冻融环境下废旧纤维混凝土与旧混凝土粘结面劈拉试验

李 妍，贺柱国

吉林建筑大学 土木工程学院,长春 130118

0 引言

混凝土是日常生活中最为常见的建筑材料之一,在世界各大城市中均能找到他们的身影.随着我国大规模基本建设的实施,出现许多大型混凝土建筑和结构.但随着混凝土的老化也出现了一些问题,如在高海拔和高纬度等寒冷地区温度的变化导致荷载发生变化、港口,城市立交桥等结构遭遇严重的冻融破坏等情况,建筑的长时间使用将导致耐久性不足存在安全隐患,因此必须对遭受冻融破坏的混凝土进行加固补强.

工业废旧纤维混凝土相比普通混凝土具有抗压强度高、韧性性能好等特性[1],将其作为新混凝土加固的材料,能够提高被加固物体整体的力学性能,这对处于恶劣环境、受荷复杂的混凝土结构的修补或对混凝土结构有更高要求的无疑是一种理想材料[2].因此,研究纤维混凝土与旧混凝土粘结复合结构的力学性能具有十分重要的现实意义和实用价值.当前,一些学者做了许多相关研究,文献[3]研究了先冻融后粘结的新旧混凝土复合立方体试件和先粘结后冻融的新旧混凝土复合立方体试件,根据界面粗糙度、冻融循环次数和界面剂3种不同因素作用下劈裂抗拉强度的变化.文献[4]研究了超低温冻融循环后混凝土的损伤机理及控制措施,根据试验得出了混凝土的冻融循环损伤主要是由于混凝土内部的水孔隙水结冰导致体积膨胀对混凝土内部细微孔隙壁产生冻胀压力使得孔隙增大,许多原本不相连的孔隙连通甚至形成通缝,从而造成混凝土的内部破坏.粘结劈拉性能是新旧混凝土粘结的基本力学性能之一[5].本文拟通过对工业废旧纤维混凝土与旧混凝土粘结试块的慢速冻融试验,探究纤维掺量、冻融循环次数对粘结面劈裂抗拉强度的影响.

1 试验概况

1.1 试验材料及其配合比

在半年之前浇筑一批100 mm×100 mm×100 mm的旧混凝土试件,水泥采用吉林亚泰水泥有限公司生产的32.5级复合硅酸盐水泥,其他原材料包括中粗河沙(细度模数为2.62)、碎石(粒径为4.75 mm～20.5 mm)、减水剂(减水率为20 %).旧混凝土所用混凝土强度等级为C 30,根据《混凝土结构加固技术规范》(GB 50367-2013)[6],混凝土结构加固时所用混凝土等级应比原结构混凝土强度等级高一级.因此,新纤维混凝土强度设计等级为C 40.工业废旧纤维采用从轮胎中提取出来的高强胎圈钢丝,对废旧纤维进行拉拔试验测得工业废旧纤维的抗拉强度平均值为1 900 MPa,用钢丝球擦去纤维表面的残留橡胶和铁锈使之成为光圆钢丝并按照试验要求进行剪切,其平均长度为30.5 mm,长径比为30，纤维的体积掺量为0 %,0.5 %,1.0 %,1.5 %,试验材料的配合比(系指1 m3废旧纤维混凝土中所含各材料的质量)见表1.

表1 试验材料配合比的设计

1.2 粘结面的处理

新旧混凝土粘结界面需经过粗糙处理,以提高其表面的粗糙度,通常所用方法为高压水冲法、人工凿毛法和喷砂法等[7].本试验中将100 mm×100 mm×100 mm 的旧混凝土试块用石材切割机切割成100 mm×100 mm×50 mm 的小块,然后用凿等工具将粘结面凿毛,清除松动开裂部分并刷洗干净如图1所示,用灌砂法控制粘结面的粗糙度在1.5 mm～2.3 mm之间.本试验的界面粘结剂选用水泥砂浆,其配比为水泥∶砂∶水=1∶1∶0.4.

图1 粘结面

图2 侧向浇筑新混凝土

1.3 试验方法

将粘结面处理后的100 mm×100 mm×50 mm 的试块用水冲洗干净并通风晾干至表面无水状态.浇筑时,先在粘结面涂上界面剂放置在模具内,并迅速侧向浇筑各类纤维掺量的工业废旧纤维混凝土如图2所示.24 h小时后拆模,送入标准养护室养护28 d.每组试件浇筑3个试块,共计17组51个试块.在冻融循环之前将试块放入养护箱中加水浸泡96 h至试块水饱和状态.本试验采用慢速冻融法,新旧混凝土复合立方体分别冻融循环30次、60次、90次.根据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082-2009)[8],1个冻融循环周期为8 h左右,冷冻期间冻融试验箱内保持在-20 ℃～-18 ℃,融化期间冻融箱内浸泡混凝土试件水温保持在20 ℃～18 ℃.试验中同时测量新旧混凝土的劈裂抗拉强度和质量损失率.本试验采用600 kN的液压万能试验机进行,如图3所示,垫条放在粘结面的上下两侧.新旧混凝土试块的劈裂抗拉强度按下式计算:

fτ=2P/(πA)

(1)

式中,fτ为劈裂抗拉强度,MPa;P为最大劈裂荷载,N;A为粘结面的面积,mm2.

图3 劈裂抗拉试验

图4 粘结破坏表面

2 试验结果与分析

2.1 破坏形态

所有复合立方体试件的破坏面均沿着新旧混凝土的粘结面而破坏，且所有的新旧混凝土复合立方体的劈裂抗拉强度均低于旧混凝土试块和新混凝土试块的劈裂抗拉强度,经过冻融循环之后复合立方体劈裂抗拉强度也显著低于未经冻融循环的复合立方体的劈裂抗拉强度,且随着冻融循环次数的增加其劈裂抗拉强度逐渐降低.钢纤维分布如图4所示,均匀分布在新混凝土中且部分纤维裸露在外部说明钢纤维发挥了部分阻裂耗能的作用.为了衡量冻融循环后复合立方体试块劈裂抗拉强度的下降程度,本文采用相对劈拉强度β衡量试验结果,其定义式为:

β=(fτn/fτo)×100 %

(2)

式中,β为相对劈拉强度,%;fτo为老混凝土的劈裂抗拉强度,MPa;fτn为冻融循环作用n次后新旧混凝土复合立方体的劈裂抗拉强度,MPa.

2.2 冻融循环次数对粘结面劈裂抗拉性能的影响

各纤维掺量的工业废旧纤维混凝土和旧混凝土复合立方体的相对劈裂抗拉强度随冻融循环次数的变化曲线如图5所示,冻融循环次数对复合立方体的劈拉强度的影响很大.各个纤维掺量下,复合立方体的劈裂抗拉强度均随冻融循环次数的增加而降低,未经冻融循环时,复合立方体的劈裂抗拉强度为旧立方体劈裂抗拉强度的70 %～90 %,经过30次的冻融循环,劈裂抗拉强度降到了旧混凝土的65 %～78 %且随着冻融循环次数的进一步增加劈裂抗拉强度大幅下降,到第90次冻融循环时只有旧混凝土的20 %～35 %,粘结面基本破裂.复合立方体试块粘结面是新旧混凝土通过界面剂粘结在一起,在浇筑和粘结硬化的过程中会存在一些细微孔隙,因此造成粘结面处于复合立方体试件的最薄弱处,未经冻融循环的复合立方体劈裂抗拉强度均低于旧混凝土和工业废旧纤维混凝土试块.由于这些孔隙的存在,在饱水状态下经过数次的冻融循环,孔隙内的水分多次结冰膨胀使得裂缝进一步扩展[9],从而导致新旧混凝土粘结性能遭到破坏机械咬合力下降.从断面分析,经过多次冻融循环的复合立方体粘结面相比未经冻融循环的粘结面更疏松多孔,冻融循环过后的新旧混凝土试块粘结面粘结强度下降,导致在外力的作用下更容易破坏.

图5 冻融循环次数对相对劈拉强度的影响

图6 工业废弃纤维体积掺量对相对劈拉强度的影响

2.3 纤维体积掺量对粘结面劈裂抗拉性能的影响

图6为冻融循环0次、30次、60次和90次的新旧混凝土复合立方体试块相对劈拉强度随纤维掺量的变化曲线.由图6可以看出,纤维体积掺量的变化对试块相对劈裂抗拉强度有较大影响.在上述4种冻融循环次数下,增加纤维体积掺量均不同程度地提升了复合立方体的相对劈裂抗拉强度,且当纤维体积掺量为1.5 %时达到最优.由前述研究可知,随着冻融循环次数的增加,复合立方体的劈裂抗拉强度降低,而工业废弃纤维的掺入则能延缓其降低程度.例如经90次冻融循环后,未掺废弃纤维的新混凝土复合立方体的相对劈裂抗拉强度值仅为23 %,而相同条件下掺入0.5 %废弃纤维的新混凝土复合立方体的相对劈裂抗拉强度值提升到了30 %,而掺入1.0 %,1.5 %体积掺量的复合立方体的相对劈裂强度值分别达到了29.5 %和33.2 %.在相同条件下,劈裂抗拉强度基本随着纤维体积掺量的增加而增大.这是由于新旧混凝土的收缩差异是粘结面产生细微裂缝而影响粘结效果的因素之一,而工业废旧纤维的掺入使得新混凝土的收缩大为减少,从而改善了粘结面的粘结效果[10].同时,工业废旧纤维乱向分布在新混凝土中有的横贯粘结面,劈拉时阻碍了破坏面通缝的形成,提高试块的劈裂抗拉强度.

3 结论

本文通过不同纤维体积掺量下新型工业废弃纤维混凝土与旧混凝土粘结面的冻融劈拉试验,研究了试块在不同纤维体积掺量及冻融循环次数下劈裂抗拉强度的影响变化规律,并观察了试块粘结面的破坏特征,综合得出如下结论:

(1)在新混凝土中掺入工业废弃纤维能提高混凝土复合立方体在冻融循环下的劈裂抗拉强度,其原因在于新混凝土中掺入工业废弃纤维能改善混凝土的收缩性能及部分横穿粘结面的纤维也能起到阻裂作用.相同冻融循环下,新旧混凝土复合立方体劈裂抗拉强度随纤维体积掺量的增加而增大.

(2)在饱水状态下,工业废弃纤维混凝土与旧混凝土粘结的复合立方体试件劈裂抗拉强度随冻融循环次数的增加而减小.