含聚合物防水膜的隧道衬砌界面剪切-滑移力学特性试验研究

蒋雅君, 赵菊梅, *, 刘基泰, 何雨帝, 王虎群

(1. 西南交通大学土木工程学院 交通隧道工程教育部重点实验室, 四川 成都 610031; 2. 北京东方雨虹防水技术股份有限公司 特种功能防水材料国家重点实验室, 北京 101309)

0 引言

目前,隧道支护结构由喷射混凝土初期支护、防水层和喷射或现浇混凝土二次衬砌组成[1-3],而其中的防水层在实际应用中有2种形式。第1种是传统的防水层形式,是在初期支护表面铺设1层防水板和土工布,被定义为double shell lining (DSL)[4]。其缺点包括: 1)初期支护和防水板之间不粘结,地下水很容易在防水板后面流动; 2)尽管有土工布保护,但初期支护的不平整或机械穿孔也会对防水板造成破坏; 3)防水板的边缘和接缝等不连续处也可能成为渗漏通道。第2种形式是基于喷膜防水的隧道支护结构,被称为composite shell lining(CSL),该方式可以提高隧道防水质量[5-6]。防水膜喷涂在初期支护表面,并与初期支护和二次衬砌粘结在一起,其优点是整体性好、基面适应性强、施工速度快。在过去的20年中,CSL这种方法已被应用于世界各地的地下空间工程,如交通隧道、市政隧道、硐室和沉管隧道[4,7]。CSL与DSL的主要区别在于CSL的界面可在初期支护和二次衬砌之间形成拉伸和剪切粘结作用,从而提高隧道支护结构各层构件的分担荷载效果[5-6]。

由于对CSL结构特别是在双面粘结型防水层带来的初期支护和二次衬砌的复合作用方面研究的不足,目前CSL的设计仍参照DSL的方法,未考虑界面分担荷载的能力[8]。近年来,人们开始关注CSL的复合作用所带来的益处,对CSL结构和界面进行了一系列研究。例如: Nakashima等[9]对复合喷射混凝土试样进行了4点弯曲和偏心压缩试验,以模拟典型的大弯矩和小弯矩压缩轴力(箍筋应力),结果表明,CSL试样表现为复合截面,界面滑移极小;Johnson等[10]对复合试样进行了拉伸和剪切试验,结果表明,在充分粘结的情况下,初期支护和二次衬砌之间剪切传递的复合作用有利于结构受力;Vogel等[11]研究了喷涂在复合梁上的防水层的荷载分担能力,结果表明,防水层可以传递剪力和弯矩,与数值模拟结果一致; Su等[12]通过对从喷射混凝土板上切割下来的复合试样进行室内实验,研究了软土地基中CSL的界面参数,结果表明,防水层厚度和基面粗糙度对界面刚度和强度没有显著影响;Su等[13]基于对CSL梁的研究和一系列实验室测试,开发了一种数值分析方法,用于预测横截面的应变分布,并探索了防水层位置对复合作用程度的影响。

尽管上述研究在了解CSL结构力学特性方面取得了长足进步,但也存在一定的局限性。首先,研究假设防水层在受力达到力-位移曲线的峰值时失效,而实际上在短期荷载作用下,界面在达到峰值力之后仍需要一定的过程才会完全破坏,因此界面在进入破坏阶段后仍具有一定的承载能力。其次,关于界面力学行为的影响因素,以往的研究主要集中在基面粗糙度和防水层厚度上(结果表明界面参数对这2个因素并不敏感),但防水层的粘结强度对CSL的影响以及法向压应力的影响尚未得到系统研究。此外,防水层的剪切强度明显低于衬砌混凝土的剪切强度。界面剪切滑移特性取决于防水层的刚度,而刚度则由防水层材料决定。因此,应通过试验获得不同防水层特性的参数,并通过调整界面的模量和刚度且与试验结果进行对比,以验证数值模拟中模型的准确性。

针对上述问题,本研究采用CSL复合试块进行粘结强度和压剪试验,深入探讨CSL形式的防水层界面的剪切-滑移特性。研究中对试块从开始到完全破坏整个过程中的应力和位移值进行记录,并对界面的破坏行为进行分析,获得剪切-滑移过程中的界面力学参数,以讨论防水层材料类型和法向压应力对这些参数的影响。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

试验材料包括防水材料和混凝土衬砌材料。防水材料选用聚合物水泥防水材料,衬砌材料按照GB/T 16777—2008《建筑防水涂料试验方法》中的粘结强度测试要求,采用强度等级为42.5的硅酸盐水泥和中砂制成的砂浆块进行模拟。

聚合物水泥防水涂料是由液料(包括合成聚合物胶乳、各种添加剂)和粉料(包括特种水泥、石英粉、各种添加剂)组成的双成分防水材料(见图1)。它具有聚合物材料的高弹性和无机材料的良好耐久性,其柔韧的力学性能、耐水性和耐候性以及无毒无污染的特点适合在实验室试验中模拟喷涂防水膜[14]。此外,防水层的粘结强度、伸长率和拉伸强度等性能可根据2种组分的不同混合比例进行调整[15]。

(a) 粉料

为了探索防水层性能对粘结和压剪条件下测试结果的影响,按照液料和粉料的不同质量比制备3种聚合物水泥复合材料。通过单轴拉伸试验测定的不同配比防水层试样的力学性能指标如表1所示。试验结果表明,从Ⅰ型到Ⅲ型,防水层的柔韧性随着粉末比例的增加而降低。

表1 不同混合配比防水层的力学性能

1.2 试样制备

分别制备2种不同类型的复合试块进行粘结和压剪试验,其中防水膜的厚度控制在3 mm。

1.2.1 粘结试验试块

形状为“8”字形、厚度为22.5 mm的复合试块(见图2(a))是用水泥砂浆在金属模具(见图2(b))中成型的。待砂浆块固化成型后,用砂纸将每个砂浆块的粘合表面擦拭干净。将不同质量比的混合聚合物水泥防水涂料的液体和粉末材料搅拌5 min,消除混合物中明显的颗粒; 然后,将混合物均匀涂刷在砂浆块的粘合面上,粘合密实; 最后,在标准条件(温度25 ℃,相对湿度55%)下固化7 d后,用橡胶带固定试块。

(a) 试块(单位: mm)

1.2.2 压剪试验试块

压剪试验的复合试块制备如图3所示。压剪试验采用由1层聚合物水泥防水膜和2块砂浆块组成的复合试块,单块尺寸为70 mm×70 mm×35 mm(长×宽×高)。将水泥砂浆倒入模具高度的1/2(模具中间有一个刻度线),形成砂浆块。防水膜材料的制备与粘结强度试样制备相同,之后将混合料在两侧粘合面上各涂抹2次,形成防水层。2次涂抹的间隔时间为4～12 h,第2次涂抹后粘接2个砂浆块。随后,在标准条件下固化7 d,用橡胶带固定试块。总共制备了27个试块,用于不同配比防水材料和法向压应力组合的压剪试验。

(a) 试件组成示意

1.3 试验方法和过程

1.3.1 粘结强度试验

测试使用了配备1 kN和10 kN传感器的电子万能试验机,其精度等级为0.5(即相对误差在± 0.5%以内)。由计算机控制的电子万能试验机如图4(a)所示。安装在夹具中的试块如图4(b)所示。“8”字形复合试块被安装在直接拉伸夹具中。拉伸速度为1 mm/min,试验过程中记录拉伸力和位移数据。

(a) 万能试验机

每批复合试块测试5次,粘结强度根据该批试块的算术平均值确定。拉伸粘结应力

σb=F/(a×b)。

(1)

式中:F为拉力,N;a和b分别为粘结面的长度和宽度,mm。

1.3.2 压剪试验

采用自行设计的试验装置进行压剪试验。压剪试验装置如图5所示,由压剪夹具、常压传感系统(包括止推螺栓和胶囊传感器)和剪切加载系统组成。剪切力由电子万能试验机的匹配上压头提供,法向压应力由水平推力螺栓施加。最大剪切力为10 kN,剪切位移为0～20 mm,剪切位移速率设定为1 mm/min。试块界面的法向压应力分别为0.1、0.3、0.5 MPa,相应的压力值分别为490、1 470、2 450 N。

(a) 试验装置实物

将试块安装在夹钳中,并用预紧螺栓固定。旋转推力螺栓推动夹具,直到达到目标法向压应力。剪切应力数据由连接到上压头的高精度力传感器采集。法向压应力数据由胶囊传感器采集,并由数字指示器显示(采集范围为0～10 kN,单位为10 N)。剪切位移数据相当于试验机横梁的位移。测试时,首先施加法向压应力,然后控制试验机横梁剪切移动。当剪切应力-位移曲线达到峰值时,界面被视为失效。

为了评估界面的粘结性能参数,从剪切应力-位移曲线中获得以下参数: 剪切强度、残余剪切强度、剪切模量、剪切滑移能量和剪切失效位移。根据峰值剪切力和剪切面积,利用式(2)得出剪切强度。根据残余剪切应力,残余剪切强度由式(3)得出。应力和位移增量分别为Δτ和ΔS,剪切模量G由式(4)得出。界面剪切-滑移能量是剪切应力-位移曲线下方和横向轴线上方的面积。剪切失效位移是界面完全破坏并开始滑移时的位移值。

τm=Sm/A。

(2)

τr=Sr/A。

(3)

G=Δτ/ΔS。

(4)

式(2)—(4)中:τm为剪切强度,MPa;Sm为峰值剪切力,N;A为剪切面积,150 mm×150 mm;τr为残余剪切强度,MPa;Sr为残余剪切力,N;G为剪切模量,MPa/mm; Δτ为应力增量,MPa; ΔS为位移增量,mm。

2 试验结果与讨论

2.1 试验结果

2.1.1 粘结强度试验结果

3种试件的拉伸应力-位移曲线如图6所示。由图可知: 1)从Ⅰ型到Ⅲ型,拉伸应力峰值增大,拉伸破坏位移减小。2)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型的峰值应力(即粘结强度)分别为1.06、1.13、1.35 MPa。这一趋势与防水膜的拉伸强度相似,即随着粉料用量比率的提高,防水膜的柔韧性降低,而粘结作用增强。

(a) Ⅰ型

在粘结强度试验中,有2种可能的失效形式。

1)剥离失效。砂浆块表面与防水层之间的粘结强度低于防水层的内聚强度,导致防水层在粘结面剥离。

2)内聚失效。粘结强度超过防水层的内聚强度,使防水层在拉伸过程中失效。在本文的粘结强度试验中的典型破坏形式是剥离破坏,即防水层与砂浆表面完全分离(见图7),这表明3种防水膜的粘结强度都低于其内聚强度。

图7 粘结强度试验的界面破坏形式

2.1.2 压剪试验结果

压剪试验观察到2种形式的剪切破坏。

1)由于粘结强度不足造成的剥离破坏,即防水层整体发生剪切剥离(见图8(a))。

(a) 剥离破坏

2)剥离-内聚破坏,即部分防水层在剪切应力作用下受损(见图8(b))。

不同类型试块的剪切应力-位移曲线如图9所示。由图可以看出: 1)法向压应力对峰值剪切应力的影响小于防水层材料特性的影响。2)对于Ⅰ型,不同法向压应力下的平均峰值剪切应力分别为0.600、0.616、0.628 MPa。3)在相同的0.1 MPa法向压应力下,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型的平均峰值剪切应力分别为0.600、0.773、0.893 MPa。4)在相同防水层材料的条件下,发生峰值剪切应力时的位移非常接近,仅受法向压应力变化的轻微影响,这表明防水层的粘结强度和内聚强度对界面剪切滑移特性更为重要。5)法向压应力对残余剪切强度和剪切失效位移的影响更大。对于同一类型的防水层材料,随着法向压应力的增加,曲线呈现出向上和向右偏离的趋势。这表明剪切持续时间更长,即破坏时的剪切位移和残余剪切强度更大。

(a) Ⅰ型,0.1 MPa

在工程应用中,通常更关注CSL的峰值剪切应力,而不是残余剪切强度。结合第2.1.1节的讨论,可以推断出界面的粘结强度和防水层材料的力学特性对CSL界面的剪切-滑移特性非常重要。

2.2 界面剪切-滑移特性

在粘结强度试验中,不同类型的防水层材料会导致不同的结果(如图6所示的拉伸峰值应力和拉伸破坏位移的差异)。因此,有必要探讨不同类型的防水层材料对这些界面参数的影响,为防水膜材料的应用提供指导。此外,也有必要分析法向压应力对剪切参数的影响。防水层材料类型和法向压应力对界面力学参数的影响结果如图10所示。

(a) 剪切强度

由图10可知,防水层材料特性与法向压应力对界面力学特性参数的影响如下。

1)界面剪切强度。界面剪切强度表示软化前的最大抗剪能力。CSL结构中的压剪作用主要由围岩压力和变形引起,并通过隧道衬砌传递影响到防水层。一旦作用力超过界面剪切强度,界面(防水层或粘结面)就会受到不可修复的破坏,从而削弱防水层的功能。2个因素对界面剪切强度的影响如图10(a)所示。其中防水层材料特性对剪切强度的影响更大,这再次证明了材料特性的重要性。

2)界面残余剪切强度。试块剪切破坏后仍有一定的应力;此外,随着剪切位移的进一步增加,应力值的变化范围很小。剩余的剪切应力称为界面残余剪切强度,代表CSL界面在破坏后所能承受的最大剪切应力。2个因素对界面残余剪切强度的影响如图10(b)所示。从Ⅰ型到Ⅲ型,残余剪切强度呈上升趋势,随着法向压应力的增加,上升趋势变得不那么明显。随着法向压应力从0.1 MPa增加到0.5 MPa,残余剪切强度显著增加。由此可以得出结论,残余剪切强度受法向压应力的影响更大。这是因为界面破坏后,残余剪切应力主要由与法向压应力正相关的摩擦力提供。

3)界面剪切模量。界面剪切模量与防水层的力学性能以及与砂浆块之间的粘结力有关。同时,法向压应力也会影响剪切模量。2个因素对界面剪切模量的影响如图10(c)所示。从Ⅰ型到Ⅲ型,在0.1 MPa的法向压应力下,剪切模量增加了120.2%,在0.3 MPa的法向压应力下剪切模量增加了153.3%,在0.5 MPa的法向压应力下剪切模量增加了162.4%。随着法向压应力从0.1 MPa增加到0.5 MPa,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型试块的剪切模量分别增加了15.5%、48.1%、37.6%。由此可以得出结论,界面剪切模量受防水层材料类型的影响较大,因为在剪切弹性阶段,剪切应力主要由防水层提供。

4)界面剪切-滑移能量。将应力-位移曲线积分乘以接触面积,即可得到界面剪切-滑移能量,这反映了界面从弹性阶段过渡到破坏所需的能量。界面从开始到破坏需要经历一个剪切过程,所需的界面剪切滑移能量越大,破坏的脆性就越小。2个因素对界面剪切滑移能量的影响如图10(d)所示。可以看出,界面剪切滑移能量受法向压应力的影响更大,因为当法向压应力增大时,摩擦起主导作用。

5)界面剪切失效位移。界面剪切失效位移表示界面承受剪切变形所施加位移的能力。2个因素对破坏时界面剪切位移的影响如图10(e)所示。可以看出,随着防水层的柔韧性增加,界面剪切失效位移也在增加。同时,法向压应力对界面剪切失效位移也有不可忽略的影响。

结合第2.1.2节的讨论,可以看出防水层的材料特性,尤其是与混凝土表面的粘结能力,对CSL的界面剪切-滑移特性更为重要。此外,防水层的内聚强度决定了剪切滑移过程中的破坏形式和完整性,这对保持防水层的防水功能非常重要。

3 结论与探讨

本研究根据粘结强度和压剪试验对CSL复合试块的剪切-滑移特性进行分析,获得3种类型防水层材料的拉伸应力-位移曲线以及界面剪切应力-位移曲线。此外,还讨论了防水层材料类型和法向压应力对界面参数的影响。主要结论如下:

1)防水层的粘结强度随着其力学性能的提高而增加。由粘结强度试验中观察到的破坏形式可知,粘结强度低于防水层内聚强度。这表明, 当防水层从混凝土表面剥离时依然保持其完整性而不被破坏,力学性能(尤其是内聚强度) 非常重要。

2)防水层材料特性和法向压应力是影响界面剪切滑移特性的2个重要因素。其中,防水层材料特性对界面剪切强度和剪切模量的影响较大,而残余剪切强度、剪切滑移能量和剪切失效位移受法向压应力的影响较大。

本文暂时还未研究基面粗糙度、防水层与初期支护及二次衬砌不同粘结强度对界面力学特性的影响,以及地下水作用对防水层性能的影响等问题,这些将在后续的研究工作中进一步进行探讨。