混凝土黏結(jié)面性能研究進(jìn)展

侯金良

(中國(guó)核電工程有限公司,北京 100840)

0 引言

在實(shí)際工程中混凝土黏結(jié)面有很多,比如在混凝土澆筑過(guò)程中由于各種施工組織問(wèn)題或意外發(fā)生(如混凝土供給不及時(shí))使得先澆混凝土初凝后,澆筑后澆筑混凝土?xí)r,先澆與后澆筑的混凝土黏結(jié)處出現(xiàn)薄弱的冷縫。在裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)預(yù)制結(jié)構(gòu)與后澆混凝土之間也存在著很多的疊合面。還有由于環(huán)境影響、材料限制及長(zhǎng)期服役,混凝土結(jié)構(gòu)不可避免地存在一些耐久性問(wèn)題導(dǎo)致?lián)p壞而需要修補(bǔ)產(chǎn)生的黏結(jié)面。顯然,先澆和后澆混凝土之間的黏結(jié)面一般是薄弱區(qū),此區(qū)域的性能關(guān)系到整體結(jié)構(gòu)的性能,因此受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注,有必要對(duì)現(xiàn)有混凝土黏結(jié)面研究進(jìn)行總結(jié)與展望。

1 影響?zhàn)そY(jié)面性能的主要因素

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)影響?zhàn)そY(jié)面性能的因素展開(kāi)了大量研究,按影響程度大小總結(jié)如下:

1)黏結(jié)面粗糙度。研究發(fā)現(xiàn),增大黏結(jié)面粗糙度可提高黏結(jié)力學(xué)性能,但粗糙度超過(guò)一定值時(shí),后澆混凝土部分粗骨料堵住黏結(jié)面漿體流動(dòng)通道導(dǎo)致缺漿,待養(yǎng)護(hù)完成會(huì)使黏結(jié)面出現(xiàn)較多空隙,導(dǎo)致黏結(jié)面性能下降[1]。關(guān)于黏結(jié)面粗糙度的定量評(píng)定方法也有好多,已經(jīng)開(kāi)展了表征混凝土界面幾何形狀的研究[2-3],包括灌砂法、分維分析等方法。

2)界面劑以及后澆混凝土種類。不同界面劑及后澆混凝土也會(huì)影響?zhàn)そY(jié)性能。Khuram Rashid[4]將水泥漿料、環(huán)氧膠黏劑、丁苯乳膠和碳纖維增強(qiáng)聚合物四種常用界面劑應(yīng)用于黏結(jié)面后研究試件在拉伸、剪切和拉剪應(yīng)力作用下的性能。發(fā)現(xiàn)SBR通過(guò)形成聚合物薄膜增強(qiáng)黏結(jié)性能。碳纖維增強(qiáng)聚合物在受到拉剪作用時(shí)表現(xiàn)出較高強(qiáng)度。水泥漿體應(yīng)用廣泛,但呈現(xiàn)脆性,抗拉不理想。史長(zhǎng)城等[5]研究使用地質(zhì)聚合物界面劑后7 d和28 d黏結(jié)面劈裂抗拉強(qiáng)度的變化規(guī)律。發(fā)現(xiàn)地聚物界面劑量少時(shí)黏結(jié)強(qiáng)度小于水泥漿體,隨著地聚物含量的增加,黏結(jié)強(qiáng)度逐漸超過(guò)水泥漿界面劑。

3)混凝土黏結(jié)齡期?；炷笼g期也是影響?zhàn)そY(jié)性能的一個(gè)主要因素,Talbot等[6]很多學(xué)者認(rèn)為,黏結(jié)強(qiáng)度隨黏結(jié)齡期的增長(zhǎng)而增加,但達(dá)到一定時(shí)間后,黏結(jié)強(qiáng)度會(huì)降低。此外,兩部分混凝土齡期差也是必須考慮的因素。目前,對(duì)于28 d及更長(zhǎng)齡期差含黏結(jié)面混凝土的黏結(jié)性能研究有很多,但對(duì)于短齡期差研究還很少?，F(xiàn)有研究中,馬朝運(yùn)等[7]對(duì)混凝土冷縫黏結(jié)面劈裂強(qiáng)度進(jìn)行了試驗(yàn)研究,研究了齡期差從初凝時(shí)間的一半到24 h的黏結(jié)面劈裂抗拉強(qiáng)度規(guī)律,發(fā)現(xiàn)隨著齡期差增大,黏結(jié)面劈裂抗拉強(qiáng)度逐漸減小。史長(zhǎng)城等[8]對(duì)齡期差從初凝到28 d的含黏結(jié)面混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的變化規(guī)律進(jìn)行了研究。發(fā)現(xiàn)黏結(jié)面的劈裂抗拉強(qiáng)度隨齡期差增大而減少,最后逐漸趨于穩(wěn)定。

除上述三點(diǎn)主要影響因素外,還有一些其他因素,如先澆混凝土結(jié)合面的濕潤(rùn)狀況[9]、后澆混凝土澆筑的方位等等[10]。

可以看到,目前對(duì)影響?zhàn)そY(jié)面性能因素的研究主要以力學(xué)試驗(yàn)為主,在試驗(yàn)中主要采用控制變量法,因此上述影響因素也為黏結(jié)面性能后續(xù)研究打下了基礎(chǔ)。

2 黏結(jié)機(jī)理及黏結(jié)面微觀結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀

現(xiàn)有文獻(xiàn)中,關(guān)于黏結(jié)面黏結(jié)機(jī)理研究主要是黏結(jié)面區(qū)域的物理化學(xué)作用、微觀結(jié)構(gòu)分析以及建立黏結(jié)面區(qū)域的一些黏結(jié)模型等等。

黏結(jié)面兩側(cè)混凝土的黏結(jié)是物理及化學(xué)作用結(jié)合,物理黏結(jié)有下面幾種:吸附;原子分子的相互擴(kuò)散;機(jī)械咬合;靜電引力?；瘜W(xué)黏結(jié)作用力可分為兩種:一種是化學(xué)鍵結(jié)合;另一種是在黏結(jié)面區(qū)域生成了新的物質(zhì)[11]。

國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)于含黏結(jié)面混凝土黏結(jié)機(jī)理也做了許多研究:李庚英、謝慧才等[12-14]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)黏結(jié)力的主要來(lái)源是范德華力、機(jī)械咬合力和化學(xué)作用結(jié)合力。通過(guò)電鏡掃描黏結(jié)面認(rèn)為,黏結(jié)面應(yīng)分為滲透層、強(qiáng)效應(yīng)層、弱效應(yīng)層,如圖1所示,其中強(qiáng)效應(yīng)層包括鈣礬石、C-S-H凝膠以及氫氧化鈣,大晶體具有定向性,這個(gè)性質(zhì)決定了黏結(jié)面會(huì)有更多的空隙,強(qiáng)效應(yīng)層的結(jié)構(gòu)對(duì)黏結(jié)面性能起到?jīng)Q定性作用。

大連理工大學(xué)趙志方[15]提出了一種雙界面-多層區(qū)的黏結(jié)模型,認(rèn)為黏結(jié)區(qū)的結(jié)構(gòu)是多層區(qū)的,如圖2所示。其中過(guò)渡區(qū)域主要包括雙界面和它們之間的縫隙。通過(guò)各種方法調(diào)節(jié)界面之間的縫隙大小,可以使黏結(jié)面過(guò)渡區(qū)域結(jié)構(gòu)更密實(shí),大大改善黏結(jié)面性能。

Yan He[16]提出了一個(gè)三區(qū)兩層的黏結(jié)區(qū)域模型,如圖3所示。此模型可以很好地反映黏結(jié)面粗糙度和后澆材料影響?zhàn)そY(jié)面性能的機(jī)理。后澆混凝土區(qū)域是比較密實(shí)的,過(guò)渡區(qū)有比較多的細(xì)微空隙。而后澆混凝土中的膠凝材料漿體可以滲入透水層,并與先澆混凝土基體接觸并且發(fā)生化學(xué)反應(yīng)硬化。反應(yīng)層是黏結(jié)面兩側(cè)混凝土之間的空隙。透水層和反應(yīng)層對(duì)含黏結(jié)面混凝土的黏結(jié)影響顯著。

3 含黏結(jié)面混凝土的力學(xué)與耐久性能研究現(xiàn)狀

黏結(jié)面區(qū)域由于其結(jié)構(gòu)比兩側(cè)混凝土更薄弱,所以在外界因素作用下,在黏結(jié)面裂縫尖端處出現(xiàn)應(yīng)力集中,裂縫迅速開(kāi)展造成黏結(jié)面承載力下降,黏結(jié)面區(qū)域往往會(huì)首先破壞。黏結(jié)面的存在直接會(huì)影響到結(jié)構(gòu)的承載性和耐久性能,因此黏結(jié)面處的力學(xué)和耐久性能是影響混凝土整體性能的關(guān)鍵因素。

3.1 力學(xué)性能研究現(xiàn)狀

關(guān)于含黏結(jié)面混凝土的黏結(jié)力學(xué)性能方面的研究已經(jīng)有很多,這方面研究包括黏結(jié)面的抗拉、抗剪、抗折以及斷裂韌性等等。

趙志方等[17]通過(guò)對(duì)大量含黏結(jié)面混凝土黏結(jié)抗拉試件的試驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)影響?zhàn)そY(jié)力的因素顯著性從大到小排序依次為粗糙度、后澆混凝土的種類、齡期差。后澆混凝土對(duì)先澆混凝土的約束作用隨時(shí)間增長(zhǎng),當(dāng)后澆混凝土停止收縮時(shí)達(dá)到最大值。葉果[18]進(jìn)行了黏結(jié)面植筋混凝土試件剪切試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)加荷初期,黏結(jié)面抗剪能力來(lái)自黏結(jié)面的黏結(jié)力,黏結(jié)力由范德華力、化學(xué)作用結(jié)合力、機(jī)械咬合力組成。加荷后期黏結(jié)面黏結(jié)力逐漸喪失,兩部分混凝土剪切錯(cuò)動(dòng),此時(shí)鋼筋受到了拉應(yīng)力和剪應(yīng)力。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)通過(guò)黏結(jié)面植筋使得黏結(jié)面抗剪產(chǎn)生了良好的延性。Bo Hu[19]通過(guò)試驗(yàn)研究了含黏結(jié)面混凝土的動(dòng)態(tài)斜剪黏合行為,結(jié)果表明,應(yīng)變率對(duì)黏結(jié)強(qiáng)度影響顯著。試件的傾斜角影響了破壞模式和黏結(jié)強(qiáng)度,然而粗糙度和黏結(jié)齡期的影響較小。韓菊紅[20]對(duì)含黏結(jié)面混凝土的黏結(jié)面斷裂性能進(jìn)行了相關(guān)的研究,提出了黏結(jié)面區(qū)域斷裂模型,即可將黏結(jié)面區(qū)域視為含黏結(jié)面混凝土中的軟弱夾層。在外部荷載的作用下,黏結(jié)面試驗(yàn)預(yù)留裂縫的發(fā)展只在黏結(jié)面區(qū)域內(nèi)按最薄弱鏈的原則發(fā)展,不會(huì)侵入兩側(cè)的混凝土中。

黏結(jié)面的現(xiàn)有研究中對(duì)含黏結(jié)面混凝土的力學(xué)性能研究試驗(yàn)方法一般包括劈裂抗拉試驗(yàn)[21-24]、直接抗拉試驗(yàn)[25-26]、拉拔強(qiáng)度試驗(yàn)[27]、鉆芯拉拔試驗(yàn)、剪切試驗(yàn)[28]、抗折試驗(yàn)[29]等,從而利用這些試驗(yàn)結(jié)果探討各影響因素對(duì)黏結(jié)面黏結(jié)力學(xué)性能的影響。大多情況下,研究中較多的是黏結(jié)抗拉強(qiáng)度。黏結(jié)抗拉強(qiáng)度原則上應(yīng)由黏結(jié)軸心受拉試驗(yàn)求得,但這對(duì)試驗(yàn)設(shè)備以及試件制備工藝要求高,且試驗(yàn)十分復(fù)雜。趙志方等[30]通過(guò)試驗(yàn)提出先做含黏結(jié)面混凝土黏結(jié)面劈裂抗拉試驗(yàn),將獲取的黏結(jié)面劈裂抗拉強(qiáng)度值乘一個(gè)轉(zhuǎn)換系數(shù),就可以換算成黏結(jié)軸心抗拉強(qiáng)度(見(jiàn)圖4)。此研究證實(shí)了黏結(jié)面劈裂抗拉強(qiáng)度與黏結(jié)抗拉強(qiáng)度的相關(guān)性,為用黏結(jié)面劈裂抗拉強(qiáng)度表征含黏結(jié)面混凝土的黏結(jié)面力學(xué)性能奠定了基礎(chǔ)。

在劈裂加載過(guò)程中會(huì)發(fā)現(xiàn),與完整混凝土試件的試驗(yàn)力-時(shí)間曲線相比,含黏結(jié)面混凝土試件有著明顯的不同,見(jiàn)圖5。完整混凝土試件的實(shí)驗(yàn)力隨著時(shí)間變化所加力也在平穩(wěn)增長(zhǎng)。但含黏結(jié)面試件的力時(shí)間曲線在某一時(shí)間點(diǎn)增長(zhǎng)到某力值時(shí),試驗(yàn)力開(kāi)始上下波動(dòng),隨后又繼續(xù)平穩(wěn)上升達(dá)到極限值。根據(jù)含黏結(jié)面混凝土的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),可以判斷,在壓力機(jī)加載到這個(gè)波動(dòng)處時(shí),黏結(jié)面失效開(kāi)裂,之后黏結(jié)面兩側(cè)的混凝土開(kāi)始受力。所以統(tǒng)一取波動(dòng)處的上峰值點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)力為含黏結(jié)面混凝土試件的破壞荷載進(jìn)行研究。

3.2 耐久性能研究現(xiàn)狀

與含黏結(jié)面混凝土黏結(jié)力學(xué)性能研究相比,現(xiàn)有研究中關(guān)于含黏結(jié)面混凝土耐久性能的研究是比較少的,只有少數(shù)學(xué)者研究了黏結(jié)面抗?jié)B、抗凍性能以及抗碳化的性能。

趙東和、丁巍巍[31-32]通過(guò)試驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)降低后澆混凝土的水灰比,摻入粉煤灰、礦渣等,或者改善黏結(jié)面結(jié)構(gòu)以及黏結(jié)面的處理方式都可顯著降低氯離子的滲透能力。朱紅光、侯金良等[33]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)用堿激發(fā)礦渣粉煤灰材料修補(bǔ)老混凝土后,在堿激發(fā)劑作用下,堿激發(fā)礦渣-粉煤灰與老混凝土的部分組分發(fā)生水化反應(yīng),提升了黏結(jié)面的力學(xué)性能與抗氯離子滲透性能。

歐陽(yáng)志鵬等[34]研究了裝配式結(jié)構(gòu)混凝土結(jié)合面清理及含水情況對(duì)抗碳化性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn),既清理又潤(rùn)濕的黏結(jié)面碳化深度約為兩側(cè)混凝土本體的1.5倍。不清理也不濕潤(rùn)的情況下黏結(jié)面的碳化深度約為兩側(cè)混凝土本體的3倍。

關(guān)于含黏結(jié)面混凝土耐久性能的試驗(yàn)方法也有多種。

對(duì)于研究抗氯離子滲透性能,可以使用滲水高度法,但是此方法由于抗?jié)B等級(jí)與滲透系數(shù)的關(guān)系不太一致,故不常用。目前研究常用氯離子遷移系數(shù)(RCM法)或者電通量法。

研究黏結(jié)面抗凍性能時(shí),可以通過(guò)測(cè)量每?jī)鋈谝欢螘r(shí)間的黏結(jié)面劈裂抗拉強(qiáng)度來(lái)分析黏結(jié)面抗凍性能,但這種破壞性試驗(yàn)需要大量的試塊,增加了科研人員工作量,因此參考價(jià)值不大[35]。所以無(wú)損檢測(cè)方法受到了廣泛關(guān)注,相關(guān)方法有動(dòng)彈模測(cè)試及超聲波測(cè)試法。根據(jù)GB/T 50082—2009普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn),達(dá)到初始模量60%的相對(duì)動(dòng)彈性模量代表著混凝土的耐久性失效[36]。動(dòng)態(tài)模量測(cè)試的基礎(chǔ)是共振法,這種方法只能表征含黏結(jié)面混凝土整體的平均損傷?；诠舱穹?各向同性假設(shè)表明混凝土內(nèi)部的損傷是均勻的,這在含黏結(jié)面混凝土中顯然不正確。經(jīng)過(guò)連續(xù)的凍融循環(huán)后,黏結(jié)面的損傷要比黏結(jié)面兩側(cè)混凝土的損傷更為顯著。當(dāng)相對(duì)動(dòng)彈性模量達(dá)到初始模量的60%時(shí),黏結(jié)面早已破壞。所以動(dòng)彈模測(cè)試方法不適用于含黏結(jié)面混凝土。

朱紅光等[37-38]應(yīng)用超聲波速測(cè)試方法,進(jìn)行一系列試驗(yàn)研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn)超聲波速能較好地量測(cè)含黏結(jié)面混凝土凍融過(guò)程,提出了凍融循環(huán)下適合于含黏結(jié)面混凝土的黏結(jié)面超聲波速損失率表征模型式。下面對(duì)此模型進(jìn)行解釋(見(jiàn)圖6)。

在圖6中N為后澆混凝土;O為先澆混凝土;T⊥為垂直于黏結(jié)面超聲波經(jīng)過(guò)黏結(jié)面兩側(cè)所用的時(shí)間;TPO為超聲波通過(guò)先澆混凝土所用的時(shí)間;TPN為超聲波通過(guò)后澆混凝土所用的時(shí)間;Td為通過(guò)黏結(jié)面所用的時(shí)間。介質(zhì)的密度越大,則在介質(zhì)中的傳播速度越快,通過(guò)介質(zhì)用時(shí)最短。

試塊的尺寸為100 mm,黏結(jié)面的厚度為d。v⊥為垂直于黏結(jié)面貫穿整體混凝土的超聲波速。vPO,vPN分別為先澆混凝土的超聲波速與后澆混凝土的超聲波速。根據(jù)TPN+Td+TPO=T⊥,可以得到式(1):

(1)

由上述公式可以推得黏結(jié)面超聲波速損失率D,見(jiàn)式(2):

(2)

4 現(xiàn)有研究中存在的問(wèn)題及展望

通過(guò)對(duì)研究現(xiàn)狀的總結(jié)與歸納,對(duì)現(xiàn)有研究中存在的問(wèn)題及展望進(jìn)行以下分析:

1)現(xiàn)有影響?zhàn)そY(jié)面黏結(jié)性能的因素研究中宏觀力學(xué)試驗(yàn)偏多,多數(shù)研究未深入探討不同后澆混凝土作用下黏結(jié)面的化學(xué)反應(yīng)對(duì)黏結(jié)面結(jié)構(gòu)的影響。

2)現(xiàn)有關(guān)于齡期差研究中,齡期差為28 d或更長(zhǎng),但是實(shí)際工況中短齡期差的情況也有很多,此部分研究仍需完善。

3)相比力學(xué)性能,對(duì)含黏結(jié)面混凝土耐久性能的研究較少。除進(jìn)行耐久性試驗(yàn)外,可以借助一些數(shù)值模擬軟件如MATLAB和COMSOL對(duì)混凝土抗?jié)B性等耐久性問(wèn)題進(jìn)行數(shù)值模擬。

4)后續(xù)關(guān)于黏結(jié)面的相關(guān)研究中,還可以從孔隙率以及空隙分布的角度來(lái)更深入的研究。

5)近些年來(lái),新型建筑材料在一直發(fā)展,更有效的后澆混凝土材料能與先澆混凝土發(fā)生良好的化學(xué)反應(yīng)而增強(qiáng)黏結(jié)面性能?？梢匝芯窟@些材料在含黏結(jié)面混凝土中的應(yīng)用,尋找更好提升黏結(jié)面性能的方法。