玄武岩纤维混凝土补强新老混凝土粘结性能试验研究

周焱斌，夜鹏飞

（1、广东建科交通工程质量检测中心有限公司 广州 510550；2、广东省交通基础设施智能检测工程技术研究中心 广州 510550；3、中交二航局建筑科技有限公司 武汉 430415）

0 引言

国家经济的快速发展离不开良好的交通运输系统，而港口码头、公路桥梁等作为交通运输系统的重要组成部分，大量已建混凝土基础设施经过多年服役，大部分已出现老化、病害等现象，因此需要探索混凝土维修加固的方法，从而保证充分利用在役混凝土［1］基础设施的剩余价值、延长其使用年限、更好地产生经济效益。

混凝土结构维修加固中的增大截面法主要应用于道路桥梁及港口码头中，由于新老混凝土的收缩差异，导致在界面处产生错动、裂缝［2］等现象。

大量的工程实践表明［3-5］，维修加固的效果主要取决于新老混凝土结合面的处理，新老混凝土结合面为维修加固构件中最薄弱的位置，往往决定了工程结构的承载力。

玄武岩纤维作为一种高性能环保型材料，具有耐高温、耐腐蚀、强度高、价格低廉、环保等优良性能，在建筑行业逐渐得到应用和发展。在混凝土拌合中掺入玄武岩纤维，能有效改善混凝土的收缩性能，它与添加减缩剂以及增加新老混凝土结合面［6-7］的粗糙度等方法一起常用于破旧混凝土的修补工作。

目前国内大多考虑单因素对新老混凝土结构的收缩进行分析［8］，而对于多个因素共同影响新老混凝土收缩的相关试验不多见，因此本文采用室内试验的方法，考虑新老混凝土结合面的粗糙度、减缩剂的掺量、玄武岩纤维的掺量3 个因素对于新老混凝土试件的粘结收缩进行分析，所获相关试验结论以期为相关混凝土结构维修加固工程提供参考。

1 试验材料

玄武岩纤维［9-10］较其他材料相比，以其绿色环保、优异的性能广泛应用于工程领域，试验采用玄武岩纤维主要性能如下：密度为2.63 g/cm3，抗拉强度为3 000～4 800 MPa，弹性模量为93.1 GPa，断后伸长率为3.1%，最高工作温度为650 ℃。

采用CHUPOL JS-1减缩剂，其化学物质主要为聚醚衍生物，主要特征为影响表面活性，降低干燥收缩。水泥采用强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥。选用的中砂细度模数为2.57，表观密度为2.63 g/cm3，堆积密度为1.40 g/cm3。选用粒径为5～25 mm 级配良好的碎石，表观密度为2.62～2.71 g/cm3，堆积密度为1.36g/cm3。试验用水采用符合《混凝土用水标准：JGJ 63—2006》规定的自来水。水泥用量为460 kg/m3，用水为195 kg/m3，用砂为580 kg/m3，用碎石为1 165 kg/m3。

2 试验方法

本次试验采用不同新旧结合面粗糙度（结合面凿毛深度0.4～0.5 mm、1.5～2.0 mm、3.0～3.5 mm）、不同减缩剂掺量（0%、2%、4%）以及不同玄武岩纤维掺量（0 kg/m3、3 kg/m3、6 kg/m3），共设计27个混凝土试件进行新老混凝土粘结收缩试验。试验设备采用HSP-540混凝土收缩膨胀仪，加配卧式标具台和千分表一套，参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准：GB/T 50082—2009》［11］规定的接触法进行试验。试件旧混凝土龄期已达180 d，新老混凝土尺寸50 mm×100 mm×515 mm，收缩试验所用混凝土试件具体尺寸如图1 所示，观测混凝土试件收缩发展时间为30 d。

图1 新老混凝土试件模型尺寸Fig.1 Model Size of New and Old Concrete Specimen （mm）

3 试验结果

3.1 混凝土收缩结果及典型试验曲线

根据设计的试验方案，本次新老混凝土粘结收缩30 d收缩率如表1所示。27个新老混凝土试件在30 d的收缩率为175～457（10-6），对于27 个试件试验结果，其中SJ1 试件收缩率最大，为457（10-6），SJ27 试件收缩率最小，为175（10-6）。典型试件收缩时间发展曲线如图2所示。

表1 新老混凝土粘结收缩试验结果Tab.1 Test Results of Bond Shrinkage of New and Old Concrete

图2 SJ22试件粘结收缩时间发展曲线Fig.2 Development Curve of Bond Shrinkage Time of SJ22 Test Piece

从图2 中可以看出，SJ22 试件随时间收缩发展大致经历了两阶段，第一阶段为早期的快速发展阶段，SJ22 试件第8 d 收缩率为304×10-6，占30 d 收缩率的78.6%，第二阶段为稳定发展阶段，粘结收缩时间曲线较为平缓。

3.2 结合面粗糙度、减缩剂掺量、玄武岩纤维掺量与收缩率关系分析

不同结合面粗糙度新老混凝土试件玄武岩纤维掺量与粘结收缩关系如图3所示。

图3 不同结合面试件玄武岩纤维掺量收缩关系Fig.3 Shrinkage Relationship of Basalt Fiber Content in Different Bonding Parts

结合表2 及图3⒜中可以看出：结合面粗糙度为0.4～0.5 mm，玄武岩纤维掺量从0 kg/m3增加到3 kg/m3时，试验粘结收缩率分别减少了11.8%、18.3%、13.8%，当玄武岩纤维掺量增加到6 kg/m3，收缩率分别减少了24.1%、35.9%、40.7%。

表2 各因素水平试验收缩值统计Tab.2 Statistics of Shrinkage Value of Each Factor Level Test

结合表2 及图3⒝中可以看出：结合面粗糙度为1.5～2.0 mm，玄武岩纤维掺量从0 kg/m3增加到3 kg/m3时，试验粘结收缩率分别减少了13.0%、22.6%、16.9%，当玄武岩纤维掺量增加到6 kg/m3，收缩率分别减少了28.9%、38.6%、43.1%。

结合表1 及图3⒞中可以看出：结合面粗糙度为3.0～3.5 mm，玄武岩纤维掺量从0 kg/m3增加到3 kg/m3时，试验粘结收缩率分别减少了13.6%、23.5%、13.4%，当玄武岩纤维掺量增加到6 kg/m3，收缩率分别减少了31.1%、41.9%、42.8%。

从以上分析可知，增加新老混凝土结合面粗糙程度，混凝土试件中掺入玄武岩纤维能够改善试件粘结收缩性能，此外从表1 及图3 中可以看出掺加一定量的减缩剂能够改善试件的粘结收缩性能。

为了进一步分析结合面粗糙程度、减缩剂掺量、玄武岩纤维掺量对于新老混凝土粘结收缩的影响，将各因素相同的水平试验结果取平均值，统计结果如表2 所示，并绘制各因素不同水平试验结果收缩率平均值关系曲线，如图4所示。

从表2及图4中可以看出：

⑴新老混凝土在结合面粗糙度、减缩剂掺量、玄武岩纤维掺量3个水平的极差分别为45、106、139。

⑵新老混凝土试件收缩随结合面粗糙度增加而减小，当新旧结合面粗糙度从0.4～0.5 mm到1.5～2.0 mm，粘结收缩率从345 降低到319，降低了7.5%，到3.0～3.5 mm 时，降低了13.1%，表明改变结合面粗糙度可以减小新老混凝土试件的收缩，但效果不理想。

⑶掺入2%减缩剂较不掺加时混凝土试件收缩率降低了14.4%，掺入4%减缩剂时则降低了28.3%。

⑷对于玄武岩纤维掺量来说，当掺量从0 kg/m3增加到3 kg/m3时，粘结收缩率从389 降低到325，降低了16.5%，再到6 kg/m3时，降低到250，降低了35.7%。说明改变玄武岩纤维掺量相较于其他两个因素，对新老混凝土的粘结收缩性能影响最为显著。

4 结语

通过设计试验对27 个不同因素水平的新老混凝土试件收缩试验结果分析，得出以下结论：

⑴新老混凝土试件收缩发展曲线大致经历了两阶段：第一阶段为早期的快速发展阶段；第二阶段为稳定发展阶段，粘结收缩时间曲线较为平缓。

⑵新老混凝土试件收缩随着结合面粗糙度的增加、减缩剂掺量的增加、玄武岩纤维掺量的增加而减小，改变玄武岩纤维掺量相较于其他两个因素，对新老混凝土粘结收缩性能影响最为显著。