含聚合物防水膜的隧道襯砌界面剪切-滑移力學特性試驗研究

蔣雅君, 趙菊梅, *, 劉基泰, 何雨帝, 王虎群

(1. 西南交通大學土木工程學院 交通隧道工程教育部重點實驗室, 四川 成都 610031; 2. 北京東方雨虹防水技術股份有限公司 特種功能防水材料國家重點實驗室, 北京 101309)

0 引言

目前,隧道支護結構由噴射混凝土初期支護、防水層和噴射或現澆混凝土二次襯砌組成[1-3],而其中的防水層在實際應用中有2種形式。第1種是傳統的防水層形式,是在初期支護表面鋪設1層防水板和土工布,被定義為double shell lining (DSL)[4]。其缺點包括: 1)初期支護和防水板之間不粘結,地下水很容易在防水板后面流動; 2)盡管有土工布保護,但初期支護的不平整或機械穿孔也會對防水板造成破壞; 3)防水板的邊緣和接縫等不連續處也可能成為滲漏通道。第2種形式是基于噴膜防水的隧道支護結構,被稱為composite shell lining(CSL),該方式可以提高隧道防水質量[5-6]。防水膜噴涂在初期支護表面,并與初期支護和二次襯砌粘結在一起,其優點是整體性好、基面適應性強、施工速度快。在過去的20年中,CSL這種方法已被應用于世界各地的地下空間工程,如交通隧道、市政隧道、硐室和沉管隧道[4,7]。CSL與DSL的主要區別在于CSL的界面可在初期支護和二次襯砌之間形成拉伸和剪切粘結作用,從而提高隧道支護結構各層構件的分擔荷載效果[5-6]。

由于對CSL結構特別是在雙面粘結型防水層帶來的初期支護和二次襯砌的復合作用方面研究的不足,目前CSL的設計仍參照DSL的方法,未考慮界面分擔荷載的能力[8]。近年來,人們開始關注CSL的復合作用所帶來的益處,對CSL結構和界面進行了一系列研究。例如: Nakashima等[9]對復合噴射混凝土試樣進行了4點彎曲和偏心壓縮試驗,以模擬典型的大彎矩和小彎矩壓縮軸力(箍筋應力),結果表明,CSL試樣表現為復合截面,界面滑移極小;Johnson等[10]對復合試樣進行了拉伸和剪切試驗,結果表明,在充分粘結的情況下,初期支護和二次襯砌之間剪切傳遞的復合作用有利于結構受力;Vogel等[11]研究了噴涂在復合梁上的防水層的荷載分擔能力,結果表明,防水層可以傳遞剪力和彎矩,與數值模擬結果一致; Su等[12]通過對從噴射混凝土板上切割下來的復合試樣進行室內實驗,研究了軟土地基中CSL的界面參數,結果表明,防水層厚度和基面粗糙度對界面剛度和強度沒有顯著影響;Su等[13]基于對CSL梁的研究和一系列實驗室測試,開發了一種數值分析方法,用于預測橫截面的應變分布,并探索了防水層位置對復合作用程度的影響。

盡管上述研究在了解CSL結構力學特性方面取得了長足進步,但也存在一定的局限性。首先,研究假設防水層在受力達到力-位移曲線的峰值時失效,而實際上在短期荷載作用下,界面在達到峰值力之后仍需要一定的過程才會完全破壞,因此界面在進入破壞階段后仍具有一定的承載能力。其次,關于界面力學行為的影響因素,以往的研究主要集中在基面粗糙度和防水層厚度上(結果表明界面參數對這2個因素并不敏感),但防水層的粘結強度對CSL的影響以及法向壓應力的影響尚未得到系統研究。此外,防水層的剪切強度明顯低于襯砌混凝土的剪切強度。界面剪切滑移特性取決于防水層的剛度,而剛度則由防水層材料決定。因此,應通過試驗獲得不同防水層特性的參數,并通過調整界面的模量和剛度且與試驗結果進行對比,以驗證數值模擬中模型的準確性。

針對上述問題,本研究采用CSL復合試塊進行粘結強度和壓剪試驗,深入探討CSL形式的防水層界面的剪切-滑移特性。研究中對試塊從開始到完全破壞整個過程中的應力和位移值進行記錄,并對界面的破壞行為進行分析,獲得剪切-滑移過程中的界面力學參數,以討論防水層材料類型和法向壓應力對這些參數的影響。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

試驗材料包括防水材料和混凝土襯砌材料。防水材料選用聚合物水泥防水材料,襯砌材料按照GB/T 16777—2008《建筑防水涂料試驗方法》中的粘結強度測試要求,采用強度等級為42.5的硅酸鹽水泥和中砂制成的砂漿塊進行模擬。

聚合物水泥防水涂料是由液料(包括合成聚合物膠乳、各種添加劑)和粉料(包括特種水泥、石英粉、各種添加劑)組成的雙成分防水材料(見圖1)。它具有聚合物材料的高彈性和無機材料的良好耐久性,其柔韌的力學性能、耐水性和耐候性以及無毒無污染的特點適合在實驗室試驗中模擬噴涂防水膜[14]。此外,防水層的粘結強度、伸長率和拉伸強度等性能可根據2種組分的不同混合比例進行調整[15]。

(a) 粉料

為了探索防水層性能對粘結和壓剪條件下測試結果的影響,按照液料和粉料的不同質量比制備3種聚合物水泥復合材料。通過單軸拉伸試驗測定的不同配比防水層試樣的力學性能指標如表1所示。試驗結果表明,從Ⅰ型到Ⅲ型,防水層的柔韌性隨著粉末比例的增加而降低。

表1 不同混合配比防水層的力學性能

1.2 試樣制備

分別制備2種不同類型的復合試塊進行粘結和壓剪試驗,其中防水膜的厚度控制在3 mm。

1.2.1 粘結試驗試塊

形狀為“8”字形、厚度為22.5 mm的復合試塊(見圖2(a))是用水泥砂漿在金屬模具(見圖2(b))中成型的。待砂漿塊固化成型后,用砂紙將每個砂漿塊的粘合表面擦拭干凈。將不同質量比的混合聚合物水泥防水涂料的液體和粉末材料攪拌5 min,消除混合物中明顯的顆粒; 然后,將混合物均勻涂刷在砂漿塊的粘合面上,粘合密實; 最后,在標準條件(溫度25 ℃,相對濕度55%)下固化7 d后,用橡膠帶固定試塊。

(a) 試塊(單位: mm)

1.2.2 壓剪試驗試塊

壓剪試驗的復合試塊制備如圖3所示。壓剪試驗采用由1層聚合物水泥防水膜和2塊砂漿塊組成的復合試塊,單塊尺寸為70 mm×70 mm×35 mm(長×寬×高)。將水泥砂漿倒入模具高度的1/2(模具中間有一個刻度線),形成砂漿塊。防水膜材料的制備與粘結強度試樣制備相同,之后將混合料在兩側粘合面上各涂抹2次,形成防水層。2次涂抹的間隔時間為4～12 h,第2次涂抹后粘接2個砂漿塊。隨后,在標準條件下固化7 d,用橡膠帶固定試塊?？偣仓苽淞?7個試塊,用于不同配比防水材料和法向壓應力組合的壓剪試驗。

(a) 試件組成示意

1.3 試驗方法和過程

1.3.1 粘結強度試驗

測試使用了配備1 kN和10 kN傳感器的電子萬能試驗機,其精度等級為0.5(即相對誤差在± 0.5%以內)。由計算機控制的電子萬能試驗機如圖4(a)所示。安裝在夾具中的試塊如圖4(b)所示?！?”字形復合試塊被安裝在直接拉伸夾具中。拉伸速度為1 mm/min,試驗過程中記錄拉伸力和位移數據。

(a) 萬能試驗機

每批復合試塊測試5次,粘結強度根據該批試塊的算術平均值確定。拉伸粘結應力

σb=F/(a×b)。

(1)

式中:F為拉力,N;a和b分別為粘結面的長度和寬度,mm。

1.3.2 壓剪試驗

采用自行設計的試驗裝置進行壓剪試驗。壓剪試驗裝置如圖5所示,由壓剪夾具、常壓傳感系統(包括止推螺栓和膠囊傳感器)和剪切加載系統組成。剪切力由電子萬能試驗機的匹配上壓頭提供,法向壓應力由水平推力螺栓施加。最大剪切力為10 kN,剪切位移為0～20 mm,剪切位移速率設定為1 mm/min。試塊界面的法向壓應力分別為0.1、0.3、0.5 MPa,相應的壓力值分別為490、1 470、2 450 N。

(a) 試驗裝置實物

將試塊安裝在夾鉗中,并用預緊螺栓固定。旋轉推力螺栓推動夾具,直到達到目標法向壓應力。剪切應力數據由連接到上壓頭的高精度力傳感器采集。法向壓應力數據由膠囊傳感器采集,并由數字指示器顯示(采集范圍為0～10 kN,單位為10 N)。剪切位移數據相當于試驗機橫梁的位移。測試時,首先施加法向壓應力,然后控制試驗機橫梁剪切移動。當剪切應力-位移曲線達到峰值時,界面被視為失效。

為了評估界面的粘結性能參數,從剪切應力-位移曲線中獲得以下參數: 剪切強度、殘余剪切強度、剪切模量、剪切滑移能量和剪切失效位移。根據峰值剪切力和剪切面積,利用式(2)得出剪切強度。根據殘余剪切應力,殘余剪切強度由式(3)得出。應力和位移增量分別為Δτ和ΔS,剪切模量G由式(4)得出。界面剪切-滑移能量是剪切應力-位移曲線下方和橫向軸線上方的面積。剪切失效位移是界面完全破壞并開始滑移時的位移值。

τm=Sm/A。

(2)

τr=Sr/A。

(3)

G=Δτ/ΔS。

(4)

式(2)—(4)中:τm為剪切強度,MPa;Sm為峰值剪切力,N;A為剪切面積,150 mm×150 mm;τr為殘余剪切強度,MPa;Sr為殘余剪切力,N;G為剪切模量,MPa/mm; Δτ為應力增量,MPa; ΔS為位移增量,mm。

2 試驗結果與討論

2.1 試驗結果

2.1.1 粘結強度試驗結果

3種試件的拉伸應力-位移曲線如圖6所示。由圖可知: 1)從Ⅰ型到Ⅲ型,拉伸應力峰值增大,拉伸破壞位移減小。2)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型的峰值應力(即粘結強度)分別為1.06、1.13、1.35 MPa。這一趨勢與防水膜的拉伸強度相似,即隨著粉料用量比率的提高,防水膜的柔韌性降低,而粘結作用增強。

(a) Ⅰ型

在粘結強度試驗中,有2種可能的失效形式。

1)剝離失效。砂漿塊表面與防水層之間的粘結強度低于防水層的內聚強度,導致防水層在粘結面剝離。

2)內聚失效。粘結強度超過防水層的內聚強度,使防水層在拉伸過程中失效。在本文的粘結強度試驗中的典型破壞形式是剝離破壞,即防水層與砂漿表面完全分離(見圖7),這表明3種防水膜的粘結強度都低于其內聚強度。

圖7 粘結強度試驗的界面破壞形式

2.1.2 壓剪試驗結果

壓剪試驗觀察到2種形式的剪切破壞。

1)由于粘結強度不足造成的剝離破壞,即防水層整體發生剪切剝離(見圖8(a))。

(a) 剝離破壞

2)剝離-內聚破壞,即部分防水層在剪切應力作用下受損(見圖8(b))。

不同類型試塊的剪切應力-位移曲線如圖9所示。由圖可以看出: 1)法向壓應力對峰值剪切應力的影響小于防水層材料特性的影響。2)對于Ⅰ型,不同法向壓應力下的平均峰值剪切應力分別為0.600、0.616、0.628 MPa。3)在相同的0.1 MPa法向壓應力下,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型的平均峰值剪切應力分別為0.600、0.773、0.893 MPa。4)在相同防水層材料的條件下,發生峰值剪切應力時的位移非常接近,僅受法向壓應力變化的輕微影響,這表明防水層的粘結強度和內聚強度對界面剪切滑移特性更為重要。5)法向壓應力對殘余剪切強度和剪切失效位移的影響更大。對于同一類型的防水層材料,隨著法向壓應力的增加,曲線呈現出向上和向右偏離的趨勢。這表明剪切持續時間更長,即破壞時的剪切位移和殘余剪切強度更大。

(a) Ⅰ型,0.1 MPa

在工程應用中,通常更關注CSL的峰值剪切應力,而不是殘余剪切強度。結合第2.1.1節的討論,可以推斷出界面的粘結強度和防水層材料的力學特性對CSL界面的剪切-滑移特性非常重要。

2.2 界面剪切-滑移特性

在粘結強度試驗中,不同類型的防水層材料會導致不同的結果(如圖6所示的拉伸峰值應力和拉伸破壞位移的差異)。因此,有必要探討不同類型的防水層材料對這些界面參數的影響,為防水膜材料的應用提供指導。此外,也有必要分析法向壓應力對剪切參數的影響。防水層材料類型和法向壓應力對界面力學參數的影響結果如圖10所示。

(a) 剪切強度

由圖10可知,防水層材料特性與法向壓應力對界面力學特性參數的影響如下。

1)界面剪切強度。界面剪切強度表示軟化前的最大抗剪能力。CSL結構中的壓剪作用主要由圍巖壓力和變形引起,并通過隧道襯砌傳遞影響到防水層。一旦作用力超過界面剪切強度,界面(防水層或粘結面)就會受到不可修復的破壞,從而削弱防水層的功能。2個因素對界面剪切強度的影響如圖10(a)所示。其中防水層材料特性對剪切強度的影響更大,這再次證明了材料特性的重要性。

2)界面殘余剪切強度。試塊剪切破壞后仍有一定的應力;此外,隨著剪切位移的進一步增加,應力值的變化范圍很小。剩余的剪切應力稱為界面殘余剪切強度,代表CSL界面在破壞后所能承受的最大剪切應力。2個因素對界面殘余剪切強度的影響如圖10(b)所示。從Ⅰ型到Ⅲ型,殘余剪切強度呈上升趨勢,隨著法向壓應力的增加,上升趨勢變得不那么明顯。隨著法向壓應力從0.1 MPa增加到0.5 MPa,殘余剪切強度顯著增加。由此可以得出結論,殘余剪切強度受法向壓應力的影響更大。這是因為界面破壞后,殘余剪切應力主要由與法向壓應力正相關的摩擦力提供。

3)界面剪切模量。界面剪切模量與防水層的力學性能以及與砂漿塊之間的粘結力有關。同時,法向壓應力也會影響剪切模量。2個因素對界面剪切模量的影響如圖10(c)所示。從Ⅰ型到Ⅲ型,在0.1 MPa的法向壓應力下,剪切模量增加了120.2%,在0.3 MPa的法向壓應力下剪切模量增加了153.3%,在0.5 MPa的法向壓應力下剪切模量增加了162.4%。隨著法向壓應力從0.1 MPa增加到0.5 MPa,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型試塊的剪切模量分別增加了15.5%、48.1%、37.6%。由此可以得出結論,界面剪切模量受防水層材料類型的影響較大,因為在剪切彈性階段,剪切應力主要由防水層提供。

4)界面剪切-滑移能量。將應力-位移曲線積分乘以接觸面積,即可得到界面剪切-滑移能量,這反映了界面從彈性階段過渡到破壞所需的能量。界面從開始到破壞需要經歷一個剪切過程,所需的界面剪切滑移能量越大,破壞的脆性就越小。2個因素對界面剪切滑移能量的影響如圖10(d)所示?？梢钥闯?界面剪切滑移能量受法向壓應力的影響更大,因為當法向壓應力增大時,摩擦起主導作用。

5)界面剪切失效位移。界面剪切失效位移表示界面承受剪切變形所施加位移的能力。2個因素對破壞時界面剪切位移的影響如圖10(e)所示?？梢钥闯?隨著防水層的柔韌性增加,界面剪切失效位移也在增加。同時,法向壓應力對界面剪切失效位移也有不可忽略的影響。

結合第2.1.2節的討論,可以看出防水層的材料特性,尤其是與混凝土表面的粘結能力,對CSL的界面剪切-滑移特性更為重要。此外,防水層的內聚強度決定了剪切滑移過程中的破壞形式和完整性,這對保持防水層的防水功能非常重要。

3 結論與探討

本研究根據粘結強度和壓剪試驗對CSL復合試塊的剪切-滑移特性進行分析,獲得3種類型防水層材料的拉伸應力-位移曲線以及界面剪切應力-位移曲線。此外,還討論了防水層材料類型和法向壓應力對界面參數的影響。主要結論如下:

1)防水層的粘結強度隨著其力學性能的提高而增加。由粘結強度試驗中觀察到的破壞形式可知,粘結強度低于防水層內聚強度。這表明, 當防水層從混凝土表面剝離時依然保持其完整性而不被破壞,力學性能(尤其是內聚強度) 非常重要。

2)防水層材料特性和法向壓應力是影響界面剪切滑移特性的2個重要因素。其中,防水層材料特性對界面剪切強度和剪切模量的影響較大,而殘余剪切強度、剪切滑移能量和剪切失效位移受法向壓應力的影響較大。

本文暫時還未研究基面粗糙度、防水層與初期支護及二次襯砌不同粘結強度對界面力學特性的影響,以及地下水作用對防水層性能的影響等問題,這些將在后續的研究工作中進一步進行探討。