預(yù)埋管對自修復(fù)混凝土基體強度的影響

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(天津廣播電視大學(xué)，天津 300191)

引言

混凝土仿生自修復(fù)是模仿動物的骨組織結(jié)構(gòu)受創(chuàng)傷后的再生、恢復(fù)機理，在混凝土內(nèi)部復(fù)合含膠粘劑的修復(fù)容器，當混凝土出現(xiàn)裂縫時，部分修復(fù)容器破裂，膠粘劑流入裂縫固化，從而控制裂縫開裂并修復(fù)。這一新型的自修復(fù)系統(tǒng)可以解決采用傳統(tǒng)修補方法難以解決或不能解決的關(guān)鍵技術(shù)問題，如在重大土木基礎(chǔ)設(shè)施的及時修復(fù)以及減輕臺風(fēng)、地震的沖擊等方面，處于危險條件下構(gòu)筑物的自修復(fù)，如有毒、有污染物質(zhì)的處理設(shè)施，炸彈掩體，核反應(yīng)設(shè)施等都有很大的潛力。此外，混凝土自修復(fù)系統(tǒng)將免去有效的監(jiān)測、評估和外部修補所需的高額費用，節(jié)省建筑結(jié)構(gòu)運行費用，因而具有廣闊的應(yīng)用前景[1]。但目前國內(nèi)外對于自修復(fù)混凝土的研究仍處于試驗探索階段，自修復(fù)過程的許多相關(guān)理論還有待進一步地完善，修復(fù)中的許多細節(jié)問題還未得到很好的解決，比如修復(fù)容器與混凝土性能的匹配性、修復(fù)容器強度與混凝土基體強度的匹配性、修復(fù)容器的摻入對混凝土基體強度的影響等。

本研究以玻璃管作為自修復(fù)混凝土的修復(fù)容器，假定玻璃管與界面混凝土基體構(gòu)成理想的剛塑性體，建立微分單元體的受力平衡，推算出與混凝土基體強度相匹配的玻璃管壁厚，以保證在混凝土基體開裂的同時玻璃管開裂。通過試驗測定不預(yù)埋玻璃管及預(yù)埋不同數(shù)量玻璃管后的混凝土抗折試塊強度值，以抗折強度損失率定量估算玻璃管對混凝土基體強度的影響，并指導(dǎo)選擇適宜的預(yù)埋管數(shù)量。

1 預(yù)埋玻璃管的適宜性

玻璃是典型的脆性材料，沒有屈服階段，當負荷達到其極限強度時立即破裂；玻璃的線膨脹系數(shù)(約為1.0×10-5)與混凝土的線膨脹系數(shù)(約為1.0×10-5～1.4×10-5)十分相似，當溫度變化時，兩者不至于產(chǎn)生相對的溫度變形而破壞相互的粘結(jié)；另外，玻璃管的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，能長期保存在混凝土中而不影響混凝土的性能，對水、酸、鹽和各種化學(xué)試劑有良好的抗侵蝕能力，能長時間穩(wěn)定地儲存各種修復(fù)膠粘劑[2]。因此，玻璃管可作為混凝土基體灌漿通道的預(yù)埋管。

但玻璃管作為修復(fù)容器還存在諸多不足，比如以下幾個問題：

(1)玻璃管要隨混凝土的澆筑按預(yù)定位置放置，如何保證玻璃管不被破壞？若設(shè)定保護措施，必將增加施工工序，極大地降低混凝土的生產(chǎn)效率。

(2)混凝土一旦開裂，玻璃管同時破裂、膠粘劑及時流出才能有效控制裂縫，如何有效地選擇玻璃管的尺寸，保證其與混凝土基體強度基本一致。

(3)玻璃管破裂、膠粘劑流出后，玻璃管處形成空洞，玻璃管越多，形成的空洞也越多，如何確定玻璃管的適宜摻量，在滿足修復(fù)要求的前提下盡量減小對混凝土基體強度的影響。

2 預(yù)埋玻璃管適宜尺寸的選擇

匡亞川等[3]從玻璃纖維管微分單元的平衡狀態(tài)(如圖1所示)列出平衡方程式(1)，假定玻璃管與界面混凝土基體構(gòu)成理想的剛塑性體，推算得到混凝土開裂、玻璃纖維管及時發(fā)揮修復(fù)作用的壁厚計算公式(2)：

[πr2-π(r-t)2]σf+(2πr·dx)τ=
[πr2-π(r-t)2](σf+dσf)

(1)

(2)

圖1 玻璃管微分單元體的受力平衡

式中：r——玻璃纖維管的半徑；t——玻璃纖維管的壁厚，2rt?t2；c——混凝土凈保護層厚度；d——受拉鋼筋直徑；ρet——按有效受拉混凝土截面面積計算的縱向鋼筋配筋率，當ρet<0.01時，取ρet=0.01；v——鋼筋表面的特征系數(shù)，對變形鋼筋取v=0.7，對光面鋼筋取v=1.0；τy——混凝土基體剪應(yīng)力的屈服值；σfu——玻璃纖維管的極限拉伸強度。 參照(2)式，對預(yù)埋玻璃管的壁厚進行估算。以強度等級為C40，受拉區(qū)配置2Ф 4 mm鋼絲的混凝土抗折試塊作為自修復(fù)混凝土基體為例，取c=20 mm，d=4 mm，取ρet=0.01，光圓鋼筋表面特征系數(shù)v=1.0，τy取混凝土抗拉強度(C40混凝土的抗拉強度ft=1.71 MPa)，σfu取玻璃的極限抗拉強度(約為85 MPa)，由(2)式得：t=1.26 mm?？紤]澆筑試塊時的誤差及裂縫間距的離散性，可選擇1.0～1.5 mm壁厚的玻璃管。

3 預(yù)埋玻璃管適宜數(shù)量的確定

3.1 原材料及試驗方法

(1)原材料：42.5R普通硅酸鹽水泥；河產(chǎn)特細砂，細度模數(shù)為1.18；石灰石碎石，粒徑5～25 mm；中性(白)玻管，壁厚1 mm(內(nèi)徑2 mm，外徑4 mm)。

(2)試驗方法：按照JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》進行不同強度等級(C30、C40、C50)混凝土的配制；按照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標準》，制作100 mm×100 mm×400 mm的混凝土抗折試塊，將內(nèi)徑2 mm、外徑4 mm的中性(白)玻管按預(yù)定位置與混凝土抗折試塊通長配置。通過測定相同條件下不內(nèi)置玻璃管與內(nèi)置不同數(shù)量玻璃管的混凝土抗折強度值，按照(3)式計算抗折強度損失率，進行預(yù)埋玻璃管對混凝土基體強度影響的定量估算。

(3)

式中：fa——混凝土抗折強度損失率，%；f——未置入玻璃管的混凝土抗折強度值或平均值，MPa；f′——置入玻璃管的混凝土抗折強度值或平均值，MPa。

預(yù)埋玻璃管自修復(fù)混凝土抗折試塊模型如圖2所示。

圖2 預(yù)埋玻璃管自修復(fù)混凝土抗折試塊模型

3.2 試驗結(jié)果分析

玻璃管選擇內(nèi)置1根、2根和3根，布置方式如圖3所示。內(nèi)置1根時，L1=1/2L；內(nèi)置2根時，L2=(1/5～1/4)L，L3=(1/4～1/3)L；內(nèi)置3根時，L1=1/2L，L2=(1/5～1/4)L，L3=(1/4～1/3)L。L=100 mm[4]。

圖3 內(nèi)置不同數(shù)量玻璃管的試塊截面示意圖

不同強度等級混凝土試塊(C30、C40、C50)在不內(nèi)置玻璃管(0組)與內(nèi)置不同根數(shù)玻璃管(1、2、3組)，在相同的試塊制作及養(yǎng)護條件下，3 d齡期和28 d齡期的抗折強度實測值見表1。

表1 預(yù)埋不同數(shù)量玻璃管的混凝土抗折強度 MPa

以不內(nèi)置玻璃管的抗折強度值為基準強度，采用(3)式計算內(nèi)置不同根數(shù)玻璃管時，各強度等級混凝土的抗折強度損失率見表2。

表2中的負值表示預(yù)埋玻璃管對混凝土試塊的抗折強度起到增強作用，正值表示削弱了混凝土試塊的抗折強度。預(yù)埋3根玻璃管，試塊的抗折強度損失率最大達到9%，這一削弱影響已較為明顯，需要采取相應(yīng)的補強措施；預(yù)埋2根玻璃管，試塊的抗折強度損失率最大為5%，且能滿足修復(fù)的要求；預(yù)埋1根玻璃管，對基體強度影響不大，但玻璃管一旦破損或阻塞，將無法實施漿液輸入。因此，在本試驗條件下，最適宜的預(yù)埋玻璃管數(shù)量為2根，既可以滿足修復(fù)要求，又對混凝土基體強度不造成太大的影響。

表2 不同強度等級混凝土的抗折強度損失率 %

4 結(jié)論

4.1 預(yù)埋玻璃管自修復(fù)混凝土可以通過建立微分單元體的受力平衡方程，對預(yù)埋管的壁厚(或管徑)進行估算。在本試驗條件下，采用中空玻璃管與混凝土抗折試塊通長配置，適宜的玻璃管壁厚估算為1.26 mm，實際選用1 mm(內(nèi)徑2 mm，外徑4 mm)，試驗過程中玻璃管無提前破損，而是隨混凝土試塊的開裂而同時破裂。

4.2 以抗折強度損失率可指導(dǎo)選擇出適宜的預(yù)埋管數(shù)量。本試驗條件下，當預(yù)埋2根玻璃管時，混凝土試塊的抗折強度損失率在5%以內(nèi)；當預(yù)埋3根玻璃管時，抗折強度損失率達到9%。因預(yù)埋2根玻璃管已能滿足修復(fù)的要求，故適宜的預(yù)埋玻璃管數(shù)量為2根。

4.3 從仿生自修復(fù)混凝土的研究現(xiàn)狀來看，無論在理論上還是實際應(yīng)用上均需進一步完善。在完善的過程中，可以嘗試在理論上考慮研究梯度型的自修復(fù)混凝土，而在實際應(yīng)用中對混凝土的局部易開裂部位采取自修復(fù)處理。預(yù)埋管自修復(fù)混凝土即是上述梯度型、局部處理探索性思維的一種體現(xiàn)，是一種新的嘗試，可為新型仿生自修復(fù)混凝土材料的深入研究提供參考。

參考文獻：

[1] 匡亞川，歐進萍.混凝土裂縫的仿生自修復(fù)研究與進展[J].力學(xué)進展，2006，36(3)：406-414.

[2] 成新元，朱建明，韋灼彬.自修復(fù)混凝土研究和應(yīng)用的幾個問題[J].工業(yè)建筑，2008，7(S1)：1752-1757.

[3] 匡亞川.具有裂縫自愈合行為的兩種混凝土材料及其構(gòu)件[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2002.

[4] 全世海.預(yù)埋管灌漿修補混凝土裂縫試驗研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2006.