混凝土黏結面性能研究進展

侯金良

(中國核電工程有限公司,北京 100840)

0 引言

在實際工程中混凝土黏結面有很多,比如在混凝土澆筑過程中由于各種施工組織問題或意外發生(如混凝土供給不及時)使得先澆混凝土初凝后,澆筑后澆筑混凝土時,先澆與后澆筑的混凝土黏結處出現薄弱的冷縫。在裝配整體式混凝土結構預制結構與后澆混凝土之間也存在著很多的疊合面。還有由于環境影響、材料限制及長期服役,混凝土結構不可避免地存在一些耐久性問題導致損壞而需要修補產生的黏結面。顯然,先澆和后澆混凝土之間的黏結面一般是薄弱區,此區域的性能關系到整體結構的性能,因此受到國內外學者的廣泛關注,有必要對現有混凝土黏結面研究進行總結與展望。

1 影響黏結面性能的主要因素

國內外學者對影響黏結面性能的因素展開了大量研究,按影響程度大小總結如下:

1)黏結面粗糙度。研究發現,增大黏結面粗糙度可提高黏結力學性能,但粗糙度超過一定值時,后澆混凝土部分粗骨料堵住黏結面漿體流動通道導致缺漿,待養護完成會使黏結面出現較多空隙,導致黏結面性能下降[1]。關于黏結面粗糙度的定量評定方法也有好多,已經開展了表征混凝土界面幾何形狀的研究[2-3],包括灌砂法、分維分析等方法。

2)界面劑以及后澆混凝土種類。不同界面劑及后澆混凝土也會影響黏結性能。Khuram Rashid[4]將水泥漿料、環氧膠黏劑、丁苯乳膠和碳纖維增強聚合物四種常用界面劑應用于黏結面后研究試件在拉伸、剪切和拉剪應力作用下的性能。發現SBR通過形成聚合物薄膜增強黏結性能。碳纖維增強聚合物在受到拉剪作用時表現出較高強度。水泥漿體應用廣泛,但呈現脆性,抗拉不理想。史長城等[5]研究使用地質聚合物界面劑后7 d和28 d黏結面劈裂抗拉強度的變化規律。發現地聚物界面劑量少時黏結強度小于水泥漿體,隨著地聚物含量的增加,黏結強度逐漸超過水泥漿界面劑。

3)混凝土黏結齡期。混凝土齡期也是影響黏結性能的一個主要因素,Talbot等[6]很多學者認為,黏結強度隨黏結齡期的增長而增加,但達到一定時間后,黏結強度會降低。此外,兩部分混凝土齡期差也是必須考慮的因素。目前,對于28 d及更長齡期差含黏結面混凝土的黏結性能研究有很多,但對于短齡期差研究還很少。現有研究中,馬朝運等[7]對混凝土冷縫黏結面劈裂強度進行了試驗研究,研究了齡期差從初凝時間的一半到24 h的黏結面劈裂抗拉強度規律,發現隨著齡期差增大,黏結面劈裂抗拉強度逐漸減小。史長城等[8]對齡期差從初凝到28 d的含黏結面混凝土劈裂抗拉強度的變化規律進行了研究。發現黏結面的劈裂抗拉強度隨齡期差增大而減少,最后逐漸趨于穩定。

除上述三點主要影響因素外,還有一些其他因素,如先澆混凝土結合面的濕潤狀況[9]、后澆混凝土澆筑的方位等等[10]。

可以看到,目前對影響黏結面性能因素的研究主要以力學試驗為主,在試驗中主要采用控制變量法,因此上述影響因素也為黏結面性能后續研究打下了基礎。

2 黏結機理及黏結面微觀結構研究現狀

現有文獻中,關于黏結面黏結機理研究主要是黏結面區域的物理化學作用、微觀結構分析以及建立黏結面區域的一些黏結模型等等。

黏結面兩側混凝土的黏結是物理及化學作用結合,物理黏結有下面幾種:吸附;原子分子的相互擴散;機械咬合;靜電引力。化學黏結作用力可分為兩種:一種是化學鍵結合;另一種是在黏結面區域生成了新的物質[11]。

國內學者對于含黏結面混凝土黏結機理也做了許多研究:李庚英、謝慧才等[12-14]通過研究發現黏結力的主要來源是范德華力、機械咬合力和化學作用結合力。通過電鏡掃描黏結面認為,黏結面應分為滲透層、強效應層、弱效應層,如圖1所示,其中強效應層包括鈣礬石、C-S-H凝膠以及氫氧化鈣,大晶體具有定向性,這個性質決定了黏結面會有更多的空隙,強效應層的結構對黏結面性能起到決定性作用。

大連理工大學趙志方[15]提出了一種雙界面-多層區的黏結模型,認為黏結區的結構是多層區的,如圖2所示。其中過渡區域主要包括雙界面和它們之間的縫隙。通過各種方法調節界面之間的縫隙大小,可以使黏結面過渡區域結構更密實,大大改善黏結面性能。

Yan He[16]提出了一個三區兩層的黏結區域模型,如圖3所示。此模型可以很好地反映黏結面粗糙度和后澆材料影響黏結面性能的機理。后澆混凝土區域是比較密實的,過渡區有比較多的細微空隙。而后澆混凝土中的膠凝材料漿體可以滲入透水層,并與先澆混凝土基體接觸并且發生化學反應硬化。反應層是黏結面兩側混凝土之間的空隙。透水層和反應層對含黏結面混凝土的黏結影響顯著。

3 含黏結面混凝土的力學與耐久性能研究現狀

黏結面區域由于其結構比兩側混凝土更薄弱,所以在外界因素作用下,在黏結面裂縫尖端處出現應力集中,裂縫迅速開展造成黏結面承載力下降,黏結面區域往往會首先破壞。黏結面的存在直接會影響到結構的承載性和耐久性能,因此黏結面處的力學和耐久性能是影響混凝土整體性能的關鍵因素。

3.1 力學性能研究現狀

關于含黏結面混凝土的黏結力學性能方面的研究已經有很多,這方面研究包括黏結面的抗拉、抗剪、抗折以及斷裂韌性等等。

趙志方等[17]通過對大量含黏結面混凝土黏結抗拉試件的試驗研究,發現影響黏結力的因素顯著性從大到小排序依次為粗糙度、后澆混凝土的種類、齡期差。后澆混凝土對先澆混凝土的約束作用隨時間增長,當后澆混凝土停止收縮時達到最大值。葉果[18]進行了黏結面植筋混凝土試件剪切試驗,發現加荷初期,黏結面抗剪能力來自黏結面的黏結力,黏結力由范德華力、化學作用結合力、機械咬合力組成。加荷后期黏結面黏結力逐漸喪失,兩部分混凝土剪切錯動,此時鋼筋受到了拉應力和剪應力。試驗發現通過黏結面植筋使得黏結面抗剪產生了良好的延性。Bo Hu[19]通過試驗研究了含黏結面混凝土的動態斜剪黏合行為,結果表明,應變率對黏結強度影響顯著。試件的傾斜角影響了破壞模式和黏結強度,然而粗糙度和黏結齡期的影響較小。韓菊紅[20]對含黏結面混凝土的黏結面斷裂性能進行了相關的研究,提出了黏結面區域斷裂模型,即可將黏結面區域視為含黏結面混凝土中的軟弱夾層。在外部荷載的作用下,黏結面試驗預留裂縫的發展只在黏結面區域內按最薄弱鏈的原則發展,不會侵入兩側的混凝土中。

黏結面的現有研究中對含黏結面混凝土的力學性能研究試驗方法一般包括劈裂抗拉試驗[21-24]、直接抗拉試驗[25-26]、拉拔強度試驗[27]、鉆芯拉拔試驗、剪切試驗[28]、抗折試驗[29]等,從而利用這些試驗結果探討各影響因素對黏結面黏結力學性能的影響。大多情況下,研究中較多的是黏結抗拉強度。黏結抗拉強度原則上應由黏結軸心受拉試驗求得,但這對試驗設備以及試件制備工藝要求高,且試驗十分復雜。趙志方等[30]通過試驗提出先做含黏結面混凝土黏結面劈裂抗拉試驗,將獲取的黏結面劈裂抗拉強度值乘一個轉換系數,就可以換算成黏結軸心抗拉強度(見圖4)。此研究證實了黏結面劈裂抗拉強度與黏結抗拉強度的相關性,為用黏結面劈裂抗拉強度表征含黏結面混凝土的黏結面力學性能奠定了基礎。

在劈裂加載過程中會發現,與完整混凝土試件的試驗力-時間曲線相比,含黏結面混凝土試件有著明顯的不同,見圖5。完整混凝土試件的實驗力隨著時間變化所加力也在平穩增長。但含黏結面試件的力時間曲線在某一時間點增長到某力值時,試驗力開始上下波動,隨后又繼續平穩上升達到極限值。根據含黏結面混凝土的結構特點,可以判斷,在壓力機加載到這個波動處時,黏結面失效開裂,之后黏結面兩側的混凝土開始受力。所以統一取波動處的上峰值點所對應的試驗力為含黏結面混凝土試件的破壞荷載進行研究。

3.2 耐久性能研究現狀

與含黏結面混凝土黏結力學性能研究相比,現有研究中關于含黏結面混凝土耐久性能的研究是比較少的,只有少數學者研究了黏結面抗滲、抗凍性能以及抗碳化的性能。

趙東和、丁巍巍[31-32]通過試驗研究,發現降低后澆混凝土的水灰比,摻入粉煤灰、礦渣等,或者改善黏結面結構以及黏結面的處理方式都可顯著降低氯離子的滲透能力。朱紅光、侯金良等[33]通過試驗發現用堿激發礦渣粉煤灰材料修補老混凝土后,在堿激發劑作用下,堿激發礦渣-粉煤灰與老混凝土的部分組分發生水化反應,提升了黏結面的力學性能與抗氯離子滲透性能。

歐陽志鵬等[34]研究了裝配式結構混凝土結合面清理及含水情況對抗碳化性能的影響。結果發現,既清理又潤濕的黏結面碳化深度約為兩側混凝土本體的1.5倍。不清理也不濕潤的情況下黏結面的碳化深度約為兩側混凝土本體的3倍。

關于含黏結面混凝土耐久性能的試驗方法也有多種。

對于研究抗氯離子滲透性能,可以使用滲水高度法,但是此方法由于抗滲等級與滲透系數的關系不太一致,故不常用。目前研究常用氯離子遷移系數(RCM法)或者電通量法。

研究黏結面抗凍性能時,可以通過測量每凍融一段時間的黏結面劈裂抗拉強度來分析黏結面抗凍性能,但這種破壞性試驗需要大量的試塊,增加了科研人員工作量,因此參考價值不大[35]。所以無損檢測方法受到了廣泛關注,相關方法有動彈模測試及超聲波測試法。根據GB/T 50082—2009普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準,達到初始模量60%的相對動彈性模量代表著混凝土的耐久性失效[36]。動態模量測試的基礎是共振法,這種方法只能表征含黏結面混凝土整體的平均損傷。基于共振法,各向同性假設表明混凝土內部的損傷是均勻的,這在含黏結面混凝土中顯然不正確。經過連續的凍融循環后,黏結面的損傷要比黏結面兩側混凝土的損傷更為顯著。當相對動彈性模量達到初始模量的60%時,黏結面早已破壞。所以動彈模測試方法不適用于含黏結面混凝土。

朱紅光等[37-38]應用超聲波速測試方法,進行一系列試驗研究,結果發現超聲波速能較好地量測含黏結面混凝土凍融過程,提出了凍融循環下適合于含黏結面混凝土的黏結面超聲波速損失率表征模型式。下面對此模型進行解釋(見圖6)。

在圖6中N為后澆混凝土;O為先澆混凝土;T⊥為垂直于黏結面超聲波經過黏結面兩側所用的時間;TPO為超聲波通過先澆混凝土所用的時間;TPN為超聲波通過后澆混凝土所用的時間;Td為通過黏結面所用的時間。介質的密度越大,則在介質中的傳播速度越快,通過介質用時最短。

試塊的尺寸為100 mm,黏結面的厚度為d。v⊥為垂直于黏結面貫穿整體混凝土的超聲波速。vPO,vPN分別為先澆混凝土的超聲波速與后澆混凝土的超聲波速。根據TPN+Td+TPO=T⊥,可以得到式(1):

(1)

由上述公式可以推得黏結面超聲波速損失率D,見式(2):

(2)

4 現有研究中存在的問題及展望

通過對研究現狀的總結與歸納,對現有研究中存在的問題及展望進行以下分析:

1)現有影響黏結面黏結性能的因素研究中宏觀力學試驗偏多,多數研究未深入探討不同后澆混凝土作用下黏結面的化學反應對黏結面結構的影響。

2)現有關于齡期差研究中,齡期差為28 d或更長,但是實際工況中短齡期差的情況也有很多,此部分研究仍需完善。

3)相比力學性能,對含黏結面混凝土耐久性能的研究較少。除進行耐久性試驗外,可以借助一些數值模擬軟件如MATLAB和COMSOL對混凝土抗滲性等耐久性問題進行數值模擬。

4)后續關于黏結面的相關研究中,還可以從孔隙率以及空隙分布的角度來更深入的研究。

5)近些年來,新型建筑材料在一直發展,更有效的后澆混凝土材料能與先澆混凝土發生良好的化學反應而增強黏結面性能。可以研究這些材料在含黏結面混凝土中的應用,尋找更好提升黏結面性能的方法。