磷酸鎂嵌入式纖維筋加固系統(tǒng)界面試驗研究

劉周強(qiáng)，張力文，孫卓，李晶，鄒志偉

(廣州大學(xué) 土木工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

我國20世紀(jì)建造的混凝土橋梁大部分已出現(xiàn)了損傷破壞，嚴(yán)重危及行車安全。傳統(tǒng)復(fù)合增強(qiáng)纖維(FRP)嵌入式加固技術(shù)[1-4](NSM)以環(huán)氧樹脂(epoxy)作為粘結(jié)材料[5-6]，已不能適應(yīng)橋梁快速通行、耐久性高的修補(bǔ)加固需要。磷酸鎂水泥(MPC)是一種速凝、高強(qiáng)的新型無機(jī)膠凝材料，與環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑相比具有價格低廉、耐熱性能好、耐久性好、低溫固化快等優(yōu)點[7-11]，可用于替代環(huán)氧樹脂作為NSM中的粘結(jié)材料，推廣NSM在修復(fù)與加固工程中的應(yīng)用[12-14]。

目前，國內(nèi)外對MPC的研究主要集中于2個方面：1)通過配合比優(yōu)化設(shè)計使基體中結(jié)晶數(shù)增加，形成更為致密的微觀結(jié)構(gòu)，從而提高M(jìn)PC強(qiáng)度。如Qiao[15]、Qin[16]、楊楠[17]、姜自超[18]、Yang[19-20]等分別研究了氧化鎂(MgO)與磷酸二氫鉀(KH2PO4)的摩爾比、質(zhì)量比、水泥種類，以及膠砂比與水灰比對磷酸鎂水泥性能的影響。2)通過添加礦渣、粉煤灰、偏高齡土等摻合料增加基體中強(qiáng)度來源反應(yīng)物和增強(qiáng)微集料效應(yīng)，以提高M(jìn)PC強(qiáng)度等性能，主要包括玻璃纖維[21]、粉煤灰[22]等。由此可知，國內(nèi)外相關(guān)研究大多僅限于MPC的復(fù)配改性和不同摻合料作用下的基本力學(xué)性能，鮮有針對MPC粘結(jié)劑NSM-FRP界面粘結(jié)性能的研究。本文以玻璃纖維筋為主(glass fiber polymer, GFRP)，研究了不同養(yǎng)護(hù)齡期和硅灰摻量作用下MPC-NSM-GFRP界面粘結(jié)性能。

1 MPC配合比設(shè)計

1.1 原材料

MPC基材由實驗室自配，其組分主要為由菱鎂礦經(jīng)1 400 ℃下煅燒5 h制備的氧化鎂(MgO)[23]、硼砂(Na2B4O7·10H2O)、磷酸二氫鉀(KH2PO4)、粉煤灰(Fly ash, FA)。MgO顆粒細(xì)度約為200目；磷酸二氫鉀(KH2PO4) 由江蘇省南京化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)(含量大于99.5%)；硼砂(Na2B4O7·10H2O)由南京化學(xué)試劑股份有限公司生產(chǎn)(含量約為95%)。粉煤灰細(xì)度為43 μm，密度為2.6 g/cm3，比表面積為360 m2/kg。

1.2 配合比

本實驗以MgO與KH2PO4的摩爾比、硼砂和粉煤灰含量3個參數(shù)為變量進(jìn)行MPC基準(zhǔn)配合比優(yōu)選試驗，變化范圍分別為：3～6、8～14%和0～45%。優(yōu)選細(xì)節(jié)及試驗結(jié)果(2天抗壓強(qiáng)度)如表1所示。

1.3 MPC優(yōu)選

根據(jù)ASTM標(biāo)準(zhǔn)C807-0532，改進(jìn)Vicat針法測定試樣的凝固時間，并進(jìn)行2天抗壓強(qiáng)度試驗[24-25]，試驗結(jié)果如表1所示。其中，PF15初凝時間為6 min，抗壓強(qiáng)度為36.3 MPa，其配合比為優(yōu)選配比(MgO/KH2PO4=5(摩爾比)，硼砂/氧化鎂=10%(質(zhì)量比)，F(xiàn)A/水泥=15%(質(zhì)量比)，水灰質(zhì)量比=10%)。

表1 MPC基礎(chǔ)配比參數(shù)優(yōu)選試驗及結(jié)果

2 拉拔試驗方案

2.1 原材料

根據(jù)規(guī)范(JGT 406-2013)《土木工程用玻璃纖維增強(qiáng)筋》實測GFRP筋極限抗拉強(qiáng)度為1 050 MPa，彈性模量為48 GPa，極限應(yīng)變?yōu)?.21%。環(huán)氧樹脂由主劑和固化劑組成，按體積比2∶1混合配制，抗壓強(qiáng)度70 MPa，抗拉強(qiáng)度20 MPa，剪切強(qiáng)度3.3 MPa(廠家提供)。硅灰粒徑為0.1～0.3 μm，二氧化硅含量達(dá)到90%以上?；炷猎牧喜捎肞·Ⅱ42.5R普通硅酸鹽水泥、中砂、最大粒徑為32 mm的碎石制備，其質(zhì)量配合比為水∶水泥∶砂∶石子為0.55∶1∶1.83∶3.26。

2.2 參數(shù)設(shè)計

混凝土棱柱體試件尺寸為150 mm×150 mm×300 mm，側(cè)面開槽尺寸為20 mm×20 mm，粘結(jié)長度為250 mm，試驗分為2組：第1組共12個試件，28 d棱柱體抗壓強(qiáng)度為21.6 MPa，研究不同養(yǎng)護(hù)齡期(2 d、7 d、14 d)對環(huán)氧樹脂與磷酸鎂水泥2種膠粘劑粘結(jié)性能的影響，參數(shù)如表2所示；第2組共12個試件，28天棱柱體抗壓強(qiáng)度為28.0 MPa，研究磷酸鎂水泥中不同硅灰摻量(0%、3%、6%、9%)對粘結(jié)性能的影響，參數(shù)如表3所示。

2.3 試驗加載及量測

采用萬能液壓試驗機(jī)單剪拉拔，加載裝置如圖1所示。加載前，應(yīng)變片按如圖2所示布置，每個試件粘貼4片應(yīng)變片，從距加載端75 mm混凝土邊緣處向自由端依次為SG4、SG3、SG2、SG1，每個應(yīng)變片中心間距均為50 mm。試件加載端與自由端處各安裝一個LVDT位移傳感器，用TDS-530數(shù)據(jù)采集儀采集加載過程中加固試塊的荷載、位移和GFRP應(yīng)變。采用位移控制方式施加荷載，加載速率為1 mm/min，當(dāng)試件破壞時立即停止加載，記錄破壞時的荷載、GFRP應(yīng)變、加載端與自由端滑移值。

表2 不同養(yǎng)護(hù)齡期試件參數(shù)

表3 不同硅灰摻量試件參數(shù)

圖1 試驗加載裝置圖Fig.1 Test loading device

圖2 應(yīng)變片布置Fig.2 The layout of strain gauge

3 養(yǎng)護(hù)齡期的影響

3.1 破壞模態(tài)

圖3、圖4分別為不同齡期下環(huán)氧樹脂與磷酸鎂試件的破壞模態(tài)。由圖可知，破壞模態(tài)主要有3種：1)粘結(jié)層劈裂破壞；2)GFRP筋-粘結(jié)層界面破壞與混凝土-粘結(jié)層界面破壞；3)混凝土層邊緣的混凝土拉剪破壞。

環(huán)氧樹脂較短齡期(2 d、7 d)條件下破壞模態(tài)為粘結(jié)層劈裂破壞，較長齡期(14 d)條件下為混凝土-粘結(jié)層界面破壞；不同養(yǎng)護(hù)齡期下磷酸鎂水泥粘結(jié)劑破壞模態(tài)變化不大，均有混凝土-粘結(jié)層界面破壞。環(huán)氧樹脂膠層破壞以試件以G-E-T2-2為例，環(huán)氧樹脂周圍的混凝土未出現(xiàn)劈裂現(xiàn)象；由于試驗儀器量程問題，僅觀測到膠層出現(xiàn)細(xì)小裂紋，如圖3(a)所示。如圖4(a)所示，界面破壞以G-M-T2-1為例，破壞時磷酸鎂水泥砂漿粘結(jié)層較完整，破裂沿混凝土-砂漿界面層發(fā)展，受砂漿界面層崩裂影響，附近混凝土表皮層有脫落現(xiàn)象。由圖4(c)可知，G-M-T14-2凹槽邊緣混凝土破壞范圍和深度較大，為邊緣混凝土崩裂拉剪破壞和GFRP筋-磷酸鎂水泥凝膠-混凝土雙界面的混合破壞模態(tài)。

圖3 不同養(yǎng)護(hù)齡期下環(huán)氧樹脂試件破壞形態(tài)Fig.3 Failure modes of epoxy specimens at different curing ages

圖4 不同養(yǎng)護(hù)齡期下磷酸鎂水泥試件破壞形態(tài)Fig.4 Failure modes of MPC specimens at different curing ages

破壞模態(tài)分析表明，不同養(yǎng)護(hù)齡期下環(huán)氧樹脂試件破壞模態(tài)呈現(xiàn)多種不同形態(tài)，而磷酸鎂水泥試件破壞模態(tài)大致為相同形態(tài)。養(yǎng)護(hù)齡期對環(huán)氧樹脂破壞模態(tài)影響較磷酸鎂水泥大。

3.2 荷載-位移曲線

不同養(yǎng)護(hù)齡期下環(huán)氧樹脂和磷酸鎂水泥試件取同組平均值的荷載-位移曲線，如圖5所示。分析兩者荷載、位移曲線特點，由圖5(a)可知，G-E-T2位移增量隨荷載增加明顯較G-E-T7、G-E-T14大；當(dāng)荷載達(dá)到FNmax后試件的承載能力均下降，G-E-T14下降段曲線較G-E-T2、G-E-T7平緩，承載力降低較慢。類似地，磷酸鎂水泥試件在養(yǎng)護(hù)齡期較短(2 d)時位移增量隨荷載增加較養(yǎng)護(hù)齡期長(14 d)時更大；當(dāng)加載至FNmax后，試件發(fā)生脆性破壞，難以測取其下降段曲線，如圖5(b)所示?？梢?，齡期對環(huán)氧樹脂試件荷載-位移曲線影響程度較磷酸鎂試件復(fù)雜。

對比分析環(huán)氧樹脂和磷酸鎂水泥試件的位移變化量，可知兩者最大位移量隨齡期變化小，但環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑最大位移量較磷酸鎂水泥粘結(jié)劑大；環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑試件隨養(yǎng)護(hù)齡期增加，塑性性能降低，而磷酸鎂水泥砂漿粘結(jié)劑試件破壞形態(tài)均以脆性破壞為主。

上述分析表明：1)養(yǎng)護(hù)齡期對環(huán)氧樹脂和磷酸鎂水泥砂漿粘結(jié)劑試件的最大位移量均無明顯影響。2)磷酸鎂試件塑性性能對齡期敏感性比環(huán)氧樹脂試件敏感性低。環(huán)氧樹脂試件齡期較短時彈性模量較低，塑性較好，隨齡期增加塑性性能下降；而磷酸鎂水泥試件塑性性能隨齡期增長無明顯變化，受齡期影響較小。

3.3 粘結(jié)應(yīng)力-滑移曲線

GFRP筋截面近似圓形考慮，根據(jù)各測點的應(yīng)變計算局部粘結(jié)應(yīng)力和GFRP筋與混凝土間的相對滑移量。采用線彈性假設(shè)和胡克定律，可得局部粘結(jié)應(yīng)力[26-27]的公式為：

(1)

Ef為GFRP筋彈性模量；d為GFRP筋直徑；τ為局部粘結(jié)應(yīng)力；εf(x)為GFRP筋沿粘結(jié)長度的應(yīng)變；x為自由端沿GFRP粘結(jié)長度的坐標(biāo)值。

GFRP筋與混凝土間的相對滑移采用離散應(yīng)變方法計算，公式為[28-29]：

(2)

(3)

式中：s(x)為自由端沿FRP粘結(jié)長度的相對滑移；s0為自由端滑移值；si為第i段的相對滑移量；si-1為第i-1段的相對滑移量；εi為第i應(yīng)變量；εi-1為第i-1段的應(yīng)變量；xi為第i的末位置坐標(biāo)；xi-1為第i-1段的末位置坐標(biāo)。

根據(jù)式(1)～(3)計算局部粘結(jié)應(yīng)力與沿粘結(jié)長度的滑移，得到環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑和磷酸鎂水泥粘結(jié)劑在不同養(yǎng)護(hù)齡期下局部粘結(jié)應(yīng)力-滑移曲線，如圖6、圖7所示。

圖6 不同養(yǎng)護(hù)齡期環(huán)氧樹脂試件局部粘結(jié)應(yīng)力-滑移曲線Fig.6 Bonding stress-slip curves of epoxy specimens at different curing ages

圖7 不同養(yǎng)護(hù)齡期磷酸鎂水泥試件局部粘結(jié)應(yīng)力-滑移曲線Fig.7 Bonding stress-slip curves of MPC specimens at different curing ages

由圖6可知，G-E-T7粘結(jié)應(yīng)力和滑移最大值分別為16 MPa、4 mm，較G-E-T2的6.5 MPa、2 mm高出較多。不同養(yǎng)護(hù)齡期下環(huán)氧樹脂試件的峰值應(yīng)力、滑移量變化較大。由圖7可知，G-M-T2、G-M-T7、 G-M-T14的粘結(jié)應(yīng)力和滑移量最大值在5～7 MPa，0.4～0.5 mm，不同養(yǎng)護(hù)齡期下磷酸鎂水泥粘結(jié)劑的峰值粘結(jié)應(yīng)力和滑移量變化較小。環(huán)氧樹脂和磷酸鎂各試件破壞前測點的粘結(jié)應(yīng)力隨滑移量增加而增加，環(huán)氧樹脂試件的粘結(jié)應(yīng)力和滑移量較磷酸鎂試件高，但是其粘結(jié)應(yīng)力-滑移增量的比值低于磷酸鎂水泥試件。

上述結(jié)果表明，養(yǎng)護(hù)齡期對環(huán)氧樹脂膠試件粘結(jié)應(yīng)力-滑移影響較大，2 d齡期比7 d、14 d齡期粘結(jié)應(yīng)力和滑移小很多，較短養(yǎng)護(hù)齡期下環(huán)氧樹脂粘結(jié)性能差；養(yǎng)護(hù)齡期對磷酸鎂水泥試件粘結(jié)應(yīng)力-滑移影響較小，各養(yǎng)護(hù)齡期下磷酸鎂水泥粘結(jié)劑試件的粘結(jié)應(yīng)力、滑移相差不大，粘結(jié)性能較好。

4 硅灰摻量的影響

4.1 破壞模態(tài)

圖8為不同硅灰含量下，磷酸鎂水泥試件的破壞形態(tài)。由圖8可知，不同硅灰摻量的磷酸鎂水泥試件破壞模態(tài)類型和不同養(yǎng)護(hù)齡期下的破壞模態(tài)類型相似：1) 磷酸鎂水泥膠層劈裂破壞；2) GFRP筋-混凝土界面層破壞與混凝土-MPC界面層破壞；3) 混凝土層邊緣的混凝土拉剪破壞。硅灰摻量較低(0～3%)時磷酸鎂水泥粘結(jié)劑試件為GFRP筋-MPC和MPC-混凝土雙界面混合破壞模態(tài)；硅灰摻量為6%左右時，試件為MPC-混凝土界面層破壞和邊緣混凝土拉剪破壞的混合破壞模態(tài)；硅灰摻量較高(9%)時，試件破壞模態(tài)僅為MPC-混凝土界面層破壞，如圖8。

通過破壞模態(tài)可知，摻入硅灰可以提高M(jìn)PC的粘結(jié)性能，破壞模態(tài)由界面破壞轉(zhuǎn)為混凝土基體破壞；但摻入過量硅灰(≥6%)會降低MPC的粘結(jié)性能，破壞模態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榻缑嫫茐摹?/p>

圖8 試件破壞形態(tài)Fig.8 Failure mode of specimen

4.2 荷載-位移曲線

圖9為不同硅灰摻量(0%、3%、6%、9%)磷酸鎂水泥試件加載端的荷載-位移曲線。由圖可知，各MPC試件荷載位移曲線為典型拋物線形，其極限承載力隨硅灰摻量增加而先增加后減小。當(dāng)硅灰摻量為0%、3%、6%時組內(nèi)平均承載力分別為29.8、30.5、31.3 kN，當(dāng)硅灰摻量為9%時，平均承載力僅為27.3 kN。其原因主要包括物理效應(yīng)和化學(xué)效應(yīng)[30-31]：對于物理效應(yīng)，摻入適量硅灰產(chǎn)生微集料效應(yīng)，通過填充微孔和裂紋改善MPC的孔結(jié)構(gòu)以提高粘結(jié)性能；對于化學(xué)效應(yīng)，硅灰在堿環(huán)境下與氧化鎂產(chǎn)生二次水化反應(yīng)，生成膠凝狀水化物，增強(qiáng)了MPC的粘結(jié)性能。但由于MPC的力學(xué)性能主要來源于水化反應(yīng)物[22-25]鉀基鳥糞石(K-struvite, MgKPO46H2O)，如式(4)所示，過量硅灰(如9%)將會減小鉀基鳥糞石的含量，造成MPC粘結(jié)劑性能降低。

MgO+KH2PO4+5H2O→MgKPO4·6H2O

(4)

上述分析表明，在一定范圍內(nèi)(≤6%)，摻入硅灰能改善MPC試件的粘結(jié)性能，當(dāng)硅灰摻量≤6%時，MPC試件的承載能力隨硅灰摻量的增加而提高；當(dāng)硅灰摻量過高(≥6%)時，對MPC試件的粘結(jié)性能產(chǎn)生不利的影響，承載力下降。

圖9 不同硅灰摻量MPC試件荷載-位移移曲線Fig.9 Load-displacement curves of MPC specimens with different silica fume content

4.3 粘結(jié)應(yīng)力-滑移曲線

圖10為不同硅灰摻量下的粘結(jié)應(yīng)力-滑移曲線。

圖10 不同硅灰摻量磷酸鎂水泥試件局部粘結(jié)應(yīng)力-滑移曲線Fig.10 The bonding stress-slip curves of MPC specimens with different silica fume content

由圖10知，不同硅灰摻量磷酸鎂試件的峰值粘結(jié)應(yīng)力為5～11 MPa，滑移量為0.4～0.6 mm。當(dāng)硅灰摻量在6%時(G-M-P3)，峰值粘結(jié)應(yīng)力和滑移量最大；當(dāng)硅灰摻量在9%時(G-M-P4)，峰值粘結(jié)應(yīng)力和滑移量最小。由于摻入硅灰過量，MgO與磷酸鹽的含量相對減少，阻礙了MPC水化反應(yīng)進(jìn)程，使MPC漿體水化反應(yīng)不充分；另外，MPC漿體酸堿中和反應(yīng)釋放出的反應(yīng)熱雖然被二氧化硅吸收，但由于硅灰量大，熱量不足以激發(fā)硅灰后續(xù)反應(yīng)，使磷酸鎂水泥自身的粘結(jié)強(qiáng)度下降，局部滑移量減小，滑移增量增大。由于該組實驗中，MPC試件均為脆性破壞，因此難以采集粘結(jié)應(yīng)力-滑移曲線下降段。

分析表明，磷酸鎂水泥粘結(jié)劑試件的硅灰摻量在一定范圍(≤6%)內(nèi)，粘結(jié)強(qiáng)度隨硅灰摻量增加而增大；當(dāng)硅灰摻量為6%時，粘結(jié)強(qiáng)度達(dá)到最大；當(dāng)硅灰摻量超過6%時，MPC粘結(jié)強(qiáng)度下降。

5 結(jié)論

1)養(yǎng)護(hù)齡期對磷酸鎂水泥粘結(jié)劑加固性能的影響小于對環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑試件加固性能的影響。磷酸鎂水泥粘結(jié)劑齡期敏感性較低，在較短齡期(2 d)時粘結(jié)性能已較充分發(fā)展；在滿足強(qiáng)度要求的情況下，磷酸鎂水泥粘結(jié)劑滿足經(jīng)濟(jì)、快捷、早強(qiáng)的橋梁工程加固需求。

2)硅灰摻量下磷酸鎂水泥粘結(jié)劑加固試件粘結(jié)性能先提高后下降。當(dāng)硅灰摻量在0～6%時，磷酸鎂水泥試件粘結(jié)性能隨硅灰摻量增加而提高；當(dāng)硅灰摻量≥6%時，試件粘結(jié)性能隨硅灰摻量增加而顯著下降。MPC粘結(jié)劑可通過摻加硅灰方式改善其粘結(jié)性能，硅灰摻量為6%左右對MPC粘結(jié)劑的改性效果最好。