內埋聚氨酯膠管混凝土自修復效果計算式

王曉磊, 梁志權

(1.河北工程大學 土木工程學院, 河北 邯鄲 056038; 2.河北工程大學 河北省裝配式結構技術創新中心, 河北 邯鄲 056038)

混凝土結構在基礎設施建設中應用廣泛,然而混凝土屬于一種脆性材料,容易開裂.若混凝土裂縫不及時處理,可能造成結構使用功能喪失甚至發生事故.因此,混凝土結構裂縫修補意義重大.

當前,關于混凝土自修復的研究為數不少[1],但主要集中于鋼-混凝土結構承載力和混凝土立方體試塊力學性能的修復研究方面.如匡亞川等[2]提出內置纖維膠液管和膠囊的修復方法,開展了鋼-混凝土結構承載力的自修復研究;錢春雷等[3]進行了微生物導致混凝土表面缺陷及修復的研究;賈強等[4]對微生物沉積碳酸鈣修復混凝土裂縫進行了現場試驗;李沛豪等[5]進行了利用細菌誘導碳酸鈣沉積來修復混凝土裂縫的試驗研究,該研究對細小裂縫的修復研究進程有重要意義[6];李雙蓓等[7]運用雙樣條QR法對形狀記憶合金(SMA)混凝土梁修復進行了分析;陸洲導等[8]進行了環氧樹脂修復混凝土裂縫的斷裂試驗研究;程培峰等[9]研究了放置位置和放置方式等因素對混凝土自修復效果的影響.上述研究對提高混凝土的自修復能力作出了較大貢獻[1],但目前,針對混凝土構件自修復效果計算式的研究還未有報道.

鑒于此,本文提出以混凝土的開裂荷載來表示修復前的最大承載力,以混凝土縫寬增量超過膠液最大彈性應變時所對應的荷載來表示修復后的承載力,將兩者比值作為混凝土自修復效果試驗值,并通過試驗驗證了自修復效果計算式的合理可靠性.

1 試驗概況

1.1 試件設計

為驗證混凝土自修復效果計算式是否適用于不同尺寸、受力方式、玻璃管形式及裂縫寬度等情況,試驗設計了10個混凝土基體,用其制作自修復混凝土試件,其參數如表1所示.其中CB系列混凝土試件(CB1～CB7)尺寸為100mm×100mm×500mm,用于剪壓試驗,裂縫寬度預控制為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5mm;CS系列混凝土試件(CS-1L、CS-2Z和CS-3W)尺寸為500mm×500mm×100mm,用于集中線荷載加載試驗,裂縫寬度均預控制為1.0mm[1-2,9-10].為防止混凝土試件脆性破壞,且較易形成不同寬度的裂縫,在其受拉區配置2種鋼筋,分別為直徑6mm的Q235鋼筋和直徑8mm的HPB300鋼筋.試驗修復因子選用修復建筑裂縫常用的長城牌聚氨酯黏結劑(購自當地建材城),其抗拉強度為2.45MPa,彈性模量為20～70MPa,光照1a后的抗拉強度折減至83%;修復裝置選用裝有聚氨酯黏結劑的石英玻璃管[2],玻璃管內徑為12mm,外徑為14mm,長度為100mm,其制備過程參照文獻[9].試件裂縫使用ZBL—F103裂縫寬度觀測儀進行觀測.內埋在試件中的修復裝置單層單列排列,鋼筋距試件底面25mm,距側邊25mm(CB系列試件)、50mm(CS系列試件).

表1 試件參數

1.2 加載設計

按GB/T 50081—2016《普通混凝土力學性能試驗方法標準》和GB/T 50152—2012《混凝土結構試驗方法標準》分別進行CB系列試件的剪壓試驗和CS系列試件的集中線荷載加載試驗.當加載值達到開裂荷載附近時,需注意觀察裂縫出現情況,并記錄第1道裂縫形成時的荷載值;每級加載后觀察裂縫擴展情況,直到達到設定的裂縫寬度.若試驗過程中未達到規定裂縫寬度時就有膠液流出,則立即用速干膠將硬質塑料粘在底面裂縫處,以防止因膠液流失,導致修復效果降低,同時采用隔級加載方式,加快加載進程.由于裂縫形成具有突然性和難控性,實際形成的裂縫寬度如下：0.6、0.9、1.2、1.8、2.5、3.0、3.5mm(CB系列試件)；1.1、1.2、1.0mm(CS系列試件).將加載好的混凝土試件放在室外地面上自然修復14d,測其修復效果[11].修復后的加載試驗過程與修復前的加載過程一樣,待裂縫寬度增量大于規定值或出現卸載情況時即終止試驗.試件加載示意圖如圖1所示.

1.3 混凝土基體參數確定

混凝土基體中的水泥采用強度等級為32.5的礦渣硅酸鹽水泥;砂采用中砂,細度模數為2.8;碎石采用青岡巖碎石,粒徑為5～31.5mm,其中5～10mm 的碎石質量分數為35%,10～25mm的碎石質量分數為65%.根據JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規程》設計混凝土基體的配合比,m(水泥)∶m(砂)∶m(碎石)∶m(水)=0.54∶1.00∶1.63∶3.30.

圖1 試件加載示意圖Fig.1 Schematic diagram of loading test(size:mm)

1.4 修復效果指標確定

(1)

2 試驗結果及分析

2.1 試件受力破壞過程及形態

2.1.1加載過程

CB系列試件開裂前和開裂時均符合混凝土梁的剪切破壞特征.CB系列試件開裂后,隨著加載的繼續進行,當荷載到達某一值后,跨中裂縫不再擴展,加載點下方外側的裂縫則還在擴展;繼續加載,2個加載點下方裂縫中的1條停止擴展,另1條則繼續擴展;再繼續加載,該裂縫逐漸發展為裂縫寬度不同的貫通或不貫通的主裂縫.試驗中有3種現象出現,如圖2所示.

圖2 CB系列試件破壞狀況Fig.2 Failure status of CB series specimen

由圖2可見：試件達到開裂荷載時,無跨中裂縫出現,只有加載點下方外側出現裂縫(圖2(a));形成了1條裂縫貫通,且裂縫出現位置只集中在某一加載點下方,而非2個加載點下方(圖2(b));在底面主裂縫位置出現“人”字縫后與主裂縫交匯在一起(圖2(c)).產生圖2(a)裂縫有2個原因：一是石子大小不一,造成每個截面強度不完全相同;二是跨中處不是最大受力位置,因此跨中裂縫并未成為主裂縫.產生圖2(b)裂縫原因是2個加載位置截面強度不一致,導致形成了1條主裂縫.產生圖2(c)裂縫原因是試件底面的局部破壞.

CS系列試件開裂和裂縫發展過程較為常規,符合素混凝土板集中荷載破壞特征.裂縫形成初期,跨中位置處形成非通長的3～4條間斷裂縫,從底部開始向上擴展,隨著加載的進行,間斷裂縫慢慢貫通,裂縫也向上擴展,裂縫變寬、變長.

2.1.2斷面破壞過程

為探究膠液-混凝土黏結強度與固化膠液自身抗拉強度的關系,對試件斷面處的固化膠片觀察分析.CB系列試件斷面破壞狀況如圖3所示.

圖3 CB系列試件斷面破壞狀況Fig.3 Failure status of CB series specimen

由圖3可見：CB系列試件的破壞面未發生在原裂縫處,而是在底部黏結處的外邊緣發生了破碎性斷裂.這說明試件底部修復膠液的黏結力很強,而距底部3cm以上位置黏結力較差;膠液并非均勻、整體充滿裂縫而是成片出現(或者離散無規律可循).從破裂面看,膠液固化形成的膠片未被撕裂,而是從混凝土的黏結面脫落,說明膠液的抗拉強度大于自然斷裂面的黏結強度.

2.2 特征點參數及自修復效果

通過試驗得到各試件的開裂荷載、縫寬、縫高及修復后的荷載等特征參數,并計算出各試件的自修復效果試驗值,如表2所示.

表2 試件特征點參數

3 修復效果計算式

3.1 修復效果定義分析

混凝土自修復效果(η)是指混凝土修復前后性能的對比.由于混凝土的性能指標具有多樣性[1],導致其修復效果表達式也呈多樣性.從構件的拉、彎、剪、扭承載力計算式中可知,除了鋼筋承擔部分荷載外,其余荷載均由混凝土承擔[12],且混凝土承載力計算值的大小與加載位置形式、構件尺寸、混凝土抗拉強度和修正系數有關.因此,本文在研究混凝土修復效果表達式時,將混凝土矩形截面構件自修復效果表達式分為以下3類[12].

受拉構件:

(2)

(3)

受彎構件:

(4)

(5)

受剪構件:

(6)

(7)

將上述混凝土自修復效果表達式整合簡化為：

(8)

式中：F1、F2分別為混凝土自修復后和自修復前的承載力;k為修正系數.

令有效填充系數γ1=S1/S,則式(8)可表示為：

(9)

3.2 自修復后裂縫處抗拉強度的確定

混凝土自修復后裂縫處抗拉強度f分析示意圖如圖4所示.由圖4可見,混凝土自修復后裂縫處抗拉強度f的影響因素有2類——修復因子與接觸面(混凝土)的黏結強度fb和修復因子自身的抗拉強度ff.N為外界拉力.

圖4 混凝土修復后裂縫處抗拉強度分析示意圖Fig.4 Tensile stress analysis of cracks after repair

(10)

3.3 自修復效果計算式合理性分析

影響自修復混凝土修復效果的因素有很多[1,9],將這些影響因素分為4類：第1類是裂縫形式,不同的裂縫形式對修復因子黏結強度的消減程度不同;第2類是修復因子的黏結強度,具體可分為膠液黏結強度、微生物礦化沉淀黏結強度和其他可影響前兩者強度的因素;第3類是修復因子有效填充面積或有效填充量(包括裂縫尺寸,修復裝置形式、布置形式、位置及修復因子含量等因素);第4類是混凝土的強度等級.

綜上所述,裂縫處抗拉強度的4類影響因素與混凝土自修復效果試驗的4類影響因素相互對應.因此以裂縫為研究對象,混凝土自修復效果表達式用自修復后裂縫處抗拉強度和自修復前抗拉強度(即混凝土抗拉強度)的比值來表示是可行的.

3.4 單向單層縱筋(少筋)對混凝土自修復效果影響的判斷方法

由于混凝土具有脆性且裂縫較難控制,在大量混凝土自修復研究中,均采用底部(開裂處)配筋的解決辦法.而配筋是否影響修復效果的準確性尚無定論.本文從兩方面給出判定參考.

(2)由幾何(變形)條件可知：若截面在開裂前混凝土與鋼筋黏結良好,則二者的變形(δc和δs)可視為相同,即δc=δs.混凝土臨開裂前會出現少量塑性變形,應力增長稍減,由于塑性階段承載力增量有限,相較于彈性階段的最大承載力,其可以略去不計[13].由彈性體抵抗變形計算公式k=F/δ[13](F為作用于結構的恒力,δ為材料因力而產生的形變)可得到：

(11)

式中：Fc、Fs分別為作用于混凝土和鋼筋的恒力;kc、ks分別為混凝土和鋼筋的剛度;δc、δs分別為混凝土和鋼筋的形變;Ic、Is分別為混凝土和鋼筋的慣性矩.

式(11)中EcIc/EsIs<0.1%，則可認為Ic?Is，說明開裂前混凝土承擔的拉力遠大于鋼筋承擔的拉力,混凝土基體中的配筋對混凝土自修復的影響可以忽略.因此通過配筋控制混凝土的開裂,來研究混凝土的自修復效果是可行的.

3.5 計算式中參數的確定

3.5.1有效填充系數γ1的確定

根據混凝土自修復后修復因子(膠液)填充面積S1和裂縫面積S,計算得到有效填充系數γ1,見表3.

表3 有效填充系數γ1

由表3可知,修復因子填充面積隨裂縫面積的增大而有所上升,當裂縫面積等于混凝土試件橫截面面積時,修復因子填充面積不再增大,而是隨縫寬的增大而下降.裂縫面積較小時,縫寬也較小,石英玻璃管處的縫寬也較小,此時膠液流出較少,裂縫的毛細作用使膠液擴散,導致修復因子填充不充分.隨著裂縫面積增大,縫寬也在增大,玻璃管處的縫寬變大,膠液流出變多,毛細作用使膠液擴散,填充面積變大.當裂縫面積等于橫截面積時,縫寬變得肉眼可觀,膠液流出后不再有毛細作用,或者說毛細所用很弱,導致填充效果變差.以上分析可為膠液最佳填充面積的研究提供參考.

3.5.2斷面折減系數γ2的確定

根據JTG D40—2011《公路水泥混凝土路面設計規范》可知,混凝土抗折強度與抗拉強度成線性相關,因此將混凝土抗折強度線性轉換為抗拉強度.表4 為C30混凝土不同形式斷面修復后的抗折強度[11].表5為長城717膠黏劑與混凝土不同形式斷面的黏結強度(抗拉強度).由表4、5可知,混凝土斷面折減系數γ2為0.688(14d自然斷裂面和切割面抗拉強度之比).

表4 C30混凝土不同斷面修復后的抗折強度

表5 用長城717膠黏劑修復后的混凝土抗拉強度

3.6 試驗結果驗證

為驗證自修復效果計算式(式(10))的可靠性,將自修復效果計算值(ηcal)與試驗值(ηexp)進行對比,如表6所示.

表6 自修復效果試驗值與計算值

由表6可知，混凝土自修復效果試驗值與有效填充系數線性相關性較強,相關系數為0.994；修復效果試驗值均略大于計算值,兩者比值的均值為1.0397,相關系數達0.9859,說明兩者相差不大,變異系數較小.可見本文提出的自修復混凝土修復效果表達式的計算值與試驗值吻合良好,計算合理可靠,可用于指導設計.

導致修復效果試驗值略大于計算值的原因有以下2點：(1)混凝土自修復后膠液在未完全填充截面的情況下,加載過程中的鋼筋會不可避免地提供小部分承載.(2)自修復效果計算(式(10))中斷面折減系數γ2理論上是不完全斷裂時的折減系數,而計算時用的γ2是完全斷裂時的折減系數,后者小于前者.在實際工程中,膠液一般不會完全填充斷裂面,且裂縫不會開展到足夠大,也就是說不允許斷裂面完全斷裂,因此以上2種情況都不容易解決,可將自修復效果試驗值與計算值間的差值作為工程上的安全儲備.需要說明的是，由于本文試驗數據有限,現行文獻也無數據可用,所以式(10)中的修正系數k需要在今后的研究工作中用大量試驗數據來確定.

4 結論

(1)推導出混凝土自修復效果的計算式,計算式中的系數與自修復效果影響因素一一對應;同時給出了各系數的確定方式,并通過不同試件尺寸、受力方式、玻璃管形式和裂縫寬度試驗驗證了計算式的準確性.

(2)試件開裂前,當鋼筋承載力Ns遠小于混凝土承載力Nc時,鋼筋對混凝土自修復效果的影響可以忽略.

(3)在膠液作為修復因子的混凝土自修復試驗中,黏結較好的底部裂縫不會再次破壞,而在膠縫周邊易出現局部破碎,從而導致自修復失效.

由于試驗限制,本文只進行了1種混凝土的配合比試驗,還需要大量的試驗數據來完善自修復效果表達式中的各系數,同時自修復效果計算表達式也需要大量試驗進行驗證.因此,此公式僅為今后混凝土的自修復研究提供參考.