車橋耦合振動對鋼纖維與磷酸鎂水泥砂漿界面黏結性能的影響

高國旗， 陳達章， 王 順風， 劉 思佳， 楊正 宏，*

（1.同濟大學先進土木工程材料教育部重點實驗室，上海 201804；2.同濟大學材料科學與工程學院，上海 201804；3.廣東省高速公路有限公司，廣東 廣州 510180）

隨著交通量與車輛荷載的增加，公路橋梁所經受的荷載強度不斷增大，在自然環境的耦合作用下，橋梁混凝土構件出現不同程度的損傷，因此在不中斷交通的情況下進行舊橋的擴建、加固和修補已成為橋梁工程建設常態.盡量減少行車振動帶來的負面影響、保障修復材料早期性能發揮便是其中關鍵環節之一.

磷酸鎂水泥（MPC）是一種由氧化鎂、可溶性磷酸鹽、礦物摻合料和緩凝劑組成的高性能膠凝材料，具有快硬、早強和耐高溫特點［1-4］，作為混凝土工程快速修補材料而廣泛應用于機場跑道、橋梁、公路等重要基礎設施的建設和維護［5-7］.但因MPC脆性大、變形能力差，常摻入鋼纖維通過橋接作用發揮其增強、增韌的效果［8-9］，為其在大跨度結構領域的修補應用奠定了 基 礎［5］.Péra等［5］、汪 宏 濤 等［10］和Aminul Haque等［11-12］研究了不同類型纖維對MPC砂漿抗壓強度、彎曲韌性、劈裂抗拉強度及彈性模量的影響，表明鋼纖維能夠顯著提高MPC砂漿的力學性能.Hu等［13-14］和李振等［15］發現鋼纖維的端鉤形狀和適量的硅灰能夠顯著提高鋼纖維與MPC砂漿的平均黏結強度和拉拔能.上述研究均在靜態下進行，而在不中斷交通的情況下，行車荷載引起的車橋耦合振動［16-18］是否會對鋼纖維與MPC砂漿的界面特性產生不利影響，進而影響纖維增強水泥基材料實際應用效果，還缺乏系統深入的理論研究.本文通過鋼纖維拉拔試驗和壓汞法探究車橋耦合振動條件（振幅、頻率）對鋼纖維與MPC砂漿黏結性能影響規律和機理，為纖維增強MPC砂漿用于橋梁混凝土構件的修補奠定基礎.

1 試驗

1.1 原材料

試驗采用一種超早強型磷酸鎂水泥（MPC），包含A組分（MPC-A）和B組分（MPC-B），其化學組成1）文中涉及的組成、摻量和組分比等均為質量分數或質量比.如表1所示；并采用硼砂（B）作為緩凝劑；集料采用0～3 mm連續級配的石英砂.纖維拔出試驗所用MPC砂漿配合比如下：MPC-A、MPC-B組分比為1∶1，砂膠比為1∶1，水膠比為0.16，硼砂摻量3%（以MPC質量計）.

表1 磷酸鎂水泥的化學組成Table 1 Chemical composition of MPC w/%

試驗采用2種類型鋼纖維：（1）直徑0.2 mm、長度20 mm的直型鋼纖維（S）；（2）直徑0.3 mm、長度20 mm的端鉤型鋼纖維（H），其物理力學性能如表2所示.

表2 鋼纖維物理力學性能Table 2 Physical and mechanical properties of steel fibers

1.2 試驗方法

1.2.1 MPC砂漿基本性能測定

MPC砂漿制備工藝流程如下：將MPC-A、MPC-B、石英砂、硼砂加入攪拌鍋內低速攪拌1.0 min，加水后先低速攪拌0.5 min，再高速攪拌2.5 min.根據JC/T 2537—2019《磷酸鎂修補砂漿》測定其凝結時間；根據GB/T 2419—2005《水泥膠砂流動度測定方法》測定其在自然流動狀態下的擴展度.

根據GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法》，制備40 mm×40 mm×160 mm的MPC砂漿試件來測定其抗折強度，采用抗折試驗后的半棱柱體試件來測試其抗壓強度.

1.2.2 界面黏結性能測定

橋梁由于動荷載作用引起的結構動態響應參數主要包括：沖擊系數、頻率、振幅、阻尼和剛度，本文主要研究材料受到的振動影響，選取頻率和振幅這2個參數，振幅一般指鉛錘振動方向，故選取振動方向為鉛錘振動方向.根據瑞士聯邦研究實驗室1956～1981年間調查224座橋梁頻率測得值fd=1.23～14.00 Hz，平均頻率fm=3.62 Hz，標準振幅值為0.3～5.0 mm［19］，確定車橋耦合振動參數如表3所示.振動模式采用固定振動時間與間歇時間模式，即振動15 s后停置45 s.

表3 車橋耦合振動參數Table 3 Vehicle-bridge vibration parameters

根據CECS 13：2009《纖維混凝土試驗方法標準》中關于鋼纖維與水泥砂漿黏結強度的試驗方法，測定鋼纖維與MPC砂漿的界面黏結性能，MPC砂漿采用“8”字形試件.

鋼纖維與MPC砂漿試件制備過程如下：（1）采用厚度0.3 mm、中心帶孔的塑料板將模具分隔成2個部分；（2）將鋼纖維穿入小孔，澆筑模具的一側，作為固定端，用鐵棒敲擊輕微振實之后將鋼纖維調直，且其嵌入長度為鋼纖維長度的1/2；（3）室溫條件下養護1 h后，再澆筑另一側，作為拉拔端；（4）試件完全成型后，立即放置于車橋耦合振動試驗臺上，按照表3中振動參數振動40 min.振動結束后繼續養護1 h后脫模，并置于實驗室室溫環境下養護7 d后進行測試.鋼纖維與MPC砂漿試件編號方式為在車橋耦合振動參數編號后面加鋼纖維型號.

采用500 N測壓元件的MTS電子萬能試驗機對鋼纖維進行拉拔試驗，以0.5 mm/min的加載速率加載，采用標距20 mm、變形量5 mm的引伸計.每組5個樣品，結果取平均值.通過拉拔荷載-滑移（F-s）曲線可以得到最大黏結強度τmax和拉拔能Wcon.最大黏結強度按下式計算：

式中：Fmax為鋼纖維拔出的最大荷載；d為單根鋼纖維的直徑；lem為鋼纖維的嵌入長度，lem=10 mm.

鋼纖維增強MPC水泥基材料在受荷的情況下，破壞產生的裂紋萌生及擴展是一個能量耗散的過程，因此研究鋼纖維從MPC砂漿拔出所需的拉拔能是十分有必要的.本文采用位移控制量為2.5 mm的拉拔能Wcon來評價其能量耗散，其計算式如下：

1.2.3 微觀測試

在不同車橋耦合振動條件下的試件拉拔端選取壓汞測試樣品，采用Quantachrome Autoscan-60型壓汞儀測試MPC砂漿的孔隙率和孔徑分布.采用中微科創科技有限公司生產的ZWSP-4KCH型顯微鏡觀察從MPC砂漿基體拔出的鋼纖維表面形貌.

2 結果與討論

2.1 MPC砂漿的基本性能

新拌MPC砂漿的基本性能如下：流動度270 mm；凝結時間33.5 min；抗折強度7.1 MPa；抗壓強度54.8 MPa.這說明MPC砂漿的流動性滿足工作要求，并根據MPC砂漿的凝結時間確定車橋耦合振動時間為40 min.

2.2 車橋耦合振動對鋼纖維拉拔行為的影響

2.2.1 振幅對鋼纖維拉拔行為的影響

圖1為試件在不同振幅下（振幅為0、2、3、4 mm）鋼纖維的拉拔荷載-滑移（F-s）曲線.不同振幅下鋼纖維的拉拔能Wcon如圖2所示.

由圖1、2可見：在靜置條件（振幅為0 mm）下，直型鋼纖維與MPC砂漿的最大黏結強度和拉拔能分別為2.85 MPa、35.7 N·mm；端鉤型鋼纖維與MPC砂漿的最大黏結強度和拉拔能分別為12.07 MPa、192.0 N·mm，其最大黏結強度和拉拔能分別為直型鋼纖維的4.2、5.4倍.通過對比分析可知：端鉤型鋼纖維與MPC砂漿的黏結性能優于直型鋼纖維，主要是由于端鉤型鋼纖維與MPC砂漿的黏結力不僅包含化學黏結力和摩擦力，還有端鉤與MPC砂漿的機械錨固力，顯著提高了拉拔行為的最大黏結強度和拉拔能.

與靜置條件下相比，在車橋耦合振動條件下，鋼纖維與MPC砂漿的最大黏結強度和拉拔能均優于靜置對照組，且隨著振幅的增加呈現先增加后降低的趨勢.由圖1（a）和圖2可知：在2、3、4 mm振幅下直型鋼纖維與MPC砂漿的最大黏結強度分別為4.40、5.08、5.10 MPa，拉拔能分別為59.4、67.6、65.8 N·mm；在振幅為3 mm時直型鋼纖維與MPC砂漿的最大黏結強度和拉拔能最大，與靜置條件下相比，分別增加了78.2%和89.4%.

由圖1（b）和圖2可知：端鉤型鋼纖維與MPC砂漿的最大黏結強度分別為16.82、15.62、13.54 MPa，拉拔能分別為301.0、278.1、237.6 N·mm；在振幅為2 mm時端鉤型鋼纖維與MPC砂漿的最大黏結強度和拉拔能達到最大值，與靜置條件下相比，分別增加了39.4%和56.8%.當振幅為2、3 mm時，鋼纖維與MPC砂漿的黏結性能最好，振幅變化對直型鋼纖維拉拔性能的影響大于對端鉤型鋼纖維拉拔性能的影響.

圖1 不同振幅下鋼纖維的拉拔荷載-滑移曲線Fig.1 Pullout load-slip curves of steel fibers under different amplitudes

圖2 不同振幅下鋼纖維的拉拔能Fig.2 Pullout energy of steel fibers under different amplitudes

2.2.2 頻率對鋼纖維拉拔行為的影響

圖3為試件在不同頻率下（頻率為0、3、6、9 Hz）鋼纖維拉拔荷載-滑移曲線.在不同頻率的車橋耦合振動作用下，鋼纖維與MPC砂漿的黏結性能優于靜置條件下.圖4為不同頻率下鋼纖維的拉拔能.

由圖3、4可知，隨著頻率的增加，鋼纖維與MPC砂漿的最大黏結強度和拉拔能先增加后降低，但均大于靜置條件下.由圖3（a）和圖4可知：在3、6、9 Hz振幅下，直型鋼纖維與MPC砂漿的最大黏結強度分別為5.56、5.08、4.12 MPa，拉拔能分別為78.8、67.6、56.7 N·mm；在頻率為3 Hz時，直型鋼纖維與MPC砂漿的最大黏結強度和拉拔能最大，與靜置條件下相比，分別增加了95.1%和12.1%.由圖3（b）和圖4可知，端鉤鋼纖維與MPC砂漿的最大黏結強度分別為15.09、15.61、12.32 MPa，拉 拔 能 分 別 為275.3、278.1、225.6 N·mm；在頻率為6 Hz時端鉤鋼纖維與MPC砂漿的最大黏結強度和拉拔能達到最大值，與靜置條件下相比，分別增加了29.3%和44.8%.當頻率為3、6 Hz時，鋼纖維與MPC砂漿的黏結性能最好，頻率變化對直型鋼纖維拉拔性能的影響大于端鉤型纖維.

圖3 不同頻率下鋼纖維的拉拔荷載-滑移曲線Fig.3 Pullout load-slip curves of steel fibers under different frequencies

圖4 不同頻率下鋼纖維的拉拔能Fig.4 Pullout energy of steel fibers under different frequencies

2.3 影響機理分析

2.3.1 MPC砂漿孔結構

在車橋耦合振動條件下，砂漿孔隙率和孔徑分布不僅影響基體的性能，還對鋼纖維與MPC砂漿的界面黏結性能影響較大.圖5為“8”字形試件MPC砂漿的孔徑分布和總孔隙率.由圖5可知：在車橋耦合振動條件下，隨著振幅的增加，MPC砂漿基體的最可幾孔徑先增大后減小，總孔隙率逐漸升高；隨著頻率的增加，最可幾孔徑逐漸增大，3、6 Hz時總孔隙率變化較小，9 Hz時總孔隙率出現增大.與靜置條件下相比，車橋耦合振動作用下MPC砂漿的總孔隙率均降低，車橋耦合振動作用下鋼纖維與MPC砂漿的黏結性能均優于靜置條件下.

圖5 “8”字形試件MPC砂漿的孔徑分布和總孔隙率Fig.5 Pore size distribution and total porosity of“8”shaped MPC mortar specimens

圖6為“8”字形試件MPC砂漿孔體積占比.Mehta等［20］根據其孔徑d將硬化水泥基體的孔劃分為3種：凝膠孔（d＜10 nm）、微孔（d=10～50 nm）和宏觀孔（d＞50 nm）.硬化水泥基體的孔隙率和孔徑分布對力學性能有顯著影響［21］.由圖6可知：在靜置條件下，MPC砂漿中宏觀孔的體積分數為85.6%；當振幅為2、3 mm時，MPC砂漿中宏觀孔的體積分數分別為84.6%、79.0%，當振幅為4 mm時，宏觀孔的體積分數為69.1%，表現為鋼纖維與MPC砂漿的最大黏結強度和拉拔能均優于靜置組，隨振幅增加出現增大的趨勢；當頻率為3、6 Hz時，MPC砂漿中宏觀孔的體積分數分別為79.0%、79.0%，當頻率為9 Hz時，宏觀孔的體積分數為93.6%，顯著增加，表現為鋼纖維與MPC砂漿的最大黏結強度和拉拔能顯著降低.

圖6 “8”字形試件MPC砂漿的孔體積分數Fig.6 Pore volume fraction of“8”shaped MPC mortar specimens

總體而言，車橋耦合振動可以降低MPC砂漿的總孔隙率，但過高頻率和過大振幅均不利于孔隙結構進一步優化，不利于提升鋼纖維與MPC砂漿的界面黏結性能.主要原因是：MPC材料組成為磷酸二氫氨，氧化鎂與磷酸二氫氨發生酸堿反應會產生一定氣泡，振動作用有助于細化氣泡形成的宏觀孔，進一步提高鋼纖維與MPC砂漿的黏結性能.

鋼纖維拔出過程主要分為3個階段：（1）完全黏結階段，也叫彈性階段，鋼纖維與基體的化學黏結力起主要作用，其表現為基體萌生微裂紋并向鋼纖維表面擴展；（2）脫黏階段，隨著拉拔荷載的增加，鋼纖維與基體的化學黏結力達到最大，部分界面開始破壞，拉拔阻力由鋼纖維與基體的摩擦力和化學黏結力提供，拉拔荷載達到最大值，直至鋼纖維與基體的界面完全失效；（3）摩擦滑移階段，拉拔阻力由鋼纖維與基體的摩擦力提供，隨著鋼纖維的拔出，鋼纖維與基體的接觸面積逐漸減小，拉拔荷載值逐漸減小到零.車橋耦合振動細化了MPC砂漿的宏觀孔，增加了鋼纖維與MPC砂漿的化學黏結力，改善了鋼纖維拔出過程的完全黏結階段和脫黏階段.

2.3.2 鋼纖維表面形貌

鋼纖維拔出過程通常有2種破壞形式：鋼纖維斷裂和界面失效（纖維拔出）［22］.圖7為f0-A 0組試件中2種鋼纖維拔出后的表面形貌.由圖7可見：鋼纖維拔出后其表面有明顯的劃痕，部分鍍銅層已經消失，且表面附著MPC砂漿顆粒.這是由于MPC砂漿顆粒與鋼纖維的磨損和擠壓產生的楔形效應使鋼纖維與MPC砂漿之間具有良好的黏結性能；由于端鉤在MPC砂漿中的機械錨固作用，端鉤型鋼纖維拔出后端鉤逐漸被拉直，可以顯著提高鋼纖維與MPC砂漿的黏結性能.

圖7 f0-A 0組試件中2種鋼纖維拔出后的表面形貌Fig.7 Surface morphology of steel fibers in f0-A 0 group after pulling out

3 結論

（1）由于端鉤與MPC砂漿的機械錨固作用提升了鋼纖維的拉拔荷載，端鉤型鋼纖維與MPC砂漿的黏結性能顯著優于直型鋼纖維.

（2）車橋耦合振動作用下鋼纖維與MPC砂漿的黏結性能顯著優于靜置條件下，在車橋耦合振動作用下，MPC砂漿總孔隙率降低，由氣泡形成的宏觀孔得到細化，鋼纖維與MPC砂漿的黏結性能提高.

（3）車橋耦合振動作用對端鉤型鋼纖維與MPC砂漿黏結性能的影響小于直型鋼纖維，在振幅為2、3 mm，頻率為3、6 Hz的情況下，車橋耦合振動作用對鋼纖維與MPC砂漿黏結性能的提高最大.一定程度的振動還可以細化宏觀孔，從而優化鋼纖維與MPC砂漿的黏結性能.

（4）行車荷載引起的車橋耦合振動在頻率小于6 Hz、振幅小于3 mm時不會對鋼纖維與MPC砂漿的黏結性能產生不利影響.