超高性能混凝土和聚丙烯纤维混凝土与素混凝土结合情况的实验研究
2023-10-11曹江睿
曹江睿
(广州市市政工程设计研究总院有限公司 广州 510060)
0 引言
超高性能混凝土,简称UHPC(Ultra-High Performance Concrete),是过去30 年中最具创新性的水泥基工程材料。其包含两个方面“超高”——超高的耐久性和超高的力学性能。近些年来关于超高性能混凝土的研究成果很多,张太山等人[1]通过介绍UHPC 的品质和优点以及国内UHPC 应用场景和应用现状,指出了UHPC 在中国发展的必要性和前景;王晓飞等人[2]通过对超高性能混凝土进行三轴压缩试验,得出了内摩擦角和黏聚力随钢纤维体积含量和围压增大的变化规律;郑丽等人[3]采用不同温度水泥配置UHPC,研究了UHPC 力学性能、体积稳定性及热学性能的变化。
聚丙烯纤维是一种专用于混凝土和砂浆的高性能纤维,能有效地控制混凝土和砂浆塑性收缩、干缩、温度变化等因素引起的微裂纹,防止及抑制混凝土原生裂缝的形成和发展,大大改善混凝土和砂浆的防裂抗渗性能、抗冲磨性能,增加混凝土的韧性,从而提高混凝土的使用寿命。聚丙烯纤维混凝土,简称FRCPP(Fiber Reinforced Concrete Polypropylene),也是土木行业的研究热门。杨彬[4]通过试验研究了不同聚丙烯纤维长度和聚丙烯纤维掺量对高强混凝土的影响;罗才松[5]为了分析聚丙烯纤维掺量对混凝土强度的影响,配置了C40 普通混凝土和聚丙烯纤维混凝土,通过对比法确定了聚丙烯纤维混凝土的最佳掺量。
世界上有无数的桥,更有数不清的梁。梁在各种环境中都可能会出现损坏,但更换梁体需要高昂的成本,因为一点点损坏就更换整个梁并不现实。因此,本试验为修复梁端寻找一种可替代的材料,以恢复受损梁的抗剪能力,延长受损预应力梁的使用寿命。该研究结果将为梁端修复甚至结构物的修补提供数据参考。
1 试验设计及准备
1.1 试验装备
切割机、混凝土搅拌机、混凝土锯床、加载设备。
1.2 试验材料(见表1)
表1 0.1 m3素混凝土、0.1 m3超高性能混凝土、0.1 m3聚丙烯纤维混凝土所需材料Tab.1 Materials Required for 0.1 m3 of Plain Concrete,0.1 m3 of UHPC,0.1 m3 of FRC-PP
1.3 试验样品的准备
首先使用切割机将泡沫塑料进行切割,如图1 所示,然后将泡沫塑料分成3组,并用刷子在泡沫表面分别涂上粗骨料缓凝剂、细骨料缓凝剂[6]和水,使后期浇筑的素混凝土(Plain Concrete)表面具有不同的粗糙程度。处理完泡沫塑料表面后,将泡沫放入准备好的容器内,并开始往容器内浇筑素混凝土,如图2所示。
图1 泡沫模型Fig.1 Foam Model
图2 装好泡沫及混凝土的容器Fig.2 Container with Foam and Concrete
浇筑1 d 后,将混凝土和泡沫分开,可以发现混凝土表面清晰可辨。从左到右分别是高度粗糙化(Large-Roughened)、中度粗糙化(Mid-Roughened)和未粗糙化(Un-Roughened)的表面模型,如图3所示。
图3 粗糙化程度不同的表面Fig.3 Surfaces with Different Roughness
然后把它们放在潮湿的条件下,等待28 d。28 d后,将它们从潮湿的环境中取出,并干燥。待素混凝土干燥后,开始制作超高性能混凝土和聚丙烯纤维混凝土,搅拌好后,按照表2 进行浇筑。浇筑完成1 d 后进行脱模,继续把它们放在潮湿的条件下,等待28 d。28 d 后,将它们从潮湿的环境中取出,干燥后开始使用仪器进行试验。
表2 斜剪试验及劈裂圆筒试验试件准备Tab.2 Specimen Preparation for Slant Shear Test and Split Cylinder Test
1.4 试验介绍
1.4.1 斜剪试验
斜剪试验是以非直角分离浇筑的半圆柱形混凝土为试验样本,在加载设备下对粘结试样进行加压,直到粘结界面发生剪切破坏,如图4⒜所示。夏冬桃等人[8]通过对混杂纤维混凝土与既有混凝土进行斜剪试验,得出混杂纤维掺入后能有效改善粘结界面区的孔隙结构,提高界面粘结性能。董海东等人[9]通过层间斜剪试验得出拉毛处理可以提高水泥混凝土路面的层间黏结性能。陈华明等人[10]通过斜剪试验发现了温度和湿度对材料的粘结强度和剪切强度影响均较大。
图4 素混凝土与UHPC的斜剪试验和劈裂圆筒试验Fig.4 Slant Shear Test and Split Cylinder Test of Plain Concrete and Ultra-High Performance Concrete
1.4.2 劈裂测试
劈裂测试是以沿圆柱体中心线纵向浇筑半圆柱形混凝土为试验样本,在加载设备下向样品边缘施加压缩力,直到粘结界面发生间接拉伸破坏,如图4⒝所示。曹小金等人[11]通过对水泥混凝土路面的弯拉强度和劈裂强度进行对比试验研究,得到了水泥混凝土路面弯拉强度与劈裂强度的换算关系式。曾海斌等人[12]通过劈裂试验研究了两种再生混凝土的劈裂抗拉强度及破坏特征。
1.5 注意事项
进行混凝土试验时需要特别注意的一点是,混凝土的强度在浇筑后,并处于标准固化温度20±2 ℃,相对湿度95%以上的环境中的第28 d 达到设计强度。如果测试早于或晚于28 d,就不能准确测出混凝土的强度。
2 试验结果
根据表3 和图5 的试验数据,可以得出粘结强度最高的是具有高度粗糙化表面的混凝土粘结体,而未粗糙化的粘结强度最低。
图5 斜剪试验Fig.5 Slant Shear Test
表3 斜剪试验结果Tab.3 Slant Shear Test Results
根据表4 和图6 的试验数据,就粘结面的粗糙程度而言,可以得出能够承受最大荷载的是具有高度粗糙化表面的混凝土粘结体,而未粗糙化的承载能力最小。就不同混凝土材料而言,超高性能混凝土的粘结强度最高,聚丙烯纤维混凝土的粘结强度最低。试验时还有一个有趣的现象,当未粗糙化和中度粗糙化的接缝出现裂缝时,两种混凝土会直接分裂开来。然而,当高度粗糙化的表面接缝出现裂缝时,必须用手将其拉开,混凝土才会分成两半。这更加表明,高度粗糙化表面的粘结强度明显高于中度粗糙化和未粗糙化的表面。
图6 劈裂圆筒试验Fig.6 Split Cylinder Test
表4 劈裂圆筒试验结果Tab.4 Split Cylinder Test Results
试验结果中聚丙烯纤维混凝土的数据是合理的,符合试验预期。但素混凝土-高度粗糙化表面-超高性能混凝土的峰值荷载低于其预期值。该误差可能是由于试验早期在泡沫塑料上涂刷缓凝剂时,没有涂刷均匀,或是在加载前没有将小木板水平放置。试验时若未将小木板放平,机器会直接将力压在混凝土上,导致受力不均匀。因此,在进行实验之前,实验者应该对实验材料有一个基本的了解,并找出材料的强度范围。这样,即使实验中有异常数据,也可以对其进行判断,不至于影响最终结论。
3 试验结论
根据斜剪试验和劈裂圆筒试验的实验数据,可以得出超高性能混凝土与素混凝土粘结时具有最大的强度。超高性能混凝土在粘结强度、抗拉强度和抗压强度以及经济适用性方面具有优秀的表现。超高性能混凝土在梁端修复甚至结构物的修补上将会是很好的一种选择。