工程混凝土构件修复材料粘接性能研究

王稳江,薛 茹,孙文文

(1.杨凌职业技术学院,陕西 杨凌 712100;2.陕西交通建设养护工程有限公司,陕西 西安 710117;3.东北石油大学,黑龙江 大庆 163318)

修复材料和基底混凝土构件之间的良好粘接是修复构件所需的基本性能之一[1]。通过充分的粘接性能可以提高对各种物质渗透的抵抗力[2]。通过去除界面处的弱边界层并处理表面使其粗糙化,可以改善粘接性能[3]。不仅应适当评估这些修复的粘接性能,还应适当评估全面修复构件的未来性能[4]。通过使用可控制修复材料的多裂纹和分层行为的材料设计概念,可提高修复构件的韧性[5-7]。

评估粘接性能的常规指标是拉伸粘接强度、弯曲粘接强度、剪切粘接强度等参数[8]。然而,不能使用这些指标评估最大荷载后的粘接性能[9]。为了估计修复构件的破坏过程,评估最大荷载后的粘接性能非常重要[10]。拉伸软化图是断裂力学参数之一[11],是混凝土断裂过程区的拉伸应力与裂缝宽度之间的关系。拉伸软化图下的总面积定义为开裂所需的断裂能[12]。

1 材料配比与实验条件

模型试样的形状如图1所示。基底混凝土的配合比如表1所示。使用高早期强度硅酸盐水泥。粗骨料(碎石)的尺寸范围为5～15 mm。当基底混凝土的龄期达到17周(119 d)时,将修复材料放置在模型试样的凹陷区域。混凝土的抗压强度和杨氏模量分别为62.6 MPa、25.0 GPa。4个模型试样(指定试样A～D)的条件及为模型试样的垂直界面选择了2种表面条件,如表2所示。一个在移除钢模板后是光滑的,另一个在冲洗表面砂浆后是粗糙的,因为使用缓凝剂延迟硬化。所有模型试件的水平界面均处理成粗糙面。采用具有玻璃纤维的砂浆(水泥∶水∶砂=1.0∶0.27∶1.8)和聚合物水泥砂浆(苯乙烯-丁二烯橡胶型,PCM)作为修补材料。在放置修复材料后,将样品在室外潮湿条件下固化7 d,然后用防水板覆盖它们直到测试。

表1 基底混凝土的配合比

表2 接缝试样

表3 修复材料的抗压强度和杨氏模量

表4 抗拉强度和断裂能

图1 试样模型

测定了稀土材料的抗压强度和杨氏模量。如图2所示,将5个由黄铜制成的塞子粘在模型试样的修复层表面上,以使用接触应变仪(测量长度:250 mm)测量收缩应变。为了监测垂直界面处的裂纹形成,如图3所示,使用接触应变仪测量了点a1和a2之间以及点b1和b2之间的距离变化(移动)。点a1和b1被认为是原点。点a2和b2向试样中心的移动被认为是正的。采用放置修复材料后1 d的收缩应变和运动的测量作为原点。

图2 修复材料收缩应变的测量

图3 垂直界面附近收缩应变的测量

通过图4所示的连接试样弯曲试验确定了界面处的拉伸软化图。混凝土和修补材料(砂浆或PCM)在中心界面处接合(粗糙或光滑)。连接试样的尺寸为(100×100×400)mm。接头处的缺口深度为试样深度的三分之一,由混凝土切割机制成。4种类型的节理试样被命名为A～D系列,与模型试样相对应。在所有系列的7 d龄时,对3个连接试样(加载跨度:300 mm)进行了三点弯曲试验。拉伸软化图通过使用实验中测量的载荷CMOD(裂缝口张开位移)曲线的多线性近似分析方法确定。

图4 拉伸软化图测定用连接试样

2 参数测试

砂浆和PCM在7、14和31 d的抗压强度如图5所示。14 d后,砂浆的抗压强度没有增加;31 d砂浆的抗压强度和杨氏模量分别为63.5 MPa和29.6 GPa。7 d后,PCM的抗压强度略有增加;PCM在31 d的抗压强度和杨氏模量分别为28.7 MPa和12.4 GPa。

图5 模型试样随时间的收缩应变

在模型试样的4个截面上测量的收缩应变的年龄和平均值之间的关系如图5所示。砂浆收缩应变的增量在7 d之前大于7 d后。PCM的收缩应变在31 d之前的增量小于31 d后的增量,垂直界面处的表面条件不影响收缩应变值。

3 性能分析与评价

3.1 模型试样的收缩和开裂行为

时间与点a2和b2的运动之间的关系如图6(a)、(b)所示。图6(c)显示了点a2和点b2的运动之间的差异,假设这是垂直界面裂纹宽度(VCW)。在样品A和B的情况下,点a2的移动增加;但点b2的移动在14 d后减少。当VCW大于零时,垂直界面处的裂纹似乎正在发生。14 d时,用肉眼在光滑表面的试样B上观察到垂直界面处的裂纹,21 d时,在粗糙表面的试样A上观察到裂纹。在样本C和D的情况下,点a2和b2的移动在7 d后减少,这种减少似乎是由基底混凝土的收缩引起的。试样C和D的VCW小于系列A和B的VCW。在21 d时,在表面光滑的试样D上发现了垂直界面处的裂纹;但在粗糙表面的试样C上没有观察到界面裂纹。

(a)点a2

对于试样A～D,在试样A和B的砂浆中观察到了裂缝。裂缝的原因可能是砂浆的收缩应变大于PCM的收缩应变,并且杨氏模量高于PCM所致。在本研究中,任何试样的水平界面均未观察到裂纹。

3.2 粘接性能

用拉伸软化图评价模型试样的粘接性能。拉伸软化图是根据在7 d时对连接试样进行弯曲试验期间测得的载荷裂缝口张距离(CMOD)曲线确定的[13],如图7所示。表5列出了7 d时拉伸软化图的拉伸强度和断裂能(图下面积)。从表面粗糙的系列A和C的抗拉强度和断裂能高于表面光滑的系列B和D可以得出结论,它们具有更高的抗界面开裂能力。尽管拉伸强度大小与界面裂纹形成之间的关系尚不清楚,但断裂能与裂纹形成的年龄之间存在相关性。

表5 分析用修复材料的特性

图7 张力软化图

3.3 收缩和开裂行为分析

通过通用有限元程序和涂抹裂纹模型分析了模型试样的收缩和开裂行为[14]。假定基底混凝土具有线性弹性[15]。表5显示了用于分析的修复材料的特性。修复材料的拉伸软化图的形状与拉伸强度和断裂能一起假设为线性[16]。在混凝土和修复材料之间的界面处使用界面元件[17](长度为3 mm),3 mm的长度对应于冲刷的深度。在垂直于界面的方向上,考虑了7 d时的拉伸软化图[18]。在平行于界面的方向上,假设弹性行为,考虑到试样的对称性[19],对一半试样进行了分析[20]。

图8显示了每个样本点a2和b2(VCW,如图3所示)运动的差异。裂纹宽度的突然增加意味着垂直界面裂纹的形成。当收缩应变约为60×10-6时,试样B中出现垂直界面裂纹,此后裂纹宽度显著增加。对于试样A和D,收缩应变约为150×10-6时出现裂纹,试样A和B的裂纹宽度小于试样B。试样C上没有裂纹。试样A和C的VCW值与图6(c)所示的实验结果一致。然而,试样B和C的VCW值小于实验结果。

图8 垂直界面裂缝宽度和收缩应变

4 结语

(1)混凝土和修补材料之间界面的粘接断裂特性可以用拉伸软化图表示。该图是通过对连接试样进行弯曲试验确定的;

(2)修补材料的收缩和开裂行为受基底混凝土的表面条件和修补材料的性能的影响。这表明,界面粗糙化处理和选择合适的修复材料至关重要;

(3)通过使用拉伸软化图作为界面处的粘接特性,通过数值分析可以很好地模拟垂直界面处和修复材料中的裂纹。使用拉伸软化图评估了修复中的粘接性能,并将其应用于分析研究。因此,拉伸软化图和断裂能是有效的指标。修复系统由各种修复材料组成,并且存在一些不同介质的界面。修复材料的性能和界面处的粘接性能严重影响修复构件的性能。