纖維水泥砂漿與混凝土界面黏結(jié)性能鉆芯拉拔試驗(yàn)研究

卜良桃，周云鵬

(湖南大學(xué)土木工程學(xué)院,湖南 長沙　410082)

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纖維水泥砂漿與混凝土界面黏結(jié)性能鉆芯拉拔試驗(yàn)研究

卜良桃，周云鵬

(湖南大學(xué)土木工程學(xué)院,湖南 長沙410082)

為研究纖維水泥砂漿與混凝土界面黏結(jié)性能,采用鉆芯拉拔法試驗(yàn)制作模擬中型柱混凝土構(gòu)件,并分別外包不同強(qiáng)度的聚乙烯醇纖維水泥砂漿、聚丙烯纖維水泥砂漿、鋼纖維水泥砂漿。對制作的試驗(yàn)構(gòu)件進(jìn)行鉆芯拉拔試驗(yàn),得出界面破壞時的拉拔力,將得到的不同類型的纖維水泥砂漿構(gòu)件拉拔力數(shù)據(jù)與構(gòu)件混凝土軸心抗拉強(qiáng)度、纖維水泥砂漿抗壓強(qiáng)度進(jìn)行比較分析。結(jié)果表明,在該試驗(yàn)中合成纖維水泥砂漿的界面黏結(jié)強(qiáng)度比鋼纖維水泥砂漿的界面黏結(jié)強(qiáng)度高;界面黏結(jié)強(qiáng)度與構(gòu)件混凝土軸心抗拉強(qiáng)度呈正相關(guān)關(guān)系,與纖維水泥砂漿抗壓強(qiáng)度呈正相關(guān)關(guān)系,界面黏結(jié)力與砂漿抗壓強(qiáng)度呈線性相關(guān)關(guān)系。

纖維水泥砂漿;混凝土;界面;黏結(jié)性能;鉆芯拉拔;相關(guān)系數(shù);線性相關(guān)

纖維水泥砂漿加固混凝土是在混凝土構(gòu)件表面綁扎鋼筋網(wǎng),然后再抹上一層纖維水泥砂漿薄層形成完整的加固層,加固層與原構(gòu)件作為一個整體協(xié)同工作共同受力,以提高結(jié)構(gòu)承載力[1-2]。常用的纖維有合成纖維及鋼纖維[3]。與傳統(tǒng)的混凝土加大截面方法類似,纖維水泥砂漿加固技術(shù)的加固效果關(guān)鍵取決于加固層與原有結(jié)構(gòu)層之間的黏結(jié)質(zhì)量[4]。如何使新加纖維水泥砂漿與原有混凝土的整體工作共同受力,防止出現(xiàn)界面黏結(jié)滑移或剝離破壞而導(dǎo)致加固作用失效,是該新型加固方法成功應(yīng)用的關(guān)鍵點(diǎn)[5-6]。所以研究新加纖維水泥砂漿層與原混凝土的界面黏結(jié)性能,探討提高界面黏結(jié)強(qiáng)度的方法和措施,具有很強(qiáng)的工程背景和實(shí)際意義。

目前,國內(nèi)對于界面黏結(jié)性能的試驗(yàn)研究主要集中在劈裂抗拉試驗(yàn)、直接抗拉試驗(yàn)、剪切強(qiáng)度試驗(yàn)、抗折強(qiáng)度試驗(yàn)和拉拔強(qiáng)度試驗(yàn)[7]。鉆芯拉拔法是一種解除約束的拔出法,它是一種將鉆芯法與拔出法相結(jié)合的檢驗(yàn)界面黏結(jié)狀況的試驗(yàn)方法[8]。鉆芯拉拔法通過對結(jié)構(gòu)的局部破壞來獲得結(jié)構(gòu)的實(shí)際抵抗破壞能力[9],其優(yōu)點(diǎn)在于能較真實(shí)地反映修補(bǔ)界面的實(shí)際工作情況,缺點(diǎn)在于影響因素較多且對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的損傷[10]。目前該試驗(yàn)方法多用于新老混凝土黏結(jié)性能研究,除文獻(xiàn)[2]外該方法在纖維水泥砂漿與混凝土黏結(jié)性能的研究中應(yīng)用較少。本文研究試驗(yàn)室中添加不同纖維的多種強(qiáng)度配比的水泥砂漿與混凝土構(gòu)件黏結(jié)界面的實(shí)際抗拉破壞能力,采用鉆芯拉拔法能夠較好地完成預(yù)定的研究計劃。

1　試 驗(yàn) 方 案

1.1試驗(yàn)原理

鉆芯拉拔試驗(yàn)是一種改進(jìn)的間接拉伸試驗(yàn)方法,它通過鉆芯設(shè)備解除芯樣周圍的約束僅保留界面處的約束,然后粘貼拉拔盤來實(shí)現(xiàn)加載,借助拉拔設(shè)備可以獲得界面破壞時的極限拉力,從而間接地得到界面的極限拉應(yīng)力,其原理如圖1所示。先在試驗(yàn)室制作混凝土試件,對界面進(jìn)行人工鑿毛后修補(bǔ)纖維水泥砂漿,經(jīng)過自然養(yǎng)護(hù)后,使用金剛石薄壁空心鉆鉆取芯樣,鉆取芯樣時應(yīng)保證芯樣垂直,芯樣深度應(yīng)大于砂漿層厚度,芯樣頂面干燥后用結(jié)構(gòu)膠黏結(jié)與芯樣直徑相當(dāng)?shù)睦伪P,結(jié)構(gòu)膠固結(jié)后使用拉拔儀進(jìn)行拉拔,測得芯樣的砂漿層與基底層剝離破壞時的拉拔力P,由拉拔力P與芯樣直徑D可以計算得到界面的黏結(jié)強(qiáng)度值。

圖1　鉆芯拉拔試驗(yàn)原理Fig. 1　Principle of core drilling and pull-off test

1.2試驗(yàn)設(shè)計

圖2　鉆芯拉拔試驗(yàn)現(xiàn)場Fig. 2　Site of core drilling and pull-off test

采用標(biāo)準(zhǔn)方法制作尺寸為300 mm×300 mm×600 mm的混凝土模擬中型柱試件,試件混凝土強(qiáng)度等級為C15、C20、C30、C40、C50。對試件表面進(jìn)行人工鑿毛[11],然后分別抹壓強(qiáng)度等級為M20、M30、M40、M50、M60、M70、M80、M90、M100的聚乙烯醇纖維水泥砂漿、聚丙烯纖維水泥砂漿、鋼纖維水泥砂漿,砂漿層厚度為30 mm。各纖維種類對應(yīng)的C15-M20、C20-M30、C20-M40、C30-M50、C30-M60、C40-M70、C40-M80、C50-M90、C50-M100纖維砂漿薄層加固混凝土構(gòu)件各3個,每組砂漿預(yù)留邊長70.7 mm的立方體試塊3個。在制作好的模擬加固試件上使用內(nèi)徑60 mm的金剛石薄壁空心鉆鉆取芯樣,每個試件上芯樣數(shù)量為3個,相鄰芯樣間的間距不小于60 mm,芯樣距試件邊緣不小于60 mm[12]。使用結(jié)構(gòu)膠將金屬拉拔盤粘貼在芯樣頂部,并保證拉拔盤上的桿件垂直,待結(jié)構(gòu)膠固結(jié)后使用精度為0.1 kN的錨桿拉力計進(jìn)行拉拔。試驗(yàn)現(xiàn)場情況如圖2所示。

試驗(yàn)所采用的纖維規(guī)格為:聚乙烯醇纖維、聚丙烯纖維、鋼纖維規(guī)格均為Φ0.02 mm×8 mm,纖維摻入量體積比均為0.4%。

2　試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)共設(shè)置有27組構(gòu)件(纖維種類、混凝土強(qiáng)度與砂漿強(qiáng)度組合),每組3個構(gòu)件,每個構(gòu)件上鉆取了3個芯樣。使用精度為0.1 kN的錨桿拉力計對芯樣頂部的拉拔盤施加豎向拉拔力,得到界面破壞時的破壞荷載,計算破壞荷載的平均值,由公式fn=4P/πD2計算出各組試件的界面黏結(jié)應(yīng)力fn,試驗(yàn)中芯樣直徑D=60 mm。對預(yù)留的標(biāo)準(zhǔn)砂漿試塊進(jìn)行抗壓試驗(yàn),得到各組砂漿的抗壓強(qiáng)度平均值fc。鉆芯拉拔試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1　鉆芯拉拔試驗(yàn)結(jié)果Table 1　Results of core drilling and pull-off tests

2.2界面黏結(jié)強(qiáng)度與纖維類型關(guān)系

對表1中的不同纖維種類水泥砂漿界面黏結(jié)應(yīng)力進(jìn)行比較,結(jié)果如圖3所示。試驗(yàn)表明相同強(qiáng)度等級組合下,3種纖維水泥砂漿與混凝土界面黏結(jié)強(qiáng)度由高到低排序?yàn)?聚乙烯醇纖維砂漿、聚丙烯纖維砂漿、鋼纖維砂漿。將聚乙烯醇纖維水泥砂漿與聚丙烯纖維水泥砂漿統(tǒng)稱為合成纖維水泥砂漿,并將二者的界面黏結(jié)強(qiáng)度平均值與鋼纖維水泥砂漿界面黏結(jié)強(qiáng)度進(jìn)行對比,結(jié)果如表2所示。結(jié)果表明,相同的混凝土與砂漿強(qiáng)度等級組合下,纖維體積比同為0.4%的合成纖維水泥砂漿界面黏結(jié)強(qiáng)度比鋼纖維水泥砂漿高0.56%～6.19%(G組數(shù)據(jù)除外)。

圖3 相同強(qiáng)度組合下不同種類砂漿界面黏結(jié)強(qiáng)度對比Fig.3 Comparisonofinterfacialbondstrengthsfordifferenttypesofmortarinterfaceswithsamestrengthlevel表2 合成纖維水泥砂漿與鋼纖維水泥砂漿黏結(jié)強(qiáng)度對比Table2 Comparisonofinterfacialbondstrengthsofsyntheticfibercementmortarandsteelfibercementmortar分組編號砂漿黏結(jié)強(qiáng)度/MPa合成纖維鋼纖維強(qiáng)度比A1.13851.11461.0214B1.17831.13231.0406C1.22121.15001.0619D1.23451.21451.0165E1.29751.29021.0056F1.32511.29841.0206G1.34571.34710.9989H1.41231.36191.0371I1.42041.37561.0325

2.3界面黏結(jié)強(qiáng)度與構(gòu)件混凝土及砂漿強(qiáng)度關(guān)系

2.3.1界面黏結(jié)強(qiáng)度與混凝土強(qiáng)度關(guān)系

試驗(yàn)所得的纖維水泥砂漿與混凝土界面黏結(jié)強(qiáng)度和構(gòu)件混凝土強(qiáng)度等級之間的關(guān)系如圖4所示,界面黏結(jié)強(qiáng)度與構(gòu)件混凝土強(qiáng)度等級呈正相關(guān)關(guān)系。

圖4　界面黏結(jié)強(qiáng)度與混凝土強(qiáng)度等級關(guān)系Fig. 4　Relationship between interfacial bond strength and concrete strength

表3　界面黏結(jié)強(qiáng)度與混凝土軸心抗拉強(qiáng)度比值Table 3　Ratio of interfacial bond strength to axial tensile strength of concrete

現(xiàn)行混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[13]中,C15、C20、C30、C40、C50混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值分別為1.27 MPa、1.54 MPa、2.01 MPa、2.39 MPa、2.64 MPa,將實(shí)驗(yàn)獲得的聚乙烯醇纖維水泥砂漿、聚丙烯纖維水泥砂漿及鋼纖維水泥砂漿與混凝土界面黏結(jié)強(qiáng)度值與對應(yīng)的混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對比,結(jié)果如表3所示。

由表3可知,界面黏結(jié)強(qiáng)度與混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值比值最大為0.940 4,且隨著混凝土強(qiáng)度等級的提高,界面黏結(jié)強(qiáng)度與軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的比值越來越小,當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級不變時,比值與砂漿強(qiáng)度呈現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系。數(shù)據(jù)表明,在使用復(fù)合砂漿薄層加固混凝土構(gòu)件時,當(dāng)構(gòu)件強(qiáng)度一定時,提高砂漿強(qiáng)度等級可以在一定程度上提高界面的黏結(jié)強(qiáng)度,但提高后的強(qiáng)度始終要遠(yuǎn)小于原構(gòu)件混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度,即二者不能很好地協(xié)同工作,因此在實(shí)際的工程加固中,通常需要鋪設(shè)鋼

筋網(wǎng)來增強(qiáng)加固層與原構(gòu)件的共同受力性能。

2.3.2界面黏結(jié)強(qiáng)度與纖維水泥砂漿強(qiáng)度關(guān)系

試驗(yàn)所得的纖維水泥砂漿與混凝土界面黏結(jié)強(qiáng)度和纖維水泥砂漿強(qiáng)度等級之間的關(guān)系如圖5所示,界面黏結(jié)強(qiáng)度與砂漿強(qiáng)度等級呈正相關(guān)關(guān)系。因M90及M100砂漿試塊實(shí)壓強(qiáng)度與強(qiáng)度等級相差較大,圖5中該2組數(shù)據(jù)僅作為參考。

圖5　界面黏結(jié)強(qiáng)度與纖維水泥砂漿強(qiáng)度等級的關(guān)系Fig. 5　Relationship between interfacial bond strength and strength level of fiber cement mortar

將試驗(yàn)所得的纖維水泥砂漿與混凝土界面黏結(jié)強(qiáng)度與獲得的砂漿抗壓強(qiáng)度進(jìn)行比較,結(jié)果如表4所示。

表4　界面黏結(jié)強(qiáng)度與砂漿抗壓強(qiáng)度比值Table 4　Ratio of interfacial bond strength to compressive strength of cement mortar

由表4可知,纖維水泥砂漿與混凝土界面黏結(jié)強(qiáng)度和纖維水泥砂漿抗壓強(qiáng)度的比值介于0.015 2～0.047 7之間。在本次試驗(yàn)的強(qiáng)度范圍內(nèi),隨著砂漿強(qiáng)度的提高,界面黏結(jié)強(qiáng)度提高,黏結(jié)強(qiáng)度與砂漿抗壓強(qiáng)度的比值降低,且降低的比率逐漸變緩。以聚乙烯醇纖維水泥砂漿為例,當(dāng)砂漿抗壓強(qiáng)度由20 MPa提高至30 MPa時,比值由0.047 7減小至0.035 0,減少了0.012 7;當(dāng)砂漿強(qiáng)度由30 MPa提高至40 MPa時,比值由0.035 0減小至0.028 2,減少了0.006 8。

2.4界面黏結(jié)強(qiáng)度與纖維水泥砂漿抗壓強(qiáng)度線性擬合

計算可得各種纖維水泥砂漿與混凝土界面黏結(jié)強(qiáng)度和砂漿抗壓強(qiáng)度之間的相關(guān)系數(shù)分別為:聚乙烯醇纖維水泥砂漿r=0.964 7;聚丙烯纖維水泥砂漿r=0.977 8;鋼纖維水泥砂漿r=0.999 6。0.8

圖6　界面黏結(jié)強(qiáng)度與砂漿抗壓強(qiáng)度線性擬合結(jié)果Fig. 6　Linear fitting of relationship between interfacial bond strength and compressive strength of cement mortar

圖6對應(yīng)的線性擬合公式為:聚乙烯醇纖維水泥砂漿fn=0.004 11fc+1.053 23,聚丙烯纖維水泥砂漿fn=0.004 8fc+0.987 99,鋼纖維水泥砂漿fn=0.004 31fc+0.999 25。

3　結(jié)　　論

a. 水泥砂漿中添加的纖維種類會影響砂漿與混凝土界面的黏結(jié)強(qiáng)度,本試驗(yàn)中合成纖維水泥砂漿與混凝土界面黏結(jié)強(qiáng)度比相同強(qiáng)度等級的鋼纖維水泥砂漿界面黏結(jié)強(qiáng)度高0.56%～6.19%。

b. 界面黏結(jié)強(qiáng)度與構(gòu)件的混凝土強(qiáng)度等級呈正相關(guān)關(guān)系,隨著混凝土強(qiáng)度等級的提高,界面鉆拉強(qiáng)度與混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值之間的比值減小,本試驗(yàn)獲得的界面黏結(jié)強(qiáng)度與軸心抗拉強(qiáng)度比值為0.515 9～0.940 4。

c. 界面黏結(jié)強(qiáng)度與砂漿抗壓強(qiáng)度呈正相關(guān)關(guān)系,隨著砂漿抗壓強(qiáng)度的提高,界面黏結(jié)強(qiáng)度提高,黏結(jié)強(qiáng)度與砂漿抗壓強(qiáng)度之間的比值減小,本次試驗(yàn)獲得的鉆拉強(qiáng)度與砂漿抗壓強(qiáng)度比值介于0.015 2～0.047 7之間。

d. 對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)進(jìn)行計算表明界面黏結(jié)強(qiáng)度與砂漿抗壓強(qiáng)度之間存在高度的線性相關(guān)關(guān)系。

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Core drilling and pull-off tests of interfacial bond behaviors between fiber cement mortar and concrete

BU Liangtao, ZHOU Yunpeng

(CollegeofCivilEngineering,HunanUniversity,Changsha410082,China)

To investigate the interfacial bond behaviors between fiber cement mortar and concrete with core drilling and pull-off tests, medium-sized columnar concrete samples enclosed with different strengths of polyvinyl alcohol fiber cement mortar, polypropylene fiber cement mortar, and steel fiber cement mortar were prepared. Core drilling and pull-off tests were conducted on the samples to obtain the pulling force with failure occurring at the interface, and the results of different kinds of samples from pull-off tests were compared with the axial tensile strength of concrete and compressive strength of fiber cement mortar. The results show that the interfacial bond strength between synthetic fiber cement mortar and concrete is higher than that between steel fiber cement mortar and concrete, and that the interfacial bond strength is positively correlated with the axial tensile strength of concrete and compressive strength of fiber cement mortar. There is also a linear correlation between the interfacial bond strength and compressive strength of fiber cement mortar.

fiber cement mortar; concrete; interface; bond behavior; core drilling and pull-off; correlation coefficient; linear correlation

1000-1980(2016)04-0291-06

10.3876/j.issn.1000-1980.2016.04.002

2015-08-17

國家火炬計劃(2013GH561393);國家自然科學(xué)基金(51278187)

卜良桃(1963—),男,湖南南縣人,教授,博士,主要從事工程結(jié)構(gòu)加固理論與技術(shù)研究。E-mail:plt63@126.com

TU528

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