混凝土裂縫修復的斷裂試驗研究

徐廣舒 張遠淼

(1. 東南大學土木工程學院，南京 210009； 2. 南通職業大學建筑工程學院，南通 226007；3. 同濟大學結構工程與防災研究所,上海 200092)

混凝土裂縫修復的斷裂試驗研究

徐廣舒1,2,*張遠淼3

(1. 東南大學土木工程學院，南京 210009； 2. 南通職業大學建筑工程學院，南通 226007；3. 同濟大學結構工程與防災研究所,上海 200092)

采用楔入劈拉法對比了有機材料環氧樹脂與無機材料氯氧鎂水泥漿兩種材料修復混凝土裂縫的有效性。先對混凝土試件進行楔入劈拉試驗，獲得混凝土的斷裂參數，然后采用環氧樹脂灌縫膠、氯氧鎂水泥漿對試件進行修復，再進行第二次楔入劈拉試驗，測定注膠修復后的試件的相應斷裂參數，并與初始混凝土試件的相應值進行對比分析，以此來考察并評估環氧樹脂、氯氧鎂水泥漿與混凝土粘結界面的性能以及兩者的修復效果。試驗結果表明：試件經過環氧樹脂加固后，起裂斷裂韌度與失穩斷裂韌度得到不同幅度的提高，而氯氧鎂水泥漿修復試件則有所下降。說明環氧樹脂有效修復裂縫，抑制裂縫的重新開展，達到修復混凝土的效果；而采用氯氧鎂水泥漿材料的修復效果沒有環氧樹脂修復效果好，為工程實際應用提供一些參考。

楔入劈拉法, 環氧樹脂, 氯氧鎂水泥漿, 雙K斷裂參數

1 引 言

鋼筋混凝土框架結構是房屋建筑中最常見的，同時也是地震中最易受損的結構形式之一。從震后的調查來看，歷次大地震中，鋼筋混凝土框架房屋，除了少數坍塌或破壞嚴重外，大部分都為輕度或中度損傷，屬“可修”的范疇[1]。多數混凝土結構在地震作用下多出現混凝土開裂、壓潰等破壞形式，通過合理的加固修復方法可以使結構的抗震能力恢復到一定程度，滿足繼續使用的要求。

對于震損混凝土框架結構來說，首先主要評定震損程度，以確認待加固結構的抗震能力與設防標準之間的差異，然后是對震損部位進行修復設計，保證結構性能有所恢復，至少是不會繼續下降，最后采用其他的加固方法進行加固。對于混凝土開裂或壓碎的震損混凝土構件，按照上述步驟，研究者多采用高強聚合物材料進行灌縫或填補，然后再采用加大截面法[2]、外包鋼套法[3-4]或高性能增強材料進行加固[5-8]。通過適當的加固設計和施工，被加固構件(包括預震損構件)的抗震性能均能恢復，甚至大幅度提高。從修復與加固的試驗效果來看，以上方法無疑是成功的，但從研究的角度來看，目前針對震損混凝土結構的修復與加固試驗研究存在兩個方面的問題：其一，多數試驗采用預震損的方法對試驗構件施加損傷，損傷等級多為輕微破壞或者中等破壞，而嚴重震損修復試驗很少涉及[9]；其二，“高強聚合物的灌縫和填補”與“增強材料或加大截面”兩者的貢獻難以明確區分，往往外包的增強材料或者加大截面法掩蓋了高強聚合物的灌縫和填補作用，讓大家忽視了其對混凝土本身裂縫的修復處理，而且大量的試驗現象證明混凝土本身的完整性、受力性能會極大地影響增強材料的加固效果。因此，加強對震損混凝土本身的修復、提高混凝土的完整性，使受損開裂、壓碎的混凝土性能能夠恢復到未受損的水平，應該是其他加固方法發揮作用的前提。

環氧樹脂注膠修復的目的是使震損混凝土結構的混凝土保持完整性，達到修復混凝土的目的，同樣，氯氧鎂水泥漿也可以作為粘接劑用來加固混凝土構件[10-11]。而加固材料與混凝土的粘結界面容易發生失效，對加固效果有重大的影響，因此，混凝土-加固材料結合界面是研究加固技術的基礎[12-15]。

對于環氧樹脂與混凝土黏結界面，一些學者從斷裂力學角度進行了研究。Coronado[16]采用劈拉試驗和夾心三點彎曲梁試驗獲得軟化曲線來表征混凝土-環氧樹脂界面的斷裂性能。通過試驗比較發現，素混凝土試件得到的抗拉強度、黏聚斷裂能與黏結界面的相應參數值處于同一數量級，可比性不大，反而尺寸效應斷裂能相差較大，最大達64%，可以作為表征混凝土-環氧樹脂界面斷裂性能的主要參數。Lau和Büyük?ztürk[17]利用夾心四點彎曲梁試件研究了混凝土與環氧樹脂膠的黏結界面Ⅰ型及復合型斷裂韌度在不同濕度與溫度環境下的變化規律。文章先得到混凝土、環氧樹脂膠試件隨濕度和溫度變化的泊松比、彈性模量及Ⅰ、Ⅱ型斷裂韌度，然后根據線彈性界面斷裂力學計算Ⅰ型斷裂韌度與混合型斷裂韌度，并根據界面裂縫偏折判斷條件分析界面破壞模式，并與試驗結果相比較。以上文獻采用單參數值來表征混凝土-環氧樹脂界面的斷裂性能，但是不能夠完整反映界面裂縫的發展全過程。徐世烺[18-20]提出的混凝土雙K及雙G斷裂模型采用起裂斷裂韌度與失穩斷裂韌度來判定裂縫的起裂和失穩，描述混凝土材料中裂縫發展經歷的起裂、穩定擴展和失穩擴展的斷裂破壞過程，而界面裂縫同樣也存在起裂、穩定擴展和失穩擴展的破壞過程，那么是否可以采用起裂斷裂韌度與失穩斷裂韌度來表征界面裂縫的斷裂性能，是值得探究的。

本文采用楔入劈拉法對比了有機材料環氧樹脂與無機材料氯氧鎂水泥漿兩種材料加固混凝土的有效性。先對楔入劈拉試件進行楔入劈拉試驗，獲得混凝土的斷裂參數，然后采用環氧樹脂灌縫膠對已劈裂的試件(已完全開裂)進行修復，經過一定養護期后再進行楔入劈拉試驗，測定注膠修復后的試件的相應斷裂參數，并與初始混凝土試件的相應值進行對比分析，以此來考察并評估采用環氧樹脂膠修復混凝土的效果，然后再次對斷裂面進行氯氧鎂水泥漿加固，進行第三次的楔入劈拉試驗，測定修復后相應的斷裂參數，比較三次楔入劈拉試驗的斷裂參數值，研究環氧樹脂與氯氧鎂水泥漿與混凝土粘結界面的性能以及兩者的修復效果。

2 混凝土試件與修復材料

楔入劈拉試件采用的混凝土的等級為C50，試件相關的信息見表1。采用的修復材料為環氧樹脂裂縫修補膠及氯氧鎂水泥漿。環氧樹脂裂縫修補膠為雙組份冷固化無溶劑環氧樹脂灌注劑，其應用為混凝土結構的填縫注劑、多孔地臺和墻壁的滲透劑、格構式及封閉式濕法外包鋼填注膠，相關力學性能參數見表2。氯氧鎂水泥漿(MOC)可以用來代替有機膠材與連續碳纖維織布組合來加固混凝土結構[10]，是由輕燒MgO、MgCl2·6H2O，水和KH2PO4混合制成，按照700 g輕燒MgO，328 g MgCl2·6H2O，200 g水和7 g KH2PO4的配方制作。制作氯氧鎂水泥漿時，首先將一定比例的MgCl2·6H2O，水和KH2PO4混合起來，放置在容器中進行攪拌，等到溶液呈透明無沉淀時，再將溶液倒入輕燒MgO中，攪拌至漿體均勻無結塊，攪拌均勻的漿體具有較高的流動性[11]。

表1 楔入劈拉試件

Table 1 Specimens used in wedge splitting test

注：t為試件厚度，h為試件高度，a0位試件預制裂縫長度；h0為試件上刀口厚度。

表2 環氧樹脂力學性能參數

Table 2 Mechnical property of epoxy

相關試驗在同濟大學土木工程學院實驗室完成。楔入劈拉試件經過一定養護期后進行首次楔入劈拉試驗，測得相關的斷裂參數，然后進行環氧樹脂修復，進行第二次楔入劈拉試驗，再進行氯氧鎂水泥漿的修復，進行第三次的楔入劈拉試驗。獲得混凝土試件在三次楔入劈拉試驗時的斷裂參數。采用電液伺服萬能試驗機進行上述楔入劈拉試驗，并利用動靜態數據采集系統進行試驗數據采集。在試驗中，采用量程為10 mm的夾式引伸計測得裂縫口開口位移，并記錄豎向荷載，得到荷載-裂縫開口位移曲線。

圖1 原試件和夾心楔入劈拉試件示意圖

3 破壞模式

試件在經過環氧樹脂修復后進行第二次的楔入劈拉試驗時，裂縫并沒有從原來的位置開展，而是從新的位置開展，在氯氧鎂水泥漿修復后進行第三次的楔入劈拉試驗，裂縫完全從第二次試驗的裂縫處開展(即第二次的斷裂面)。因篇幅關系，圖2列舉出了試件C50-1在環氧樹脂與氯氧鎂水泥漿修復后的裂縫開展路徑及斷面圖。

圖2 試件C50-1環氧樹脂與氯氧鎂水泥修復后裂縫開展路徑及斷面

4 楔入劈拉法試驗結果分析[16]

在三次楔入劈拉試驗時，記錄豎向荷載與裂縫開口位移，將豎向荷載換算得到水平荷載，可得到水平荷載與裂縫開口位移的關系，得到P-CMOD曲線。試件在三次楔入劈拉試驗時P-CMOD曲線見圖3。結合試件的破壞模式，混凝土試件在達到極限荷載后，荷載值急劇下降，曲線較陡，說明混凝土明顯具有脆性，在經過環氧樹脂修復后，極限荷載值有所提高，極限荷載后曲線也較陡，說明試件開裂也具有較大的脆性，而在經過氯氧鎂水泥漿修復后，相比于原混凝土試件，極限荷載值有提高也有降低，也表現出較大的脆性特征。

5 斷裂參數比較與分析

根據試驗獲得的P-CMOD曲線可以計算得到試件的起裂荷載、極限荷載、起裂斷裂韌度、失穩斷裂韌度。根據線彈性漸進疊加假定，雙K斷裂韌度的計算公式(式(1)、式(2))。計算結果列于表3及圖4、圖5。

(1)

f(α)=3.675×[1-0.12(α-0.45)]

/(1-α)3/2

(2)

式中，相對縫長α=ac/D，ac為臨界有效裂縫長度；B，D分別為試件厚度和高度。

圖3 三次楔入劈拉試驗荷載-裂縫開口曲線

(3)

圖4為各個試件修復前后起裂荷載與極限荷載變化圖。可以發現，試件在環氧樹脂注膠修復后，起裂荷載與極限荷載都得到一定程度的提高，平均增幅分別為28.30%及24.30%，由此認為注膠修復推遲了裂縫的開展；相比于氯氧鎂水泥漿修復后的試件，試件的起裂荷載與極限荷載都稍微下降，平均降幅分別為6.80%及9.60%。圖5為各個試件修復前后起裂斷裂韌度與失穩斷裂韌度變化圖。可以發現，試件在環氧樹脂注膠修復后，起裂斷裂韌度與失穩斷裂韌度都得到一定程度的提高，平均增幅分別為28.80%及18.60%，而氯氧鎂水泥漿修復后的試件，試件的起裂斷裂韌度與失穩斷裂韌度都稍微下降，平均降幅分別為5.80%及6.20%。

根據以上數據，可以得出：經過環氧樹脂修復后，試件的起裂荷載值、極限荷載值、起裂斷裂韌度與失穩斷裂韌度得到不同幅度的提高，說明環氧樹脂加固技術能夠有效推遲試件裂縫的再開展，具有良好的修復裂縫的效果；而氯氧鎂水泥漿修復試件后，裂縫從粘結面重新開裂，相應的起裂荷載值、極限荷載值、起裂斷裂韌度與失穩斷裂韌度都有不同程度的下降，說明采用氯氧鎂水泥漿材料的修復效果沒有環氧樹脂修復效果好。

圖4 試件起裂荷載與最大荷載值比較

圖5 試件斷裂韌度比較

表3 楔入劈拉法試驗結果

Table 3 Test results from wedge splitting test

試件Pini/kNPmax/kNKkini/(MPa·m1/2)Klcun/(MPa·m1/2)C50-14.868.140.431.21C50-26.8211.180.611.49C50-35.489.090.491.07C50-46.4710.760.581.30C50-55.5010.480.491.36C50-66.019.980.531.33平均值5.869.940.521.29RC50-17.5912.480.671.54RC50-27.5112.470.671.55RC50-47.2411.330.641.41RC50-57.6912.820.681.52RC50-67.5812.680.671.62平均值7.5212.360.671.53增幅/%28.3024.3028.8018.60RRC50-15.619.440.501.20RRC50-25.679.460.501.25RRC50-35.6810.180.501.06RRC50-44.606.660.410.93RRC50-55.098.210.451.49RRC50-66.109.980.541.32平均值5.468.990.491.21增幅/%-6.80-9.60-5.80-6.20

注：Pini為起裂荷載；Pmax為最大荷載；Kkini為起裂斷裂韌度；Klun為失穩斷裂韌度。

6 結 論

通過研究上述環氧樹脂、氯氧鎂水泥漿兩種材料修復混凝土裂縫的楔入劈拉試驗，可以得到以下結論：

(1) 楔入劈拉法可以作為研究加固材料與混凝土粘結面粘結性能試驗方法，初次楔入劈拉試驗與修復材料加固后的再次楔入劈拉試驗結果的對比，可以直觀反映加固材料對混凝土的加固效果。

(2) 通過楔入劈拉法試驗結果，可以發現，試件經過環氧樹脂加固后，起裂荷載值、極限荷載值、起裂斷裂韌度與失穩斷裂韌度得到不同幅度的提高，說明環氧樹脂有效修復裂縫，抑制裂縫的重新開展，達到修復混凝土的效果；而氯氧鎂水泥漿修復試件后，相應的起裂荷載值、極限荷載值、起裂斷裂韌度與失穩斷裂韌度都有不同程度的下降，說明采用氯氧鎂水泥漿材料的修復效果沒有環氧樹脂修復效果好。

(3) 相比于原混凝土試件的裂縫開展，可以將試件的起裂斷裂韌度作為表征混凝土-修復材料黏結界面的斷裂性的參數，直接反映修復效果的好壞。

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Experimental Study of Repairing Concrete Cracks with Different Materials

XU Guangshu1,2,*ZHANG Yuanmiao3

(1. College of Civil Engineering, Southeast University, Nanjing 210009, China;

2. Department of Architecture, Nantong Vocational College, Nantong 226007, China;

3. Research Institute of Stnutural Engineering and Disaster Reduetion, Tongji University, Shanghai 200092, China)

Based on the wedge-splitting tests of concrete specimens repaired with epoxy and MOC, the fracture energy, double-K fracture parameters and destroyed mode of prototype specimens and repaired specimens are analyzed and contrasted. The results of the experiments indicate that the fracture capability and carrying capacity of the repaired specimens are remarkably improved which show that epoxy injection is an adequate method for repairing cracked concrete.Instead, the test values of fracture parameters from concrete specimens repaired by MOC are decreased. The results can be provided for references of the engineering application of epoxy and MOC in repairing concrete．

wedge splitting method, epoxy, MOC, double K fracture parameters

2013-12-23

江蘇省高等職業院校國內高級訪問學者計劃資助項目(編號FX073)

*聯系作者，Email：495004469@qq.com