裂縫尺寸對(duì)混凝土自修復(fù)效果影響的試驗(yàn)研究

(河北工程大學(xué)土木工程學(xué)院， 河北邯鄲056038)

0 引言

混凝土結(jié)構(gòu)在工民建及公共設(shè)施重要構(gòu)件中應(yīng)用廣泛，然而混凝土屬于一種脆性材料，容易開裂。如果裂縫不及時(shí)處理可能造成結(jié)構(gòu)使用功能喪失甚至發(fā)生事故。因此混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的修補(bǔ)意義重大。當(dāng)前工程中常用的修復(fù)方法都是一些被動(dòng)的修復(fù)方法[1]。

當(dāng)前，混凝土自修復(fù)的研究為數(shù)不少[2-3]，但集中在鋼—混凝土結(jié)構(gòu)承載力和混凝土立方體試塊力學(xué)性能的修復(fù)研究?？飦喆ǖ萚4]提出了內(nèi)置纖維膠液管和內(nèi)置膠囊的修復(fù)方法，較早的開展了鋼—混凝土結(jié)構(gòu)承載力自修復(fù)的研究。馮濤等[5]探究了乳酸鈣摻量對(duì)微生物修復(fù)裂縫寬度和抗壓強(qiáng)度的影響。錢春雷等[6-12]進(jìn)行了微生物導(dǎo)致混凝土表面缺陷及修復(fù)的研究，這對(duì)細(xì)小裂縫的修復(fù)研究進(jìn)程有重要意義。李雙蓓等[13]運(yùn)用雙樣條QR法對(duì)SMA混凝土梁修復(fù)進(jìn)行了分析。程培峰等[14]在自修復(fù)混凝土修復(fù)效果影響因素的試驗(yàn)研究一文中，給出了放置位置，放置方式等因素對(duì)修復(fù)效果的影響。

他們的研究對(duì)于混凝土力學(xué)性能的恢復(fù)具有較大貢獻(xiàn)，但混凝土立方體試塊的自修復(fù)研究，不足以說明實(shí)際尺寸的構(gòu)件的修復(fù)情況。且研究對(duì)象多為微小裂縫，而大裂縫對(duì)實(shí)際尺寸試件的研究缺乏。并且在以往自修復(fù)混凝土修復(fù)效果的研究中，一般用修復(fù)前的承載力與修復(fù)后的承載力的比值來表示修復(fù)效果。由于混凝土的脆性，修復(fù)前的承載力，應(yīng)以開裂時(shí)的荷載表示。修復(fù)后的承載力不應(yīng)以屈服荷載或極限荷載或其百分比為標(biāo)準(zhǔn)，因其并不能代表真實(shí)的情況。而修復(fù)失效的真正原因是粘結(jié)混凝土的膠黏劑失效，即膠面斷裂。

本文擬通過控制試件裂縫寬度，同時(shí)以混凝土開裂荷載表示混凝土修復(fù)前的承載力，以縫寬增量超過膠液最大彈性應(yīng)變(彈性應(yīng)變后應(yīng)變?cè)龃髴?yīng)力不再增加進(jìn)入變形階段)對(duì)應(yīng)的縫寬增量時(shí)的荷載，表示修復(fù)后的承載力，研究裂縫尺寸對(duì)修復(fù)效果的影響及相關(guān)性。

1 試驗(yàn)

1.1 試件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置7個(gè)100 mm×100 mm×500 mm混凝土基體，編號(hào)分別為1～7號(hào)，裂縫寬度預(yù)控制為0.5 mm，1.0 mm，1.5 mm，2.0 mm，2.5 mm，3.0 mm，3.5 mm。為了防止混凝土的脆性破壞，且較容易控制不同裂縫寬度的形成。對(duì)混凝土受拉區(qū)配置兩根直徑為6 mm的Q235鋼筋如圖1所示，做試件的剪壓破壞試驗(yàn)。

試件內(nèi)埋含有修復(fù)膠液的單層單列修復(fù)裝置，位置距混凝土基體底部4 cm，鋼筋距底部2 cm。做三等分兩點(diǎn)加載剪壓試驗(yàn)，將加載好的試塊，放在室外地面模擬實(shí)際情況，修復(fù)2 d后，測(cè)其修復(fù)效果(以膠液終凝時(shí)間做為達(dá)到最佳修復(fù)效果的時(shí)間)。裂縫使用ZBL—F103裂縫寬度觀測(cè)儀觀測(cè)。

1.2 加載設(shè)計(jì)

1.3 修復(fù)裝置及修復(fù)因子的選取

查閱前人的研究知，修復(fù)裝置應(yīng)具備如下特征：1)修復(fù)裝置與混凝土基體的性能匹配；2)修復(fù)裝置應(yīng)不與基體相互作用產(chǎn)生作用力；3)修復(fù)裝置應(yīng)能長(zhǎng)時(shí)間存在于基體中，且性質(zhì)不受外界環(huán)境變化而改變。

修復(fù)因子應(yīng)具備如下特征：1)流動(dòng)性較好，能隨基體的開裂，膠液流入縫中產(chǎn)生作用;2)粘結(jié)強(qiáng)度較高，且固化后自身強(qiáng)度高[16]。

由以上特征決定，試驗(yàn)修復(fù)因子選用長(zhǎng)城牌聚氨酯[17](膠液終凝時(shí)間為2 d)，修復(fù)裝置選用玻璃管。

1.4 修復(fù)裝置制備

用熱熔膠槍制作符合玻璃管內(nèi)管徑的3 mm膠塞，用光影膠涂在膠塞側(cè)面，放入玻璃管一端，用紫外線手電筒照射使膠液固化，由于封另一端時(shí)，會(huì)有大氣壓阻礙。試驗(yàn)采用在另一端膠塞上用20 mL注射器針頭，開兩個(gè)孔，將帶孔膠塞放入另一端膠封，再通過20 mL帶針注射器。將膠液注入玻璃管，最后用熱熔膠槍封住膠塞上的兩個(gè)孔，制作完成如圖3。

圖3 修復(fù)裝置Fig.3 Repair device

1.5 混凝土基體參數(shù)確定

選用礦渣硅酸鹽水泥等級(jí)32.5和自來水。石英玻璃管選用尺寸內(nèi)徑R1=1.2 cm，外徑R2=1.4 cm，長(zhǎng)度10 cm?；炷僚浜媳?水∶水泥∶沙子∶碎石)為0.54∶1∶1.63∶3.30，碎石粒徑5～10 mm占比35 %，粒徑10～25 mm占比65 %，砂子細(xì)度模數(shù)2.8。

1.6 修復(fù)效果指標(biāo)確定

(1)

式(1)中：Pcr為修復(fù)前混凝土的開裂荷載；P為修復(fù)后縫寬增量達(dá)到對(duì)應(yīng)增量時(shí)的加載值。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試件受力破壞過程及形態(tài)

觀察和記錄試驗(yàn)全過程，發(fā)現(xiàn)試件開裂前和開裂時(shí)符合混凝土梁的加載特征，但開裂產(chǎn)生之后，發(fā)現(xiàn)隨著加載繼續(xù)進(jìn)行，到達(dá)某一荷載后，跨中處裂縫不再擴(kuò)展，加載點(diǎn)下方外側(cè)的裂縫還在擴(kuò)展，繼續(xù)加載，發(fā)現(xiàn)兩加載點(diǎn)下方裂縫，有一條停止擴(kuò)展，另一條繼續(xù)擴(kuò)展，加載繼續(xù)，這條裂縫發(fā)展成為主裂縫。隨著裂縫設(shè)計(jì)寬度的不同，主裂縫成為貫通或者不貫通的裂縫。

試驗(yàn)中有以下三種現(xiàn)象出現(xiàn)，如圖4所示。圖4(a)試件達(dá)到開裂荷載時(shí)，無跨中裂縫出現(xiàn)，只有加載點(diǎn)下方外側(cè)出現(xiàn)裂縫。圖4(b)裂縫出現(xiàn)位置集中在某一加載點(diǎn)下方，而不是兩個(gè)加載點(diǎn)下方都成為主裂縫。形成一條裂縫貫通。圖4(c)在底面主裂縫位置出現(xiàn)“人”字縫，后和主裂縫匯交在一起。圖4(a)產(chǎn)生原因有兩點(diǎn)：一是由于石子大小不一，造成每個(gè)截面強(qiáng)弱不完全相同。二是跨中不是受力最大位置，所以跨中裂縫最后沒有成為主要裂縫。圖4(b)產(chǎn)生的原因是兩個(gè)加載位置截面，強(qiáng)弱不一，導(dǎo)致形成一條主裂縫。圖4(c)產(chǎn)生的原因是底面的局部破壞。

(a) 三條縫照片

(b) 單條縫照片

(c) “人”字縫照片

2.2 荷載—縫寬曲線

觀察和記錄試驗(yàn)全過程，得到荷載、底面縫寬數(shù)據(jù)，并對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到荷載—縫寬(P-ω)曲線，如圖5 所示。由圖可見，加載未達(dá)到開裂荷載前，無裂縫出現(xiàn)。開裂后，裂縫寬度達(dá)到0.5 mm前，縫寬增長(zhǎng)較緩，荷載增長(zhǎng)較快，符合試件的帶裂縫工作階段特征。當(dāng)縫寬超過0.5 mm時(shí)，裂縫發(fā)展加快，縫寬增加較快，荷載增加較小。當(dāng)縫寬超過1 mm之后，試件很快進(jìn)入極限狀態(tài)。上述數(shù)據(jù)可為以后研究裂縫寬度對(duì)自修復(fù)效果影響提供借鑒意義，對(duì)設(shè)計(jì)的縫寬大于1 mm的裂縫，此階段要大幅降低加載單位并延長(zhǎng)持荷時(shí)間，才能得到設(shè)計(jì)的裂縫寬度。

2.3 荷載—縫高曲線

觀察和記錄試驗(yàn)全過程，得到荷載、縫高數(shù)據(jù)，并對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到荷載—縫高(P-h)曲線，如圖6 所示。由圖6可見，加載達(dá)到開裂荷載前，無裂縫出現(xiàn)。達(dá)到開裂荷載時(shí)，突然出現(xiàn)2 cm的裂縫。表明裂縫開展的突然性和較長(zhǎng)性(指裂縫一出現(xiàn)值就較大)。荷載—縫高(P-h)曲線的增長(zhǎng)趨勢(shì)，接近階梯形狀。說明縫高增長(zhǎng)的間斷性(增長(zhǎng)不是遞增而是跳躍性增長(zhǎng))。究其原因是：開裂處大石子的存在，使得應(yīng)力路徑繞過石子向上開展，應(yīng)力需求較大。完全繞過石子時(shí)，此時(shí)承載能力較小，較大的荷載，導(dǎo)致縫高突然增大，是產(chǎn)生縫寬階梯性增長(zhǎng)的原因。

圖5 荷載—縫寬關(guān)系曲線
Fig.5 load-seam width relation curve

圖6 荷載—縫高關(guān)系曲線
Fig.6 Load-seam height relationship curve

2.4 縫寬—縫高曲線

對(duì)試驗(yàn)過程采集的縫寬、縫高相關(guān)數(shù)據(jù)，得到各試件受力全過程的縫寬—縫高(ω-h)曲線，如圖7 所示。由圖7可見，縫寬在0.2 mm以內(nèi)，裂縫高度達(dá)到2～5 cm，縫寬在0.2～1 mm以內(nèi)，裂縫高度達(dá)到5～10 cm，縫寬達(dá)到1.5 mm時(shí)，裂縫高度達(dá)到9 cm及以上，貫通整個(gè)試件?？p寬和縫高是兩個(gè)相關(guān)性很弱的量(幾乎沒有相關(guān)性)。

2.5 縫寬—膠液流出時(shí)間曲線

對(duì)試驗(yàn)過程采集的縫寬、膠液流出時(shí)間相關(guān)數(shù)據(jù)，得到各試件試驗(yàn)全過程的縫寬—膠液流出時(shí)間(ω-t)曲線，如8圖 所示?？p寬為0.6 mm時(shí)，48 h內(nèi)沒觀察到膠液的流出，由圖8可見，當(dāng)裂縫寬度達(dá)到0.9 mm，1.2 mm，1.8 mm時(shí)，膠液的流出時(shí)間分別為2 h，30 min，20 min。可作為膠液流動(dòng)性的判斷。為有時(shí)間要求修復(fù)的修復(fù)液選取，提供參考依據(jù)。當(dāng)規(guī)定裂縫為2.5 mm，3.0 mm，3.5 mm時(shí)，時(shí)間為零。表示試驗(yàn)過程中還沒達(dá)到規(guī)定縫寬，就有膠液流出。

圖7 縫寬—縫高關(guān)系曲線
Fig.7 seam width-seam heightrelation curve

圖8 縫寬—膠液流出時(shí)間關(guān)系曲線
Fig.8 seam width-time relationcurve of glue liquid outflow

2.6 特征點(diǎn)參數(shù)及修復(fù)效果

通過試驗(yàn)得到了各試件的開裂荷載，開裂的縫寬，縫高及修復(fù)后的荷載等特征點(diǎn)參數(shù)，并計(jì)算出各試件的修復(fù)效果η，數(shù)據(jù)如表1 所示。從表可知，縫寬在0.9～3.5 mm之間時(shí)，修復(fù)效果隨縫寬增加而下降。對(duì)于裂縫寬度小于0.9 mm，修復(fù)效果下降，原因是修復(fù)膠液不能充分填滿縫隙，導(dǎo)致修復(fù)效果變差。裂縫寬度在0.9～1.2 mm之間修復(fù)效果在80 %左右。

表1 試件特征點(diǎn)參數(shù)Tab.1 Feature point parameters

3 修復(fù)效果相關(guān)性分析

圖9 修復(fù)效果和裂縫面積與修復(fù) 前荷載之比相關(guān)性曲線Fig.9 Correlation curve between repair effect and fracture area and ratio of pre-repair load

為研究修復(fù)效果與裂縫面積和開裂荷載之比的相關(guān)性，做出修復(fù)效果與裂縫面積和開裂荷載之比的曲線圖，如圖9所示。

如圖9所示，因?yàn)?.6～0.9 mm之間裂縫太小，膠液不能有效填縫、修復(fù)，因而修復(fù)效果不具有代表性。對(duì)縫寬在0.9～3.5 mm之間(系列一)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，得到線性擬合公式為y=-0.0217x+1.024 9，相關(guān)性系數(shù)R2=0.906 6，相關(guān)性較強(qiáng)。

總結(jié)影響修復(fù)的因素，大致可分為以下三類：1、膠液的粘結(jié)強(qiáng)度，主要包括被修復(fù)材料特性，應(yīng)用環(huán)境，膠液的理論強(qiáng)度等。2、膠液的流出量，影響流出膠量的因素，包括修復(fù)裝置位置，放置方式及膠管中含有的膠量，縫寬度，縫高度，縫長(zhǎng)度。3、被修復(fù)基體的開裂荷載。主要包括試件尺寸，混凝土強(qiáng)度，配筋率等。本試驗(yàn)中有三個(gè)自變量，包括縫寬，縫高，開裂荷載。將其他影響因素用一個(gè)系數(shù)γ表示，可得修復(fù)效果的相關(guān)性表達(dá)式。

(2)

式中：η為修復(fù)效果，γ為除縫寬，縫高，開裂荷載外的其他影響因素的系數(shù)，ω1為結(jié)束點(diǎn)的裂縫寬度，h1為結(jié)束點(diǎn)裂縫高度。Pcr為修復(fù)前的開裂荷載。此式可為以后修復(fù)效果公式的研究提供參考。

4 結(jié)論

通過預(yù)控制縫寬的混凝土修復(fù)試驗(yàn)，得到實(shí)際縫寬為0.6 mm，0.9 mm，1.2 mm，1.8 mm，2.5 mm，3.0 mm，3.5 mm。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果分析及擬合,得結(jié)論如下:

①縫寬在0.9～3.5 mm時(shí)，修復(fù)效果隨縫寬增加而下降，而小于0.9 mm后，隨裂縫的變小，效果明顯降低。得出縫寬在0.9 mm左右時(shí)，修復(fù)效果最高。檢查發(fā)現(xiàn)，0.6 mm縫寬試件，縫隙膠液流出量，相較于其他6個(gè)試件少很多?？p隙太小膠液難以充分灌縫，導(dǎo)致效果變差。

②對(duì)于這種膠液來說，當(dāng)縫寬達(dá)到0.9～1.8 mm時(shí)，膠液可在較短的時(shí)間內(nèi)流出。縫寬在達(dá)到1 mm之前，隨荷載增加發(fā)展緩慢，縫寬在達(dá)到1 mm之后，縫寬發(fā)展急速增加。

③從修復(fù)效果和裂縫面積與修復(fù)前荷載之比相關(guān)性曲線擬合中，得出修復(fù)效果和裂縫面積與修復(fù)前荷載的比值相關(guān)性很強(qiáng)。