陶?；炷?普通混凝土環(huán)氧樹(shù)脂界面凍融后抗剪性能試驗(yàn)研究

朱紅兵，郭正發(fā)，韓 蓓，段亦雪

(1.武漢科技大學(xué) 城市建設(shè)學(xué)院，湖北 武漢 4300065；2.城市更新湖北省工程研究中心，湖北 武漢 430065；3.武漢科技大學(xué) 高性能工程結(jié)構(gòu)研究院，湖北 武漢 430065)

增大截面法是混凝土墩柱構(gòu)件加固的一種常用方法，該法能增加構(gòu)件的承載力和剛度，明顯改善結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能[1].由于增大截面會(huì)在一定程度上增加構(gòu)件自重，增加下部結(jié)構(gòu)和地基基礎(chǔ)的荷載，在不少工程中面臨較大困難，制約了增大截面法的應(yīng)用范圍[2].本文提出采用全輕陶?；炷?新混凝土)作為加固用混凝土，充分利用其輕質(zhì)高強(qiáng)的物理力學(xué)特性，實(shí)現(xiàn)既能滿(mǎn)足加固結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能要求，又能有效控制因加固引起的結(jié)構(gòu)自重增量.增大截面法加固時(shí)，新老混凝土之間協(xié)同工作的關(guān)鍵在于連接界面的粘結(jié)性能，界面粘結(jié)形式比較常見(jiàn)的有三種方式：在新老混凝土粘結(jié)界面涂抹界面劑、界面植筋、施作切槽或鑿毛等構(gòu)造[1，3-4].對(duì)于施工便捷性和減少對(duì)既有結(jié)構(gòu)的損傷角度，涂抹界面劑具有很大的優(yōu)勢(shì)，而環(huán)氧樹(shù)脂界面劑相比于其他界面劑具有更好的力學(xué)性能，發(fā)展空間更大[3，5].

剪力傳遞是新老混凝土之間傳力的主要形式，界面抗剪強(qiáng)度是衡量新老混凝土協(xié)同工作性能的關(guān)鍵指標(biāo)[6-7].在經(jīng)歷凍融循環(huán)后，新老混凝土界面的粘結(jié)性能會(huì)出現(xiàn)劣化，其劣化規(guī)律需要通過(guò)試驗(yàn)及分析予以明確[8-9].對(duì)涂刷環(huán)氧樹(shù)脂界面劑的新老混凝土連接界面的試驗(yàn)研究表明：新老混凝土結(jié)合面的粘結(jié)性能直接決定了修補(bǔ)后的新老混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度，新混凝土強(qiáng)度對(duì)新老混凝土界面的粘結(jié)性能的影響有限，過(guò)分追求新混凝土強(qiáng)度不經(jīng)濟(jì)[7]；新老混凝土粘結(jié)的力學(xué)性能較新、老混凝土本身更弱[10-11]；凍融后新老混凝土抗折試件的破壞模式有粘結(jié)面處破壞和強(qiáng)度較低的混凝土破壞[12-13].可見(jiàn)，現(xiàn)有研究對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂加固界面的力學(xué)性能進(jìn)行了積極探索，但是采用全輕陶?；炷磷鳛榧庸逃玫男禄炷羷t缺少相關(guān)研究報(bào)道.尤其是在經(jīng)歷凍融循環(huán)后，環(huán)氧樹(shù)脂界面劑與新老混凝土的粘結(jié)性能會(huì)出現(xiàn)退化，界面抗剪強(qiáng)度隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低[14-16]，但對(duì)受凍融影響的界面抗剪強(qiáng)度退化規(guī)律還不明晰.對(duì)經(jīng)受凍融循環(huán)后全輕陶?；炷僚c普通混凝土間環(huán)氧樹(shù)脂連接界面及周邊混凝土的抗剪性能退化開(kāi)展試驗(yàn)研究，并建立凍融循環(huán)后環(huán)氧樹(shù)脂界面抗剪強(qiáng)度的退化規(guī)律，對(duì)工程實(shí)踐非常有意義[17-18].

為探討全輕陶?；炷良庸唐胀ɑ炷翗?gòu)件環(huán)氧樹(shù)脂粘結(jié)界面在凍融損傷后的抗剪性能退化規(guī)律，本文開(kāi)展了7組新老混凝土試件和2組整澆試件的凍融試驗(yàn)，測(cè)試了各組試件分別在經(jīng)歷0、5次、10、15、20、25及30次凍融后的界面抗剪強(qiáng)度，分析了各組試件的外觀損傷、抗剪破壞形態(tài)及抗剪強(qiáng)度退化規(guī)律，最終建立環(huán)氧樹(shù)脂界面的抗剪強(qiáng)度退化計(jì)算公式，以達(dá)到可較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)出凍融后環(huán)氧樹(shù)脂界面抗剪強(qiáng)度的目標(biāo).

1 混凝土配合比及試件制作

老混凝土采用普通混凝土，新混凝土采用全輕陶粒混凝土.

1.1 新老混凝土共用原材料

(1)水泥采用湖北華新水泥股份有限公司生產(chǎn)的P.O.42.5普通硅酸鹽水泥，技術(shù)指標(biāo)如表1；

表1 水泥性能指標(biāo)

(2)拌和水采用武漢市自來(lái)水；

(3)環(huán)氧樹(shù)脂界面劑：水性環(huán)氧樹(shù)脂乳液，性能見(jiàn)表2.

表2 環(huán)氧樹(shù)脂乳液性能指標(biāo)

1.2 普通混凝土材料及配合比

(1)粗骨料為連續(xù)級(jí)配碎石，表面粗糙，最大粒徑 25 mm；

(2)細(xì)骨料采用普通河砂(中砂)，表觀密度為 2.54 g/cm3，細(xì)度模數(shù)為 2.91；

(3)配合比參考《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ55—2011)經(jīng)過(guò)試配得到，如表3.實(shí)測(cè)28 d立方體抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度平均值分別為35.4 MPa、2.472 MPa，28 d彈性模量值為30.44 GPa.

表3 普通混凝土配合比(單位：kg/m3)

1.3 全輕陶?；炷敛牧霞芭浜媳?/h3>

(1)粗骨料選用宜昌光大陶粒制品有限公司生產(chǎn)的900級(jí)碎石型頁(yè)巖陶粒，試驗(yàn)前將陶粒在水中浸濕2 h，取出瀝干12 h后使用.參數(shù)見(jiàn)表4；

表4 頁(yè)巖陶粒性能指標(biāo)

(2)細(xì)骨料采用陶砂，直徑小于5mm.見(jiàn)表5；

表5 陶砂物理性能指標(biāo)

(3)減水劑采用HSC聚羧酸高性能減水劑，減水效率為 25%；

(4)配合比.參考《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T12—2019)和預(yù)研成果并經(jīng)多次試配，全輕陶?；炷罫C50的配合比如表6所示.實(shí)測(cè)28 d立方體抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度平均值分別為52.1 MPa、2.660 MPa，28 d彈性模量值為33.56 GPa.

表6 全輕陶?；炷僚浜媳?單位：kg/m3)

1.4 全輕陶?；炷?老混凝土試件

(1)老混凝土試件制作與養(yǎng)護(hù).根據(jù)混凝土配合比，澆筑好100 mm×100 mm×200 mm的老混凝土試塊，待20 ℃環(huán)境養(yǎng)護(hù)24 h成型后拆模.脫模后試件放在溫度為 20±2 ℃，相對(duì)濕度≥95%的混凝土養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)至28 d；

(2)老混凝土試件界面處理.老混凝土試塊養(yǎng)護(hù)28 d后，清除表面浮漿，選擇100 mm×100 mm的自然面作為與陶?；炷吝B接的粘結(jié)面，在老混凝土粘結(jié)面均勻涂抹環(huán)氧樹(shù)脂界面劑，厚度按1.5 mm控制；

(3)全輕陶?；炷翝仓?按表6配合比制作全輕陶?；炷?將已涂抹界面劑的老混凝土試塊放回100 mm×100 mm×400 mm的試模，涂抹界面劑的粘結(jié)面臨空并與后澆全輕陶?；炷吝B接.將拌和好的陶粒混凝土倒入裝有老混凝土的模具的剩余100 mm×100 mm×200 mm空間.將澆筑成型的新老混凝土試件放在 20 ℃環(huán)境下48 h，待成型后脫模.脫模后試件在混凝土養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d.

圖1為試件示意圖，澆筑后試件照片見(jiàn)圖2.

圖1 環(huán)氧樹(shù)脂界面試件整體示意(單位：mm)

圖2 澆筑陶粒混凝土后試件照片

2 凍融后試件界面抗剪性能退化試驗(yàn)

2.1 凍融試驗(yàn)

表7 試驗(yàn)分組及凍融后界面抗剪強(qiáng)度

凍融試驗(yàn)在國(guó)產(chǎn)TDRI型混凝土自動(dòng)快速凍融機(jī)上進(jìn)行，溫控試件的溫度控制在-15～15 ℃之間，由棱柱體試驗(yàn)中心的溫度探頭和冷凍液中的溫度探頭通過(guò)控制柜自動(dòng)控制，一個(gè)凍融循環(huán)時(shí)間3 h左右，試件在凍融過(guò)程中始終處于水飽和狀態(tài).

凍融試驗(yàn)前，將試件放置在20±3 ℃的清水中浸泡4 d，然后放入凍融機(jī)內(nèi)正式試驗(yàn).

試驗(yàn)過(guò)程中，分別對(duì)試件在清水中進(jìn)行5、10、15、20、25、30次凍融循環(huán)，達(dá)到預(yù)定次數(shù)后取出，對(duì)外觀進(jìn)行觀察，并進(jìn)行剪切試驗(yàn)，研究界面損傷規(guī)律和抗剪強(qiáng)度.

2.2 凍融后試件外觀損傷

圖3為涂抹環(huán)氧樹(shù)脂界面劑的試件(W-30-E組試件1)在清水凍融0、5、10、15、20、25、30次的外觀形態(tài).

圖3 凍融后試件外觀損傷(W-30-E組試件1)

圖3可見(jiàn)，試件外觀主要表現(xiàn)為麻面和骨料外露，普通混凝土與全輕陶粒混凝土在清水凍融環(huán)境下表現(xiàn)出的外觀損傷破壞程度有一定差異.缺陷情況統(tǒng)計(jì)如表8.

表8 凍融后環(huán)氧樹(shù)脂界面試件表面缺陷

由表8和圖3可知，隨著凍融次數(shù)的增長(zhǎng)，普通混凝土和全輕陶?；炷谅槊娆F(xiàn)象逐漸增多.凍融15次后試件破壞較輕；經(jīng)過(guò)20次凍融后表面缺陷明顯增多，全輕陶?；炷脸霈F(xiàn)明顯骨料外露現(xiàn)象；麻面面積率最高可為42%.全輕陶?；炷猎谠缙诘膬鋈诤笸庥^缺陷較普通混凝土輕微，但后期發(fā)展速度快，凍融30次后外觀缺陷更嚴(yán)重.

凍融20次后粘結(jié)面出現(xiàn)了不連通的裂紋，且隨著凍融次數(shù)的增加，粘結(jié)面產(chǎn)生的裂紋逐漸增多.

雖然技改后取得了顯著成績(jī)，但還要正視與其他廠家的差距，尤其是介耗方面。為了保證磁選機(jī)磁性物回收率達(dá)到99.8%，國(guó)內(nèi)外廠家均提出磁選機(jī)入料中煤泥含量至少要低于25%，在這方面，還需做很多工作。

2.3 凍融后試件界面抗剪性能退化試驗(yàn)

2.3.1 抗剪試驗(yàn)加載裝置

采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)和剪切夾具，試驗(yàn)參照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50081—2019)的規(guī)定來(lái)進(jìn)行.加載裝置如圖4.試驗(yàn)加荷速率為0.5 MPa/s，連續(xù)均勻加荷，當(dāng)試件破壞時(shí)，立即停止加載，記錄峰值荷載.剪切夾具參考文獻(xiàn)[19]并進(jìn)一步改進(jìn).

圖4 試件加載示意(單位：mm)

2.3.2 剪切試驗(yàn)破壞特征

涂抹環(huán)氧樹(shù)脂界面劑的新老混凝土試件，經(jīng)歷凍融損傷后的剪切破壞形態(tài)如圖5所示.試驗(yàn)過(guò)程中觀察到，加載到一定荷載時(shí)，界面粘結(jié)面出現(xiàn)豎向裂縫，當(dāng)荷載持續(xù)增加至破壞荷載時(shí)，試件沿新老混凝土粘結(jié)面處瞬間斷裂，并伴有響聲，具有明顯的脆性破壞特征.

圖5 環(huán)氧樹(shù)脂界面試件剪切破壞形態(tài)

觀察試件破壞界面發(fā)現(xiàn)，凍融次數(shù)不超過(guò)15次時(shí)，剪切破壞發(fā)生在普通混凝土與環(huán)氧樹(shù)脂界面劑之間，普通混凝土和全輕陶粒混凝土沿粘結(jié)面完全分離，粘結(jié)面無(wú)骨料拉扯現(xiàn)象，如圖5(a)；凍融循環(huán)20次，剪切破壞形式為新老混凝土粘結(jié)面處破壞，剪切破壞從環(huán)氧樹(shù)脂界面劑處破壞，全輕陶粒混凝土側(cè)和普通混凝土側(cè)粘結(jié)界面上均局部粘附有界面劑，如圖5(b)；凍融循環(huán)25～30次后，環(huán)氧樹(shù)脂界面試件剪切加載至破壞前，界面處出現(xiàn)一條肉眼可見(jiàn)豎向裂縫，裂縫的產(chǎn)生和破壞幾乎同時(shí)出現(xiàn)，粘結(jié)面存在骨料拉扯現(xiàn)象，界面剪切破壞發(fā)生在全輕陶?；炷僚c環(huán)氧樹(shù)脂界面劑之間，如圖5(c).由此可見(jiàn)，凍融次數(shù)低于15次時(shí)，普通混凝土側(cè)的粘結(jié)強(qiáng)度低于全輕陶粒混凝土側(cè)；但隨著凍融次數(shù)增加，全輕陶?；炷羵?cè)的粘結(jié)強(qiáng)度衰減較快，逐漸成為制約界面粘結(jié)的薄弱處.

2.3.3 抗剪強(qiáng)度

凍融后環(huán)氧樹(shù)脂界面抗剪強(qiáng)度實(shí)測(cè)值見(jiàn)表7.采用環(huán)氧樹(shù)脂連接的新老混凝土界面抗剪強(qiáng)度，能夠達(dá)到普通混凝土抗剪強(qiáng)度值的43.0%、全輕陶?；炷量辜魪?qiáng)度值的57.5%.隨著凍融次數(shù)的增加，界面抗剪強(qiáng)度逐漸退化.

3 凍融后試件界面抗剪性能

3.1 界面抗剪強(qiáng)度退化

根據(jù)表7試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制折線圖形，分析凍融后環(huán)氧樹(shù)脂界面試件抗剪強(qiáng)度退化規(guī)律，如圖6.

圖6 凍融后環(huán)氧樹(shù)脂界面抗剪強(qiáng)度

根據(jù)表7和圖6可以看出，試件的界面抗剪強(qiáng)度自開(kāi)始凍融后就隨凍融次數(shù)增加而快速下降；未經(jīng)過(guò)凍融的環(huán)氧樹(shù)脂界面試件界面抗剪強(qiáng)度為3.218MPa，分別為普通混凝土、全輕陶粒混凝土整體強(qiáng)度的43.02%和 57.46%；凍融循環(huán)5、10、15、20、25、30次后，界面抗剪強(qiáng)度較未凍融時(shí)的下降率分別為7.83%、20.91%、25.54%、31.11%、36.54%、45.27%.

3.2 界面抗剪強(qiáng)度退化計(jì)算公式

由界面剪切破壞形態(tài)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，界面抗剪強(qiáng)度與凍融循環(huán)次數(shù)基本呈直線下降規(guī)律，因此，假設(shè)凍融后試件界面的抗剪強(qiáng)度退化計(jì)算公式為

τWE=(1-aWEn)τ0WE

(1)

式中：τWE、τ0WE分別為凍融n次后、未凍融環(huán)氧樹(shù)脂界面試件的抗剪強(qiáng)度，MPa；n為試件經(jīng)歷的凍融循環(huán)次數(shù)，次；aWE為與凍融循環(huán)次數(shù)有關(guān)的抗剪強(qiáng)度衰減系數(shù).

根據(jù)表7數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，可得待定系數(shù)aWE=0.015 5.因此，采用環(huán)氧樹(shù)脂連接的全輕陶?；炷僚c普通混凝土界面在凍融后抗剪強(qiáng)度退化計(jì)算公式為：

τWE=(1-0.015 5n)τ0WE

(2)

將式(2)計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)繪制成圖7.可見(jiàn)各試件的實(shí)測(cè)值與公式計(jì)算值較接近，離散程度較低.表9將實(shí)測(cè)平均值與公式計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，可見(jiàn)誤差在3.6%以?xún)?nèi)，吻合度較高.

圖7 環(huán)氧樹(shù)脂界面抗剪強(qiáng)度擬合曲線

表9 環(huán)氧樹(shù)脂界面試件界面抗剪強(qiáng)度計(jì)算公式驗(yàn)證

4 結(jié)論

(1)混凝土麻面面積隨凍融次數(shù)逐漸增多，20次凍融后陶?；炷脸霈F(xiàn)明顯骨料外露，粘結(jié)面出現(xiàn)不連通裂紋；凍融早期陶?；炷镣庥^缺陷較老混凝土輕微，但后期相反；

(2)試件均從粘結(jié)面處剪切破壞，有明顯脆性特征.凍融低于15次時(shí)剪切破壞在老混凝土與界面劑之間，超過(guò)25次時(shí)在陶?；炷僚c界面劑之間，15～25次時(shí)為過(guò)渡狀態(tài)；

(3)凍融后界面抗剪強(qiáng)度明顯退化，經(jīng)歷5、10、15、20、25、30次凍融后，界面抗剪強(qiáng)度較凍融前下降率分別為7.83%、20.91%、25.54%、31.11%、36.54%、45.27%；具有較明顯的線性退化規(guī)律；

(4)建立了凍融過(guò)程中環(huán)氧樹(shù)脂界面抗剪強(qiáng)度退化計(jì)算公式，可作為凍融后環(huán)氧樹(shù)脂粘結(jié)普通混凝土與全輕陶粒混凝土界面的抗剪強(qiáng)度計(jì)算.