内埋聚氨酯胶管混凝土自修复效果计算式

王晓磊, 梁志权

(1.河北工程大学 土木工程学院, 河北 邯郸 056038; 2.河北工程大学 河北省装配式结构技术创新中心, 河北 邯郸 056038)

混凝土结构在基础设施建设中应用广泛,然而混凝土属于一种脆性材料,容易开裂.若混凝土裂缝不及时处理,可能造成结构使用功能丧失甚至发生事故.因此,混凝土结构裂缝修补意义重大.

当前,关于混凝土自修复的研究为数不少[1],但主要集中于钢-混凝土结构承载力和混凝土立方体试块力学性能的修复研究方面.如匡亚川等[2]提出内置纤维胶液管和胶囊的修复方法,开展了钢-混凝土结构承载力的自修复研究;钱春雷等[3]进行了微生物导致混凝土表面缺陷及修复的研究;贾强等[4]对微生物沉积碳酸钙修复混凝土裂缝进行了现场试验;李沛豪等[5]进行了利用细菌诱导碳酸钙沉积来修复混凝土裂缝的试验研究,该研究对细小裂缝的修复研究进程有重要意义[6];李双蓓等[7]运用双样条QR法对形状记忆合金(SMA)混凝土梁修复进行了分析;陆洲导等[8]进行了环氧树脂修复混凝土裂缝的断裂试验研究;程培峰等[9]研究了放置位置和放置方式等因素对混凝土自修复效果的影响.上述研究对提高混凝土的自修复能力作出了较大贡献[1],但目前,针对混凝土构件自修复效果计算式的研究还未有报道.

鉴于此,本文提出以混凝土的开裂荷载来表示修复前的最大承载力,以混凝土缝宽增量超过胶液最大弹性应变时所对应的荷载来表示修复后的承载力,将两者比值作为混凝土自修复效果试验值,并通过试验验证了自修复效果计算式的合理可靠性.

1 试验概况

1.1 试件设计

为验证混凝土自修复效果计算式是否适用于不同尺寸、受力方式、玻璃管形式及裂缝宽度等情况,试验设计了10个混凝土基体,用其制作自修复混凝土试件,其参数如表1所示.其中CB系列混凝土试件(CB1～CB7)尺寸为100mm×100mm×500mm,用于剪压试验,裂缝宽度预控制为0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5mm;CS系列混凝土试件(CS-1L、CS-2Z和CS-3W)尺寸为500mm×500mm×100mm,用于集中线荷载加载试验,裂缝宽度均预控制为1.0mm[1-2,9-10].为防止混凝土试件脆性破坏,且较易形成不同宽度的裂缝,在其受拉区配置2种钢筋,分别为直径6mm的Q235钢筋和直径8mm的HPB300钢筋.试验修复因子选用修复建筑裂缝常用的长城牌聚氨酯黏结剂(购自当地建材城),其抗拉强度为2.45MPa,弹性模量为20～70MPa,光照1a后的抗拉强度折减至83%;修复装置选用装有聚氨酯黏结剂的石英玻璃管[2],玻璃管内径为12mm,外径为14mm,长度为100mm,其制备过程参照文献[9].试件裂缝使用ZBL—F103裂缝宽度观测仪进行观测.内埋在试件中的修复装置单层单列排列,钢筋距试件底面25mm,距侧边25mm(CB系列试件)、50mm(CS系列试件).

表1 试件参数

1.2 加载设计

按GB/T 50081—2016《普通混凝土力学性能试验方法标准》和GB/T 50152—2012《混凝土结构试验方法标准》分别进行CB系列试件的剪压试验和CS系列试件的集中线荷载加载试验.当加载值达到开裂荷载附近时,需注意观察裂缝出现情况,并记录第1道裂缝形成时的荷载值;每级加载后观察裂缝扩展情况,直到达到设定的裂缝宽度.若试验过程中未达到规定裂缝宽度时就有胶液流出,则立即用速干胶将硬质塑料粘在底面裂缝处,以防止因胶液流失,导致修复效果降低,同时采用隔级加载方式,加快加载进程.由于裂缝形成具有突然性和难控性,实际形成的裂缝宽度如下：0.6、0.9、1.2、1.8、2.5、3.0、3.5mm(CB系列试件)；1.1、1.2、1.0mm(CS系列试件).将加载好的混凝土试件放在室外地面上自然修复14d,测其修复效果[11].修复后的加载试验过程与修复前的加载过程一样,待裂缝宽度增量大于规定值或出现卸载情况时即终止试验.试件加载示意图如图1所示.

1.3 混凝土基体参数确定

混凝土基体中的水泥采用强度等级为32.5的矿渣硅酸盐水泥;砂采用中砂,细度模数为2.8;碎石采用青冈岩碎石,粒径为5～31.5mm,其中5～10mm 的碎石质量分数为35%,10～25mm的碎石质量分数为65%.根据JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》设计混凝土基体的配合比,m(水泥)∶m(砂)∶m(碎石)∶m(水)=0.54∶1.00∶1.63∶3.30.

图1 试件加载示意图Fig.1 Schematic diagram of loading test(size:mm)

1.4 修复效果指标确定

(1)

2 试验结果及分析

2.1 试件受力破坏过程及形态

2.1.1加载过程

CB系列试件开裂前和开裂时均符合混凝土梁的剪切破坏特征.CB系列试件开裂后,随着加载的继续进行,当荷载到达某一值后,跨中裂缝不再扩展,加载点下方外侧的裂缝则还在扩展;继续加载,2个加载点下方裂缝中的1条停止扩展,另1条则继续扩展;再继续加载,该裂缝逐渐发展为裂缝宽度不同的贯通或不贯通的主裂缝.试验中有3种现象出现,如图2所示.

图2 CB系列试件破坏状况Fig.2 Failure status of CB series specimen

由图2可见：试件达到开裂荷载时,无跨中裂缝出现,只有加载点下方外侧出现裂缝(图2(a));形成了1条裂缝贯通,且裂缝出现位置只集中在某一加载点下方,而非2个加载点下方(图2(b));在底面主裂缝位置出现“人”字缝后与主裂缝交汇在一起(图2(c)).产生图2(a)裂缝有2个原因：一是石子大小不一,造成每个截面强度不完全相同;二是跨中处不是最大受力位置,因此跨中裂缝并未成为主裂缝.产生图2(b)裂缝原因是2个加载位置截面强度不一致,导致形成了1条主裂缝.产生图2(c)裂缝原因是试件底面的局部破坏.

CS系列试件开裂和裂缝发展过程较为常规,符合素混凝土板集中荷载破坏特征.裂缝形成初期,跨中位置处形成非通长的3～4条间断裂缝,从底部开始向上扩展,随着加载的进行,间断裂缝慢慢贯通,裂缝也向上扩展,裂缝变宽、变长.

2.1.2断面破坏过程

为探究胶液-混凝土黏结强度与固化胶液自身抗拉强度的关系,对试件断面处的固化胶片观察分析.CB系列试件断面破坏状况如图3所示.

图3 CB系列试件断面破坏状况Fig.3 Failure status of CB series specimen

由图3可见：CB系列试件的破坏面未发生在原裂缝处,而是在底部黏结处的外边缘发生了破碎性断裂.这说明试件底部修复胶液的黏结力很强,而距底部3cm以上位置黏结力较差;胶液并非均匀、整体充满裂缝而是成片出现(或者离散无规律可循).从破裂面看,胶液固化形成的胶片未被撕裂,而是从混凝土的黏结面脱落,说明胶液的抗拉强度大于自然断裂面的黏结强度.

2.2 特征点参数及自修复效果

通过试验得到各试件的开裂荷载、缝宽、缝高及修复后的荷载等特征参数,并计算出各试件的自修复效果试验值,如表2所示.

表2 试件特征点参数

3 修复效果计算式

3.1 修复效果定义分析

混凝土自修复效果(η)是指混凝土修复前后性能的对比.由于混凝土的性能指标具有多样性[1],导致其修复效果表达式也呈多样性.从构件的拉、弯、剪、扭承载力计算式中可知,除了钢筋承担部分荷载外,其余荷载均由混凝土承担[12],且混凝土承载力计算值的大小与加载位置形式、构件尺寸、混凝土抗拉强度和修正系数有关.因此,本文在研究混凝土修复效果表达式时,将混凝土矩形截面构件自修复效果表达式分为以下3类[12].

受拉构件:

(2)

(3)

受弯构件:

(4)

(5)

受剪构件:

(6)

(7)

将上述混凝土自修复效果表达式整合简化为：

(8)

式中：F1、F2分别为混凝土自修复后和自修复前的承载力;k为修正系数.

令有效填充系数γ1=S1/S,则式(8)可表示为：

(9)

3.2 自修复后裂缝处抗拉强度的确定

混凝土自修复后裂缝处抗拉强度f分析示意图如图4所示.由图4可见,混凝土自修复后裂缝处抗拉强度f的影响因素有2类——修复因子与接触面(混凝土)的黏结强度fb和修复因子自身的抗拉强度ff.N为外界拉力.

图4 混凝土修复后裂缝处抗拉强度分析示意图Fig.4 Tensile stress analysis of cracks after repair

(10)

3.3 自修复效果计算式合理性分析

影响自修复混凝土修复效果的因素有很多[1,9],将这些影响因素分为4类：第1类是裂缝形式,不同的裂缝形式对修复因子黏结强度的消减程度不同;第2类是修复因子的黏结强度,具体可分为胶液黏结强度、微生物矿化沉淀黏结强度和其他可影响前两者强度的因素;第3类是修复因子有效填充面积或有效填充量(包括裂缝尺寸,修复装置形式、布置形式、位置及修复因子含量等因素);第4类是混凝土的强度等级.

综上所述,裂缝处抗拉强度的4类影响因素与混凝土自修复效果试验的4类影响因素相互对应.因此以裂缝为研究对象,混凝土自修复效果表达式用自修复后裂缝处抗拉强度和自修复前抗拉强度(即混凝土抗拉强度)的比值来表示是可行的.

3.4 单向单层纵筋(少筋)对混凝土自修复效果影响的判断方法

由于混凝土具有脆性且裂缝较难控制,在大量混凝土自修复研究中,均采用底部(开裂处)配筋的解决办法.而配筋是否影响修复效果的准确性尚无定论.本文从两方面给出判定参考.

(2)由几何(变形)条件可知：若截面在开裂前混凝土与钢筋黏结良好,则二者的变形(δc和δs)可视为相同,即δc=δs.混凝土临开裂前会出现少量塑性变形,应力增长稍减,由于塑性阶段承载力增量有限,相较于弹性阶段的最大承载力,其可以略去不计[13].由弹性体抵抗变形计算公式k=F/δ[13](F为作用于结构的恒力,δ为材料因力而产生的形变)可得到：

(11)

式中：Fc、Fs分别为作用于混凝土和钢筋的恒力;kc、ks分别为混凝土和钢筋的刚度;δc、δs分别为混凝土和钢筋的形变;Ic、Is分别为混凝土和钢筋的惯性矩.

式(11)中EcIc/EsIs<0.1%，则可认为Ic≪Is，说明开裂前混凝土承担的拉力远大于钢筋承担的拉力,混凝土基体中的配筋对混凝土自修复的影响可以忽略.因此通过配筋控制混凝土的开裂,来研究混凝土的自修复效果是可行的.

3.5 计算式中参数的确定

3.5.1有效填充系数γ1的确定

根据混凝土自修复后修复因子(胶液)填充面积S1和裂缝面积S,计算得到有效填充系数γ1,见表3.

表3 有效填充系数γ1

由表3可知,修复因子填充面积随裂缝面积的增大而有所上升,当裂缝面积等于混凝土试件横截面面积时,修复因子填充面积不再增大,而是随缝宽的增大而下降.裂缝面积较小时,缝宽也较小,石英玻璃管处的缝宽也较小,此时胶液流出较少,裂缝的毛细作用使胶液扩散,导致修复因子填充不充分.随着裂缝面积增大,缝宽也在增大,玻璃管处的缝宽变大,胶液流出变多,毛细作用使胶液扩散,填充面积变大.当裂缝面积等于横截面积时,缝宽变得肉眼可观,胶液流出后不再有毛细作用,或者说毛细所用很弱,导致填充效果变差.以上分析可为胶液最佳填充面积的研究提供参考.

3.5.2断面折减系数γ2的确定

根据JTG D40—2011《公路水泥混凝土路面设计规范》可知,混凝土抗折强度与抗拉强度成线性相关,因此将混凝土抗折强度线性转换为抗拉强度.表4 为C30混凝土不同形式断面修复后的抗折强度[11].表5为长城717胶黏剂与混凝土不同形式断面的黏结强度(抗拉强度).由表4、5可知,混凝土断面折减系数γ2为0.688(14d自然断裂面和切割面抗拉强度之比).

表4 C30混凝土不同断面修复后的抗折强度

表5 用长城717胶黏剂修复后的混凝土抗拉强度

3.6 试验结果验证

为验证自修复效果计算式(式(10))的可靠性,将自修复效果计算值(ηcal)与试验值(ηexp)进行对比,如表6所示.

表6 自修复效果试验值与计算值

由表6可知，混凝土自修复效果试验值与有效填充系数线性相关性较强,相关系数为0.994；修复效果试验值均略大于计算值,两者比值的均值为1.0397,相关系数达0.9859,说明两者相差不大,变异系数较小.可见本文提出的自修复混凝土修复效果表达式的计算值与试验值吻合良好,计算合理可靠,可用于指导设计.

导致修复效果试验值略大于计算值的原因有以下2点：(1)混凝土自修复后胶液在未完全填充截面的情况下,加载过程中的钢筋会不可避免地提供小部分承载.(2)自修复效果计算(式(10))中断面折减系数γ2理论上是不完全断裂时的折减系数,而计算时用的γ2是完全断裂时的折减系数,后者小于前者.在实际工程中,胶液一般不会完全填充断裂面,且裂缝不会开展到足够大,也就是说不允许断裂面完全断裂,因此以上2种情况都不容易解决,可将自修复效果试验值与计算值间的差值作为工程上的安全储备.需要说明的是，由于本文试验数据有限,现行文献也无数据可用,所以式(10)中的修正系数k需要在今后的研究工作中用大量试验数据来确定.

4 结论

(1)推导出混凝土自修复效果的计算式,计算式中的系数与自修复效果影响因素一一对应;同时给出了各系数的确定方式,并通过不同试件尺寸、受力方式、玻璃管形式和裂缝宽度试验验证了计算式的准确性.

(2)试件开裂前,当钢筋承载力Ns远小于混凝土承载力Nc时,钢筋对混凝土自修复效果的影响可以忽略.

(3)在胶液作为修复因子的混凝土自修复试验中,黏结较好的底部裂缝不会再次破坏,而在胶缝周边易出现局部破碎,从而导致自修复失效.

由于试验限制,本文只进行了1种混凝土的配合比试验,还需要大量的试验数据来完善自修复效果表达式中的各系数,同时自修复效果计算表达式也需要大量试验进行验证.因此,此公式仅为今后混凝土的自修复研究提供参考.