ECC－混凝土黏結(jié)界面斷裂試驗(yàn)研究

余江滔，許萬里，張遠(yuǎn)淼

（同濟(jì)大學(xué) 結(jié)構(gòu)工程與防災(zāi)研究所，上海 200092）

超高韌性水泥基復(fù)合材料（ECC）［1］作為一種新型材料備受關(guān)注.與傳統(tǒng)的剛性建筑材料相比，雖然ECC的彈性模量較低，但有較強(qiáng)的變形能力，具有類似金屬材料的拉伸強(qiáng)化特征，其極限拉應(yīng)變可達(dá)3%以上；與傳統(tǒng)水泥基材料在軸向拉力下單一裂紋的宏觀開裂模式不同，ECC 材料為多條細(xì)密裂紋的微觀開裂模式，具有優(yōu)越的裂縫分散能力；使用ECC的結(jié)構(gòu)除了具有抗坍塌能力，還具有高損傷承受能力，遭受地震破壞后的殘余裂縫寬度很小，能夠極大減少地震后的修補(bǔ)費(fèi)用.作為修復(fù)材料應(yīng)具有較低的起裂韌度、隨著裂縫在修復(fù)材料中的擴(kuò)展其裂縫擴(kuò)展阻力迅速提高的特點(diǎn).ECC 材料正好滿足這2個(gè)條件.用ECC 修復(fù)混凝土?xí)r，在一定的加載條件下，ECC－混凝土的界面裂縫符合偏折、擴(kuò)展、捕捉、界面裂縫繼續(xù)發(fā)展的規(guī)律，而且ECC 具有延性好、耗能大、可控制裂縫寬度等特點(diǎn)，使被加固的混凝土不會(huì)破壞.

Li和Lim［2－3］通過對(duì)稱與反對(duì)稱四點(diǎn)彎曲梁試件進(jìn)行了ECC－混凝土裂縫界面的斷裂試驗(yàn)，計(jì)算了不同相位角下黏結(jié)界面斷裂韌性、相對(duì)裂縫驅(qū)動(dòng)力與相對(duì)裂縫擴(kuò)展阻力，重點(diǎn)研究了界面裂縫捕捉的條件，結(jié)果表明，界面裂縫捕捉與相位角密切相關(guān).此外，Kamada等［4］采用四點(diǎn)彎曲梁討論了黏結(jié)界面的粗糙程度對(duì)混凝土罩面層裂縫捕捉的影響，試驗(yàn)表明，光滑黏結(jié)的試件能表現(xiàn)出更好的應(yīng)變硬化效果，會(huì)產(chǎn)生多次裂縫偏折現(xiàn)象.王楠等［5］通過ECC與既有混凝土黏結(jié)試件的劈拉和剪切試驗(yàn)表明：黏結(jié)強(qiáng)度（黏結(jié)劈拉強(qiáng)度、黏結(jié)剪切強(qiáng)度）隨既有混凝土黏結(jié)面粗糙度的提高而增大.需要特別指出是，適當(dāng)?shù)脑嚰叽绾图虞d方式能使ECC－混凝土黏結(jié)界面處于某種受力環(huán)境（比如相位角＞41°），正好可以滿足裂縫發(fā)生偏折的條件.在實(shí)現(xiàn)裂縫的偏折－捕捉－界面發(fā)展－偏折過程中，ECC－混凝土的黏結(jié)界面越光滑，就越能發(fā)揮ECC的優(yōu)勢(shì).當(dāng)ECC 用于修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)，其黏結(jié)界面的位置和受力狀況不能保證界面裂縫發(fā)生偏折并實(shí)現(xiàn)ECC 對(duì)裂縫的控制與捕捉，在這種情況下，界面的粗糙度將會(huì)影響?zhàn)そY(jié)界面強(qiáng)度，進(jìn)而會(huì)影響整個(gè)黏結(jié)體系的性能，所以有必要對(duì)ECC－混凝土黏結(jié)界面的粗糙度和處理措施進(jìn)行詳細(xì)討論.

關(guān)于黏結(jié)界面的性能測(cè)試方法，目前主要分為2類：黏結(jié)測(cè)試與斷裂測(cè)試.前者可以得到黏結(jié)界面的強(qiáng)度指標(biāo)，比如受拉、受壓、受剪強(qiáng)度最大值，但只能用來區(qū)別不同的黏結(jié)體系，不能真正反映黏結(jié)界面的斷裂過程；后者能夠得到裂縫在黏結(jié)界面偏向和發(fā)展的規(guī)律，從而揭示黏結(jié)界面的斷裂機(jī)理.本文采用楔入劈拉法研究粗糙度對(duì)ECC－混凝土黏結(jié)界面性能的影響，以期為ECC在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供參考.

1 雙材料界面裂縫分析

對(duì)于雙材料楔入劈拉試驗(yàn)，需要采用截面斷裂力學(xué)進(jìn)行分析［6］.圖1為雙材料楔入劈拉試件與界面裂縫偏折示意圖.材料1（混凝土）在上，材料2（ECC）在下，其剪切模量、彈性模量與泊松比分別為Gi，Ei，μi（i＝1，2），在材料2中，有1條偏折裂縫，長(zhǎng)度為a，偏折角度為Ω.

對(duì)于ECC－混凝土體系，Dundurs參數(shù)α，β 分別為：

圖1 雙材料楔入劈拉試件與界面裂縫偏折示意圖Fig.1 Diagrams for the specimens for bi－material WST and the kinking of an interface crack

對(duì)于界面裂縫，當(dāng)滿足式（3）時(shí)，會(huì)發(fā)生如圖1（b）所示的偏折.

式中：Γi（）為界面斷裂韌度，是混合度的函數(shù)；Γs為基材斷裂韌度；G 為界面裂縫能量釋放率；為偏折裂縫最大能量釋放率.

雙材料試件的混合度可用式（4）進(jìn)行計(jì)算.

式中：ψ 為相位角；ε為振蕩因子；L 為試件尺寸.

振蕩因子可表達(dá)為：

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，通常取β＝0，即ε＝0，則相位角為：

式中：KⅠ，KⅡ?yàn)槠哿芽p所在材料的強(qiáng)度因子；ω＊為偏折角.

界面斷裂韌度Γ（ψ）與相位角的關(guān)系［7－8］為：

式中：Γ（0°）表示相位角為0°時(shí)的界面斷裂韌度.

對(duì)于楔入劈拉試件，ψ＝ω＊，ω＊為α，β 的函數(shù)，其關(guān)系如圖3所示［9］.

2 雙材料試件設(shè)計(jì)及楔入劈拉試驗(yàn)

雙材料楔入劈拉試件左半邊為ECC 材料，右半邊為混凝土材料（見圖4（a））.在澆筑過程中，先澆筑混凝土試件，待養(yǎng)護(hù)完成后，對(duì)其用于黏結(jié)的一面先進(jìn)行粗糙化處理，再放入模具中，水平澆筑另外半邊的ECC材料，養(yǎng)護(hù)28d后進(jìn)行楔入劈拉試驗(yàn).

水泥為42.5普通硅酸鹽水泥，沙子為細(xì)沙，水為普通自來水.混凝土采用C30商品混凝土同批次澆筑，其配合比為m（水泥）∶m（沙子）∶m（碎石）∶m（水）＝1.00∶1.67∶2.85∶0.53.混凝土拌和、澆注時(shí)采用插式振搗器振搗，室內(nèi)自然養(yǎng)護(hù)28d.ECC材料采用文獻(xiàn)［10］的配合比，并按照一定攪拌順序進(jìn)行攪拌澆筑.本文共制備5組試件（見表1）：1組混凝土楔入劈拉試件，1組ECC楔入劈拉試件，3組不同粗糙度雙材料楔入劈拉試件.在ECC 楔入劈拉試件與不同粗糙度楔入劈拉試件中，均制備了1組無纖維純水泥漿試件，以研究纖維材料對(duì)黏結(jié)界面性能的影響.粗糙黏結(jié)面試件分最粗糙面、次粗糙面、光滑面3種.最粗糙面，即自然斷開面，用試驗(yàn)機(jī)將既有混凝土試塊從中間劈開，取其斷裂面作為黏結(jié)面，并除去斷面松動(dòng)和開裂等不穩(wěn)定部位；次粗糙面由既有混凝土斷裂面經(jīng)砂輪適當(dāng)打磨制成；光滑面由既有混凝土自然澆筑面經(jīng)鋼絲刷刷毛后除去表層浮漿制成.

圖4 雙材料楔入劈拉試件尺寸及加載示意圖Fig.4 Loading and the dimensions of specimens for WST（size：mm）

采用1 000kN 電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行楔入劈拉試驗(yàn)，加載示意圖如圖4（b）所示，由動(dòng)靜態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集試驗(yàn)數(shù)據(jù).劈拉試驗(yàn)中，在預(yù)制裂縫開口處及預(yù)制裂縫尖端安裝量程為10mm 的夾式引伸計(jì)，以測(cè)量試件的裂縫開口位移（CMOD）.在混凝土試件試驗(yàn)中，先以荷載控制加載，加載速率為20N／s，目標(biāo)值為2 000N，然后以位移控制加載，加載速率為0.15mm／min，至試驗(yàn)結(jié)束；在ECC 試件試驗(yàn)中，同樣先以荷載控制加載，加載速率為20N／s，目標(biāo)值為2 000N，然后以位移控制加載，加載速率為0.20mm／min，至試驗(yàn)結(jié)束；在雙材料試件試驗(yàn)中，以荷載控制的加載速率為10 N／s，目標(biāo)值為1 000N，以位移控制的加載速率為0.10mm／min，至試驗(yàn)結(jié)束.

表1 楔入劈拉試件編號(hào)Table 1 Specimens code used during wedge splitting test

3 楔入劈拉試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 單材料的楔入劈拉試驗(yàn)結(jié)果

在ECC試件的加載過程中，其預(yù)制裂縫的尖端處有多條細(xì)密裂縫平行發(fā)展（見圖5（a）），隨著水平荷載的加大，細(xì)密裂縫逐漸匯集成主裂縫，而附近的細(xì)密裂縫趨于閉合，且整個(gè)開裂過程伴隨纖維斷裂聲.可以看出，ECC 試件的斷面上纖維密集、均勻.混凝土試件在加載階段，沿預(yù)制裂縫處有1條細(xì)微裂縫向下發(fā)展，荷載隨即下降，而后裂縫變寬，并繼續(xù)向下發(fā)展直至貫通.開裂裂縫基本豎直向下，沒有分叉裂縫.當(dāng)荷載變?yōu)?（試驗(yàn)結(jié)束）時(shí)，試件沿預(yù)制裂縫方向完全劈開，劈裂面較為平整，且斷裂面上有數(shù)處骨料拉斷.對(duì)于沒有纖維的純水泥漿試件（無纖維材料的ECC試件），其破壞過程與混凝土試件相同，只是脆性特征更為明顯.由ECC 及混凝土試件的p－CMOD曲線（見圖6）可見，ECC 材料的彈性模量小于混凝土的彈性模量；ECC，混凝土與純水泥漿試件的峰值荷載分別約為12，9，4kN；ECC 試件在峰值荷載后，仍有較好的延性，在CMOD 不斷增大時(shí)，其承載力基本保持不變，而混凝土、純水泥漿試件在峰值荷載后，承載力迅速下降，延性較差.

3.2 雙材料楔入劈拉試驗(yàn)結(jié)果

圖5 ECC試件多裂縫開裂模式及斷面照片F(xiàn)ig.5 Multiple－crack mode of ECC WST specimens and interface profile diagrams

圖6 ECC及混凝土試件的p－CMOD曲線Fig.6 p－CMOD curves of ECC and concrete WST specimens

雙材料楔入劈拉試件加載后，裂縫沿原有黏結(jié)界面開展，出現(xiàn)的單條裂縫隨著加載的進(jìn)行而逐漸變寬，達(dá)到峰值荷載后，CMOD 逐漸變大，荷載不斷下降.黏結(jié)面斷開后，破壞面上有纖維殘留，骨料與ECC的黏結(jié)界面完全脫開，表面光滑，這說明骨料與ECC的黏結(jié)界面是混凝土－ECC黏結(jié)界面的薄弱環(huán)節(jié).在不同粗糙度黏結(jié)面試件斷面上，纖維的殘余量不同，最粗糙面與次粗糙面試件的纖維殘余量較多，光滑面試件的纖維殘余量最少（見圖7）.根據(jù)文獻(xiàn)［5］的分析可知，ECC與既有混凝土的黏結(jié)是由于ECC的基體填充至混凝土界面的空隙中，并滲透到界面下的混凝土后發(fā)生物理、化學(xué)反應(yīng)，在混凝土的凸凹部、孔洞、裂縫等處，形成C－S－H 凝膠、C－H 晶體，從而產(chǎn)生機(jī)械咬合力、范德華力和界面化學(xué)作用力所致.ECC與既有混凝土的接觸面積和界面微細(xì)觀結(jié)構(gòu)決定了兩者黏結(jié)面的整體宏觀力學(xué)性能，當(dāng)兩者間的接觸面積增大或界面微細(xì)觀結(jié)構(gòu)得到改善時(shí)，2種材料的黏結(jié)強(qiáng)度也會(huì)相應(yīng)提高.因此，黏結(jié)面的粗糙度越大，混凝土與ECC在界面處的物理、化學(xué)反應(yīng)就越充分，黏結(jié)強(qiáng)度就越大，裂縫偏向ECC的可能性就越大，導(dǎo)致纖維的殘余量也就越大.

圖7 不同粗糙度黏結(jié)面試件的斷裂面Fig.7 Interface profile diagrams of WST specimens with different roughness interfaces

圖8 不同粗糙度黏結(jié)面試件的p－CMOD曲線Fig.8 p－CMOD curves of WST specimens with different roughness interfaces

圖8為不同粗糙度黏結(jié)面試件的p－CMOD 曲線.由圖8可見，由于黏結(jié)界面殘余纖維的存在，導(dǎo)致雙材料試件在達(dá)到極限荷載后，荷載并未迅速下降，而是隨著CMOD 的增大而緩慢減?。患兯酀{雙材料試件（NRR－2，NR－3）在達(dá)到極限荷載后，荷載明顯下降，其p－CMOD曲線與純水泥漿楔入劈拉試件（NECC－6）相同；而最光滑界面試件（NS－6）具有更低的p－CMOD曲線.

表2 楔入劈拉法試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Test results from WSTs

式中：B，D 分別為試件的厚度和高度；α 為相對(duì)縫長(zhǎng)，α＝ac／D，ac為臨界裂縫長(zhǎng)度；pmax為極限荷載.

由表2可見，3 組粗糙度黏結(jié)面試件的峰值荷載平均值分別為4.16，4.04，2.37kN，斷裂韌度平均值分別為0.37，0.36，0.24MPa·m1／2，峰值荷載與斷裂韌度隨著界面粗糙度的降低而不斷減小，最粗糙面與次粗糙面試件的峰值荷載、斷裂韌度比較接近，而光滑面試件的這些參數(shù)下降較為明顯.經(jīng)計(jì)算，無纖維楔入劈拉試件（NECC－6）的峰值荷載與斷裂韌度分別為3.78kN，0.42MPa·m1／2，純水泥漿雙材料試件（NRR－2，NR－3，NS－6）的峰值荷載分別為3.80，3.78，2.43kN，斷裂韌度分別為0.34，0.34，0.22 MPa·m1／2.相比于混凝土試件與ECC試件，由于ECC與混凝土的黏結(jié)界面為兩者結(jié)合的薄弱區(qū)，在荷載作用下，黏結(jié)界面開裂，很難實(shí)現(xiàn)界面裂縫的偏折及ECC對(duì)裂縫的捕捉，僅僅是黏結(jié)界面上殘余的纖維使界面破壞稍顯緩慢，并具有一定的延展性.

3.3 裂縫偏折破壞與界面破壞分析

參照文獻(xiàn)［12］，根據(jù)楔入劈拉試驗(yàn)結(jié)果，由式（1）得α＝0.26，按圖3 得ψ＝10°，再按圖8 得G／＝0.898，而ECC的斷裂韌度為0.42MPa·m1／2，則由式（3）得界面斷裂韌度Γi＞0.38MPa·m1／2，這時(shí)界面裂縫將發(fā)生偏折.如果采用裂縫偏折判斷條件，并根據(jù)斷裂韌度（見表2）進(jìn)行判斷，則最粗糙與次粗糙界面試件的界面裂縫將會(huì)發(fā)生偏折，而光滑界面試件的界面裂縫將不會(huì)發(fā)生偏折，繼續(xù)沿黏結(jié)界面開展.但是，從界面破壞和偏折破壞的綜合評(píng)價(jià)看［13］，當(dāng)裂縫有向較強(qiáng)材料（混凝土）一側(cè)偏折的傾向時(shí)，由于先達(dá)到界面破壞準(zhǔn)則，將發(fā)生界面破壞；當(dāng)裂縫有向較弱材料（ECC）一側(cè)偏折的傾向時(shí)，如果相位角較小（偏折破壞的角度較?。?，則先達(dá)到界面破壞準(zhǔn)則，產(chǎn)生界面破壞，如果相位角較大，則先達(dá)到偏折破壞準(zhǔn)則，將會(huì)發(fā)生偏折破壞.試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)處于楔入劈拉對(duì)稱加載時(shí)，最粗糙和次粗糙試件主要以骨料－ECC黏結(jié)界面破壞及小角度偏折界面破壞為主，而光滑試件主要以界面破壞為主，這也是本文中不同粗糙度黏結(jié)界面參數(shù)小于ECC 或混凝土參數(shù)的原因.

3.4 界面粗糙度對(duì)界面裂縫偏折的影響

對(duì)于給定的加載條件，界面韌性隨界面粗糙度的提高而增大，而對(duì)于給定的界面粗糙度，界面韌性明顯依賴于混合度，隨剪切分量的增大而增大［14］.根據(jù)ECC與混凝土黏結(jié)機(jī)理及試驗(yàn)結(jié)果，可以認(rèn)為提高界面粗糙度將會(huì)提高界面的斷裂韌度Γ（0°）.假設(shè)Γ（0°）1，Γ（0°）2，Γ（0°）3，Γ（0°）4，Γ（0°）5為不同界面粗糙度下相對(duì)應(yīng)的斷裂韌度，且滿足Γ（0°）1＜Γ（0°）2＜Γ（0°）3＜Γ（0°）4＜Γ（0°）5，可得到不同黏結(jié)界面的相對(duì)裂縫驅(qū)動(dòng)力與相對(duì)裂縫擴(kuò)展阻力曲線（見圖9）.由圖9可見，Γ（0°）2，Γ（0°）3，Γ（0°）4的相對(duì)裂縫擴(kuò)展阻力曲線分別與相對(duì)裂縫驅(qū)動(dòng)力曲線相交，其交點(diǎn)的橫坐標(biāo)分別為ψ2，ψ3，ψ4，且ψ2＞ψ3＞ψ4，滿足界面裂縫偏折；Γ（0°）1，Γ（0°）5的相對(duì)裂縫擴(kuò)展阻力曲線分別位于相對(duì)裂縫驅(qū)動(dòng)力曲線的下面和上面，無交點(diǎn)，這說明不管處于何種加載狀態(tài)，裂縫始終沿界面開展，不會(huì)偏折.對(duì)于界面韌性為Γ（0°）2，Γ（0°）3，Γ（0°）4的試件，隨著界面韌性的提高，界面裂縫滿足偏折的相位角逐漸變小.換言之，當(dāng)提高黏結(jié)界面粗糙度時(shí)，界面裂縫在加載過程中易于偏向ECC，可實(shí)現(xiàn)ECC的裂縫偏折與捕捉.另外，當(dāng)界面裂縫不滿足偏折條件時(shí)，界面會(huì)出現(xiàn)破壞，此時(shí)提高黏結(jié)界面粗糙度，可以保證黏結(jié)界面有一定強(qiáng)度.這與試驗(yàn)結(jié)果相同.

圖9 相對(duì)裂縫驅(qū)動(dòng)力、相對(duì)裂縫擴(kuò)展阻力與相位角的變化曲線Fig.9 Trend of the relative crack driving force and the relative crack expand resistance with the phase angle

4 結(jié)論

（1）在楔入劈拉試驗(yàn)中，最粗糙和次粗糙界面試件以骨料－ECC黏結(jié)界面破壞及小角度偏折界面破壞為主，光滑界面試件以界面破壞為主；破壞界面上的殘余纖維可使界面破壞稍顯緩慢.

（2）3組粗糙度黏結(jié)面試件的峰值荷載平均值分別為4.16，4.04，2.37kN，斷裂韌度平均值分別為0.37，0.36，0.24MPa·m1／2，雙材料試件的峰值荷載與斷裂韌度隨界面粗糙度的降低而減小.

（3）提高黏結(jié)界面粗糙度，界面裂縫在加載過程中易于偏向ECC，可實(shí)現(xiàn)ECC 的裂縫偏折與捕捉.另外，當(dāng)界面裂縫不滿足偏折條件時(shí)，界面會(huì)出現(xiàn)破壞，此時(shí)提高黏結(jié)界面粗糙度，可以保證其強(qiáng)度有一定程度的提高.

（4）當(dāng)黏結(jié)界面受力狀況不明確時(shí)，應(yīng)盡量提高ECC－混凝土界面粗糙度.在實(shí)際工程應(yīng)用中，要合理設(shè)置ECC－混凝土黏結(jié)界面的位置，避免發(fā)生界面破壞，影響ECC效應(yīng)的發(fā)揮.

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