水泥基修復材料和老混凝土界面粘結性能

耿繼雙， 徐鵬飛， 王飛， 吳文浩

（鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114021）

0 引言

混凝土結構在服役過程中受到物理和化學因素的影響，導致結構服役壽命減少[1]。例如，橋墩受到海水沖刷以及氯離子侵蝕作用，保護層脫落；混凝土結構受到高溫火災作用，水蒸氣逃逸通道受阻，高溫爆裂，從而鋼筋保護層出現脫落[2]。因此，混凝土修復是延長混凝土結構服役壽命的有效手段。但是，修復界面性能易弱于修復材料和基體性能，從而出現修復材料脫粘現象[3]。修復界面屬于修復體系的薄弱區，從而可見修復界面粘結性能對混凝土結構的修復效果起著關鍵影響作用[4]。改善老混凝土基體和修復材料之間的體積變形相容性的有效方法使使用含纖維的修復材料。另一種有效的方法使減少體積變形的總差異，該差異是由于老混土和修復材料之間的干燥收縮和自收縮引起。文中研究了不同摻量膨脹劑和碳纖維對修復界面性能影響，相關研究結果對提升混凝土結構修復界面力學性能具有重要的指導意義。

1 試驗原材料與配合比

1.1 原材料

混凝土基體原材料，粗骨料：采用連續級配的石灰巖碎石；細骨料：采用河砂，細度模數2.6，為中砂，河砂的最大粒徑4.75mm，水泥為42.5普通硅酸鹽水泥。修復材料原材料：砂細度模數為2.6的河砂，最大粒徑為4.75mm；減水劑：聚羧酸高效減水劑；水泥為42.5普通硅酸鹽水泥。膨脹劑為硫鋁酸鈣類膨脹劑，碳纖維為13mm短切碳纖維。混凝土配合比采用水膠比0.41，膠砂比為1.22.

1.2 配合比

混凝土配合比見表1，修復材料配料表見表2。

表1 混凝土配合比設計k g/m3

表2 修復材料配合比設計k g/m3

2 試驗方法與試件制作

2.1 試驗方法

修復材料抗折試件采用40mm×40mm×160mm，加載速度50N/s，每組3個試件；抗壓試件采用40mm×40mm×40mm，加載速度 2.4kN/s，每組 6個試件；分別測試3d、7d和28d齡期的折壓強度。

界面劈裂拉力試驗采用100mm立方體，按照GB/T50081-2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》在WHY-1000型微機控制全自動壓力試驗機上進行劈拉試驗，加載速度0.06MPa/s。將劈裂后的立方體一半放入模具澆筑修復材料，養護至28d測試齡期進行界面劈拉測試，加載速度0.06MPa/s，如圖1所示。

圖1 界面劈拉測試

根據破壞荷載，粘結劈拉強度可按式（1）計算。

式中，ft為混凝土界面劈裂拉力強度，MPa；P為混凝土界面破壞荷載，kN；A為混凝土劈裂面積，mm2，若試件是100mm立方體，乘以尺寸換算系數0.85。

老混凝土經過劈拉得到粗糙面作為修復面，劈拉后的試件放入模具中澆筑修復材料，養護至28d，垂直于修復界面取芯，取芯鉆頭直徑為50mm。每個立方體取出一個芯樣。修復界面抗拉性能測試試件采用直徑50mm和高度100mm，圓柱試件底面進行打磨后通過環氧樹脂粘結拉拔塊，進行直接拉伸試驗，加載速度為1mm/min，如圖2所示。

圖2 界面直接拉伸測試

根據破壞荷載，界面抗拉強度可按式（2）計算。

式中，T為混凝土界面抗拉強度，MPa；P為混凝土界面破壞荷載，kN；A為界面粘結面積，mm2。

老混凝土經過劈拉試驗得到的破壞面作為修復面，將劈裂后的立方體一半放入模具澆筑修復材料，養護至28d測試齡期進行界面直剪測試，加載速度0.03mm/min，如圖3所示。

圖3 界面直剪測試

根據破壞荷載，界面剪切強度可按式（3）計算。

式中，τu為界面剪切強度，MPa；Pu為混凝土界面剪切破壞荷載，kN；A為修復截面面積，mm2。

2.2 試件制作

將混凝土基體制作成100mm3，60℃蒸養3d，放置30d后進行劈裂試驗，基體混凝土平均抗壓強度68MPa，變異系數4.5%；基體混凝土平均劈裂拉力強度3.97MPa，變異系數8.68%，將混凝土劈裂成兩半，獲得混凝土的劈裂自然面，清理混凝土表面松動的骨料和水泥石，然后清洗干凈，修復前進行飽水24h，修復時提前拿出飽水的基體，自然晾干后進行修復。澆筑修復材料見圖2。修復材料制備過程如下：粉體材料放入膠砂機，同時加入減水劑和水，低速攪拌2min；加入碳纖維，低速攪拌3min，然后加入砂，低速攪拌3min，高速攪拌30s，低速攪拌1min；修復材料澆入預先放置好基體的模具中，振搗30～60s，直至浮漿出現；24h后脫模，飽和石灰水養護28d。

3 試驗結果與分析

3.1 修復材料抗折和抗壓強度

圖4所示為修復材料的抗壓強度和抗折強度。膨脹劑加入使得修復材料的抗壓強度出現不同程度的降低，膨脹劑摻量為膠凝摻量4%時，抗壓強度降低3.0%，抗折強度降低8.5%；膨脹劑摻量為膠凝摻量8%時，抗壓強度降低7.9%，抗折強度降低17.7%。由此可見，膨脹劑使得修復材料在缺乏有效約束的情況下，抗折和抗壓強度出現不同程度的降低。碳纖維摻量為體積摻量0.3%時，抗壓強度提高3.7%，抗折強度提高5.5%。碳纖維摻量為體積摻量0.5%時，抗壓強度提高5.6%，抗折強度提高9.8%。碳纖維摻量為體積摻量0.7%時，抗壓強度提高10.1%，抗折強度提高16.3%。由此可見，碳纖維的加入由于其橋接作用能夠增強修復材料的力學性能。

圖4 修復材料抗壓和抗折力學性能

圖5所示修復界面破壞后修復材料一側光學顯微鏡照片。對于不同碳纖維摻量的斷面均能觀察到碳纖維在修復材料中均勻分布，由此也可證明碳纖維的分散方法是有效的，碳纖維的有效分散是其發揮橋連作用的重要前提。

圖5 修復界面斷面觀察

通過掃描電鏡研究了碳纖維的失效機理。在斷口處觀察到兩種類型的纖維破壞 (纖維拔出和纖維斷裂)，如圖6所示。圖6（a）展示斷面碳纖維拔出，圖6（b）展示碳纖維從水泥基材料拔出，圖6（c）展示碳纖維被拉斷，圖6（d）展示水泥基材料中的碳纖維周圍生長水化產物。碳纖維在裂縫之間架起了橋梁，顯著降低了裂縫的開口，從而提高了修復材料的抗彎強度。此外，碳纖維和水泥基材料的界面性能決定其增強整體抗彎性能。在較低的水膠比下，大量的水化產物增加纖維與硬化水泥漿體之間的粘結。此外，碳纖維摻量過多工作性的降低也會降低彎曲強度，工作性的降低會引起更多的夾閉氣孔，從而影響修復材料的抗彎強度。其他研究人員也做了類似的觀察。Akihama等人發現瀝青基碳纖維在峰值負荷后被拉出或斷裂。另外，Nishioka等人觀察到碳纖維增強水泥復合材料中的纖維拔出和纖維斷裂[5,6]。

圖6 碳纖維增強修復材料微觀結構

3.2 修復界面劈拉強度

圖7所示為修復界面劈拉強度結果。修復試件的破壞模式均為界面破壞模式。膨脹劑摻量為膠凝摻量4%時，修復界面性能提高6.4%，膨脹劑摻量為膠凝摻量8%時，修復界面性能提高15.1%。碳纖維摻量為體積摻量0.3%時，修復界面性能提高5.9%，碳纖維摻量為體積摻量0.5%時，修復界面性能提高19.7%，碳纖維摻量為體積摻量0.7%時，修復界面性能提高27.6%。由此可能膨脹劑加入盡管使得修復材料的抗壓強度和抗折強度出現不同程度的降低，但是仍然能提高界面粘結性能，這歸因于膨脹劑增加修復材料的體積穩定性。碳纖維增強修復材料的抗拉強度，從而使得修復界面劈拉強度提升。添加了膨脹劑的修復砂漿可以使界面致密，這是由于膨脹劑減少了差異收縮，基體和修復材料的收縮差異對粘結強度起著重要的作用。當修復界面進行劈拉測試時，界面受到拉應力，碳纖維增強修補砂漿對粘結強度有顯著影響。雖然碳纖維體積摻量0.5%沒有明顯提高覆蓋層的抗彎強度，但CF可以提高修補砂漿局部區域的抗拉強度。修復界面附近區域比其他的區域的界面性能影響更大。碳纖維增強了修補砂漿靠近修補界面的局部區域抗拉強度，改善了基體與覆蓋層之間的機械聯鎖。隨著碳纖維摻量含量的增加，毛細孔和氣孔的總孔容增大，這對界面性能產生不利影響。因此，隨著修復砂漿中碳纖維含量含量的增加，粘結強度的提高略有改善。

圖7 修復界面劈拉強度

3.3 修復界面直接拉伸強度

圖8所示為修復界面直接拉伸強度。修復試件的破壞模式均為界面破壞。和對照組相比，EA04組修復界面直接拉伸強度提高了5.2%，EA08組修復界面直接拉伸強度提高了14%。膨脹劑摻量的增加減少了修復材料和老混凝土的收縮差異，從而提高了界面性能。對于碳纖維的加入，體積摻量0.3%的碳纖維能夠提升界面粘結性能7.2%，隨著碳纖維摻量的增加，體積摻量為0.5%和0.7%可以分別提高修復界面粘結性能14.5%和16.8%。隨著碳纖維的增加，修復界面的粘結性能逐漸增大。

圖8 修復界面直接拉伸強度

3.4 修復界面直接剪切強度

圖9所示為修復界面直接剪切強度。修復試件的破壞模式均為界面破壞。和對照組相比，EA04組修復界面直接剪切強度提高了4.5%，EA08組修復界面直接剪切強度提高了13.2%。對于碳纖維的加入，體積摻量0.3%的碳纖維能夠提升界面剪切強度6.9%，隨著碳纖維摻量的增加，體積摻量為0.5%和0.7%可以分別提高修復界面剪切強度14.7%和13.5%。隨著碳纖維的增加，修復界面的粘結性能逐漸增大。

圖9 修復界面劈拉強度

3.5 不同評價方法之間的聯系

文中對于界面粘結性能評價用了3種方法，界面劈拉測試，直接拉伸測試和直接剪切測試。為了驗證這3種評價方法能夠較好的反應界面性能的變化規律。從而建立了界面劈拉強度和界面直接拉伸強度的關系如圖10所示，界面劈拉強度和界面直接剪切強度的關系。線性擬合的R2分別為0.8129和0.967。線性擬合的斜率為0.7739和1.0763即分別大于0，從而證明了該3種方法評價界面粘結性能具有較好的一致性。

圖10 不同評價方法之間的關系

3.6 修復界面微觀結構

圖11所示為膨脹劑對修復界面平面結構特征的影響。采用取芯機在修復界面取芯，切出取芯的中間部位樣品，采用真空浸漬樣品方法以保證孔結構不被拋磨的過程所破壞。采用金剛石砂紙分別為30、9、3μm、和1μm進行拋磨，直至最后樣品表面出現鏡面效果，通過背散射技術觀測。未加膨脹劑0組修復界面存在一個縫隙，而添加膨脹劑的EA08組修復界面密實無明顯的縫隙。從而證明了膨脹劑改善修復材料的收縮，從而使得界面密實，因此界面性能得到明顯的改善。

圖11 修復界面平面結構特征

4 結語

（1） 膨脹劑的加入使得修復材料出現小幅度的抗彎強度的降低，碳纖維的加入由于其橋接作用使得修復材料的抗彎性能得到明顯的改善。

（2） 通過界面劈拉測試，界面直接拉伸測試，和界面剪切測試，膨脹劑的加入可以提升修復界面粘結性能10%以上，碳纖維的加入可以改善修復界面粘結性能15%以上，最高可達27.6%。

（3） 通過背散射觀測技術驗證了膨脹劑使得修復界面較為密實。