陶粒混凝土-普通混凝土環氧樹脂界面凍融后抗剪性能試驗研究

朱紅兵，郭正發，韓 蓓，段亦雪

(1.武漢科技大學 城市建設學院，湖北 武漢 4300065；2.城市更新湖北省工程研究中心，湖北 武漢 430065；3.武漢科技大學 高性能工程結構研究院，湖北 武漢 430065)

增大截面法是混凝土墩柱構件加固的一種常用方法，該法能增加構件的承載力和剛度，明顯改善結構的力學性能[1].由于增大截面會在一定程度上增加構件自重，增加下部結構和地基基礎的荷載，在不少工程中面臨較大困難，制約了增大截面法的應用范圍[2].本文提出采用全輕陶粒混凝土(新混凝土)作為加固用混凝土，充分利用其輕質高強的物理力學特性，實現既能滿足加固結構的力學性能要求，又能有效控制因加固引起的結構自重增量.增大截面法加固時，新老混凝土之間協同工作的關鍵在于連接界面的粘結性能，界面粘結形式比較常見的有三種方式：在新老混凝土粘結界面涂抹界面劑、界面植筋、施作切槽或鑿毛等構造[1，3-4].對于施工便捷性和減少對既有結構的損傷角度，涂抹界面劑具有很大的優勢，而環氧樹脂界面劑相比于其他界面劑具有更好的力學性能，發展空間更大[3，5].

剪力傳遞是新老混凝土之間傳力的主要形式，界面抗剪強度是衡量新老混凝土協同工作性能的關鍵指標[6-7].在經歷凍融循環后，新老混凝土界面的粘結性能會出現劣化，其劣化規律需要通過試驗及分析予以明確[8-9].對涂刷環氧樹脂界面劑的新老混凝土連接界面的試驗研究表明：新老混凝土結合面的粘結性能直接決定了修補后的新老混凝土的粘結強度，新混凝土強度對新老混凝土界面的粘結性能的影響有限，過分追求新混凝土強度不經濟[7]；新老混凝土粘結的力學性能較新、老混凝土本身更弱[10-11]；凍融后新老混凝土抗折試件的破壞模式有粘結面處破壞和強度較低的混凝土破壞[12-13].可見，現有研究對環氧樹脂加固界面的力學性能進行了積極探索，但是采用全輕陶粒混凝土作為加固用的新混凝土則缺少相關研究報道.尤其是在經歷凍融循環后，環氧樹脂界面劑與新老混凝土的粘結性能會出現退化，界面抗剪強度隨著凍融循環次數的增加而降低[14-16]，但對受凍融影響的界面抗剪強度退化規律還不明晰.對經受凍融循環后全輕陶粒混凝土與普通混凝土間環氧樹脂連接界面及周邊混凝土的抗剪性能退化開展試驗研究，并建立凍融循環后環氧樹脂界面抗剪強度的退化規律，對工程實踐非常有意義[17-18].

為探討全輕陶粒混凝土加固普通混凝土構件環氧樹脂粘結界面在凍融損傷后的抗剪性能退化規律，本文開展了7組新老混凝土試件和2組整澆試件的凍融試驗，測試了各組試件分別在經歷0、5次、10、15、20、25及30次凍融后的界面抗剪強度，分析了各組試件的外觀損傷、抗剪破壞形態及抗剪強度退化規律，最終建立環氧樹脂界面的抗剪強度退化計算公式，以達到可較準確地預測出凍融后環氧樹脂界面抗剪強度的目標.

1 混凝土配合比及試件制作

老混凝土采用普通混凝土，新混凝土采用全輕陶粒混凝土.

1.1 新老混凝土共用原材料

(1)水泥采用湖北華新水泥股份有限公司生產的P.O.42.5普通硅酸鹽水泥，技術指標如表1；

表1 水泥性能指標

(2)拌和水采用武漢市自來水；

(3)環氧樹脂界面劑：水性環氧樹脂乳液，性能見表2.

表2 環氧樹脂乳液性能指標

1.2 普通混凝土材料及配合比

(1)粗骨料為連續級配碎石，表面粗糙，最大粒徑 25 mm；

(2)細骨料采用普通河砂(中砂)，表觀密度為 2.54 g/cm3，細度模數為 2.91；

(3)配合比參考《普通混凝土配合比設計規程》(JGJ55—2011)經過試配得到，如表3.實測28 d立方體抗壓強度、抗拉強度平均值分別為35.4 MPa、2.472 MPa，28 d彈性模量值為30.44 GPa.

表3 普通混凝土配合比(單位：kg/m3)

1.3 全輕陶粒混凝土材料及配合比

(1)粗骨料選用宜昌光大陶粒制品有限公司生產的900級碎石型頁巖陶粒，試驗前將陶粒在水中浸濕2 h，取出瀝干12 h后使用.參數見表4；

表4 頁巖陶粒性能指標

(2)細骨料采用陶砂，直徑小于5mm.見表5；

表5 陶砂物理性能指標

(3)減水劑采用HSC聚羧酸高性能減水劑，減水效率為 25%；

(4)配合比.參考《輕骨料混凝土技術規程》(JGJ/T12—2019)和預研成果并經多次試配，全輕陶粒混凝土LC50的配合比如表6所示.實測28 d立方體抗壓強度、抗拉強度平均值分別為52.1 MPa、2.660 MPa，28 d彈性模量值為33.56 GPa.

表6 全輕陶粒混凝土配合比(單位：kg/m3)

1.4 全輕陶粒混凝土-老混凝土試件

(1)老混凝土試件制作與養護.根據混凝土配合比，澆筑好100 mm×100 mm×200 mm的老混凝土試塊，待20 ℃環境養護24 h成型后拆模.脫模后試件放在溫度為 20±2 ℃，相對濕度≥95%的混凝土養護箱內養護至28 d；

(2)老混凝土試件界面處理.老混凝土試塊養護28 d后，清除表面浮漿，選擇100 mm×100 mm的自然面作為與陶粒混凝土連接的粘結面，在老混凝土粘結面均勻涂抹環氧樹脂界面劑，厚度按1.5 mm控制；

(3)全輕陶粒混凝土澆筑.按表6配合比制作全輕陶粒混凝土.將已涂抹界面劑的老混凝土試塊放回100 mm×100 mm×400 mm的試模，涂抹界面劑的粘結面臨空并與后澆全輕陶粒混凝土連接.將拌和好的陶粒混凝土倒入裝有老混凝土的模具的剩余100 mm×100 mm×200 mm空間.將澆筑成型的新老混凝土試件放在 20 ℃環境下48 h，待成型后脫模.脫模后試件在混凝土養護箱內標準養護28 d.

圖1為試件示意圖，澆筑后試件照片見圖2.

圖1 環氧樹脂界面試件整體示意(單位：mm)

圖2 澆筑陶粒混凝土后試件照片

2 凍融后試件界面抗剪性能退化試驗

2.1 凍融試驗

表7 試驗分組及凍融后界面抗剪強度

凍融試驗在國產TDRI型混凝土自動快速凍融機上進行，溫控試件的溫度控制在-15～15 ℃之間，由棱柱體試驗中心的溫度探頭和冷凍液中的溫度探頭通過控制柜自動控制，一個凍融循環時間3 h左右，試件在凍融過程中始終處于水飽和狀態.

凍融試驗前，將試件放置在20±3 ℃的清水中浸泡4 d，然后放入凍融機內正式試驗.

試驗過程中，分別對試件在清水中進行5、10、15、20、25、30次凍融循環，達到預定次數后取出，對外觀進行觀察，并進行剪切試驗，研究界面損傷規律和抗剪強度.

2.2 凍融后試件外觀損傷

圖3為涂抹環氧樹脂界面劑的試件(W-30-E組試件1)在清水凍融0、5、10、15、20、25、30次的外觀形態.

圖3 凍融后試件外觀損傷(W-30-E組試件1)

圖3可見，試件外觀主要表現為麻面和骨料外露，普通混凝土與全輕陶粒混凝土在清水凍融環境下表現出的外觀損傷破壞程度有一定差異.缺陷情況統計如表8.

表8 凍融后環氧樹脂界面試件表面缺陷

由表8和圖3可知，隨著凍融次數的增長，普通混凝土和全輕陶粒混凝土麻面現象逐漸增多.凍融15次后試件破壞較輕；經過20次凍融后表面缺陷明顯增多，全輕陶粒混凝土出現明顯骨料外露現象；麻面面積率最高可為42%.全輕陶粒混凝土在早期的凍融后外觀缺陷較普通混凝土輕微，但后期發展速度快，凍融30次后外觀缺陷更嚴重.

凍融20次后粘結面出現了不連通的裂紋，且隨著凍融次數的增加，粘結面產生的裂紋逐漸增多.

雖然技改后取得了顯著成績，但還要正視與其他廠家的差距，尤其是介耗方面。為了保證磁選機磁性物回收率達到99.8%，國內外廠家均提出磁選機入料中煤泥含量至少要低于25%，在這方面，還需做很多工作。

2.3 凍融后試件界面抗剪性能退化試驗

2.3.1 抗剪試驗加載裝置

采用萬能試驗機和剪切夾具，試驗參照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB 50081—2019)的規定來進行.加載裝置如圖4.試驗加荷速率為0.5 MPa/s，連續均勻加荷，當試件破壞時，立即停止加載，記錄峰值荷載.剪切夾具參考文獻[19]并進一步改進.

圖4 試件加載示意(單位：mm)

2.3.2 剪切試驗破壞特征

涂抹環氧樹脂界面劑的新老混凝土試件，經歷凍融損傷后的剪切破壞形態如圖5所示.試驗過程中觀察到，加載到一定荷載時，界面粘結面出現豎向裂縫，當荷載持續增加至破壞荷載時，試件沿新老混凝土粘結面處瞬間斷裂，并伴有響聲，具有明顯的脆性破壞特征.

圖5 環氧樹脂界面試件剪切破壞形態

觀察試件破壞界面發現，凍融次數不超過15次時，剪切破壞發生在普通混凝土與環氧樹脂界面劑之間，普通混凝土和全輕陶粒混凝土沿粘結面完全分離，粘結面無骨料拉扯現象，如圖5(a)；凍融循環20次，剪切破壞形式為新老混凝土粘結面處破壞，剪切破壞從環氧樹脂界面劑處破壞，全輕陶粒混凝土側和普通混凝土側粘結界面上均局部粘附有界面劑，如圖5(b)；凍融循環25～30次后，環氧樹脂界面試件剪切加載至破壞前，界面處出現一條肉眼可見豎向裂縫，裂縫的產生和破壞幾乎同時出現，粘結面存在骨料拉扯現象，界面剪切破壞發生在全輕陶粒混凝土與環氧樹脂界面劑之間，如圖5(c).由此可見，凍融次數低于15次時，普通混凝土側的粘結強度低于全輕陶粒混凝土側；但隨著凍融次數增加，全輕陶粒混凝土側的粘結強度衰減較快，逐漸成為制約界面粘結的薄弱處.

2.3.3 抗剪強度

凍融后環氧樹脂界面抗剪強度實測值見表7.采用環氧樹脂連接的新老混凝土界面抗剪強度，能夠達到普通混凝土抗剪強度值的43.0%、全輕陶粒混凝土抗剪強度值的57.5%.隨著凍融次數的增加，界面抗剪強度逐漸退化.

3 凍融后試件界面抗剪性能

3.1 界面抗剪強度退化

根據表7試驗數據繪制折線圖形，分析凍融后環氧樹脂界面試件抗剪強度退化規律，如圖6.

圖6 凍融后環氧樹脂界面抗剪強度

根據表7和圖6可以看出，試件的界面抗剪強度自開始凍融后就隨凍融次數增加而快速下降；未經過凍融的環氧樹脂界面試件界面抗剪強度為3.218MPa，分別為普通混凝土、全輕陶粒混凝土整體強度的43.02%和 57.46%；凍融循環5、10、15、20、25、30次后，界面抗剪強度較未凍融時的下降率分別為7.83%、20.91%、25.54%、31.11%、36.54%、45.27%.

3.2 界面抗剪強度退化計算公式

由界面剪切破壞形態和試驗數據分析可知，界面抗剪強度與凍融循環次數基本呈直線下降規律，因此，假設凍融后試件界面的抗剪強度退化計算公式為

τWE=(1-aWEn)τ0WE

(1)

式中：τWE、τ0WE分別為凍融n次后、未凍融環氧樹脂界面試件的抗剪強度，MPa；n為試件經歷的凍融循環次數，次；aWE為與凍融循環次數有關的抗剪強度衰減系數.

根據表7數據進行擬合，可得待定系數aWE=0.015 5.因此，采用環氧樹脂連接的全輕陶粒混凝土與普通混凝土界面在凍融后抗剪強度退化計算公式為：

τWE=(1-0.015 5n)τ0WE

(2)

將式(2)計算結果與試驗實測數據繪制成圖7.可見各試件的實測值與公式計算值較接近，離散程度較低.表9將實測平均值與公式計算值進行對比，可見誤差在3.6%以內，吻合度較高.

圖7 環氧樹脂界面抗剪強度擬合曲線

表9 環氧樹脂界面試件界面抗剪強度計算公式驗證

4 結論

(1)混凝土麻面面積隨凍融次數逐漸增多，20次凍融后陶粒混凝土出現明顯骨料外露，粘結面出現不連通裂紋；凍融早期陶粒混凝土外觀缺陷較老混凝土輕微，但后期相反；

(2)試件均從粘結面處剪切破壞，有明顯脆性特征.凍融低于15次時剪切破壞在老混凝土與界面劑之間，超過25次時在陶粒混凝土與界面劑之間，15～25次時為過渡狀態；

(3)凍融后界面抗剪強度明顯退化，經歷5、10、15、20、25、30次凍融后，界面抗剪強度較凍融前下降率分別為7.83%、20.91%、25.54%、31.11%、36.54%、45.27%；具有較明顯的線性退化規律；

(4)建立了凍融過程中環氧樹脂界面抗剪強度退化計算公式，可作為凍融后環氧樹脂粘結普通混凝土與全輕陶粒混凝土界面的抗剪強度計算.