水泥基修復(fù)材料和老混凝土界面粘結(jié)性能

耿繼雙， 徐鵬飛， 王飛， 吳文浩

（鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114021）

0 引言

混凝土結(jié)構(gòu)在服役過(guò)程中受到物理和化學(xué)因素的影響，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)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(hù)層脫落；混凝土結(jié)構(gòu)受到高溫火災(zāi)作用，水蒸氣逃逸通道受阻，高溫爆裂，從而鋼筋保護(hù)層出現(xiàn)脫落[2]。因此，混凝土修復(fù)是延長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)服役壽命的有效手段。但是，修復(fù)界面性能易弱于修復(fù)材料和基體性能，從而出現(xiàn)修復(fù)材料脫粘現(xiàn)象[3]。修復(fù)界面屬于修復(fù)體系的薄弱區(qū)，從而可見(jiàn)修復(fù)界面粘結(jié)性能對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的修復(fù)效果起著關(guān)鍵影響作用[4]。改善老混凝土基體和修復(fù)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(fù)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(fù)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(duì)修復(fù)界面性能影響，相關(guān)研究結(jié)果對(duì)提升混凝土結(jié)構(gòu)修復(fù)界面力學(xué)性能具有重要的指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)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(xù)級(jí)配的石灰?guī)r碎石；細(xì)骨料：采用河砂，細(xì)度模數(shù)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(fù)材料原材料：砂細(xì)度模數(shù)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(jiàn)表1，修復(fù)材料配料表見(jiàn)表2。

表1 混凝土配合比設(shè)計(jì)k g/m3

表2 修復(fù)材料配合比設(shè)計(jì)k g/m3

2 試驗(yàn)方法與試件制作

2.1 試驗(yàn)方法

修復(fù)材料抗折試件采用40mm×40mm×160mm，加載速度50N/s，每組3個(gè)試件；抗壓試件采用40mm×40mm×40mm，加載速度 2.4kN/s，每組 6個(gè)試件；分別測(cè)試3d、7d和28d齡期的折壓強(qiáng)度。

界面劈裂拉力試驗(yàn)采用100mm立方體，按照GB/T50081-2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》在WHY-1000型微機(jī)控制全自動(dòng)壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行劈拉試驗(yàn)，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(fù)材料，養(yǎng)護(hù)至28d測(cè)試齡期進(jìn)行界面劈拉測(cè)試，加載速度0.06MPa/s，如圖1所示。

圖1 界面劈拉測(cè)試

根據(jù)破壞荷載，粘結(jié)劈拉強(qiáng)度可按式（1）計(jì)算。

式中，ft為混凝土界面劈裂拉力強(qiáng)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(shù)0.85。

老混凝土經(jīng)過(guò)劈拉得到粗糙面作為修復(fù)面，劈拉后的試件放入模具中澆筑修復(fù)材料，養(yǎng)護(hù)至28d，垂直于修復(fù)界面取芯，取芯鉆頭直徑為50mm。每個(gè)立方體取出一個(gè)芯樣。修復(fù)界面抗拉性能測(cè)試試件采用直徑50mm和高度100mm，圓柱試件底面進(jìn)行打磨后通過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂粘結(jié)拉拔塊，進(jìn)行直接拉伸試驗(yàn)，加載速度為1mm/min，如圖2所示。

圖2 界面直接拉伸測(cè)試

根據(jù)破壞荷載，界面抗拉強(qiáng)度可按式（2）計(jì)算。

式中，T為混凝土界面抗拉強(qiáng)度，MPa；P為混凝土界面破壞荷載，kN；A為界面粘結(jié)面積，mm2。

老混凝土經(jīng)過(guò)劈拉試驗(yàn)得到的破壞面作為修復(fù)面，將劈裂后的立方體一半放入模具澆筑修復(fù)材料，養(yǎng)護(hù)至28d測(cè)試齡期進(jìn)行界面直剪測(cè)試，加載速度0.03mm/min，如圖3所示。

圖3 界面直剪測(cè)試

根據(jù)破壞荷載，界面剪切強(qiáng)度可按式（3）計(jì)算。

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

2.2 試件制作

將混凝土基體制作成100mm3，60℃蒸養(yǎng)3d，放置30d后進(jìn)行劈裂試驗(yàn)，基體混凝土平均抗壓強(qiáng)度68MPa，變異系數(shù)4.5%；基體混凝土平均劈裂拉力強(qiáng)度3.97MPa，變異系數(shù)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(dòng)的骨料和水泥石，然后清洗干凈，修復(fù)前進(jìn)行飽水24h，修復(fù)時(shí)提前拿出飽水的基體，自然晾干后進(jìn)行修復(fù)。澆筑修復(fù)材料見(jiàn)圖2。修復(fù)材料制備過(guò)程如下：粉體材料放入膠砂機(jī)，同時(shí)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(fù)材料澆入預(yù)先放置好基體的模具中，振搗30～60s，直至浮漿出現(xiàn)；24h后脫模，飽和石灰水養(yǎng)護(hù)28d。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 修復(fù)材料抗折和抗壓強(qiáng)度

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

圖4 修復(fù)材料抗壓和抗折力學(xué)性能

圖5所示修復(fù)界面破壞后修復(fù)材料一側(cè)光學(xué)顯微鏡照片。對(duì)于不同碳纖維摻量的斷面均能觀察到碳纖維在修復(fù)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(fā)揮橋連作用的重要前提。

圖5 修復(fù)界面斷面觀察

通過(guò)掃描電鏡研究了碳纖維的失效機(jī)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(zhǎng)水化產(chǎn)物。碳纖維在裂縫之間架起了橋梁，顯著降低了裂縫的開(kāi)口，從而提高了修復(fù)材料的抗彎強(qiáng)度。此外，碳纖維和水泥基材料的界面性能決定其增強(qiáng)整體抗彎性能。在較低的水膠比下，大量的水化產(chǎn)物增加纖維與硬化水泥漿體之間的粘結(jié)。此外，碳纖維摻量過(guò)多工作性的降低也會(huì)降低彎曲強(qiáng)度，工作性的降低會(huì)引起更多的夾閉氣孔，從而影響修復(fù)材料的抗彎強(qiáng)度。其他研究人員也做了類似的觀察。Akihama等人發(fā)現(xiàn)瀝青基碳纖維在峰值負(fù)荷后被拉出或斷裂。另外，Nishioka等人觀察到碳纖維增強(qiáng)水泥復(fù)合材料中的纖維拔出和纖維斷裂[5,6]。

圖6 碳纖維增強(qiáng)修復(fù)材料微觀結(jié)構(gòu)

3.2 修復(fù)界面劈拉強(qiáng)度

圖7所示為修復(fù)界面劈拉強(qiáng)度結(jié)果。修復(fù)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(shí)，修復(fù)界面性能提高6.4%，膨脹劑摻量為膠凝摻量8%時(shí)，修復(fù)界面性能提高15.1%。碳纖維摻量為體積摻量0.3%時(shí)，修復(fù)界面性能提高5.9%，碳纖維摻量為體積摻量0.5%時(shí)，修復(fù)界面性能提高19.7%，碳纖維摻量為體積摻量0.7%時(shí)，修復(fù)界面性能提高27.6%。由此可能膨脹劑加入盡管使得修復(fù)材料的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度出現(xiàn)不同程度的降低，但是仍然能提高界面粘結(jié)性能，這歸因于膨脹劑增加修復(fù)材料的體積穩(wěn)定性。碳纖維增強(qiáng)修復(fù)材料的抗拉強(qiáng)度，從而使得修復(fù)界面劈拉強(qiáng)度提升。添加了膨脹劑的修復(fù)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(fù)材料的收縮差異對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度起著重要的作用。當(dāng)修復(fù)界面進(jìn)行劈拉測(cè)試時(shí)，界面受到拉應(yīng)力，碳纖維增強(qiáng)修補(bǔ)砂漿對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度有顯著影響。雖然碳纖維體積摻量0.5%沒(méi)有明顯提高覆蓋層的抗彎強(qiáng)度，但CF可以提高修補(bǔ)砂漿局部區(qū)域的抗拉強(qiáng)度。修復(fù)界面附近區(qū)域比其他的區(qū)域的界面性能影響更大。碳纖維增強(qiáng)了修補(bǔ)砂漿靠近修補(bǔ)界面的局部區(qū)域抗拉強(qiáng)度，改善了基體與覆蓋層之間的機(jī)械聯(lián)鎖。隨著碳纖維摻量含量的增加，毛細(xì)孔和氣孔的總孔容增大，這對(duì)界面性能產(chǎn)生不利影響。因此，隨著修復(fù)砂漿中碳纖維含量含量的增加，粘結(jié)強(qiáng)度的提高略有改善。

圖7 修復(fù)界面劈拉強(qiáng)度

3.3 修復(fù)界面直接拉伸強(qiáng)度

圖8所示為修復(fù)界面直接拉伸強(qiáng)度。修復(fù)試件的破壞模式均為界面破壞。和對(duì)照組相比，EA04組修復(fù)界面直接拉伸強(qiáng)度提高了5.2%，EA08組修復(fù)界面直接拉伸強(qiáng)度提高了14%。膨脹劑摻量的增加減少了修復(fù)材料和老混凝土的收縮差異，從而提高了界面性能。對(duì)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(jié)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(fù)界面粘結(jié)性能14.5%和16.8%。隨著碳纖維的增加，修復(fù)界面的粘結(jié)性能逐漸增大。

圖8 修復(fù)界面直接拉伸強(qiáng)度

3.4 修復(fù)界面直接剪切強(qiáng)度

圖9所示為修復(fù)界面直接剪切強(qiáng)度。修復(fù)試件的破壞模式均為界面破壞。和對(duì)照組相比，EA04組修復(fù)界面直接剪切強(qiáng)度提高了4.5%，EA08組修復(fù)界面直接剪切強(qiáng)度提高了13.2%。對(duì)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(qiáng)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(fù)界面剪切強(qiáng)度14.7%和13.5%。隨著碳纖維的增加，修復(fù)界面的粘結(jié)性能逐漸增大。

圖9 修復(fù)界面劈拉強(qiáng)度

3.5 不同評(píng)價(jià)方法之間的聯(lián)系

文中對(duì)于界面粘結(jié)性能評(píng)價(jià)用了3種方法，界面劈拉測(cè)試，直接拉伸測(cè)試和直接剪切測(cè)試。為了驗(yàn)證這3種評(píng)價(jià)方法能夠較好的反應(yīng)界面性能的變化規(guī)律。從而建立了界面劈拉強(qiáng)度和界面直接拉伸強(qiáng)度的關(guān)系如圖10所示，界面劈拉強(qiáng)度和界面直接剪切強(qiáng)度的關(guān)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(píng)價(jià)界面粘結(jié)性能具有較好的一致性。

圖10 不同評(píng)價(jià)方法之間的關(guān)系

3.6 修復(fù)界面微觀結(jié)構(gòu)

圖11所示為膨脹劑對(duì)修復(fù)界面平面結(jié)構(gòu)特征的影響。采用取芯機(jī)在修復(fù)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(jié)構(gòu)不被拋磨的過(guò)程所破壞。采用金剛石砂紙分別為30、9、3μm、和1μm進(jìn)行拋磨，直至最后樣品表面出現(xiàn)鏡面效果，通過(guò)背散射技術(shù)觀測(cè)。未加膨脹劑0組修復(fù)界面存在一個(gè)縫隙，而添加膨脹劑的EA08組修復(fù)界面密實(shí)無(wú)明顯的縫隙。從而證明了膨脹劑改善修復(fù)材料的收縮，從而使得界面密實(shí)，因此界面性能得到明顯的改善。

圖11 修復(fù)界面平面結(jié)構(gòu)特征

4 結(jié)語(yǔ)

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

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

（3） 通過(guò)背散射觀測(cè)技術(shù)驗(yàn)證了膨脹劑使得修復(fù)界面較為密實(shí)。