含聚合物防水膜的隧道襯砌界面剪切-滑移力學(xué)特性試驗(yàn)研究

蔣雅君, 趙菊梅, *, 劉基泰, 何雨帝, 王虎群

(1. 西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 四川 成都 610031; 2. 北京東方雨虹防水技術(shù)股份有限公司 特種功能防水材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 101309)

0 引言

目前,隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)由噴射混凝土初期支護(hù)、防水層和噴射或現(xiàn)澆混凝土二次襯砌組成[1-3],而其中的防水層在實(shí)際應(yīng)用中有2種形式。第1種是傳統(tǒng)的防水層形式,是在初期支護(hù)表面鋪設(shè)1層防水板和土工布,被定義為double shell lining (DSL)[4]。其缺點(diǎn)包括: 1)初期支護(hù)和防水板之間不粘結(jié),地下水很容易在防水板后面流動(dòng); 2)盡管有土工布保護(hù),但初期支護(hù)的不平整或機(jī)械穿孔也會(huì)對(duì)防水板造成破壞; 3)防水板的邊緣和接縫等不連續(xù)處也可能成為滲漏通道。第2種形式是基于噴膜防水的隧道支護(hù)結(jié)構(gòu),被稱為composite shell lining(CSL),該方式可以提高隧道防水質(zhì)量[5-6]。防水膜噴涂在初期支護(hù)表面,并與初期支護(hù)和二次襯砌粘結(jié)在一起,其優(yōu)點(diǎn)是整體性好、基面適應(yīng)性強(qiáng)、施工速度快。在過(guò)去的20年中,CSL這種方法已被應(yīng)用于世界各地的地下空間工程,如交通隧道、市政隧道、硐室和沉管隧道[4,7]。CSL與DSL的主要區(qū)別在于CSL的界面可在初期支護(hù)和二次襯砌之間形成拉伸和剪切粘結(jié)作用,從而提高隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)各層構(gòu)件的分擔(dān)荷載效果[5-6]。

由于對(duì)CSL結(jié)構(gòu)特別是在雙面粘結(jié)型防水層帶來(lái)的初期支護(hù)和二次襯砌的復(fù)合作用方面研究的不足,目前CSL的設(shè)計(jì)仍參照DSL的方法,未考慮界面分擔(dān)荷載的能力[8]。近年來(lái),人們開(kāi)始關(guān)注CSL的復(fù)合作用所帶來(lái)的益處,對(duì)CSL結(jié)構(gòu)和界面進(jìn)行了一系列研究。例如: Nakashima等[9]對(duì)復(fù)合噴射混凝土試樣進(jìn)行了4點(diǎn)彎曲和偏心壓縮試驗(yàn),以模擬典型的大彎矩和小彎矩壓縮軸力(箍筋應(yīng)力),結(jié)果表明,CSL試樣表現(xiàn)為復(fù)合截面,界面滑移極小;Johnson等[10]對(duì)復(fù)合試樣進(jìn)行了拉伸和剪切試驗(yàn),結(jié)果表明,在充分粘結(jié)的情況下,初期支護(hù)和二次襯砌之間剪切傳遞的復(fù)合作用有利于結(jié)構(gòu)受力;Vogel等[11]研究了噴涂在復(fù)合梁上的防水層的荷載分擔(dān)能力,結(jié)果表明,防水層可以傳遞剪力和彎矩,與數(shù)值模擬結(jié)果一致; Su等[12]通過(guò)對(duì)從噴射混凝土板上切割下來(lái)的復(fù)合試樣進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn),研究了軟土地基中CSL的界面參數(shù),結(jié)果表明,防水層厚度和基面粗糙度對(duì)界面剛度和強(qiáng)度沒(méi)有顯著影響;Su等[13]基于對(duì)CSL梁的研究和一系列實(shí)驗(yàn)室測(cè)試,開(kāi)發(fā)了一種數(shù)值分析方法,用于預(yù)測(cè)橫截面的應(yīng)變分布,并探索了防水層位置對(duì)復(fù)合作用程度的影響。

盡管上述研究在了解CSL結(jié)構(gòu)力學(xué)特性方面取得了長(zhǎng)足進(jìn)步,但也存在一定的局限性。首先,研究假設(shè)防水層在受力達(dá)到力-位移曲線的峰值時(shí)失效,而實(shí)際上在短期荷載作用下,界面在達(dá)到峰值力之后仍需要一定的過(guò)程才會(huì)完全破壞,因此界面在進(jìn)入破壞階段后仍具有一定的承載能力。其次,關(guān)于界面力學(xué)行為的影響因素,以往的研究主要集中在基面粗糙度和防水層厚度上(結(jié)果表明界面參數(shù)對(duì)這2個(gè)因素并不敏感),但防水層的粘結(jié)強(qiáng)度對(duì)CSL的影響以及法向壓應(yīng)力的影響尚未得到系統(tǒng)研究。此外,防水層的剪切強(qiáng)度明顯低于襯砌混凝土的剪切強(qiáng)度。界面剪切滑移特性取決于防水層的剛度,而剛度則由防水層材料決定。因此,應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)獲得不同防水層特性的參數(shù),并通過(guò)調(diào)整界面的模量和剛度且與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,以驗(yàn)證數(shù)值模擬中模型的準(zhǔn)確性。

針對(duì)上述問(wèn)題,本研究采用CSL復(fù)合試塊進(jìn)行粘結(jié)強(qiáng)度和壓剪試驗(yàn),深入探討CSL形式的防水層界面的剪切-滑移特性。研究中對(duì)試塊從開(kāi)始到完全破壞整個(gè)過(guò)程中的應(yīng)力和位移值進(jìn)行記錄,并對(duì)界面的破壞行為進(jìn)行分析,獲得剪切-滑移過(guò)程中的界面力學(xué)參數(shù),以討論防水層材料類型和法向壓應(yīng)力對(duì)這些參數(shù)的影響。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料包括防水材料和混凝土襯砌材料。防水材料選用聚合物水泥防水材料,襯砌材料按照GB/T 16777—2008《建筑防水涂料試驗(yàn)方法》中的粘結(jié)強(qiáng)度測(cè)試要求,采用強(qiáng)度等級(jí)為42.5的硅酸鹽水泥和中砂制成的砂漿塊進(jìn)行模擬。

聚合物水泥防水涂料是由液料(包括合成聚合物膠乳、各種添加劑)和粉料(包括特種水泥、石英粉、各種添加劑)組成的雙成分防水材料(見(jiàn)圖1)。它具有聚合物材料的高彈性和無(wú)機(jī)材料的良好耐久性,其柔韌的力學(xué)性能、耐水性和耐候性以及無(wú)毒無(wú)污染的特點(diǎn)適合在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)中模擬噴涂防水膜[14]。此外,防水層的粘結(jié)強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率和拉伸強(qiáng)度等性能可根據(jù)2種組分的不同混合比例進(jìn)行調(diào)整[15]。

(a) 粉料

為了探索防水層性能對(duì)粘結(jié)和壓剪條件下測(cè)試結(jié)果的影響,按照液料和粉料的不同質(zhì)量比制備3種聚合物水泥復(fù)合材料。通過(guò)單軸拉伸試驗(yàn)測(cè)定的不同配比防水層試樣的力學(xué)性能指標(biāo)如表1所示。試驗(yàn)結(jié)果表明,從Ⅰ型到Ⅲ型,防水層的柔韌性隨著粉末比例的增加而降低。

表1 不同混合配比防水層的力學(xué)性能

1.2 試樣制備

分別制備2種不同類型的復(fù)合試塊進(jìn)行粘結(jié)和壓剪試驗(yàn),其中防水膜的厚度控制在3 mm。

1.2.1 粘結(jié)試驗(yàn)試塊

形狀為“8”字形、厚度為22.5 mm的復(fù)合試塊(見(jiàn)圖2(a))是用水泥砂漿在金屬模具(見(jiàn)圖2(b))中成型的。待砂漿塊固化成型后,用砂紙將每個(gè)砂漿塊的粘合表面擦拭干凈。將不同質(zhì)量比的混合聚合物水泥防水涂料的液體和粉末材料攪拌5 min,消除混合物中明顯的顆粒; 然后,將混合物均勻涂刷在砂漿塊的粘合面上,粘合密實(shí); 最后,在標(biāo)準(zhǔn)條件(溫度25 ℃,相對(duì)濕度55%)下固化7 d后,用橡膠帶固定試塊。

(a) 試塊(單位: mm)

1.2.2 壓剪試驗(yàn)試塊

壓剪試驗(yàn)的復(fù)合試塊制備如圖3所示。壓剪試驗(yàn)采用由1層聚合物水泥防水膜和2塊砂漿塊組成的復(fù)合試塊,單塊尺寸為70 mm×70 mm×35 mm(長(zhǎng)×寬×高)。將水泥砂漿倒入模具高度的1/2(模具中間有一個(gè)刻度線),形成砂漿塊。防水膜材料的制備與粘結(jié)強(qiáng)度試樣制備相同,之后將混合料在兩側(cè)粘合面上各涂抹2次,形成防水層。2次涂抹的間隔時(shí)間為4～12 h,第2次涂抹后粘接2個(gè)砂漿塊。隨后,在標(biāo)準(zhǔn)條件下固化7 d,用橡膠帶固定試塊?？偣仓苽淞?7個(gè)試塊,用于不同配比防水材料和法向壓應(yīng)力組合的壓剪試驗(yàn)。

(a) 試件組成示意

1.3 試驗(yàn)方法和過(guò)程

1.3.1 粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)

測(cè)試使用了配備1 kN和10 kN傳感器的電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī),其精度等級(jí)為0.5(即相對(duì)誤差在± 0.5%以內(nèi))。由計(jì)算機(jī)控制的電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)如圖4(a)所示。安裝在夾具中的試塊如圖4(b)所示?！?”字形復(fù)合試塊被安裝在直接拉伸夾具中。拉伸速度為1 mm/min,試驗(yàn)過(guò)程中記錄拉伸力和位移數(shù)據(jù)。

(a) 萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)

每批復(fù)合試塊測(cè)試5次,粘結(jié)強(qiáng)度根據(jù)該批試塊的算術(shù)平均值確定。拉伸粘結(jié)應(yīng)力

σb=F/(a×b)。

(1)

式中:F為拉力,N;a和b分別為粘結(jié)面的長(zhǎng)度和寬度,mm。

1.3.2 壓剪試驗(yàn)

采用自行設(shè)計(jì)的試驗(yàn)裝置進(jìn)行壓剪試驗(yàn)。壓剪試驗(yàn)裝置如圖5所示,由壓剪夾具、常壓傳感系統(tǒng)(包括止推螺栓和膠囊傳感器)和剪切加載系統(tǒng)組成。剪切力由電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的匹配上壓頭提供,法向壓應(yīng)力由水平推力螺栓施加。最大剪切力為10 kN,剪切位移為0～20 mm,剪切位移速率設(shè)定為1 mm/min。試塊界面的法向壓應(yīng)力分別為0.1、0.3、0.5 MPa,相應(yīng)的壓力值分別為490、1 470、2 450 N。

(a) 試驗(yàn)裝置實(shí)物

將試塊安裝在夾鉗中,并用預(yù)緊螺栓固定。旋轉(zhuǎn)推力螺栓推動(dòng)夾具,直到達(dá)到目標(biāo)法向壓應(yīng)力。剪切應(yīng)力數(shù)據(jù)由連接到上壓頭的高精度力傳感器采集。法向壓應(yīng)力數(shù)據(jù)由膠囊傳感器采集,并由數(shù)字指示器顯示(采集范圍為0～10 kN,單位為10 N)。剪切位移數(shù)據(jù)相當(dāng)于試驗(yàn)機(jī)橫梁的位移。測(cè)試時(shí),首先施加法向壓應(yīng)力,然后控制試驗(yàn)機(jī)橫梁剪切移動(dòng)。當(dāng)剪切應(yīng)力-位移曲線達(dá)到峰值時(shí),界面被視為失效。

為了評(píng)估界面的粘結(jié)性能參數(shù),從剪切應(yīng)力-位移曲線中獲得以下參數(shù): 剪切強(qiáng)度、殘余剪切強(qiáng)度、剪切模量、剪切滑移能量和剪切失效位移。根據(jù)峰值剪切力和剪切面積,利用式(2)得出剪切強(qiáng)度。根據(jù)殘余剪切應(yīng)力,殘余剪切強(qiáng)度由式(3)得出。應(yīng)力和位移增量分別為Δτ和ΔS,剪切模量G由式(4)得出。界面剪切-滑移能量是剪切應(yīng)力-位移曲線下方和橫向軸線上方的面積。剪切失效位移是界面完全破壞并開(kāi)始滑移時(shí)的位移值。

τm=Sm/A。

(2)

τr=Sr/A。

(3)

G=Δτ/ΔS。

(4)

式(2)—(4)中:τm為剪切強(qiáng)度,MPa;Sm為峰值剪切力,N;A為剪切面積,150 mm×150 mm;τr為殘余剪切強(qiáng)度,MPa;Sr為殘余剪切力,N;G為剪切模量,MPa/mm; Δτ為應(yīng)力增量,MPa; ΔS為位移增量,mm。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

3種試件的拉伸應(yīng)力-位移曲線如圖6所示。由圖可知: 1)從Ⅰ型到Ⅲ型,拉伸應(yīng)力峰值增大,拉伸破壞位移減小。2)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型的峰值應(yīng)力(即粘結(jié)強(qiáng)度)分別為1.06、1.13、1.35 MPa。這一趨勢(shì)與防水膜的拉伸強(qiáng)度相似,即隨著粉料用量比率的提高,防水膜的柔韌性降低,而粘結(jié)作用增強(qiáng)。

(a) Ⅰ型

在粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)中,有2種可能的失效形式。

1)剝離失效。砂漿塊表面與防水層之間的粘結(jié)強(qiáng)度低于防水層的內(nèi)聚強(qiáng)度,導(dǎo)致防水層在粘結(jié)面剝離。

2)內(nèi)聚失效。粘結(jié)強(qiáng)度超過(guò)防水層的內(nèi)聚強(qiáng)度,使防水層在拉伸過(guò)程中失效。在本文的粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)中的典型破壞形式是剝離破壞,即防水層與砂漿表面完全分離(見(jiàn)圖7),這表明3種防水膜的粘結(jié)強(qiáng)度都低于其內(nèi)聚強(qiáng)度。

圖7 粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)的界面破壞形式

2.1.2 壓剪試驗(yàn)結(jié)果

壓剪試驗(yàn)觀察到2種形式的剪切破壞。

1)由于粘結(jié)強(qiáng)度不足造成的剝離破壞,即防水層整體發(fā)生剪切剝離(見(jiàn)圖8(a))。

(a) 剝離破壞

2)剝離-內(nèi)聚破壞,即部分防水層在剪切應(yīng)力作用下受損(見(jiàn)圖8(b))。

不同類型試塊的剪切應(yīng)力-位移曲線如圖9所示。由圖可以看出: 1)法向壓應(yīng)力對(duì)峰值剪切應(yīng)力的影響小于防水層材料特性的影響。2)對(duì)于Ⅰ型,不同法向壓應(yīng)力下的平均峰值剪切應(yīng)力分別為0.600、0.616、0.628 MPa。3)在相同的0.1 MPa法向壓應(yīng)力下,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型的平均峰值剪切應(yīng)力分別為0.600、0.773、0.893 MPa。4)在相同防水層材料的條件下,發(fā)生峰值剪切應(yīng)力時(shí)的位移非常接近,僅受法向壓應(yīng)力變化的輕微影響,這表明防水層的粘結(jié)強(qiáng)度和內(nèi)聚強(qiáng)度對(duì)界面剪切滑移特性更為重要。5)法向壓應(yīng)力對(duì)殘余剪切強(qiáng)度和剪切失效位移的影響更大。對(duì)于同一類型的防水層材料,隨著法向壓應(yīng)力的增加,曲線呈現(xiàn)出向上和向右偏離的趨勢(shì)。這表明剪切持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng),即破壞時(shí)的剪切位移和殘余剪切強(qiáng)度更大。

(a) Ⅰ型,0.1 MPa

在工程應(yīng)用中,通常更關(guān)注CSL的峰值剪切應(yīng)力,而不是殘余剪切強(qiáng)度。結(jié)合第2.1.1節(jié)的討論,可以推斷出界面的粘結(jié)強(qiáng)度和防水層材料的力學(xué)特性對(duì)CSL界面的剪切-滑移特性非常重要。

2.2 界面剪切-滑移特性

在粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)中,不同類型的防水層材料會(huì)導(dǎo)致不同的結(jié)果(如圖6所示的拉伸峰值應(yīng)力和拉伸破壞位移的差異)。因此,有必要探討不同類型的防水層材料對(duì)這些界面參數(shù)的影響,為防水膜材料的應(yīng)用提供指導(dǎo)。此外,也有必要分析法向壓應(yīng)力對(duì)剪切參數(shù)的影響。防水層材料類型和法向壓應(yīng)力對(duì)界面力學(xué)參數(shù)的影響結(jié)果如圖10所示。

(a) 剪切強(qiáng)度

由圖10可知,防水層材料特性與法向壓應(yīng)力對(duì)界面力學(xué)特性參數(shù)的影響如下。

1)界面剪切強(qiáng)度。界面剪切強(qiáng)度表示軟化前的最大抗剪能力。CSL結(jié)構(gòu)中的壓剪作用主要由圍巖壓力和變形引起,并通過(guò)隧道襯砌傳遞影響到防水層。一旦作用力超過(guò)界面剪切強(qiáng)度,界面(防水層或粘結(jié)面)就會(huì)受到不可修復(fù)的破壞,從而削弱防水層的功能。2個(gè)因素對(duì)界面剪切強(qiáng)度的影響如圖10(a)所示。其中防水層材料特性對(duì)剪切強(qiáng)度的影響更大,這再次證明了材料特性的重要性。

2)界面殘余剪切強(qiáng)度。試塊剪切破壞后仍有一定的應(yīng)力;此外,隨著剪切位移的進(jìn)一步增加,應(yīng)力值的變化范圍很小。剩余的剪切應(yīng)力稱為界面殘余剪切強(qiáng)度,代表CSL界面在破壞后所能承受的最大剪切應(yīng)力。2個(gè)因素對(duì)界面殘余剪切強(qiáng)度的影響如圖10(b)所示。從Ⅰ型到Ⅲ型,殘余剪切強(qiáng)度呈上升趨勢(shì),隨著法向壓應(yīng)力的增加,上升趨勢(shì)變得不那么明顯。隨著法向壓應(yīng)力從0.1 MPa增加到0.5 MPa,殘余剪切強(qiáng)度顯著增加。由此可以得出結(jié)論,殘余剪切強(qiáng)度受法向壓應(yīng)力的影響更大。這是因?yàn)榻缑嫫茐暮?殘余剪切應(yīng)力主要由與法向壓應(yīng)力正相關(guān)的摩擦力提供。

3)界面剪切模量。界面剪切模量與防水層的力學(xué)性能以及與砂漿塊之間的粘結(jié)力有關(guān)。同時(shí),法向壓應(yīng)力也會(huì)影響剪切模量。2個(gè)因素對(duì)界面剪切模量的影響如圖10(c)所示。從Ⅰ型到Ⅲ型,在0.1 MPa的法向壓應(yīng)力下,剪切模量增加了120.2%,在0.3 MPa的法向壓應(yīng)力下剪切模量增加了153.3%,在0.5 MPa的法向壓應(yīng)力下剪切模量增加了162.4%。隨著法向壓應(yīng)力從0.1 MPa增加到0.5 MPa,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型試塊的剪切模量分別增加了15.5%、48.1%、37.6%。由此可以得出結(jié)論,界面剪切模量受防水層材料類型的影響較大,因?yàn)樵诩羟袕椥噪A段,剪切應(yīng)力主要由防水層提供。

4)界面剪切-滑移能量。將應(yīng)力-位移曲線積分乘以接觸面積,即可得到界面剪切-滑移能量,這反映了界面從彈性階段過(guò)渡到破壞所需的能量。界面從開(kāi)始到破壞需要經(jīng)歷一個(gè)剪切過(guò)程,所需的界面剪切滑移能量越大,破壞的脆性就越小。2個(gè)因素對(duì)界面剪切滑移能量的影響如圖10(d)所示?？梢钥闯?界面剪切滑移能量受法向壓應(yīng)力的影響更大,因?yàn)楫?dāng)法向壓應(yīng)力增大時(shí),摩擦起主導(dǎo)作用。

5)界面剪切失效位移。界面剪切失效位移表示界面承受剪切變形所施加位移的能力。2個(gè)因素對(duì)破壞時(shí)界面剪切位移的影響如圖10(e)所示。可以看出,隨著防水層的柔韌性增加,界面剪切失效位移也在增加。同時(shí),法向壓應(yīng)力對(duì)界面剪切失效位移也有不可忽略的影響。

結(jié)合第2.1.2節(jié)的討論,可以看出防水層的材料特性,尤其是與混凝土表面的粘結(jié)能力,對(duì)CSL的界面剪切-滑移特性更為重要。此外,防水層的內(nèi)聚強(qiáng)度決定了剪切滑移過(guò)程中的破壞形式和完整性,這對(duì)保持防水層的防水功能非常重要。

3 結(jié)論與探討

本研究根據(jù)粘結(jié)強(qiáng)度和壓剪試驗(yàn)對(duì)CSL復(fù)合試塊的剪切-滑移特性進(jìn)行分析,獲得3種類型防水層材料的拉伸應(yīng)力-位移曲線以及界面剪切應(yīng)力-位移曲線。此外,還討論了防水層材料類型和法向壓應(yīng)力對(duì)界面參數(shù)的影響。主要結(jié)論如下:

1)防水層的粘結(jié)強(qiáng)度隨著其力學(xué)性能的提高而增加。由粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)中觀察到的破壞形式可知,粘結(jié)強(qiáng)度低于防水層內(nèi)聚強(qiáng)度。這表明, 當(dāng)防水層從混凝土表面剝離時(shí)依然保持其完整性而不被破壞,力學(xué)性能(尤其是內(nèi)聚強(qiáng)度) 非常重要。

2)防水層材料特性和法向壓應(yīng)力是影響界面剪切滑移特性的2個(gè)重要因素。其中,防水層材料特性對(duì)界面剪切強(qiáng)度和剪切模量的影響較大,而殘余剪切強(qiáng)度、剪切滑移能量和剪切失效位移受法向壓應(yīng)力的影響較大。

本文暫時(shí)還未研究基面粗糙度、防水層與初期支護(hù)及二次襯砌不同粘結(jié)強(qiáng)度對(duì)界面力學(xué)特性的影響,以及地下水作用對(duì)防水層性能的影響等問(wèn)題,這些將在后續(xù)的研究工作中進(jìn)一步進(jìn)行探討。