粗糙度對ECC/老混凝土抗拉粘結(jié)強(qiáng)度的影響

(東南大學(xué)土木工程學(xué)院　江蘇　南京　210096)

一、引言

對老結(jié)構(gòu)采取加固補(bǔ)強(qiáng)處理或拆除重建是對城市基礎(chǔ)設(shè)施和建筑進(jìn)行維護(hù)的必要措施。但拆除后重新進(jìn)行設(shè)計(jì)施工，往往涉及到經(jīng)濟(jì)和社會等眾多因素難以實(shí)現(xiàn)。相比之下，加固補(bǔ)強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)，使原有結(jié)構(gòu)恢復(fù)或增強(qiáng)其承載能力以延長使用年限，更為適應(yīng)現(xiàn)代社會需求，能夠大幅縮短工期，減少大量人力和資金的投入。

但對老結(jié)構(gòu)的加固補(bǔ)強(qiáng)中，加固材料與老混凝土的粘結(jié)性能往往限制著加固效果。粘結(jié)性能不僅影響結(jié)構(gòu)整體承載力，還影響著抗?jié)B、抗碳化、抗凍融性等有關(guān)結(jié)構(gòu)的耐久方面的性能。

二、試驗(yàn)方案

本次針對粗糙度對老混凝土/ECC粘結(jié)抗拉性能測試的試驗(yàn)方案共計(jì)由5組試件構(gòu)成，老混凝土和ECC強(qiáng)度均采用C50的強(qiáng)度。不同的鑿毛方式代表著界面不同的粗糙度，本試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了五種界面，分別對應(yīng)A、B、C、D、E五種粗糙度，界面的粗糙度將采用灌砂法控制，五種界面的粗糙度分別為0、1.5mm、3mm、4.5mm、6mm。

此次試驗(yàn)采用電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)來拉拔試塊。老混凝土基體為1000mm3的立方體試塊，中間插入一根螺栓，ECC部分亦然。加載時，在螺桿外側(cè)套上表面粗糙處理過的鋼塊，避免加載時出現(xiàn)滑移。

加載時，加載速率為500N/s。以承載力開始下降為試件破壞標(biāo)志。試件的軸心抗拉強(qiáng)度采用公式(1)計(jì)算，其中p為粘結(jié)界面的抗拉強(qiáng)度，單位MPa；F為破壞荷載，單位為N；S為粘結(jié)面橫截面積，在此試驗(yàn)中為0.01m2。

(1)

三、試件制作

(一)基體混凝土制作

所有混凝土的材料攪拌都在強(qiáng)制攪拌機(jī)中完成，澆筑完成后，置于標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)2天后拆模，并進(jìn)行粗糙度的處理。處理完重新置于養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)28天。

在澆筑ECC之前，先對標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件養(yǎng)護(hù)28天的混凝土試塊進(jìn)行粗糙度處理。鑿毛結(jié)束后，用灌砂法測量界面的粗糙度。

目前粘結(jié)面粗糙度的評定方法有切槽法，灌砂法，觸針式粗糙度測定儀，分?jǐn)?shù)維法，硅粉堆落法，觀察法。本文使用的是灌砂法，即在粘結(jié)面的四周圍上塑料板，塑料板頂面與粘結(jié)面凸部的最高點(diǎn)齊平，將細(xì)密的標(biāo)準(zhǔn)砂填充于粘結(jié)面和塑料板頂面間。填充砂的標(biāo)準(zhǔn)砂體積的大小，可以較好地反映粘結(jié)面粗糙度的大小。灌砂法具有量測所需儀器簡單，操作方便的優(yōu)點(diǎn)，對凸凹程度均勻性好的粘結(jié)面可以較好的定量描述其粗糙度。本次試驗(yàn)標(biāo)定粗糙度的標(biāo)準(zhǔn)砂為廈門艾思?xì)W生產(chǎn)的新標(biāo)準(zhǔn)水泥試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)砂，容重為1.39g/cm3。定量描述粘結(jié)面的粗糙度的平均深度按公式(2)計(jì)算：

(2)

鑿去老混凝土表面漿體和部分水泥石，用刷子清洗老混凝土表面，用清水沖洗后晾干，涂抹0.3水灰比的水泥凈漿界面劑，厚度約2-3mm。

(二)澆筑ECC與養(yǎng)護(hù)

澆筑ECC時，先把膠凝材料一同放入強(qiáng)制攪拌機(jī)干拌，而后加入溶有一半減水劑的水濕拌，然后沿著攪拌筒攪拌方向先后人工加入石英砂、纖維，并適當(dāng)添加剩余的減水劑，攪拌5分鐘左右再停止攪拌。澆筑完置于振搗臺振搗，振搗時間不易過長以免纖維出現(xiàn)上浮現(xiàn)象。

澆筑完成后，置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)至28天。

四、試驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)象

(一)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

本次試驗(yàn)測試了5組共25個試件。

在試驗(yàn)中觀察到，ECC與老混凝土粘結(jié)試件的劈拉破壞面絕大多數(shù)發(fā)生在兩者的粘結(jié)面處，破壞面基本沿著兩種材料的交界面，較為平直，在部分試件中，有出現(xiàn)混凝土受拉脫落的現(xiàn)象，或者被粘連在ECC一側(cè)；而相應(yīng)位置的ECC雖然也受到拉應(yīng)力，但由于其中纖維的作用，沒有發(fā)生脫落等現(xiàn)象，粘結(jié)面整體較為完整。在破壞的粘結(jié)試件中，通常不會出現(xiàn)老混凝土一側(cè)的突出骨料被拔斷或拔出，ECC一側(cè)也不會有漿體拔出，但PVA纖維會少部分被粘結(jié)拔出，當(dāng)老混凝土強(qiáng)度或界面粗糙度較大時，此現(xiàn)象更為明顯。在王冰等人的試驗(yàn)中[1]，曾觀察到大塊混凝土從基體中拔出的現(xiàn)象，本次試驗(yàn)中并未出現(xiàn)。

(二)界面粗糙度對粘結(jié)強(qiáng)度的影響

對于現(xiàn)澆ECC/老混凝土試件，在使用0.3水灰比的水泥凈漿做界面劑、老混凝土和ECC強(qiáng)度均達(dá)到C50強(qiáng)度時，對應(yīng)老混凝土基體的粗糙度在0、1.5mm、3mm、4.5mm、6mm左右，其平均粘結(jié)抗拉強(qiáng)度分別為1.57MPa，l.97MPa，2.23MPa，2.45MPa，2.27MPa。

對粗糙度為0、1.5mm、3mm、4.5mm的數(shù)據(jù)，利用origin軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的多項(xiàng)式回歸分析可得，ECC/老混凝土粘結(jié)抗拉強(qiáng)度與粗糙度(平均灌砂深度)的關(guān)系近似為

p=1.43357+0.18407h

(3)

其相關(guān)系數(shù)R2=0.9363，可見方程具有較高的顯著性。可以看出，粗糙度在0-4.5mm內(nèi)，ECC/老混凝土的粘結(jié)抗拉強(qiáng)度逐漸增大，二者大致呈線性關(guān)系，斜率大致為0.18MPa/mm。

五、原因分析

老混凝土界面修補(bǔ)時，新老水泥基材料之間的作用力主要分為三種：一是界面處各種晶體、凝膠、集料之間相互交錯抱合產(chǎn)生的機(jī)械咬合力，二是由水泥石中的晶體與晶體之間以及晶體與集料之間的分子相互作用而引起的范德華力，三是新老混凝土及界面劑之間發(fā)生的化學(xué)反正產(chǎn)生的化學(xué)粘結(jié)力。若增強(qiáng)界面粘結(jié)性能，需減少占較大空隙間距的氫氧化鈣晶體含量，減小界面孔隙率，減少界面處微裂縫，增加界面的機(jī)械咬合力、范德華力及化學(xué)粘結(jié)力。

當(dāng)鑿毛深度增大時，提高了老混凝土的比表面積，加大ECC與老混凝土的機(jī)械咬合與錨固，提高了ECC與老混凝土之間的機(jī)械咬合力和范德華力，從而改善界面粘結(jié)性能。所以提高老混凝土的粗糙度可以顯著提高二者界面粘結(jié)性能。

六、結(jié)論與展望

本次試驗(yàn)得出：粗糙度在0-4.5mm內(nèi)，ECC/老混凝土的粘結(jié)抗拉強(qiáng)度逐漸增大，二者大致呈線性關(guān)系。當(dāng)粗糙度超過4.5mm時，其抗拉強(qiáng)度反而會下降。工程實(shí)際中，建議控制粗糙度在4mm左右。

從國內(nèi)外的研究顯示，當(dāng)粘結(jié)面的宏觀粗糙度達(dá)到某一控制值后，其對粘結(jié)面力學(xué)性能的影響將顯著減弱，這時再從宏觀的角度已無法有效的提高新老混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度，但我們認(rèn)為新老混凝土粘結(jié)仍然有提高的空間，即從提高混凝上的微細(xì)觀粗糙度入手，通過化學(xué)的處理方法來大量的增加混凝土表面微米級的孔隙，增大新老混凝土接觸面積，提高混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度。微細(xì)觀粗糙度可以作為宏觀粗糙度一個很好的補(bǔ)充和改進(jìn)[2]。

【參考文獻(xiàn)】

[1]王冰.超高韌性水泥基復(fù)合材料與混凝土的界面粘結(jié)性能及其在抗彎補(bǔ)強(qiáng)中的應(yīng)用[D].大連：大連理工大學(xué)土木工程學(xué)院，2011.

[2]姜浩.新老混凝土粘結(jié)界面層微細(xì)觀結(jié)構(gòu)的改善方法和機(jī)理[D].汕頭：汕頭大學(xué)，2001.