超強(qiáng)韌性混凝土疊層修補(bǔ)界面研究

于明鑫，楊 楠，俞家歡

(1.沈陽(yáng)城市建設(shè)學(xué)院 沈陽(yáng)市 110167； 2.沈陽(yáng)建筑大學(xué) 沈陽(yáng)市 110168)

0 引言

經(jīng)過(guò)對(duì)工程水泥基復(fù)合材料(ECC)的性能改良、成本優(yōu)化，超強(qiáng)韌性混凝土(PP ECC)作為一種新型的建筑材料，由水泥、水、骨料、摻合料、國(guó)產(chǎn)PP纖維制成，具優(yōu)秀的力學(xué)性能[1]。采用超強(qiáng)韌性混凝土作為修補(bǔ)材料對(duì)普通混凝土路面、普通鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)等進(jìn)行疊層修補(bǔ)，是目前新型水泥基復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用的一個(gè)發(fā)展方向，但其與普通混凝土材料疊層修補(bǔ)界面的處理方法及粘結(jié)性能尚未有深入研究[2]。

1 修補(bǔ)界面的影響

在不同材料間的疊層修補(bǔ)中，修補(bǔ)界面處理方法會(huì)直接影響基層(混凝土)和修補(bǔ)層超強(qiáng)韌性混凝土間的粘結(jié)性能[3-7]。通過(guò)理論研究和實(shí)驗(yàn)分析，得出超強(qiáng)韌性混凝土疊層修補(bǔ)普通混凝土路面、建筑結(jié)構(gòu)等最合理的界面處理方法，為實(shí)際工程中的普通混凝土路面、普通鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)等的疊層修補(bǔ)方法提出合理化建議。

1.1 修補(bǔ)層與基層的粘結(jié)性能

在普通混凝土路面、普通鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)的修補(bǔ)工作中，由于缺少實(shí)用準(zhǔn)確的修補(bǔ)界面處理方法，尤其是在高性能修補(bǔ)層材料方面研究更少，造成了普通混凝土路面、普通鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)的修補(bǔ)層脫粘現(xiàn)象普遍存在，亟待解決。

超強(qiáng)韌性混凝土具有良好的力學(xué)性能可以滿足普通混凝土路面、普通鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)等修補(bǔ)的需要，目前超強(qiáng)韌性混凝土做修補(bǔ)層材料的相關(guān)研究，尤其是疊層修補(bǔ)的界面處理方法研究非常少，疊層修補(bǔ)界面間的粘結(jié)性能又是影響荷載能否充分地從基層材料傳遞到修補(bǔ)層的重要因素，因此研究的內(nèi)容對(duì)工程實(shí)踐意義較大。

疊層修補(bǔ)界面間的粘結(jié)力包含物理粘結(jié)力和化學(xué)粘結(jié)力[8]。物理粘結(jié)力主要取決于界面間的粗糙程度和凹槽。粗糙程度和凹槽是指在材料制作過(guò)程中，基層普通混凝土凝結(jié)過(guò)程中通過(guò)擠壓等特殊工藝而形成，或成型后期通過(guò)磨砂或鉆孔等方式形成的。疊層界面的化學(xué)粘結(jié)力包含兩種，一種為范氏力，是兩種材料之間的化合力；另一種是橋聯(lián)力。橋聯(lián)力是指材料在微觀層面，基層材料孔洞中出現(xiàn)膠結(jié)和硬化現(xiàn)象而產(chǎn)生的粘結(jié)力，其與材料的毛細(xì)粘結(jié)程度和濕潤(rùn)程度有關(guān)。

微觀力學(xué)下粘結(jié)力又分為抗拉粘結(jié)力和抗剪粘結(jié)力，其主要不同在于外力的角度，如圖1所示。

圖1 微觀下界面的剪力和拉力的影響

為了測(cè)試接觸面的粘結(jié)性能，研究采用如圖2所示試驗(yàn)方法，通過(guò)加載超強(qiáng)韌性混凝土疊層修補(bǔ)試件得出界面的抗拉能力和抗剪能力。

圖2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)設(shè)備加載方式如圖3所示。

圖3 疊層界面粘結(jié)力試驗(yàn)裝置

1.2 試件的制作

本試驗(yàn)主要分析不同修補(bǔ)界面的粘結(jié)力，以得出最有利的界面處理方法。普通混凝土路面、普通鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)等修補(bǔ)常用的表面處理方法有刮削、磨砂、鉆孔和凹槽這四種形式，如圖4所示。

刮削—使用刮削金屬板刮普通混凝土層上表面，直到露出里面的石子等骨料，使界面變得更粗糙。

磨砂—用大粒砂布對(duì)普通混凝土上表面進(jìn)行打磨粗糙，直到可以清楚地看到粗骨料。

鉆孔—采用在普通混凝土上鉆孔的方式，使得超強(qiáng)韌性混凝土修補(bǔ)層與普通混凝土基層形成用咬合的形式增加界面的機(jī)械咬合力。

凹槽—利用模具，在普通混凝土基層上制作垂直于主剪力方向的凹槽。

將界面處理后，上面澆注超強(qiáng)韌性混凝土，并充分振搗，以確保超強(qiáng)韌性混凝土與基層普通混凝土完全接觸形成整體，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)3d后拆模。

1.3 界面粘結(jié)力試驗(yàn)

研究中通過(guò)分析剪切試驗(yàn)和拉伸試驗(yàn)得到超強(qiáng)韌性混凝土疊層修補(bǔ)界面間的極限切應(yīng)力和極限正應(yīng)力，對(duì)比得到處理修補(bǔ)界面的最佳方式。

1.3.1剪切試驗(yàn)

通過(guò)疊層修補(bǔ)界面剪切試驗(yàn)裝置測(cè)得在4種不同修補(bǔ)界面處理方法下界面間的抗剪能力。每種界面處理做3個(gè)試件，齡期均為14d，一共是36個(gè)試件。加載后的極限切應(yīng)力如表1所示。

表1 不同修補(bǔ)界面處理下的極限切應(yīng)力τxyMPa

1.3.2拉伸試驗(yàn)

通過(guò)疊層修補(bǔ)界面拉伸試驗(yàn)可以測(cè)出4種不同修補(bǔ)界面處理方法下界面的抗拉能力。每一種表面處理制作3個(gè)試件，加載后得到這4組12個(gè)試件的極限正應(yīng)力，如表2所示。

表2 不同修補(bǔ)界面處理下的極限正應(yīng)力σt,iMPa

從試驗(yàn)結(jié)果上可以看出磨砂方式的粘結(jié)力是最強(qiáng)的。觀察破壞后的試件，如圖5、圖6、圖7所示，可以看出磨砂方式制備的試件在拉伸破壞后橋聯(lián)作用非常明顯，其破壞并不是在兩材料的接觸面上，而是發(fā)生在超強(qiáng)韌性混凝土中，這樣就能夠完全發(fā)揮出超強(qiáng)韌性混凝土的抗裂性能。試件破壞后，修補(bǔ)層超強(qiáng)韌性混凝土表面上的PP 纖維粘連在普通混凝土上，試驗(yàn)中大量的PP纖維從超強(qiáng)韌性混凝土中拔出，試件整體的抗拉強(qiáng)度較高。

圖4 疊層修補(bǔ)界面的處理方法

圖5 磨砂制備方式下的破壞形式

圖6 破壞后混凝土上粘連了大量的纖維

圖7 磨砂試件破壞后的超強(qiáng)韌性混凝土與普通混凝土

2 磨砂制備的方式

實(shí)際工程中，普通混凝土路面、普通鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)往往表面光滑，如果將其作為基層在其上直接澆注超強(qiáng)韌性混凝土，界面間的粘結(jié)力很小。所以工程實(shí)踐中，應(yīng)在普通混凝土路面、普通鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行處理，根據(jù)研究可知，最佳處理方法是磨砂，即用打磨的方式在普通混凝土基層表面上制備出45°斜紋麻面。

試驗(yàn)中采用大粒砂紙打磨，在打磨過(guò)程中，將普通混凝土基層試件上表面的水泥漿打磨掉，露出里面的石子和砂子，直到石子的表面磨出45°斜紋，如圖8所示。實(shí)際工程中可采用施工機(jī)械制備出此類45°斜紋磨砂界面。

圖8 表面磨砂打磨

圖9所示為未處理的普通混凝土基層光滑表面和磨砂后表面的對(duì)比照片，從圖中可以明顯看出普通混凝土基層表面上是光滑的，而磨砂制備的試件表面形成了凹凸不平的45°斜紋，并且露出了里面的石子和砂子。細(xì)部觀察，如圖10所示，打磨后的表面可以看到很粗糙。這樣會(huì)更有效地使疊層修補(bǔ)材料超強(qiáng)韌性混凝土和普通混凝土基層緊密地粘結(jié)在一起，不會(huì)出現(xiàn)脫層等現(xiàn)象。

圖9 未處理混凝土表面與磨砂表面對(duì)比

圖10 磨砂表面細(xì)部

3 結(jié)論

通過(guò)疊層修補(bǔ)界面剪切試驗(yàn)和拉伸試驗(yàn)，得出了四種不同修補(bǔ)界面處理方法下的抗剪能力和抗拉能力，不管是從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)還是破壞形態(tài)，對(duì)比都能看出修補(bǔ)基層采用磨砂的界面處理方法效果較好，能充分發(fā)揮出超強(qiáng)韌性混凝土作為修補(bǔ)材料修補(bǔ)普通混凝土路面、普通鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)等的獨(dú)特性能。