiàn)當(dāng)需要提高新老混凝土的早期剪切和劈拉強(qiáng)度時(shí)可以使用硅灰替代水泥基灌漿作為界面劑。曹宏亮[7]通過(guò)在水泥漿中摻入粉煤灰用作界面劑對(duì)新老混凝土粘結(jié)試件開(kāi)展劈裂抗拉試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)其可以提升粘結(jié)面的粘結(jié)強(qiáng)度。張振超等[8]使用聚丙烯纖維丙烯酸溶液等制成聚合物砂漿用作界面劑,通過(guò)劈拉實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)聚合物砂漿可以提升粘結(jié)強(qiáng)度。張建仁等[9]認(rèn)為新混凝土的澆筑方向會(huì)對(duì)新老混凝土界面粘結(jié)抗剪強(qiáng)度產(chǎn)生一定的影響。Huang Dunwen等[10]發(fā)現(xiàn)新混凝土的強(qiáng)度等級(jí)會(huì)影響新老混凝土粘結(jié)面的抗剪強(qiáng)度。張靜[11]試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)水泥凈漿可以提高新老混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度,添加302界面劑后新老混凝土抗折抗拉強(qiáng)度明顯增加。金宇松[12]運(yùn)用Ansys軟件對(duì)新老混凝土粘結(jié)進(jìn)行分析,通過(guò)模型驗(yàn)證了界面劑的種類(lèi)會(huì)影響應(yīng)力。

現(xiàn)有的大多數(shù)試驗(yàn)都是針對(duì)普通硅酸鹽混凝土,缺乏對(duì)其他類(lèi)型混凝土的研究,正因如此,研究老碾壓混凝土面-界面劑-新碾壓混凝土面的耦聯(lián)粘結(jié)機(jī)制是非常有必要的。本試驗(yàn)以不同摻比的一種高強(qiáng)度高耐水性的無(wú)機(jī)膠凝材料(High Strength and Water StabilityEarth Consolidator,以下簡(jiǎn)稱(chēng)為HEC)界面劑為例,研究不同強(qiáng)度等級(jí)的新澆筑碾壓混凝土以及不同摻比的HEC界面劑對(duì)新老混凝土粘結(jié)強(qiáng)度的影響。首先進(jìn)行新老碾壓混凝土劈拉試驗(yàn),然后采用ABAQUS有限元軟件建立新老碾壓混凝土粘結(jié)模型,以試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基準(zhǔn),并與模擬仿真值進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證,得出新澆筑混凝土強(qiáng)度等級(jí)以及摻有HEC試劑對(duì)新老碾壓混凝土粘結(jié)強(qiáng)度的提升規(guī)律,并提出粘結(jié)強(qiáng)度的合適摻比。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 材料

本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)邊長(zhǎng)為150 mm的立方體新老碾壓混凝土試件7組,每組有體積同等的立方體試件3個(gè),試件共計(jì)21個(gè),采用原材料有減水劑、水、硅酸鹽水泥、粉煤灰、中砂細(xì)骨料、二級(jí)配銅川碎石粗骨料以及HEC界面劑。水選用普通生活用水,在選擇水泥的時(shí)候,考慮工程的一般性,選用比較常見(jiàn)的混凝土,因此本次試驗(yàn)選擇的水泥為普通硅酸鹽水泥,型號(hào)為P.O42.5,其基本參數(shù)見(jiàn)表1。粉煤灰采用的是西安宏源生產(chǎn)的II級(jí)粉煤灰。試塊中采用周至縣所出產(chǎn)的中砂細(xì)骨料,其細(xì)度模數(shù)可達(dá)2.5,含泥量低于2.0%,同時(shí)具有均勻的級(jí)配。本次碾壓混凝土使用粗骨料最大的粒徑為4 cm,為銅川碎石,二級(jí)配。本試件采用的外加劑是西安宏達(dá)生產(chǎn)的JC-04萘系高效減水劑,它可以改善拌合物的粘聚性、抗離析性,它對(duì)混凝土影響性能見(jiàn)表2。 界面劑主要采用的是HEC固結(jié)劑。并且與水泥凈漿之間按照一定的比例來(lái)配比摻和,新老碾壓混凝土的配合比例如表3所示[13-14]。7組試件分類(lèi)如表4所示。

表1 普通硅酸鹽水泥基本參數(shù)

表2 JC-04萘系高效減水劑對(duì)混凝土影響性能表

表3 不同強(qiáng)度等級(jí)下的碾壓混凝土配合比例 單位:kg/m3

表4 7組試驗(yàn)試件分類(lèi)

1.2 試件的成型與處理

取料拌和后將混凝土泥漿倒入一半進(jìn)磨具,振搗養(yǎng)護(hù)后形成老碾壓混凝土,然后涂抹界面劑,再澆筑新碾壓混凝土,如圖1所示。由于試驗(yàn)的自變量為新碾壓混凝土的等級(jí)以及HEC界面劑的摻量,所以需要將其他影響粘結(jié)強(qiáng)度的因素排除。首先需要對(duì)試件的粘結(jié)面進(jìn)行鑿毛處理以提升其粗糙度,再按照實(shí)驗(yàn)要求在新老混凝土結(jié)合面處涂刷界面劑,而界面劑的厚度一般為2 mm～4 mm,因此選取3 mm作為本試驗(yàn)的涂刷厚度。新碾壓混凝土澆筑方向,同樣會(huì)影響其粘結(jié)強(qiáng)度。查閱文獻(xiàn)[15-17]可知:澆筑方式與新混凝土本身的重力方向所形成的角度越小,粘結(jié)強(qiáng)度越好。所以在本試驗(yàn)中新碾壓混凝土的澆筑方式為水平澆筑。

圖1 新碾壓混凝土試樣

1.3 劈拉實(shí)驗(yàn)

試驗(yàn)的機(jī)器型號(hào)為WAW-3000C,按照《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(SL/T 352—2020)操作試驗(yàn)。該試驗(yàn)機(jī)中油源液壓系統(tǒng)的主要構(gòu)成包括了油泵、電機(jī)、閥塊、伺服閥、電控柜等。 計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的構(gòu)成涵蓋了傳感器、控制器與微機(jī)。該系統(tǒng)將計(jì)算機(jī)作為核心平臺(tái),借助于智能數(shù)字控制器來(lái)對(duì)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行智能化控制?？刂破鬟€能為傳感設(shè)備提供高精度的電壓,同時(shí)還能確保檢測(cè)結(jié)果的精準(zhǔn)性。電器控制系統(tǒng)中提供了諸多保護(hù)模塊,譬如過(guò)流與過(guò)壓保護(hù),此外還提供了在試驗(yàn)操作過(guò)程中互鎖保護(hù),這樣就能有效提升試驗(yàn)的安全性,同時(shí)也能增強(qiáng)控制系統(tǒng)的使用年限,有效提升了試驗(yàn)臺(tái)的工作穩(wěn)定性。

本次所選的測(cè)控軟件系統(tǒng)可以對(duì)速度、參數(shù)、試驗(yàn)力值等指標(biāo)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)控,可以按照具體的試驗(yàn)要求對(duì)本次的劈拉試驗(yàn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)控,同時(shí)還能按照用戶(hù)需求對(duì)試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行編制,對(duì)諸多步驟進(jìn)行設(shè)定,進(jìn)而開(kāi)展不同類(lèi)型的力學(xué)試驗(yàn)。最后可以結(jié)合數(shù)據(jù)分析結(jié)果輸出相應(yīng)結(jié)果,并得出相應(yīng)的數(shù)據(jù)報(bào)表與試驗(yàn)報(bào)告。

控制萬(wàn)能機(jī)以0.05 MPa/s的速度對(duì)試件加載,如果有較為清脆的斷裂聲傳出,看到試驗(yàn)力曲線(xiàn)發(fā)生突變,則可以確定試件達(dá)到了斷裂效果。劈裂試驗(yàn)見(jiàn)圖2。

圖2 新老碾壓混凝土劈裂試驗(yàn)試樣外觀

觀察試件斷裂面可知:無(wú)論使用多少摻比的HEC界面劑,多高強(qiáng)度的新混凝土,試件劈裂位置都處于混凝土粘結(jié)位置,表明若粘結(jié)面沒(méi)有骨料摻入的話(huà),那么新老混凝土樣件在受壓之下粘結(jié)面就是其薄弱面。仔細(xì)對(duì)比各新老混凝土的粘結(jié)面發(fā)現(xiàn),其粘結(jié)面處只有一些新混凝土和老混凝土的水泥漿體緊密附著,沒(méi)有在碎屑中發(fā)現(xiàn)有粗骨料,同時(shí)其粘結(jié)面上的水泥漿體越多,試件的劈拉強(qiáng)度越大。

1.4 結(jié)果與分析

本試驗(yàn)所需材料為不同摻量比例(50%、40%、30%、20%、10%、0%)的HEC界面劑以及不同等級(jí)(C20、C30、C40)的新碾壓混凝土,將兩種變量影響下的劈拉強(qiáng)度與基準(zhǔn)混凝土強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比,同時(shí)引入相對(duì)強(qiáng)度α來(lái)表示。其劈拉強(qiáng)度平均值及相對(duì)強(qiáng)度α見(jiàn)表5,關(guān)系圖見(jiàn)圖3。

圖3 HEC界面劑摻量及混凝土強(qiáng)度等級(jí)與混凝土劈拉強(qiáng)度關(guān)系圖

表5 兩種影響因素下碾壓混凝土的相對(duì)強(qiáng)度與劈拉強(qiáng)度平均值

從上述劈拉實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):C20的試驗(yàn)混凝土的基準(zhǔn)試驗(yàn)劈裂抗拉強(qiáng)度值為2.432 MPa,C30的為3.665 MPa,C40則為4.412 MPa。具體公式如式(1)所示:

Pft=αP0

(1)

式中:Pft為新老混凝土的劈拉強(qiáng)度,MPa;P0為基準(zhǔn)劈裂抗拉強(qiáng)度,MPa;α為相對(duì)強(qiáng)度。

通過(guò)試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù),分析后可知:新老混凝土在不同影響因素下其強(qiáng)度的變化關(guān)系,同時(shí)從擬合公式中發(fā)現(xiàn)其關(guān)系符合線(xiàn)性關(guān)系,擬合公式如式(2)—式(4)所示。

C20碾壓混凝土:

Pft=0.017β+1.047,R2=0.9989

(2)

C30碾壓混凝土:

Pft=0.017β+1.358,R2=0.9755

(3)

C40碾壓混凝土:

Pft=0.017β+1.6366,R2=0.9997

(4)

式中:β為不同摻合比例的HEC界面劑,%。

由表5和圖3可知,隨著新澆筑的碾壓混凝土強(qiáng)度等級(jí)逐漸增加,在摻界面劑相同的條件下,新老碾壓混凝土本身的粘結(jié)劈拉強(qiáng)度也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變,當(dāng)強(qiáng)度等級(jí)為C40時(shí)粘結(jié)強(qiáng)度最大。在新混凝土強(qiáng)度等級(jí)相同條件下,不同摻比HEC界面劑會(huì)對(duì)新老混凝土粘結(jié)劈拉強(qiáng)度造成影響:水泥凈漿<10%<20%<30%<50%<40%。同時(shí)新澆筑混凝土的強(qiáng)度也會(huì)隨界面劑摻入發(fā)生變化,試驗(yàn)的粘結(jié)強(qiáng)度也隨之改變,而且當(dāng)摻比為40%時(shí),新老混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度最大。

2 模擬驗(yàn)證

2.1 模型建立與加載

利用有限元軟件ABAQUS對(duì)本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬研究,基于完成的試件來(lái)建立模型,將試件分為左、中、右三部分,左邊代表的是老碾壓混凝土,中間為3 mm的界面劑,對(duì)右邊部分的模擬成新澆筑的混凝土。 混凝土模型尺寸為150 mm×150 mm×150 mm,對(duì)其施加軸向均布荷載。 試件模型如圖4所示。

圖4 混凝土試件的模型示意圖

若新混凝土的強(qiáng)度不一致,界面劑所摻水泥砂漿百分比不同,其混凝土的彈性模量值也會(huì)不同。故在加載之前需要通過(guò)對(duì)實(shí)際試件的三軸取芯 ,然后對(duì)其進(jìn)行劈拉試驗(yàn),可以得出試件的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)值,計(jì)算后可得彈性模量值,將其與規(guī)范值整理后見(jiàn)表6。而模擬彈簧單元中的剛度K則是應(yīng)力應(yīng)變之比,計(jì)算后整理可得表7。然后將獲得的實(shí)際彈性模量值使其帶入有限元軟件中,對(duì)模型進(jìn)行劈拉加載。在此過(guò)程中,需以實(shí)際試驗(yàn)所得荷載曲線(xiàn)控制對(duì)于模型的荷載,另外還需要設(shè)置其余四個(gè)面作為模型的自由邊界。

表6 不同強(qiáng)度碾壓混凝土彈性模量值

表7 新澆筑混凝土強(qiáng)度等級(jí)不同時(shí)的劈拉試驗(yàn)剛度K

試驗(yàn)所得彈性模量值與規(guī)范值差別不大是因?yàn)閾饺肓艘欢康姆勖夯?從而引發(fā)彈性模量的變化。

2.2 應(yīng)力分布的效果圖

模擬試驗(yàn)后可得應(yīng)力分布圖如圖5、圖6所示。(C20-40,表示強(qiáng)度等級(jí)為C20的新澆筑混凝土,HEC的摻比為40%)。

圖5 劈裂抗拉面對(duì)應(yīng)的應(yīng)力云圖(強(qiáng)度等級(jí)不同的新澆筑碾壓混凝土)

圖6 不同摻比的HEC界面劑劈裂抗拉面的應(yīng)力云圖

分析應(yīng)力云圖可知最大應(yīng)力都處于粘結(jié)面的邊緣位置,應(yīng)力沿著粘結(jié)面從外向內(nèi)逐漸減小。這是因?yàn)樵谀M混凝土劈裂抗拉試驗(yàn)時(shí),施加的荷載集中在粘結(jié)面區(qū)域,因此其邊緣位置應(yīng)力普遍最大。其中當(dāng)所施加的荷載逐漸增大時(shí),由于粘結(jié)面為新老碾壓混凝土的薄弱面,裂紋由粘結(jié)面處開(kāi)始起裂至穩(wěn)定擴(kuò)展并積累能量。當(dāng)荷載增長(zhǎng)到臨界值時(shí),即其所釋放的能量大于裂紋面積形成所需能量時(shí),試件發(fā)生脆性斷裂。

2.3 計(jì)算與分析

在程序進(jìn)行模擬加載后可以得出劈拉強(qiáng)度的模擬值。然后將由不同變量制作的實(shí)際混凝土試件進(jìn)行劈拉試驗(yàn)所得的試驗(yàn)值與模擬值進(jìn)行對(duì)比,分析模型的可靠性,以及試驗(yàn)的準(zhǔn)確性,將其整理后如表8所示。

表8 碾壓混凝土劈拉強(qiáng)度的平均值與模擬值誤差統(tǒng)計(jì)表

由表8可以看出,劈裂抗拉試驗(yàn)所得的試驗(yàn)值與仿真模擬值大部分均比較接近。同時(shí)每組數(shù)據(jù)之間的差距也相對(duì)比較小,誤差主要保持在0～6%之內(nèi),可以確定其試驗(yàn)值與模擬值之間的劈裂抗拉強(qiáng)度以及實(shí)際變化規(guī)律基本保持一致。

通過(guò)仿真模擬結(jié)果可以看出:(1)隨著新澆筑混凝土強(qiáng)度等級(jí)的增加,粘結(jié)面的劈拉強(qiáng)度隨之增大;(2)隨著HEC界面劑摻量的增加,劈拉強(qiáng)度同樣隨之增大,但過(guò)大的摻量會(huì)使劈拉強(qiáng)度降低。

3 結(jié) 論

(1) 新老碾壓混凝土的粘結(jié)效果受到水泥凈漿以及水泥凈漿中HEC界面劑的摻合比的影響。不同摻量下的HEC 界面劑會(huì)影響新老碾壓混凝土粘結(jié)劈拉強(qiáng)度:水泥凈漿<10%HEC<20%HEC<30%HEC<50%HEC<40%HEC。

(2) 混凝土等級(jí)越大,等效強(qiáng)度系數(shù)α越小,劈拉強(qiáng)度越大,最大為C40。以C40混凝土為例,加了10%、20%、30%、40%、50%的HEC界面劑,其劈拉強(qiáng)度相較與水泥凈漿分別提高了11.20%、20.81%、31.76%、42.17%、40.64%,從水泥凈漿到50%HEC組,等效強(qiáng)度系數(shù)α分別為37.1%、41.2%、44.7%、48.7%、52.6%、51.8%。由此可以看到,當(dāng)HEC的摻比達(dá)到40%的時(shí)候,新老混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度達(dá)到峰值。

(3) 在HEC界面劑摻合比保持不變的條件下,混凝土等級(jí)的提升,會(huì)使得其增大,但是增加的幅度不明顯。

(4) 通過(guò)有限元軟件ABAQUS進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬的過(guò)程中,其模擬結(jié)果與試驗(yàn)所得數(shù)值的誤差大小在0～6%之間,這說(shuō)明模擬所得結(jié)果與試驗(yàn)所得結(jié)果相匹配,并且得出的結(jié)果較為合理,這使本次模擬所建立的劈裂抗拉強(qiáng)度模型得到了驗(yàn)證,而且其本身的準(zhǔn)確性以及可靠性均可獲得相應(yīng)的保障。