新老碾压混凝土粘结强度的影响因素分析

吴冠宇,董政良,余志坚,郑刚峰,张晓飞

(1.陕西省水利水电工程咨询中心,陕西 西安 710109;2.西安理工大学 水利水电学院,陕西 西安 710048;3.浙江省水利水电勘测设计院,浙江 杭州 310000)

混凝土坝裂缝、坑槽等问题频繁出现,这些问题的存在会大大降低结构的安全性和耐久性[1],从而大幅缩短混凝土工程的使用年限。国家政府每年投入大量的资金对存在问题的混凝土工程进行修补和加固,混凝土结合面是加固维修中十分重要的环节[2]。通常来说,老碾压混凝土是指已经超过28 d龄期的混凝土,老混凝土一般已经达到终凝,新混凝土是指浇筑在老混凝土上的混凝土,是一个相对的概念。新老混凝土的粘结面是一个质量相对较差的薄弱面,它使得混凝土整体的力学性能均有所下降。其结合面的粘结性能决定着工程修补加固的成败,因此整个坝工界对这个问题十分关注[3]。实际上,混凝土表面粘结质量是当前工程修补加固的关键,是能否使破损的工程重新恢复功能并能持续安全运行的重要基础,界面剂、混凝土设计强度以及粘结面的粗糙程度都是影响粘结性能的主要因素[4]。柴敏等[5]将测试新老混凝土粘结强度的方法进行了总结:有劈拉强度试验法、粘结抗裂强度试验法、剪切强度试验法和抗折强度试验法等。吴吉昊等[6]发现当需要提高新老混凝土的早期剪切和劈拉强度时可以使用硅灰替代水泥基灌浆作为界面剂。曹宏亮[7]通过在水泥浆中掺入粉煤灰用作界面剂对新老混凝土粘结试件开展劈裂抗拉试验,发现其可以提升粘结面的粘结强度。张振超等[8]使用聚丙烯纤维丙烯酸溶液等制成聚合物砂浆用作界面剂,通过劈拉实验发现聚合物砂浆可以提升粘结强度。张建仁等[9]认为新混凝土的浇筑方向会对新老混凝土界面粘结抗剪强度产生一定的影响。Huang Dunwen等[10]发现新混凝土的强度等级会影响新老混凝土粘结面的抗剪强度。张静[11]试验发现水泥净浆可以提高新老混凝土的劈裂抗拉强度,添加302界面剂后新老混凝土抗折抗拉强度明显增加。金宇松[12]运用Ansys软件对新老混凝土粘结进行分析,通过模型验证了界面剂的种类会影响应力。

现有的大多数试验都是针对普通硅酸盐混凝土,缺乏对其他类型混凝土的研究,正因如此,研究老碾压混凝土面-界面剂-新碾压混凝土面的耦联粘结机制是非常有必要的。本试验以不同掺比的一种高强度高耐水性的无机胶凝材料(High Strength and Water StabilityEarth Consolidator,以下简称为HEC)界面剂为例,研究不同强度等级的新浇筑碾压混凝土以及不同掺比的HEC界面剂对新老混凝土粘结强度的影响。首先进行新老碾压混凝土劈拉试验,然后采用ABAQUS有限元软件建立新老碾压混凝土粘结模型,以试验数据为基准,并与模拟仿真值进行对比验证,得出新浇筑混凝土强度等级以及掺有HEC试剂对新老碾压混凝土粘结强度的提升规律,并提出粘结强度的合适掺比。

1 试验材料与方法

1.1 材料

本次实验设计边长为150 mm的立方体新老碾压混凝土试件7组,每组有体积同等的立方体试件3个,试件共计21个,采用原材料有减水剂、水、硅酸盐水泥、粉煤灰、中砂细骨料、二级配铜川碎石粗骨料以及HEC界面剂。水选用普通生活用水,在选择水泥的时候,考虑工程的一般性,选用比较常见的混凝土,因此本次试验选择的水泥为普通硅酸盐水泥,型号为P.O42.5,其基本参数见表1。粉煤灰采用的是西安宏源生产的II级粉煤灰。试块中采用周至县所出产的中砂细骨料,其细度模数可达2.5,含泥量低于2.0%,同时具有均匀的级配。本次碾压混凝土使用粗骨料最大的粒径为4 cm,为铜川碎石,二级配。本试件采用的外加剂是西安宏达生产的JC-04萘系高效减水剂,它可以改善拌合物的粘聚性、抗离析性,它对混凝土影响性能见表2。 界面剂主要采用的是HEC固结剂。并且与水泥净浆之间按照一定的比例来配比掺和,新老碾压混凝土的配合比例如表3所示[13-14]。7组试件分类如表4所示。

表1 普通硅酸盐水泥基本参数

表2 JC-04萘系高效减水剂对混凝土影响性能表

表3 不同强度等级下的碾压混凝土配合比例 单位:kg/m3

表4 7组试验试件分类

1.2 试件的成型与处理

取料拌和后将混凝土泥浆倒入一半进磨具,振捣养护后形成老碾压混凝土,然后涂抹界面剂,再浇筑新碾压混凝土,如图1所示。由于试验的自变量为新碾压混凝土的等级以及HEC界面剂的掺量,所以需要将其他影响粘结强度的因素排除。首先需要对试件的粘结面进行凿毛处理以提升其粗糙度,再按照实验要求在新老混凝土结合面处涂刷界面剂,而界面剂的厚度一般为2 mm～4 mm,因此选取3 mm作为本试验的涂刷厚度。新碾压混凝土浇筑方向,同样会影响其粘结强度。查阅文献[15-17]可知:浇筑方式与新混凝土本身的重力方向所形成的角度越小,粘结强度越好。所以在本试验中新碾压混凝土的浇筑方式为水平浇筑。

图1 新碾压混凝土试样

1.3 劈拉实验

试验的机器型号为WAW-3000C,按照《水工混凝土试验规程》(SL/T 352—2020)操作试验。该试验机中油源液压系统的主要构成包括了油泵、电机、阀块、伺服阀、电控柜等。 计算机测控系统的构成涵盖了传感器、控制器与微机。该系统将计算机作为核心平台,借助于智能数字控制器来对试验机进行智能化控制。控制器还能为传感设备提供高精度的电压,同时还能确保检测结果的精准性。电器控制系统中提供了诸多保护模块,譬如过流与过压保护,此外还提供了在试验操作过程中互锁保护,这样就能有效提升试验的安全性,同时也能增强控制系统的使用年限,有效提升了试验台的工作稳定性。

本次所选的测控软件系统可以对速度、参数、试验力值等指标进行相应的调控,可以按照具体的试验要求对本次的劈拉试验进行动态调控,同时还能按照用户需求对试验过程进行编制,对诸多步骤进行设定,进而开展不同类型的力学试验。最后可以结合数据分析结果输出相应结果,并得出相应的数据报表与试验报告。

控制万能机以0.05 MPa/s的速度对试件加载,如果有较为清脆的断裂声传出,看到试验力曲线发生突变,则可以确定试件达到了断裂效果。劈裂试验见图2。

图2 新老碾压混凝土劈裂试验试样外观

观察试件断裂面可知:无论使用多少掺比的HEC界面剂,多高强度的新混凝土,试件劈裂位置都处于混凝土粘结位置,表明若粘结面没有骨料掺入的话,那么新老混凝土样件在受压之下粘结面就是其薄弱面。仔细对比各新老混凝土的粘结面发现,其粘结面处只有一些新混凝土和老混凝土的水泥浆体紧密附着,没有在碎屑中发现有粗骨料,同时其粘结面上的水泥浆体越多,试件的劈拉强度越大。

1.4 结果与分析

本试验所需材料为不同掺量比例(50%、40%、30%、20%、10%、0%)的HEC界面剂以及不同等级(C20、C30、C40)的新碾压混凝土,将两种变量影响下的劈拉强度与基准混凝土强度进行对比,同时引入相对强度α来表示。其劈拉强度平均值及相对强度α见表5,关系图见图3。

图3 HEC界面剂掺量及混凝土强度等级与混凝土劈拉强度关系图

表5 两种影响因素下碾压混凝土的相对强度与劈拉强度平均值

从上述劈拉实验发现:C20的试验混凝土的基准试验劈裂抗拉强度值为2.432 MPa,C30的为3.665 MPa,C40则为4.412 MPa。具体公式如式(1)所示:

Pft=αP0

(1)

式中:Pft为新老混凝土的劈拉强度,MPa;P0为基准劈裂抗拉强度,MPa;α为相对强度。

通过试验得到的数据,分析后可知:新老混凝土在不同影响因素下其强度的变化关系,同时从拟合公式中发现其关系符合线性关系,拟合公式如式(2)—式(4)所示。

C20碾压混凝土:

Pft=0.017β+1.047,R2=0.9989

(2)

C30碾压混凝土:

Pft=0.017β+1.358,R2=0.9755

(3)

C40碾压混凝土:

Pft=0.017β+1.6366,R2=0.9997

(4)

式中:β为不同掺合比例的HEC界面剂,%。

由表5和图3可知,随着新浇筑的碾压混凝土强度等级逐渐增加,在掺界面剂相同的条件下,新老碾压混凝土本身的粘结劈拉强度也会发生相应的改变,当强度等级为C40时粘结强度最大。在新混凝土强度等级相同条件下,不同掺比HEC界面剂会对新老混凝土粘结劈拉强度造成影响:水泥净浆<10%<20%<30%<50%<40%。同时新浇筑混凝土的强度也会随界面剂掺入发生变化,试验的粘结强度也随之改变,而且当掺比为40%时,新老混凝土的粘结强度最大。

2 模拟验证

2.1 模型建立与加载

利用有限元软件ABAQUS对本实验进行模拟研究,基于完成的试件来建立模型,将试件分为左、中、右三部分,左边代表的是老碾压混凝土,中间为3 mm的界面剂,对右边部分的模拟成新浇筑的混凝土。 混凝土模型尺寸为150 mm×150 mm×150 mm,对其施加轴向均布荷载。 试件模型如图4所示。

图4 混凝土试件的模型示意图

若新混凝土的强度不一致,界面剂所掺水泥砂浆百分比不同,其混凝土的弹性模量值也会不同。故在加载之前需要通过对实际试件的三轴取芯 ,然后对其进行劈拉试验,可以得出试件的应力应变数值,计算后可得弹性模量值,将其与规范值整理后见表6。而模拟弹簧单元中的刚度K则是应力应变之比,计算后整理可得表7。然后将获得的实际弹性模量值使其带入有限元软件中,对模型进行劈拉加载。在此过程中,需以实际试验所得荷载曲线控制对于模型的荷载,另外还需要设置其余四个面作为模型的自由边界。

表6 不同强度碾压混凝土弹性模量值

表7 新浇筑混凝土强度等级不同时的劈拉试验刚度K

试验所得弹性模量值与规范值差别不大是因为掺入了一定量的粉煤灰,从而引发弹性模量的变化。

2.2 应力分布的效果图

模拟试验后可得应力分布图如图5、图6所示。(C20-40,表示强度等级为C20的新浇筑混凝土,HEC的掺比为40%)。

图5 劈裂抗拉面对应的应力云图(强度等级不同的新浇筑碾压混凝土)

图6 不同掺比的HEC界面剂劈裂抗拉面的应力云图

分析应力云图可知最大应力都处于粘结面的边缘位置,应力沿着粘结面从外向内逐渐减小。这是因为在模拟混凝土劈裂抗拉试验时,施加的荷载集中在粘结面区域,因此其边缘位置应力普遍最大。其中当所施加的荷载逐渐增大时,由于粘结面为新老碾压混凝土的薄弱面,裂纹由粘结面处开始起裂至稳定扩展并积累能量。当荷载增长到临界值时,即其所释放的能量大于裂纹面积形成所需能量时,试件发生脆性断裂。

2.3 计算与分析

在程序进行模拟加载后可以得出劈拉强度的模拟值。然后将由不同变量制作的实际混凝土试件进行劈拉试验所得的试验值与模拟值进行对比,分析模型的可靠性,以及试验的准确性,将其整理后如表8所示。

表8 碾压混凝土劈拉强度的平均值与模拟值误差统计表

由表8可以看出,劈裂抗拉试验所得的试验值与仿真模拟值大部分均比较接近。同时每组数据之间的差距也相对比较小,误差主要保持在0～6%之内,可以确定其试验值与模拟值之间的劈裂抗拉强度以及实际变化规律基本保持一致。

通过仿真模拟结果可以看出:(1)随着新浇筑混凝土强度等级的增加,粘结面的劈拉强度随之增大;(2)随着HEC界面剂掺量的增加,劈拉强度同样随之增大,但过大的掺量会使劈拉强度降低。

3 结 论

(1) 新老碾压混凝土的粘结效果受到水泥净浆以及水泥净浆中HEC界面剂的掺合比的影响。不同掺量下的HEC 界面剂会影响新老碾压混凝土粘结劈拉强度:水泥净浆<10%HEC<20%HEC<30%HEC<50%HEC<40%HEC。

(2) 混凝土等级越大,等效强度系数α越小,劈拉强度越大,最大为C40。以C40混凝土为例,加了10%、20%、30%、40%、50%的HEC界面剂,其劈拉强度相较与水泥净浆分别提高了11.20%、20.81%、31.76%、42.17%、40.64%,从水泥净浆到50%HEC组,等效强度系数α分别为37.1%、41.2%、44.7%、48.7%、52.6%、51.8%。由此可以看到,当HEC的掺比达到40%的时候,新老混凝土的粘结强度达到峰值。

(3) 在HEC界面剂掺合比保持不变的条件下,混凝土等级的提升,会使得其增大,但是增加的幅度不明显。

(4) 通过有限元软件ABAQUS进行数据模拟的过程中,其模拟结果与试验所得数值的误差大小在0～6%之间,这说明模拟所得结果与试验所得结果相匹配,并且得出的结果较为合理,这使本次模拟所建立的劈裂抗拉强度模型得到了验证,而且其本身的准确性以及可靠性均可获得相应的保障。