2021-05-06
 
改善新老混凝土界面粘结性能的措施研究
2021年05月06日   阅读量:15510

混凝土是现代土木工程中最常见的建筑材料,大量应用于水工、房屋、道桥等建筑工程中。自建国以来,中国修建了大量的混凝土工程。经过半个多世纪的使用,正面临着诸如开裂、碳化、冻融剥蚀等耐久性问题沥青网sinoasphalt.com。因此,对于混凝土结构设施的维护、修复和加固已成为中国面临的新课题。在众多混凝土结构修复加固技术中,加大截面法施工工艺简单,经济实用,适应性强,是一种传统却广泛使用的方法。但新老混凝土的粘结性能是影响加大截面法加固效果的主要因素,很多加固工程正是由于新老混凝土粘结强度差而导致修补质量不能达到预期效果。


新老混凝土界面粘结性能受多种因素影响。国内外对于新老混凝土粘结性能影响因素的研究主要集中在老混凝土表面粗糙程度、界面剂、修补材料等3个方面。Tayeh等认为新老混凝土的粘结性能很大程度上取决于老混凝土表面的粗糙度,其对老混凝土表面的粗糙度与粘结强度之间的关系进行了量化。Julio等研究表明新老混凝土自身的强度对其粘结性能有较大的影响。Momayez等尝试运用不同的试验方法对新老混凝土之间的粘结强度进行了测定。Santos等对影响新老混凝土粘结性能的各种因素进行了详细的总结和分析。在国内,王标等对影响新老混凝土粘结性能的主要因素、新老混凝土结合面处理方法、修补材料的选择和应用进行了系统的论述。徐方等通过在水泥混凝土中掺加有机纤维或聚合物,以此来提高混凝土层间粘结面的粘结性能。冯颖慧等对新型AS 界面剂对新老混凝土界面粘结性能进行了研究。农金龙等研究了丁苯聚合物改性水泥砂浆在新老砂浆界面粘结中的应用。


从以上研究可以看出,老混凝土表面处理方式、界面剂、新混凝土类别是影响新老混凝土粘结性能的最重要因素,后两者的作用尤其明显。但就目前的工程应用来看,与普通修复方式下的新老混凝土粘结强度相比,目前研究成果采用的修复方式并未使其粘结强度与耐久性有大的提升,修补后的混凝土仍会因界面处干缩微裂缝的存在而使新老混凝土协同工作性能变差,往往 2-3 年后就须重新修补。碳纳米管作为一种碳纳米晶体纤维材料,具有许多十分优异的力学性能,极有可能成为下一代高性能复合材料的理想增强基。因此,作者创新性地探索研究几种常用纤维及碳纳米管的掺入对新老混凝土粘结性能的影响,在此基础上进一步研究苯丙乳液与各种纤维复掺时对粘结性能的改善。

1 纤维增强混凝土与老混凝土粘结性能试验

1.1 试件方案

1.1.1 纤维种类选择

基于粘结破坏机理,试验选择了4种纤维: 钢纤维、聚丙烯腈纤维、玄武岩纤维、碳纳米管,分别如图1(a) 、(b) 、(c) 和(d) 所示。其中,钢纤维是目前在混凝土结构加固中使用最多的; 聚丙烯腈纤维价格较低,在提高混凝土和砂浆早期抗裂性能中有良好表现; 玄武岩纤维是国家发展和改革委员会鼓励发展的4大高技术纤维之一,是对天然原材料仅进行简单加工得到的,对改善混凝土抗拉、抗裂性能效果良好; 碳纳米管是一种新型的材料,具有良好的物理力学性能,一般情况下,其抗拉强度能达到50~200GPa,为钢的100倍,弹性模量可达1TPa,与金刚石的弹性模量相当,约为钢的5倍。因此碳纳米管是增强水泥基材料中最有潜力的一员。

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图1 试验的4种纤维

1.1.2 试验原材料与配合比

试验采用的水泥为四川西南水泥有限公司生产的32.5、42.5普通硅酸盐泥,粗骨料为粒径10~20mm 连续级配的碎石,细骨料为天然中砂,水为清洁自来水。采用4种不同类型的纤维,基本参数如下: 1) 波浪型钢纤维,其抗拉强度约为600~900MPa,平均长度35mm,等效直径0.95mm,长径比36.84。2) 湖北鼎强纤维公司生产的聚丙烯腈纤维,直径(13±5)μm,密度1.18kg/cm³,拉伸极限14%~20%,抗拉强度340~410MPa ,弹 性 模 量17.1GPa。3) 南京曼卡特科技有限公司生产的玄武岩纤维短切丝,直径15μm,长度11mm,密度2660kg/m³,抗拉强度4150~4800MPa,弹性模量93~110GPa,拉伸极限3.2%。4) 北京博宇高科新材料有限公司生产的高纯多壁碳纳米管,直径20~30nm,长 度10~30μm,纯度>95(wt)%,灰分 <1.5%,导电率 >100s /cm,比表面积 >110㎡/g。

根据混凝土结构加固技术规范,加固使用混凝土强度等级应比原结构混凝土强度高一级,且不得低于C20。故取老混凝土强度等级为C30,新混凝土强度等级为C35。根据普通混凝土配合比设计规程,将砂率在25% 到45%的范围内取值,设计出5组配合比,并进行抗压试验。最终选用砂率均为30%,老混凝土水灰比0.53,相应配合比碎石(G)∶砂 (S)∶水泥(C)∶水量(W)为6.59∶2.83∶1.87∶1.00,采用32.5水泥。新混凝土水灰比0.56,相应配 合比碎石(G)∶砂(S)∶水泥(C)∶水量(W) 为6.60∶2.87∶1.78∶1.00,采用42.5水泥。

1.1.3新老混凝土粘结试件的制备

粘结面是影响新老混凝土共同工作的最薄弱环节,在各种类型的加固构件中,粘结面受力复杂。其中,粘结面的法向粘结力是影响其工作性能的重要指标之一。因此,采用劈拉试验方法测试新老混凝土法向粘结面的抗拉强度,以此来评估粘结效果。试验方案如图2所示。试验采用边长为100mm的立方体新老混凝土粘结试件。

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图2 劈拉试验

新老混凝土粘结试件的制作过程如下: 首先浇筑半个试件以模拟老混凝土,其尺寸为100mm×100mm×50mm。试件脱模后,在温度(20±3)℃,湿度90%以上的标准条件下养护28d。取出后沿着试件的浇筑面用凿子凿毛,并用钢丝刷除去试件表层松动部分再用清水冲洗干净。然后凿毛面朝上将其放入100mm×100mm×100mm的模具中,在其上方浇筑掺入了不同类别纤维的混凝土,以模拟加固采用的新混凝土。2d后拆模,在标准条件下养护28d,即得到考虑新老混凝土粘结的试验试件。

    为了评估不同纤维类型、不同纤维掺量对新老混凝土界面粘结效果的影响,采取如下的试验设计方案。4组试件分别考虑掺入钢纤维、聚丙烯腈纤维、玄武岩纤维以及碳纳米管的影响。每一组试件中,进一步考虑不同掺量的影响,钢纤维和聚丙烯腈纤维采用体积率作为掺入指标,试验中钢纤维采用1% 、2% 、3% 、4% 4种不同的体积率,而聚丙烯腈纤维的体积率则采用0.1%、0.2% 、0.3%、0.4% 。玄武岩纤维以单位混凝土体积内的纤维质量为掺入指标,采用1、3、5、7kg/m³4 种掺入量。考虑到碳纳米管作为一种特殊的纳米纤维材料,价格比较昂贵,试验中将碳纳米管掺入水泥净浆中作为界面剂使用。制作界面剂时根据试验操作的方便性并参考前人的研究成果,最终以水泥质量的百分比作为掺入指标,采用0.1%、0.2%、0.3%、0.4%4 种掺入量。将界面剂均匀涂抹在处理过后的老混凝土表面,涂抹厚度为2~3mm,然后浇筑另一半新混凝土。最终得到新老混凝土粘结试件如图3 所示。

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图3 新老混凝土粘结试件

    试件编号形式为MY,其中M代表 4 种不同类型的纤维: 钢纤维用G 表示,聚丙烯腈纤维用J表示,玄武岩纤维用X表示,碳纳米管用T 表示;Y 代表纤维的掺量。如新混凝土中钢纤维体积率为2%的新老混凝土粘结试件编号为G2。

    除了上述4组试件外,另设计了3组对比试件:1) 完整老混凝土试块,即普通的C30混凝土试块编号为WL; 2) 完整新混凝土试块,即普通的C35 混凝土试块编号为WN; 3) 按照规范要求的普通修补方式进行处理的试件,即在老混凝土(普通C30混凝土) 表面涂抹水泥净浆作为界面粘结剂,并浇筑新混凝土(普通C35混凝土) ,编号为WJ。

1.2 新老混凝土界面法向粘结强度测试

1.2.1 试验方法

    按前述方法制作好新老混凝土粘结试件后,按照普通混凝土力学性能试验的标准在万能材料试验机上进行劈拉试验。

    粘结劈拉强度按式(1) 计算:

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式中:为混凝土劈拉抗拉强度,MPa; F为试件破坏荷载,N; A为试件劈拉面面积,㎡。

    因为新老混凝土粘结强度与新、老混凝土自身的强度有很大关系,为便于比较,采用式(2) 计算得到的 η 作为衡量新老混凝土劈拉强度的指标,η值越大,则说明新老混凝土之间的粘结强度越好,反之则越差。另外引入掺入纤维后试件的劈拉强度指标与WJ 的劈拉强度指标的比值γ 来直观地衡量与传统方式相比,纤维的掺入对劈拉强度的影响。若γ>1,则表示加入纤维的新老混凝土界面劈拉强度大于按照规范要求的普通修补方式的强度。

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式中,改善新老混凝土界面粘结性能的措施研究 沥青网,sinoasphalt.com为新老混凝土劈拉粘结强度,改善新老混凝土界面粘结性能的措施研究 沥青网,sinoasphalt.com为完整老混凝土试件劈拉强度,改善新老混凝土界面粘结性能的措施研究 沥青网,sinoasphalt.com为完整新混凝土试件劈拉强度。

1.2.2 劈拉试验结果及分析

    通过劈拉试验得到完整试件WL、WN、WJ的劈拉强度见表1,相应地,试件WJ的劈拉粘结强度指标为45.50%。不同纤维增强混凝土与老混凝土粘结劈拉强度及其相应的劈拉粘结强度指标见表2。

表1 部分试件劈拉强度

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表2 纤维混凝土与老混凝土粘结劈拉强度

改善新老混凝土界面粘结性能的措施研究 沥青网,sinoasphalt.com    从表2中数据可知,4种纤维的掺入均能有效提高新老混凝土界面的劈拉强度,改善界面粘结性能。这主要是因为在新老混凝土浇筑后,粘结界面区域的纤维能够抑制新混凝土中水泥水化在界面处产生的原始微裂纹,并且在界面受力出现裂缝时,能够有效阻止裂缝的开展。还可以发现,除钢纤维外,其余3种纤维对其粘结性能的提升呈现出先增后减的趋势,即在本次试验所设定的掺量中均存在最优值。聚丙烯腈纤维掺量为0.2%时,粘结强度指标最为 74.8%,与普通修补方式相比提升64% 。玄武岩纤维掺量为3kg /m³时,粘结强度指标最大,为69.8%,与普通修补方式相比提升53%。碳纳米管在0.2%掺量下粘结强度指标取得最大值,为86.3% ,与普通修补方式相比提升90% 。 钢纤维4%掺量下劈拉强度较高,但从试验过程可以看出,钢纤维形成的网络在浇筑时限制了粗骨料的移动,可能会使混凝土中骨料分布不均匀,影响新混凝土本身的力学性能,故试验结果可能受到混凝土浇筑不均的影响。

2 纤维增强水泥基复合材料与老混凝土粘结性能试验

2.1  试验原材料与配合比

    试件制作所采用的原料同第1节,在此基础上,研究聚合物的掺入对新老混凝土界面粘结特性的影响。试验方法仍采用劈拉试验。采用的聚合物为日化级苯丙乳液,稀稠度750cps,固含量48.2%,ph值7.6。苯丙乳液的掺量以聚灰比计算,即实际聚合物质量与水泥质量之比。试验中采用了5% 、10% 、15% 、20%4 种聚灰比,新混凝土中苯丙乳液掺量及用水量见表3,其余材料配比同第1.1.2节。

表3 新混凝土中苯丙乳液掺量


2.2 试件的制作

    老混凝土试件浇筑制作同前述方法。养护完成后,作相应的表面处理并涂抹水泥净浆。在其上方浇筑掺入了不同类别纤维和聚合物乳液的混凝土,拆模后,在标准条件下养护28d即得到新老混凝土粘结试件。考虑到经济效益,碳纳米管仍通过制作碳纳米管水泥净浆作为界面剂使用,涂抹在经过处理的老混凝土表面,再在其上浇筑掺入苯丙乳液的改性混凝土。

    4种苯丙乳液掺量与4 种纤维掺量相组合,共有64组试件,每组3个试件。试件编号采用MY@Z 表示,其中: M代表4 种不同类型的纤维,符号表示如前所述; Y 代表纤维的掺量; Z 代表苯丙乳液聚灰比。如钢纤维体积率为4% ,苯丙乳液聚灰比为20% 的试件编号为G4@20。

2.3  复掺状况下劈拉试验结果

    表4为不同纤维增强苯丙乳液改性混凝土与老混凝土粘结劈拉强度。通过表4可以得到纤维在不同类型、不同掺量下新老混凝土粘结强度指标随苯丙乳液掺量的变化趋势如图4~7。

    分析以上试验结果可知,相对于纤维单掺的情况,纤维与苯丙乳液复掺,总体上可以获得比相同纤维掺量的单掺试件更高的新老混凝土粘结劈拉强度,并且掺入不同的纤维对粘结性能的改善有所不同。其中,钢纤维、聚丙烯腈纤维、玄武岩纤维和碳纳米管分别以适当的掺量与苯丙乳液复掺时,粘结劈拉强度最高达到1.89、1.94、1.91、2.10MPa; 分别比普通修补方式下的新老混凝土粘结劈拉强度提高87% 、92% 、89%、108%。但在某些纤维掺量下,如碳纳米管0.4% 和聚丙烯腈纤维0.4% 体积率下,聚合物乳液的加入反而会降低粘结性能。另外各纤维与苯丙乳液复掺时,试件粘结劈拉强度的最大值基本上都出现在苯丙乳液掺量为10%或15%时,即存在一个苯丙乳液掺量的最优值。

    4种纤维的掺量变化对粘结强度影响明显,且苯丙乳液的掺入对不同纤维混凝土性能的影响有所不同。钢纤维在4% 掺量下,具有较高的粘结劈拉强度; 另外的3种掺量下,粘结强度相对指标η 值均低于60% ; 尤其在苯丙乳液的掺量为20%时,4种掺量下的劈拉强度甚至均低于按普通修补方式下劈拉强度。说明苯丙乳液的掺入,对钢纤维作用下的新老混凝土粘结性能改善不明显。聚丙烯腈纤维在0.4%掺量下,随着苯丙乳液的掺入,粘结强度明显下降,甚至低于按照普通粘结方式修补的新老混凝土试件的粘结强度。在其他3 种掺量下,相对于聚丙烯腈单掺的情况,粘结强度均有较明显的提高。玄武岩纤维在3和5kg/m³的掺量下,随着苯丙乳液的掺入,粘结劈拉强度有明显的上升,并在苯丙乳液掺量为15% 时达到最高值; 在1和7kg /m³的掺量下,苯丙乳液的掺入对粘结劈拉强度没有显著影响;碳纳米管在0.4%掺量下,随着苯丙乳液的掺入,粘结强度明显下降。其他3种碳纳米管掺量下,相对于碳纳米管单掺的情况,粘结强度有较明显的提高。最高值基本出现在苯丙乳液掺量为10%和15% 时。总体看来,与普通修补方式下的粘结强度相对指标45.50%相比,复掺状况下对新老混凝土粘结强度改善更加明显,这主要是因为复掺时不仅发挥了纤维本身的增强作用,同时由于在界面处苯丙乳液与渗入老混凝土空隙中的水泥成分发生化学反应形成桥链,填充粘结面处的空隙,提升了粘结面的性能。

3 结 论

     通过不同纤维单掺与纤维和苯丙乳液复掺状况下的新老混凝土劈拉试验形成以下结论:

    1) 在修补用混凝土材料中掺入适量纤维有助于改善新老混凝土的粘结性能; 不同纤维类型,其掺入后的改善效果不同。

    2) 用碳纳米管水泥净浆作为新老混凝土的界面剂可明显改善新老混凝土的粘结抗拉性能。

    3) 各种纤维单掺时存在最优掺量,并非越多越好。

    4) 与单掺纤维相比,苯丙乳液复掺对新老混凝土粘结强度的改善效果明显。

    5) 基于本文的单掺试验配比,钢纤维、聚丙烯腈纤维、玄武岩纤维和碳纳米管单掺的最优值分别为4% 、0.2% 、3kg /m³、0.2% 。

    6) 基于复掺试验配比,4 组最优复掺值分别为钢纤维体积率4% 复合苯丙乳液聚灰比5% 、聚丙烯腈纤维0.1%复合苯丙乳液聚灰比10% 、玄武岩纤维kg /m³复合苯丙乳液聚灰比15% 、碳纳米管0.2%复合苯丙乳液聚灰比10%。


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