混凝土裂缝修复的断裂试验研究

徐广舒 张远淼

(1. 东南大学土木工程学院，南京 210009； 2. 南通职业大学建筑工程学院，南通 226007；3. 同济大学结构工程与防灾研究所,上海 200092)

混凝土裂缝修复的断裂试验研究

徐广舒1,2,*张远淼3

(1. 东南大学土木工程学院，南京 210009； 2. 南通职业大学建筑工程学院，南通 226007；3. 同济大学结构工程与防灾研究所,上海 200092)

采用楔入劈拉法对比了有机材料环氧树脂与无机材料氯氧镁水泥浆两种材料修复混凝土裂缝的有效性。先对混凝土试件进行楔入劈拉试验，获得混凝土的断裂参数，然后采用环氧树脂灌缝胶、氯氧镁水泥浆对试件进行修复，再进行第二次楔入劈拉试验，测定注胶修复后的试件的相应断裂参数，并与初始混凝土试件的相应值进行对比分析，以此来考察并评估环氧树脂、氯氧镁水泥浆与混凝土粘结界面的性能以及两者的修复效果。试验结果表明：试件经过环氧树脂加固后，起裂断裂韧度与失稳断裂韧度得到不同幅度的提高，而氯氧镁水泥浆修复试件则有所下降。说明环氧树脂有效修复裂缝，抑制裂缝的重新开展，达到修复混凝土的效果；而采用氯氧镁水泥浆材料的修复效果没有环氧树脂修复效果好，为工程实际应用提供一些参考。

楔入劈拉法, 环氧树脂, 氯氧镁水泥浆, 双K断裂参数

1 引 言

钢筋混凝土框架结构是房屋建筑中最常见的，同时也是地震中最易受损的结构形式之一。从震后的调查来看，历次大地震中，钢筋混凝土框架房屋，除了少数坍塌或破坏严重外，大部分都为轻度或中度损伤，属“可修”的范畴[1]。多数混凝土结构在地震作用下多出现混凝土开裂、压溃等破坏形式，通过合理的加固修复方法可以使结构的抗震能力恢复到一定程度，满足继续使用的要求。

对于震损混凝土框架结构来说，首先主要评定震损程度，以确认待加固结构的抗震能力与设防标准之间的差异，然后是对震损部位进行修复设计，保证结构性能有所恢复，至少是不会继续下降，最后采用其他的加固方法进行加固。对于混凝土开裂或压碎的震损混凝土构件，按照上述步骤，研究者多采用高强聚合物材料进行灌缝或填补，然后再采用加大截面法[2]、外包钢套法[3-4]或高性能增强材料进行加固[5-8]。通过适当的加固设计和施工，被加固构件(包括预震损构件)的抗震性能均能恢复，甚至大幅度提高。从修复与加固的试验效果来看，以上方法无疑是成功的，但从研究的角度来看，目前针对震损混凝土结构的修复与加固试验研究存在两个方面的问题：其一，多数试验采用预震损的方法对试验构件施加损伤，损伤等级多为轻微破坏或者中等破坏，而严重震损修复试验很少涉及[9]；其二，“高强聚合物的灌缝和填补”与“增强材料或加大截面”两者的贡献难以明确区分，往往外包的增强材料或者加大截面法掩盖了高强聚合物的灌缝和填补作用，让大家忽视了其对混凝土本身裂缝的修复处理，而且大量的试验现象证明混凝土本身的完整性、受力性能会极大地影响增强材料的加固效果。因此，加强对震损混凝土本身的修复、提高混凝土的完整性，使受损开裂、压碎的混凝土性能能够恢复到未受损的水平，应该是其他加固方法发挥作用的前提。

环氧树脂注胶修复的目的是使震损混凝土结构的混凝土保持完整性，达到修复混凝土的目的，同样，氯氧镁水泥浆也可以作为粘接剂用来加固混凝土构件[10-11]。而加固材料与混凝土的粘结界面容易发生失效，对加固效果有重大的影响，因此，混凝土-加固材料结合界面是研究加固技术的基础[12-15]。

对于环氧树脂与混凝土黏结界面，一些学者从断裂力学角度进行了研究。Coronado[16]采用劈拉试验和夹心三点弯曲梁试验获得软化曲线来表征混凝土-环氧树脂界面的断裂性能。通过试验比较发现，素混凝土试件得到的抗拉强度、黏聚断裂能与黏结界面的相应参数值处于同一数量级，可比性不大，反而尺寸效应断裂能相差较大，最大达64%，可以作为表征混凝土-环氧树脂界面断裂性能的主要参数。Lau和Büyüköztürk[17]利用夹心四点弯曲梁试件研究了混凝土与环氧树脂胶的黏结界面Ⅰ型及复合型断裂韧度在不同湿度与温度环境下的变化规律。文章先得到混凝土、环氧树脂胶试件随湿度和温度变化的泊松比、弹性模量及Ⅰ、Ⅱ型断裂韧度，然后根据线弹性界面断裂力学计算Ⅰ型断裂韧度与混合型断裂韧度，并根据界面裂缝偏折判断条件分析界面破坏模式，并与试验结果相比较。以上文献采用单参数值来表征混凝土-环氧树脂界面的断裂性能，但是不能够完整反映界面裂缝的发展全过程。徐世烺[18-20]提出的混凝土双K及双G断裂模型采用起裂断裂韧度与失稳断裂韧度来判定裂缝的起裂和失稳，描述混凝土材料中裂缝发展经历的起裂、稳定扩展和失稳扩展的断裂破坏过程，而界面裂缝同样也存在起裂、稳定扩展和失稳扩展的破坏过程，那么是否可以采用起裂断裂韧度与失稳断裂韧度来表征界面裂缝的断裂性能，是值得探究的。

本文采用楔入劈拉法对比了有机材料环氧树脂与无机材料氯氧镁水泥浆两种材料加固混凝土的有效性。先对楔入劈拉试件进行楔入劈拉试验，获得混凝土的断裂参数，然后采用环氧树脂灌缝胶对已劈裂的试件(已完全开裂)进行修复，经过一定养护期后再进行楔入劈拉试验，测定注胶修复后的试件的相应断裂参数，并与初始混凝土试件的相应值进行对比分析，以此来考察并评估采用环氧树脂胶修复混凝土的效果，然后再次对断裂面进行氯氧镁水泥浆加固，进行第三次的楔入劈拉试验，测定修复后相应的断裂参数，比较三次楔入劈拉试验的断裂参数值，研究环氧树脂与氯氧镁水泥浆与混凝土粘结界面的性能以及两者的修复效果。

2 混凝土试件与修复材料

楔入劈拉试件采用的混凝土的等级为C50，试件相关的信息见表1。采用的修复材料为环氧树脂裂缝修补胶及氯氧镁水泥浆。环氧树脂裂缝修补胶为双组份冷固化无溶剂环氧树脂灌注剂，其应用为混凝土结构的填缝注剂、多孔地台和墙壁的渗透剂、格构式及封闭式湿法外包钢填注胶，相关力学性能参数见表2。氯氧镁水泥浆(MOC)可以用来代替有机胶材与连续碳纤维织布组合来加固混凝土结构[10]，是由轻烧MgO、MgCl2·6H2O，水和KH2PO4混合制成，按照700 g轻烧MgO，328 g MgCl2·6H2O，200 g水和7 g KH2PO4的配方制作。制作氯氧镁水泥浆时，首先将一定比例的MgCl2·6H2O，水和KH2PO4混合起来，放置在容器中进行搅拌，等到溶液呈透明无沉淀时，再将溶液倒入轻烧MgO中，搅拌至浆体均匀无结块，搅拌均匀的浆体具有较高的流动性[11]。

表1 楔入劈拉试件

Table 1 Specimens used in wedge splitting test

注：t为试件厚度，h为试件高度，a0位试件预制裂缝长度；h0为试件上刀口厚度。

表2 环氧树脂力学性能参数

Table 2 Mechnical property of epoxy

相关试验在同济大学土木工程学院实验室完成。楔入劈拉试件经过一定养护期后进行首次楔入劈拉试验，测得相关的断裂参数，然后进行环氧树脂修复，进行第二次楔入劈拉试验，再进行氯氧镁水泥浆的修复，进行第三次的楔入劈拉试验。获得混凝土试件在三次楔入劈拉试验时的断裂参数。采用电液伺服万能试验机进行上述楔入劈拉试验，并利用动静态数据采集系统进行试验数据采集。在试验中，采用量程为10 mm的夹式引伸计测得裂缝口开口位移，并记录竖向荷载，得到荷载-裂缝开口位移曲线。

图1 原试件和夹心楔入劈拉试件示意图

3 破坏模式

试件在经过环氧树脂修复后进行第二次的楔入劈拉试验时，裂缝并没有从原来的位置开展，而是从新的位置开展，在氯氧镁水泥浆修复后进行第三次的楔入劈拉试验，裂缝完全从第二次试验的裂缝处开展(即第二次的断裂面)。因篇幅关系，图2列举出了试件C50-1在环氧树脂与氯氧镁水泥浆修复后的裂缝开展路径及断面图。

图2 试件C50-1环氧树脂与氯氧镁水泥修复后裂缝开展路径及断面

4 楔入劈拉法试验结果分析[16]

在三次楔入劈拉试验时，记录竖向荷载与裂缝开口位移，将竖向荷载换算得到水平荷载，可得到水平荷载与裂缝开口位移的关系，得到P-CMOD曲线。试件在三次楔入劈拉试验时P-CMOD曲线见图3。结合试件的破坏模式，混凝土试件在达到极限荷载后，荷载值急剧下降，曲线较陡，说明混凝土明显具有脆性，在经过环氧树脂修复后，极限荷载值有所提高，极限荷载后曲线也较陡，说明试件开裂也具有较大的脆性，而在经过氯氧镁水泥浆修复后，相比于原混凝土试件，极限荷载值有提高也有降低，也表现出较大的脆性特征。

5 断裂参数比较与分析

根据试验获得的P-CMOD曲线可以计算得到试件的起裂荷载、极限荷载、起裂断裂韧度、失稳断裂韧度。根据线弹性渐进叠加假定，双K断裂韧度的计算公式(式(1)、式(2))。计算结果列于表3及图4、图5。

(1)

f(α)=3.675×[1-0.12(α-0.45)]

/(1-α)3/2

(2)

式中，相对缝长α=ac/D，ac为临界有效裂缝长度；B，D分别为试件厚度和高度。

图3 三次楔入劈拉试验荷载-裂缝开口曲线

(3)

图4为各个试件修复前后起裂荷载与极限荷载变化图。可以发现，试件在环氧树脂注胶修复后，起裂荷载与极限荷载都得到一定程度的提高，平均增幅分别为28.30%及24.30%，由此认为注胶修复推迟了裂缝的开展；相比于氯氧镁水泥浆修复后的试件，试件的起裂荷载与极限荷载都稍微下降，平均降幅分别为6.80%及9.60%。图5为各个试件修复前后起裂断裂韧度与失稳断裂韧度变化图。可以发现，试件在环氧树脂注胶修复后，起裂断裂韧度与失稳断裂韧度都得到一定程度的提高，平均增幅分别为28.80%及18.60%，而氯氧镁水泥浆修复后的试件，试件的起裂断裂韧度与失稳断裂韧度都稍微下降，平均降幅分别为5.80%及6.20%。

根据以上数据，可以得出：经过环氧树脂修复后，试件的起裂荷载值、极限荷载值、起裂断裂韧度与失稳断裂韧度得到不同幅度的提高，说明环氧树脂加固技术能够有效推迟试件裂缝的再开展，具有良好的修复裂缝的效果；而氯氧镁水泥浆修复试件后，裂缝从粘结面重新开裂，相应的起裂荷载值、极限荷载值、起裂断裂韧度与失稳断裂韧度都有不同程度的下降，说明采用氯氧镁水泥浆材料的修复效果没有环氧树脂修复效果好。

图4 试件起裂荷载与最大荷载值比较

图5 试件断裂韧度比较

表3 楔入劈拉法试验结果

Table 3 Test results from wedge splitting test

试件Pini/kNPmax/kNKkini/(MPa·m1/2)Klcun/(MPa·m1/2)C50-14.868.140.431.21C50-26.8211.180.611.49C50-35.489.090.491.07C50-46.4710.760.581.30C50-55.5010.480.491.36C50-66.019.980.531.33平均值5.869.940.521.29RC50-17.5912.480.671.54RC50-27.5112.470.671.55RC50-47.2411.330.641.41RC50-57.6912.820.681.52RC50-67.5812.680.671.62平均值7.5212.360.671.53增幅/%28.3024.3028.8018.60RRC50-15.619.440.501.20RRC50-25.679.460.501.25RRC50-35.6810.180.501.06RRC50-44.606.660.410.93RRC50-55.098.210.451.49RRC50-66.109.980.541.32平均值5.468.990.491.21增幅/%-6.80-9.60-5.80-6.20

注：Pini为起裂荷载；Pmax为最大荷载；Kkini为起裂断裂韧度；Klun为失稳断裂韧度。

6 结 论

通过研究上述环氧树脂、氯氧镁水泥浆两种材料修复混凝土裂缝的楔入劈拉试验，可以得到以下结论：

(1) 楔入劈拉法可以作为研究加固材料与混凝土粘结面粘结性能试验方法，初次楔入劈拉试验与修复材料加固后的再次楔入劈拉试验结果的对比，可以直观反映加固材料对混凝土的加固效果。

(2) 通过楔入劈拉法试验结果，可以发现，试件经过环氧树脂加固后，起裂荷载值、极限荷载值、起裂断裂韧度与失稳断裂韧度得到不同幅度的提高，说明环氧树脂有效修复裂缝，抑制裂缝的重新开展，达到修复混凝土的效果；而氯氧镁水泥浆修复试件后，相应的起裂荷载值、极限荷载值、起裂断裂韧度与失稳断裂韧度都有不同程度的下降，说明采用氯氧镁水泥浆材料的修复效果没有环氧树脂修复效果好。

(3) 相比于原混凝土试件的裂缝开展，可以将试件的起裂断裂韧度作为表征混凝土-修复材料黏结界面的断裂性的参数，直接反映修复效果的好坏。

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Experimental Study of Repairing Concrete Cracks with Different Materials

XU Guangshu1,2,*ZHANG Yuanmiao3

(1. College of Civil Engineering, Southeast University, Nanjing 210009, China;

2. Department of Architecture, Nantong Vocational College, Nantong 226007, China;

3. Research Institute of Stnutural Engineering and Disaster Reduetion, Tongji University, Shanghai 200092, China)

Based on the wedge-splitting tests of concrete specimens repaired with epoxy and MOC, the fracture energy, double-K fracture parameters and destroyed mode of prototype specimens and repaired specimens are analyzed and contrasted. The results of the experiments indicate that the fracture capability and carrying capacity of the repaired specimens are remarkably improved which show that epoxy injection is an adequate method for repairing cracked concrete.Instead, the test values of fracture parameters from concrete specimens repaired by MOC are decreased. The results can be provided for references of the engineering application of epoxy and MOC in repairing concrete．

wedge splitting method, epoxy, MOC, double K fracture parameters

2013-12-23

江苏省高等职业院校国内高级访问学者计划资助项目(编号FX073)

*联系作者，Email：495004469@qq.com