硅灰增強混雜纖維水泥基灌漿料與老混凝土粘結強度研究

喬慶浩，李志華，張 聰,2,3

(1. 江南大學 環境與土木工程學院，江蘇 無錫 214122；2. 武漢理工大學 硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室，武漢 430000；3. 綠色建筑材料國家重點實驗室，北京100024)

0 引 言

水泥基灌漿料與老混凝土粘結界面在既有結構的修復和加固中十分重要，由于老混凝土的收縮變形基本完成，而新澆水泥基灌漿料隨著期齡增長產生的收縮變形將使界面過渡區(ITZ)變形不協調，產生復雜的初應變和拉應力，造成大量微裂縫從界面向外擴展、連通等缺陷，導致粘結力學性能變差[1-2]。因此，材料的適應性是影響新老混凝土粘結效果的一個重要參數，選擇合適的加固材料十分重要。

為了減小水泥基灌漿料與老混凝土層之間的收縮變形，提高兩者的粘結強度，采取了在灌漿料中摻入纖維的方法[3]。鋼纖維彈性模量高，能提高混凝土材料的強度、剛度和韌性，降低收縮變形，抑制大尺度裂縫發展。聚乙烯醇(PVA)纖維直徑小、親水性強，在混凝土中容易拌和，分散均勻，能增強與混凝土的粘結強度，抑制早期收縮產生的裂隙。采用鋼纖維和PVA纖維混雜，在不同層次發揮混雜效應，達到增強增韌灌漿料的作用[4]。此外，硅灰是一種高活性火山灰材料，顆粒極細，能有效填充孔隙，其主要化學成分為SiO2，能與水泥石中的Ca(OH)2反應，生成C-S-H凝膠，填充混凝土內的空隙，提高結構密實度[5]。在混雜纖維材料中摻入硅灰，利用硅灰的火山灰效應和微集料填充效應提高纖維與老混凝土的界面粘結性能，充分發揮纖維的增強增韌作用，同時改善灌漿料與老混凝土界面過渡區內的缺陷。

目前，關于硅灰增強混雜纖維水泥基灌漿料對既有結構的修復和加固的研究較少，本文通過四因素四水平正交試驗，研究硅灰摻量、鋼纖維類型、鋼纖維摻量和PVA纖維摻量對水泥基灌漿料與老混凝土粘結強度的影響。

1 實 驗

1.1 原材料

水泥(Cement，C),無錫市天山水泥廠生產的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥；粉煤灰(Fly ash，FA)和硅灰(Silica fume，SF)，鞏義市恒諾濾料有限公司生產，硅灰化學成分和比表面積見表1；平直型和銑削型鋼纖維，鄭州市亨盛環保公司生產；端鉤型鋼纖維，宜興市華源金屬纖維有限公司生產，鋼纖維種類和特征參數見表2；聚乙烯醇(PVA)纖維，上海化工建材添加劑有限公司提供，其特征參數見表3；西卡牌聚羧酸減水劑(WR)，減水率30%；細骨料采用天然河砂(S)，中砂，細度模數2.4；水(W)為自來水。

表1 硅灰的化學成分和比表面積

表2 鋼纖維類型和特征參數

表3 聚乙烯醇纖維特征參數

1.2 配合比

為了提高灌漿料的流動性，摻加膠凝材料總質量20%的粉煤灰。纖維與水泥基體界面的粘結能力受水灰比影響[6]，結合文獻[7]，設計本研究的水灰比為0.3[7]。按照絕對體積法，基準水泥基灌漿料的配合比如表4所示。

表4 基準水泥基灌漿料配合比(kg/m3)

Table 4 Mix proportion of benchmark cement based grouting material(kg/m3)

水泥粉煤灰砂子水減水劑水灰比77619497029114.60.3

1.3 正交試驗設計

本研究采用四因素四水平正交試驗，考慮了硅灰摻量、鋼纖維類型、鋼纖維摻量和PVA纖維摻量4個因素，其中各因素水平分別為：硅灰摻量分別為3%、6%、9%、12%，鋼纖維類型分別為平直型、銑削型、長度25 mm端鉤型、長度35 mm端鉤型，鋼纖維體積率分別為0.4%、0.8%、1.2%、1.6%，PVA纖維體積率分別為0.5%、1.0%、1.5%、2.0%。正交因素和水平如表5所示。

表5 正交試驗因素和水平

1.4 試驗方法

老混凝土采用齡期180 d、邊長100 mm的C30立方體試塊。雙面剪切試驗將老混凝土試塊平均切割成三等份，劈裂抗拉試驗將老混凝土試塊平均切割成兩等份。對切割后的老混凝土試塊采取人工鑿毛處理，鑿去粘結面的浮漿和部分水泥石，形成凹凸不平的表面，并用灌砂法測量粘結面的粗糙度為0.5 mm左右，以提高新老混凝土之間的粘結強度[8]。將鑿毛處理后的試塊放于水槽內浸泡12 h，再用鋼絲刷清除干凈，然后室內環境下風干至表面不留水跡。

材料進行攪拌時，先將膠凝材料和砂子放入攪拌機內干拌30 s，再加入水和減水劑攪拌60 s，然后依次加入PVA纖維和鋼纖維，分別攪拌120 s，將老混凝土試塊提前放入模具中，隨后澆筑灌漿料，并在振動臺上振動60 s。硅灰和纖維摻量變化時僅適當調整減水劑的用量，以控制拌合物的流動度在200 mm左右。試塊成型24 h拆模，并在標準養護箱內養護28 d。試驗在WE-300型萬能試驗機上進行，加載速度為0.05 MPa/s[9]。

1.4.1 雙面剪切試驗

雙面剪切試驗采用2/3體積老混凝土與1/3體積灌漿料雙面粘結的邊長100 mm復合立方體試塊。共制備了16組48個試塊，標準養護28 d后進行雙面剪切試驗。粘結面剪切強度按式(1)計算

(1)

式中：τ為試塊粘結面剪切強度，MPa；P為試塊剪切破壞荷載，N；A為單個粘結面面積，mm2。

試驗試塊加載情況如圖1所示。

1，2—老混凝土；3—灌漿料；4—粘結面；5，6—墊塊圖1 雙面剪切試驗示意圖Fig 1 Schematic diagram of double-sided shear test

1.4.2 劈裂抗拉試驗

劈裂抗拉試驗采用1/2體積老混凝土與1/2體積灌漿料單面粘結的邊長100 mm復合立方體試塊。共制備了16組48個試塊，標準養護28 d后進行劈裂抗拉試驗。粘結面劈拉強度按式(2)計算

(2)

式中：fts為試塊粘結面劈拉強度，MPa；P為試塊劈拉破壞荷載，N；A為粘結面面積，mm2。

試驗試塊加載情況如圖2所示。

1—老混凝土;2—灌漿料;3—粘結面;4,5—墊塊;6,7—墊條圖2 劈裂抗拉試驗示意圖Fig 2 Schematic diagram of splitting tensile test

2 試驗結果與分析

2.1 粘結強度

本試驗采用水泥基灌漿料與老混凝土粘結試塊的剪切強度和劈拉強度作為粘結強度試驗指標，利用極差分析法進行粘結強度影響因素分析。試驗測得16組粘結試塊的剪切強度和劈拉強度，正交試驗結果如表6所示，正交試驗極差分析結果如表7所示。

從極差分析結果可以看出，對粘結試塊剪切強度影響的顯著性大小順序依次為：硅灰摻量(A)>鋼纖維類型(B)>鋼纖維摻量(C)>PVA纖維摻量(D)。對粘結試塊劈拉強度影響的顯著性大小順序依次為：硅灰摻量(A)>PVA纖維摻量(D)>鋼纖維類型(B)>鋼纖維摻量(C)。硅灰摻量對粘結強度的影響最為顯著，鋼纖維類型對剪切強度的影響較為顯著，PVA纖維摻量對劈拉強度的影響較為顯著。 綜合考慮，最佳組合為A3B4C3D1，正交試驗中每個因素的各個水平對于試塊粘結強度的影響如圖3～6所示。

表6 正交試驗結果

表7 正交試驗極差分析結果

從圖3可以看出，隨著硅灰摻量的增加，粘結強度先增加后下降，當硅灰摻量為9%時，剪切強度和劈拉強度分別達到最大值4.27和3.24 MPa，較摻量3%分別提高了39.5%和30.6%。當硅灰摻量達到12%時，粘結強度出現明顯的下降。硅灰具有超細的顆粒以及極高的火山灰活性，能深入老混凝土粘結面孔隙內部。其主要成分SiO2與老混凝土中殘余的Ca(OH)2反應生成的C-S-H凝膠，填充于老混凝土的空隙之中，并沿孔隙生長，增加了結構的致密性[10]。同時硅灰降低了CH晶體的取向性，使得薄弱的界面過渡區厚度得以減小[11]，增強了灌漿料與老混凝土表面的機械咬合作用。此外，未水化的硅灰顆粒可以發揮微集料作用，改善粘結面孔隙結構，減少界面過渡區的缺陷，提高粘結面的密實度。但當硅灰摻量過多時，與之反應的水泥含量持續減少，使得堿含量不足，影響水化反應效果，導致粘結強度增長緩慢，甚至下降。

圖3 硅灰摻量的影響Fig 3 Effect of silic a fume content

從圖4可以看出，與平直型鋼纖維相比，銑削型、25 mm端鉤型和35 mm端鉤型鋼纖維粘結試塊的剪切強度分別提高了6.1%、8.8%和12.0%，劈拉強度分別提高了3.7%、7.0%和9.5%，長度35 mm端鉤型鋼纖維對粘結強度的提高最為顯著。平直型鋼纖維長度短，直徑小，形如針狀；銑削型鋼纖維呈波浪形，兩端有錨尾；端鉤型鋼纖維兩端有彎鉤處理。不同形狀的鋼纖維與水泥基質的握裹能力不同。平直型鋼纖維短且直，僅受到對其的黏聚力，對粘結強度的提高作用有限。銑削型和端鉤型鋼纖維，不僅受到對鋼纖維的黏聚力，由于其特殊的結構，還受到水泥基質的握裹力[12]。其中，端鉤型鋼纖維兩端變形程度大，握裹力更強，能與老混凝土粘結面產生更大的機械咬合作用。且長徑比更大的35mm端鉤型鋼纖維與水泥基質接觸面積更大，更大概率接觸到老混凝土粘結面，從而強化錨固作用，增加粘結強度[13]。

圖4 鋼纖維類型的影響Fig 4 Effect of steel fiber type

從圖5可以看出，隨著鋼纖維摻量的不斷增加，剪切強度和劈拉強度緩慢增加，當鋼纖維體積率為1.2%時，分別達到最大值3.78和2.99 MPa，之后開始降低。鋼纖維的加入，減小了灌漿料的收縮，提高了灌漿料與老混凝土的協同粘結作用，而正是粘結面之間的收縮差異，導致了粘結強度的下降[14]。同時鋼纖維的末端可以伸入到老混凝土凹凸不平的表面，在水泥基質的握裹下提供更大的摩擦阻力和錨固力，增加粘結強度。當鋼纖維摻量過大時，一方面鋼纖維體積大，攪拌過程中相互搭接，阻礙了漿體的流動，使其無法充分深入老混凝土凹凸不平的粘結面，產生有效的結合作用。另一方面，隨著鋼纖維摻量的增加，由于缺乏足夠的界面粘結劑，鋼纖維在粘結面上的包裹與填充受到影響，削弱了鋼纖維搭接橋聯作用[15]，降低了灌漿料與老混凝土的粘結強度。

圖5 鋼纖維摻量的影響Fig 5 Effect of steel fiber content

從圖6可以看出，剪切強度在PVA纖維摻量較低時變化并不顯著，當PVA纖維體積率為1.0%時，達到最大值3.75 MPa，隨后開始顯著下降。而劈拉強度則隨著PVA纖維摻量的不斷增加而減小，體積率為0.5%時，劈拉強度最大值為3.01 MPa。PVA纖維密度低、直徑細小，親水性好，具有較大的比表面積，受到砂子、鋼纖維的沖擊，被均勻地分散到混凝土之中。PVA纖維通過伸入到老混凝土凹凸不平的表面，與老混凝土產生良好的粘結，并且相互搭接形成一個空間網絡結構，有效抑制了粘結面細小裂縫的發展，且能減小灌漿料與老混凝土之間的收縮差[16]，從而提高粘結強度。但當PVA纖維含量過高時，容易團結在一起，使得材料內部出現原始缺陷，降低了材料的密實性[17]。同時減弱了與鋼纖維的協同工作效應，無法充分發揮纖維橋聯作用，導致粘結強度降低。

圖6 PVA纖維摻量的影響Fig 6 Effect of PVA fiber content

2.2 混雜纖維粘結特性

基于正交試驗分析結果，制備不同纖維摻量的四組水泥基灌漿料與老混凝土粘結試塊，每組灌漿料摻加9%硅灰，進行雙面剪切試驗和劈裂抗拉試驗。雙面剪切試驗用百分表和荷載傳感器，采集試塊粘結面相對剪切位移及剪切荷載。劈裂抗拉試驗采用損傷指數，對試塊破壞后的粘結面損傷程度進行定量表征。不同纖維摻量試驗情況如表8所示。

表8 不同纖維摻量試驗

2.2.1 界面剪切特性

圖7為4組不同纖維摻量粘結試塊的界面剪切-滑移曲線。未摻纖維的試塊剪切-滑移曲線基本呈直線狀態，粘結面一旦出現裂縫，試件隨即破壞分離，破壞界面較為平直，屬于典型的脆性破壞。單摻鋼纖維和PVA纖維的試塊剪切-滑移曲線先緩慢上升，曲線斜率變小，然后逐漸加速上升，達到最高點后出現下降趨勢，破壞時極限荷載與位移也隨之增大，單摻鋼纖維表現出更高的剪切強度。由于纖維的橋聯作用，試件破壞時未被完全分割成獨立的試塊，部分區域依然粘連在一起，變形能力增強。混雜兩種纖維的剪切-滑移曲線逐漸上升，曲線斜率最小，達到最高點后開始下降，下降段略微變得平緩，剪切強度和位移都有較大程度的提高，破壞時消耗的能量最大。試件裂而不壞，保持較好的整體性，表現出較好的剪切延性[18]。混雜纖維的摻入顯著提高了耗能能力，增加了破壞時的延性，發揮了正混雜效應，對灌漿料與老混凝土粘結界面剪切變形性能有較大的提高。

圖7 剪切-滑移曲線Fig 7 Shear-slip curve

2.2.2 劈拉破壞形態

為了對試塊劈拉破壞后界面的損傷程度進行定量表征，本試驗定義了損傷指數，按式(3)進行計算

(3)

式中：D為損傷指數；R為試塊破壞后老混凝土界面粗糙度，mm；r為老混凝土界面原始粗糙度，mm。

在試驗中，試塊破壞后界面粗糙度R采用灌砂法測量，老混凝土原始界面粗糙度r取0.5 mm。當損傷指數D>0時，粘結界面發生損傷，損傷指數數值越大，說明劈拉破壞時的損傷程度越大，消耗的能量越大，新老混凝土粘結強度越高。劈拉破壞界面的損傷指數如表9所示。

表9 劈拉破壞界面的損傷指數

圖8是4組不同纖維摻量試塊劈拉破壞后老混凝土界面損傷狀況，白色斑點部分均為被拉斷的老混凝土部分的石子，灌漿料包裹在老混凝土裸露的石子表面，在硅灰的作用下，與老混凝土界面產生了較強的粘結。可以判斷出斷裂面基本為灌漿料與老混凝土粘結界面[19]，主要區別在于老混凝土界面的破損程度不同。圖8(a)中破壞界面較為平直，試塊邊緣基本完好，屬于脆性破壞，損傷指數只有0.46。圖8(b)、(c)中界面邊緣出現幾處小規模破損，部分破損的老混凝土被纖維粘連在灌漿料一側界面上，單摻1.2%鋼纖維和單摻0.5%PVA纖維試塊界面的損傷指數分別提高了2.5倍和3.1倍。纖維在老混凝土界面產生了有效的結合與錨固，增強了界面的粘結作用。圖8(d)中老混凝土試塊邊緣出現連續的、面積較大的破損，大塊的破損老混凝土粘連在灌漿料一側的界面上，其損傷指數提高了7.4倍。界面損傷程度更嚴重，破壞過程更劇烈，與劈拉強度之間表現出很好的正相關性[20]。

圖8 劈拉破壞界面損傷狀況Fig 8 Damage condition of split failure interface

纖維混雜疊加效應對粘結面處微裂縫開展的阻滯和約束作用明顯，從圖9(a)、(b)中劈拉破壞試塊的裂縫走向也說明了這一點。不摻纖維試塊的粘結面由于灌漿料的收縮，導致許多微裂縫的產生，破壞裂縫沿著粘結面發展貫通。而混雜纖維使粘結面處微裂縫的開展得到抑制，部分破壞裂縫出現在老混凝土一側[21]，破壞面損傷程度更大，破壞過程消耗更多的能量，劈拉強度更高。

圖9 劈拉破壞試塊開裂狀況Fig 9 Cracking condition of split failure test block

3 結 論

(1)硅灰對水泥基灌漿料與老混凝土界面粘結強度的影響最為顯著，硅灰的活性效應、填充效應、微集料效應可以很好的改善界面過渡區內的缺陷，提高粘結強度。

(2)纖維能減小灌漿料與老混凝土之間的收縮差。鋼纖維可以提供更強的錨固作用，使粘結面產生良好的粘結；PVA纖維可以形成一個空間網絡結構，有效抑制粘結面細小裂縫的發展。

(3)鋼-PVA混雜纖維粘結試塊的界面剪切強度和剪切變形增強顯著，劈拉破壞時損傷指數較大，界面破損程度大，表現出較強的劈拉強度。