混凝土裂缝修补结构力学相容性研究

池漪，尹健



混凝土裂缝修补结构力学相容性研究

池漪1, 2，尹健3

(1. 湖南交通职业技术学院 路桥工程学院，湖南 长沙 410132； 2. 中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075； 3. 中南林业科技大学 土木工程学院，湖南 长沙 410018)

基于混凝土裂缝修补结构是否具有较好的力学相容性是修补效果好坏的关键。选取水泥净浆、纯聚合物、聚合物水泥净浆3种修补材料，通过一系列力学试验对混凝土裂缝修补结构的力学相容性进行探讨与研究。对比斜剪、劈拉、抗折以及组合梁抗折强度试验这4种试验方法，采用组合梁抗折强度试验方法能较为可靠有效地反映混凝土裂缝修补结构的力学相容性，用组合梁抗折强度比及其破坏形态来评价修补材料与基体的力学相容性也较为合适。研究结果表明：当保持这3种修补材料的3 d抗压强度在同一水平时，纯聚合物的其他力学性能包含“抗折强度、抗折黏结强度、抗拉强度、压折比”等的综合性能最优，并且用纯聚合物作为修补材料的混凝土裂缝修补结构的力学相容性也最好。

混凝土裂缝修补；力学相容性；强度比；破坏形态

混凝土裂缝修补结构是指进行裂缝修补之后的混凝土和修补材料组合而成的结构。混凝土裂缝修补结构的相容性是指修补材料和既有混凝土基体之间相互作用而共有的性能，它确保修补结构在未达到设计的服役寿命之前，可以抵抗应力作用且暴露于特定的环境中时能保持结构的整体性[1−2]。混凝土裂缝修补结构的相容性具体包括：力学相容性、体积变形相容性、渗透相容性、化学相容性以及电化学相容性等5个方面[3−5]。其中，力学相容性是指修补材料和混凝土基体共同承担荷载和抵抗变形的能力，而混凝土裂缝修补结构具有较好的力学相容性是修补效果好坏的关键[6−8]。目前，国内外关于混凝土修补结构力学相容性的研究不多，Rasgmi等[9]通过对比研究修补试件和完整试件的抗折强度、破坏形式以及加载变形曲线来评估修补结构的力学相容性。Myriam等[10]研究了4种修补砂浆和混凝土基体之间的相容性，通过测试3种不同工况下修补材料开裂程度和拉拔强度来评价修补砂浆和混凝土基体之间的相容性。而针对混凝土裂缝修补结构力学相容性的研究则鲜有报道，更未提出行之有效的试验方法和评价指标。因此，开展混凝土裂缝修补结构力学相容性的试验研究具有重要的理论价值和工程指导意义。

1 试验概况

本文分别选用3种修补材料：水泥净浆、纯聚合物和聚合物水泥净浆对水泥胶砂和水泥混凝土2种基体进行修补，利用水泥胶砂裂缝修补结构测试修补材料的抗折黏结强度，通过对混凝土裂缝修补结构进行劈拉强度、抗折强度、斜剪强度以及组合梁抗折强度测试来探讨混凝土裂缝修补结构的相容性问题。

1.1 试验原材料

1) 基体

基体主要有水泥胶砂和水泥混凝土2类，其原材料如下：

水泥采用南方水泥厂生产的42.5级普通硅酸盐水泥，砂采用天然河砂，天然粗骨料为连续级配的碎石，最大粒径为20 mm，拌和水为自来水，减水剂采用RAWY101型聚羧酸高效减水剂。

2) 修补材料

水泥净浆：原材料采用南方水泥厂生产的42.5级普通硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥，拌和水为自来水，减水剂采用RAWY101型聚羧酸高效减水剂，基本配比——水:硫铝酸盐水泥:硅酸盐水泥=3:7:3，减水剂掺量：0.5%。

纯聚合物：针对化学灌浆材料普遍存在脆性大、黏结强度较低和易二次开裂等问题，设计了环氧丙烯酸酯/聚氨酯互穿聚合物网络(EA/PU IPN)化学灌浆材料，基本配比—— EA：100%，PU：50%，稀释剂：70%，引发剂：1%，促进剂：1%，交联剂：25.8%。

聚合物水泥净浆：在环氧丙烯酸酯/聚氨酯互穿聚合物网络(EA/PU IPN)的基础上掺入一定比例的普通硅酸盐水泥。基本配比—— EA：100%，PU：50%，稀释剂：90%，引发剂：1.5%，促进剂：1.2%，交联剂：25.8%，偶联剂：1%，水泥：100%。

1.2 试验方法

1.2.1 修补材料的抗折黏结强度

参照DL/T 5150-2001《水工混凝土试验规程》和日本工业标准JIS A6024测定。将40 mm×40 mm×160 mm的砂浆试件折断，然后将断裂的试件照原试件拼放在一起，将砂浆试件的三面密封固定后，从未密封的一面往空隙中注入配制好的修补材料，待全部空隙灌满后养护至3 d，测定其抗折强度，并观察试件破坏断面的情况。

1.2.2 斜剪强度

制作尺寸为100 mm×100 mm×100 mm混凝土试件，采用剪切角为45°的加载装置，加载速率为0.5~0.8 MPa/s。若测试修补结构的斜剪强度，则将100 mm×100 mm×100 mm混凝土试件中心预埋厚度为1 mm，边长为100 mm的正方形金属片，1 d拆模时将金属片取出，再将混凝土试件重新拼接好养护28 d后进行三面密封固定，从未密封的一面往空隙中注入配制好的修补材料，待全部空隙灌满后养护至3 d，测定其斜剪强度(见图1)，并观察试件破坏断面的情况。

1.2.3 劈拉强度和抗折强度

劈拉试件制作方法与斜剪试件相同，灌缝处理后养护至3 d，测定其劈拉强度，并观察新断面的情况。将28 d龄期的100 mm×100 mm×400 mm混凝土试件进行抗折试验，将折断的混凝土试件重新拼接好后进行三面密封固定，然后从未密封的一面往空隙中注入配制好的修补材料，待全部灌满空隙后养护至3 d(见图2)，测定其抗折强度，并观察试件破坏断面的情况。

(a) 混凝土裂缝修补结构；(b) 斜剪试验

图2 混凝土裂缝修补结构的抗折试件

1.2.4 组合梁抗折强度

参考ASTM C78试验方法，采用100 mm×100 mm×400 mm的试件进行复合梁的三点加载试验。在混凝土试件浇筑之前预埋厚度为1 mm的金属片(见图3)，24 h之后进行脱模并取出金属片养护至28 d，再将混凝土试件的三面密封固定后，从未密封的一面往空隙中注入配制好的修补材料，待全部空隙灌满后养护至3 d，测定其抗折强度，并观察试件破坏断面的情况。

(a) 组合梁抗折试件；(b) 组合梁抗折试验

2 试验结果及分析

2.1 混凝土基体与修补材料的性能

混凝土基体采用C40混凝土，其力学性能见表1。由于修补材料各项性能差异较大，为了使试验具有可比性，将水泥净浆、纯聚合物和聚合物水泥净浆3种修补材料的3 d抗压强度均控制在40~50 MPa之间(与基体混凝土抗压强度匹配)，其性能指标见表2。

表1 混凝土基体力学性能

表2 修补材料性能

注：3 d抗折黏结强度试验中的对比标准水泥胶砂基体的3 d抗折强度为4.5 MPa

由表2可以看出：当水泥净浆、纯聚合物和聚合物水泥净浆的3 d抗压强度均处40~50 MPa时，纯聚合物的3 d抗折强度、抗拉强度和抗折黏结强度最高，且压折比最低，其综合性能最优；而聚合物水泥净浆较好，水泥净浆的综合性能最差。

2.2 混凝土裂缝修补结构的力学相容性

在保证混凝土基体和3种修补材料抗压强度都在40~50 MPa的前提下，分别进行了混凝土裂缝修补结构3 d斜剪强度、劈拉强度、抗折强度、组合梁抗折强度试验。

混凝土修补结构力学相容性应包括2个方面：1) 修补材料和基体共同作用所反映的力学性能，即共同承受荷载的能力；2) 修补材料和基体之间的相互作用所反映的变形协调能力，即共同抵抗变形的能力。

为了评价修补材料和基体共同承受荷载的能力提出强度比概念：强度比=混凝土裂缝修补结构的强度/混凝土基体的强度。强度比越高说明其共同承受荷载的能力越强。通过混凝土裂缝修补结构的破坏形态来反映修补材料和基体共同抵抗变形的能力。混凝土裂缝修补结构的破坏形态与混凝土基体的破坏形态越接近则说明其共同抵抗变形的能力较好。

2.2.1 斜剪强度

斜剪强度试验主要是测试试件在压剪组合下的力学性能。由表3可知：用纯聚合物修补的混凝土裂缝修补结构(即纯聚合物裂缝修补结构)的3 d斜剪强度和斜剪强度比均为最高，分别为24.7 MPa和0.79。说明修补结构最多可承受原结构79%压剪组合荷载。

表3 混凝土裂缝修补结构斜剪试验结果

斜剪试验的破坏形态如图4所示。水泥净浆裂缝修补结构的破坏形态与混凝土基体类似，均出现了与剪切面呈一定角度的裂缝且并未出现沿剪切面的滑移现象，其试件整体性较好，这说明虽然水泥净浆裂缝修补结构斜剪强度较低，但水泥净浆与混凝土基体的弹模接近，故其抵抗剪应力所产生变形的能力较好。因此在剪切与压应力状态下，水泥净浆与基体之间的变形协调能力较好。纯聚合物裂缝修补结构与聚合物水泥净浆裂缝修补结构的破坏形态类似，均沿剪切面发生一定程度的滑移，这是因为纯聚合物和聚合物水泥净浆的弹模均低于混凝土基体，混凝土基体会强烈限制低弹模修补材料的变形从而导致低弹模修补材料接近界面位置产生高度应力集中而发生剪切破坏。

在斜剪试验中，试件由于受到剪应力和压应力的共同作用，水泥净浆裂缝修补结构的变形协调性最好；而纯聚合物由于黏结强度较高因而其裂缝修补结构的斜剪强度比最高，这说明力学相容性的2个方面并未在斜剪试验中得到统一。

(a) 混凝土基体斜剪破坏形态；(b) 水泥净浆裂缝修补结构斜剪破坏形态；(c) 纯聚合物裂缝修补结构斜剪破坏形态；(d) 聚合物水泥净浆裂缝修补结构斜剪破坏形态

2.2.2 劈拉强度

劈拉强度试验主要是反映试件在劈裂条件下的间接抗拉强度。由表4可知：混凝土裂缝修补结构的劈拉强度与劈拉强度比最高的修补材料是水泥净浆，分别为2.9 MPa和1.12，这说明水泥净浆裂缝修补结构比原结构抵抗劈拉荷载的能力提高了，但这与其他力学性能的试验结果不一致，可能与劈拉强度试验离散性较大有关。

表4 混凝土裂缝修补结构劈拉试验结果

图5是混凝土裂缝修补结构进行劈拉强度试验之后的试件界面情况。从图5可以看到，破坏面基本发生在修补材料和混凝土基体的黏结界面，即用水泥净浆、纯聚合物、聚合物水泥净浆进行修补的混凝土裂缝修补结构与混凝土基体的劈拉破坏形态是类似的，均沿劈裂面破坏，故劈拉试验不能很好地说明混凝土裂缝修补结构的变形协调性，仅能反映其在劈拉状态下的界面黏结效果。

(a) 水泥净浆修补结构试验破坏面；(b) 纯聚合物修补结构试验破坏面；(c) 聚合物水泥净浆材修补结构试验破坏面

2.2.3 抗折强度

抗折强度试验主要是反映试件在纯弯条件下的抵抗弯拉破坏的能力。由表5可知：用纯聚合物修补的混凝土裂缝修补结构的3 d抗折强度和抗折强度比均为最高，分别为2.0 MPa和0.32。说明修补结构共同抵抗弯拉荷载的能力普遍偏低，这主要是由修补材料的抗折黏结强度较低所致。

表5 混凝土裂缝修补结构抗折试验结果

与劈拉试验类似，用水泥净浆、纯聚合物、聚合物水泥净浆进行修补的混凝土裂缝修补结构与混凝土基体的抗折破坏形态是类似的，均在靠近试件中部位置发生弯拉破坏，故抗折试验也不能很好地说明混凝土裂缝修补结构的变形协调性，仅能反映其在纯弯状态下的界面黏结效果。

2.2.4 组合梁抗折强度

由表6可知：用纯聚合物修补的混凝土裂缝修补结构的3 d组合梁抗折强度和组合梁抗折强度比均为最高，分别为4.9 MPa和0.78 MPa。

表6 混凝土裂缝修补结构组合梁抗折试验结果

图6(a)，6(c)和6(d)破坏形态接近，即分别用纯聚合物和聚合物水泥净浆进行修补的混凝土裂缝修补结构的破坏形态与混凝土基体类似，破坏面均为一连续断面且未完全沿修补界面发生破坏，其试件整体性较好，这说明在剪切和弯拉荷载作用下，纯聚合物和聚合物水泥净浆与基体之间的变形协调能力较好。而水泥净浆裂缝修补结构沿修补界面发生破坏，具体见图6(b)，这说明在剪切和弯拉应力作用下，水泥净浆与基体之间的变形协调能力较差。修补材料与基体之间较好的变形协调性应该体现为具有与混凝土基体类似的破坏形态，即在修补区域或者非修补区域出现一连续贯通断面，图7(a)和7(b)均为力学相容性较好的组合梁破坏形态，而本试验结果图6(c)和6(d)均与图7(b)一致。

(a) 混凝土基体组合梁抗折试验破坏形态；(b) 水泥净浆裂缝修补结构的组合梁抗折试验破坏形态；(c) 纯聚合物裂缝修补结构的组合梁抗折试验破坏形态；(d) 聚合物水泥净浆裂缝修补结构的组合梁抗折试验破坏形态

(a) 试件修补区域贯通连续断面；(b) 试件非修补区域贯通连续断面

2.2.5 试验方法的比较分析

由表3~6可知：用纯聚合物修补的组合结构的3 d斜剪强度、抗折强度、组合梁抗折强度均是最高的，说明纯聚合物的修补效果较好。

图8 混凝土裂缝修补结构力学性能及其标准误差

由表3~6还可看出，混凝土裂缝修补结构的3 d劈拉强度与其他性能的差异较大，如用水泥净浆和聚合物水泥净浆进行修补的裂缝修补结构的3 d劈拉强度均超过了混凝土基体的28 d劈拉强度，且水泥净浆修补结构的劈拉性能高于纯聚合物修补结构的，这可能是劈拉试验的加载受力点很难保证完全处于裂缝修补界面从而导致试验差异性较大；而其抗折强度比(混凝土裂缝修补结构的3 d抗折强度与28 d混凝土基体抗折强度的比值)过小，均小于0.35，不宜作为混凝土裂缝修补结构力学相容性的评价指标；且劈拉试验和抗折试验均不能反映修补材料和混凝土基体之间的变形协调性，故劈拉试验和抗折试验均不宜评价混凝土裂缝修补结构的力学相容性。

如图8所示，斜剪强度试验的标准误差最大，而组合梁抗折强度试验的标准误差最小，说明组合梁抗折强度试验的试验方法较为可靠；且斜剪强度试验仅能反映混凝土裂缝修补结构在压剪组合下的力学相容性，而组合梁抗折强度试验研究的是其在剪切和弯拉荷载综合作用下的力学相容性，故组合梁抗折强度试验方法进行混凝土裂缝修补结构的力学相容性研究更为全面有效。

综上所述：采用组合梁抗折强度试验方法既可以反映修补材料和基体之间的变形协调性又能衡量其共同承受荷载的能力，用组合梁抗折强度比及其试验破坏形态来评价基体与修补材料的力学相容性较为合适。组合梁抗折强度试验结果表明：用纯聚合物修补的混凝土裂缝修补结构的3 d组合梁抗折强度比均为最高；且用纯聚合物进行修补的混凝土裂缝修补结构的破坏形态与混凝土基体类似，故在本试验中，纯聚合物与混凝土基体的力学相容性最好。

3 结论

1) 当水泥净浆、纯聚合物、聚合物水泥净浆的3 d抗压强度处于同一水平时，纯聚合物的3 d抗折强度、抗拉强度和抗折黏结强度最高，且压折比最低，聚合物水泥净浆次之，水泥净浆的力学性能 最差。

2) 混凝土裂缝修补结构力学相容性应包括修补材料和基体共同作用所反映的力学性能及其相互作用所反映的变形协调性。组合梁抗折强度试验能够可靠有效的用于评价混凝土裂缝修补结构的力学相容性。通过组合梁抗折强度比衡量修补材料和基体共同承受荷载的能力，其试验破坏形态可以反映修补材料和基体之间的变形协调性。

3) 用纯聚合物修补的混凝土裂缝修补结构的3 d组合梁抗折强度比高达0.78；且用纯聚合物进行修补的混凝土裂缝修补结构的破坏形态与混凝土基体类似，故在本试验中，纯聚合物与混凝土基体的力学相容性最好。

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(编辑 蒋学东)

Experimental study on mechanical compatibility of concrete crack repair system

CHI Yi1,2, YIN Jian3

(1. Hunan Communication Polytechnic, Changsha, Changsha 410132, China; 2.School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China; 3. School of Civil Engineering and Mechanics, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410018, China)

The key failure mechanism of concrete crack repair system is the poor compatibility between repair material and substrate concrete. With three different types of repair materials, i.e., the cement paste, straight polymer and polymer cement paste, the mechanical compatibility of concrete crack repair structurewas studied by a series of mechanical tests. By comparing the results of the shear tests, splitting tensile tests, flexural strength tests and composite beam flexural strength tests, it was found that the composite beam flexural strength test is more reliable and effective for evaluating the mechanical compatibility of concrete crack repair structures. It is also suitable to evaluate the mechanical compatibility by combining beam flexural strength ratio and fracture characteristics. The results indicate that when maintaining the 3-day compressive strength of these three different repairing materials at the same level, the other mechanical properties of the pure polymer including “flexural strength, flexural bond strength, tensile strength, and crimp ratio” show their optimum values, and the mechanical compatibility of cracked concrete structure repaired by polymer was also the best.

concrete crack repairing; mechanics compatibility; strength ratio; fracture characteristic

10.19713/j.cnki.43−1423/u.2018.09.020

TU375.4

A

1672 − 7029(2018)09 − 2327 − 08

2017−06−21

湖南省交通科技资助项目(201702)

尹健(1970−)，男，湖南洞口人，教授，博士，从事土木工程材料研究；E−mail：CSUYJ700930@163.com