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    改善新老混凝土界面粘結性能的措施研究
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    改善新老混凝土界面粘結性能的措施研究
    2021年05月06日    閱讀量:15990    新聞來源:瀝青網 sinoasphalt.com  |  投稿

    混凝土是現代土木工程中最常見的建筑材料,大量應用于水工、房屋、道橋等建筑工程中。自建國以來,中國修建了大量的混凝土工程。經過半個多世紀的使用,正面臨著諸如開裂、碳化、凍融剝蝕等耐久性問題瀝青網sinoasphalt.com。因此,對于混凝土結構設施的維護、修復和加固已成為中國面臨的新課題。在眾多混凝土結構修復加固技術中,加大截面法施工工藝簡單,經濟實用,適應性強,是一種傳統卻廣泛使用的方法。但新老混凝土的粘結性能是影響加大截面法加固效果的主要因素,很多加固工程正是由于新老混凝土粘結強度差而導致修補質量不能達到預期效果。


    新老混凝土界面粘結性能受多種因素影響。國內外對于新老混凝土粘結性能影響因素的研究主要集中在老混凝土表面粗糙程度、界面劑、修補材料等3個方面。Tayeh等認為新老混凝土的粘結性能很大程度上取決于老混凝土表面的粗糙度,其對老混凝土表面的粗糙度與粘結強度之間的關系進行了量化。Julio等研究表明新老混凝土自身的強度對其粘結性能有較大的影響。Momayez等嘗試運用不同的試驗方法對新老混凝土之間的粘結強度進行了測定。Santos等對影響新老混凝土粘結性能的各種因素進行了詳細的總結和分析。在國內,王標等對影響新老混凝土粘結性能的主要因素、新老混凝土結合面處理方法、修補材料的選擇和應用進行了系統的論述。徐方等通過在水泥混凝土中摻加有機纖維或聚合物,以此來提高混凝土層間粘結面的粘結性能。馮穎慧等對新型AS 界面劑對新老混凝土界面粘結性能進行了研究。農金龍等研究了丁苯聚合物改性水泥砂漿在新老砂漿界面粘結中的應用。


    從以上研究可以看出,老混凝土表面處理方式、界面劑、新混凝土類別是影響新老混凝土粘結性能的最重要因素,后兩者的作用尤其明顯。但就目前的工程應用來看,與普通修復方式下的新老混凝土粘結強度相比,目前研究成果采用的修復方式并未使其粘結強度與耐久性有大的提升,修補后的混凝土仍會因界面處干縮微裂縫的存在而使新老混凝土協同工作性能變差,往往 2-3 年后就須重新修補。碳納米管作為一種碳納米晶體纖維材料,具有許多十分優異的力學性能,極有可能成為下一代高性能復合材料的理想增強基。因此,作者創新性地探索研究幾種常用纖維及碳納米管的摻入對新老混凝土粘結性能的影響,在此基礎上進一步研究苯丙乳液與各種纖維復摻時對粘結性能的改善。

    1 纖維增強混凝土與老混凝土粘結性能試驗

    1.1 試件方案

    1.1.1 纖維種類選擇

    基于粘結破壞機理,試驗選擇了4種纖維: 鋼纖維、聚丙烯腈纖維、玄武巖纖維、碳納米管,分別如圖1(a) 、(b) 、(c) 和(d) 所示。其中,鋼纖維是目前在混凝土結構加固中使用最多的; 聚丙烯腈纖維價格較低,在提高混凝土和砂漿早期抗裂性能中有良好表現; 玄武巖纖維是國家發展和改革委員會鼓勵發展的4大高技術纖維之一,是對天然原材料僅進行簡單加工得到的,對改善混凝土抗拉、抗裂性能效果良好; 碳納米管是一種新型的材料,具有良好的物理力學性能,一般情況下,其抗拉強度能達到50~200GPa,為鋼的100倍,彈性模量可達1TPa,與金剛石的彈性模量相當,約為鋼的5倍。因此碳納米管是增強水泥基材料中最有潛力的一員。

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    圖1 試驗的4種纖維

    1.1.2 試驗原材料與配合比

    試驗采用的水泥為四川西南水泥有限公司生產的32.5、42.5普通硅酸鹽泥,粗骨料為粒徑10~20mm 連續級配的碎石,細骨料為天然中砂,水為清潔自來水。采用4種不同類型的纖維,基本參數如下: 1) 波浪型鋼纖維,其抗拉強度約為600~900MPa,平均長度35mm,等效直徑0.95mm,長徑比36.84。2) 湖北鼎強纖維公司生產的聚丙烯腈纖維,直徑(13±5)μm,密度1.18kg/cm3,拉伸極限14%~20%,抗拉強度340~410MPa ,彈 性 模 量17.1GPa。3) 南京曼卡特科技有限公司生產的玄武巖纖維短切絲,直徑15μm,長度11mm,密度2660kg/m3,抗拉強度4150~4800MPa,彈性模量93~110GPa,拉伸極限3.2%。4) 北京博宇高科新材料有限公司生產的高純多壁碳納米管,直徑20~30nm,長 度10~30μm,純度>95(wt)%,灰分 <1.5%,導電率 >100s /cm,比表面積 >110㎡/g。

    根據混凝土結構加固技術規范,加固使用混凝土強度等級應比原結構混凝土強度高一級,且不得低于C20。故取老混凝土強度等級為C30,新混凝土強度等級為C35。根據普通混凝土配合比設計規程,將砂率在25% 到45%的范圍內取值,設計出5組配合比,并進行抗壓試驗。最終選用砂率均為30%,老混凝土水灰比0.53,相應配合比碎石(G)∶砂 (S)∶水泥(C)∶水量(W)為6.59∶2.83∶1.87∶1.00,采用32.5水泥。新混凝土水灰比0.56,相應配 合比碎石(G)∶砂(S)∶水泥(C)∶水量(W) 為6.60∶2.87∶1.78∶1.00,采用42.5水泥。

    1.1.3新老混凝土粘結試件的制備

    粘結面是影響新老混凝土共同工作的最薄弱環節,在各種類型的加固構件中,粘結面受力復雜。其中,粘結面的法向粘結力是影響其工作性能的重要指標之一。因此,采用劈拉試驗方法測試新老混凝土法向粘結面的抗拉強度,以此來評估粘結效果。試驗方案如圖2所示。試驗采用邊長為100mm的立方體新老混凝土粘結試件。

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    圖2 劈拉試驗

    新老混凝土粘結試件的制作過程如下: 首先澆筑半個試件以模擬老混凝土,其尺寸為100mm×100mm×50mm。試件脫模后,在溫度(20±3)℃,濕度90%以上的標準條件下養護28d。取出后沿著試件的澆筑面用鑿子鑿毛,并用鋼絲刷除去試件表層松動部分再用清水沖洗干凈。然后鑿毛面朝上將其放入100mm×100mm×100mm的模具中,在其上方澆筑摻入了不同類別纖維的混凝土,以模擬加固采用的新混凝土。2d后拆模,在標準條件下養護28d,即得到考慮新老混凝土粘結的試驗試件。

        為了評估不同纖維類型、不同纖維摻量對新老混凝土界面粘結效果的影響,采取如下的試驗設計方案。4組試件分別考慮摻入鋼纖維、聚丙烯腈纖維、玄武巖纖維以及碳納米管的影響。每一組試件中,進一步考慮不同摻量的影響,鋼纖維和聚丙烯腈纖維采用體積率作為摻入指標,試驗中鋼纖維采用1% 、2% 、3% 、4% 4種不同的體積率,而聚丙烯腈纖維的體積率則采用0.1%、0.2% 、0.3%、0.4% 。玄武巖纖維以單位混凝土體積內的纖維質量為摻入指標,采用1、3、5、7kg/m34 種摻入量。考慮到碳納米管作為一種特殊的納米纖維材料,價格比較昂貴,試驗中將碳納米管摻入水泥凈漿中作為界面劑使用。制作界面劑時根據試驗操作的方便性并參考前人的研究成果,最終以水泥質量的百分比作為摻入指標,采用0.1%、0.2%、0.3%、0.4%4 種摻入量。將界面劑均勻涂抹在處理過后的老混凝土表面,涂抹厚度為2~3mm,然后澆筑另一半新混凝土。最終得到新老混凝土粘結試件如圖3 所示。

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    圖3 新老混凝土粘結試件

        試件編號形式為MY,其中M代表 4 種不同類型的纖維: 鋼纖維用G 表示,聚丙烯腈纖維用J表示,玄武巖纖維用X表示,碳納米管用T 表示;Y 代表纖維的摻量。如新混凝土中鋼纖維體積率為2%的新老混凝土粘結試件編號為G2。

        除了上述4組試件外,另設計了3組對比試件:1) 完整老混凝土試塊,即普通的C30混凝土試塊編號為WL; 2) 完整新混凝土試塊,即普通的C35 混凝土試塊編號為WN; 3) 按照規范要求的普通修補方式進行處理的試件,即在老混凝土(普通C30混凝土) 表面涂抹水泥凈漿作為界面粘結劑,并澆筑新混凝土(普通C35混凝土) ,編號為WJ。

    1.2 新老混凝土界面法向粘結強度測試

    1.2.1 試驗方法

        按前述方法制作好新老混凝土粘結試件后,按照普通混凝土力學性能試驗的標準在萬能材料試驗機上進行劈拉試驗。

        粘結劈拉強度按式(1) 計算:

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    式中:為混凝土劈拉抗拉強度,MPa; F為試件破壞荷載,N; A為試件劈拉面面積,㎡。

        因為新老混凝土粘結強度與新、老混凝土自身的強度有很大關系,為便于比較,采用式(2) 計算得到的 η 作為衡量新老混凝土劈拉強度的指標,η值越大,則說明新老混凝土之間的粘結強度越好,反之則越差。另外引入摻入纖維后試件的劈拉強度指標與WJ 的劈拉強度指標的比值γ 來直觀地衡量與傳統方式相比,纖維的摻入對劈拉強度的影響。若γ>1,則表示加入纖維的新老混凝土界面劈拉強度大于按照規范要求的普通修補方式的強度。

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    式中,改善新老混凝土界面粘結性能的措施研究 瀝青網,sinoasphalt.com為新老混凝土劈拉粘結強度,改善新老混凝土界面粘結性能的措施研究 瀝青網,sinoasphalt.com為完整老混凝土試件劈拉強度,改善新老混凝土界面粘結性能的措施研究 瀝青網,sinoasphalt.com為完整新混凝土試件劈拉強度。

    1.2.2 劈拉試驗結果及分析

        通過劈拉試驗得到完整試件WL、WN、WJ的劈拉強度見表1,相應地,試件WJ的劈拉粘結強度指標為45.50%。不同纖維增強混凝土與老混凝土粘結劈拉強度及其相應的劈拉粘結強度指標見表2。

    表1 部分試件劈拉強度

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    表2 纖維混凝土與老混凝土粘結劈拉強度

    改善新老混凝土界面粘結性能的措施研究 瀝青網,sinoasphalt.com    從表2中數據可知,4種纖維的摻入均能有效提高新老混凝土界面的劈拉強度,改善界面粘結性能。這主要是因為在新老混凝土澆筑后,粘結界面區域的纖維能夠抑制新混凝土中水泥水化在界面處產生的原始微裂紋,并且在界面受力出現裂縫時,能夠有效阻止裂縫的開展。還可以發現,除鋼纖維外,其余3種纖維對其粘結性能的提升呈現出先增后減的趨勢,即在本次試驗所設定的摻量中均存在最優值。聚丙烯腈纖維摻量為0.2%時,粘結強度指標最為 74.8%,與普通修補方式相比提升64% 。玄武巖纖維摻量為3kg /m3時,粘結強度指標最大,為69.8%,與普通修補方式相比提升53%。碳納米管在0.2%摻量下粘結強度指標取得最大值,為86.3% ,與普通修補方式相比提升90% 。 鋼纖維4%摻量下劈拉強度較高,但從試驗過程可以看出,鋼纖維形成的網絡在澆筑時限制了粗骨料的移動,可能會使混凝土中骨料分布不均勻,影響新混凝土本身的力學性能,故試驗結果可能受到混凝土澆筑不均的影響。

    2 纖維增強水泥基復合材料與老混凝土粘結性能試驗

    2.1  試驗原材料與配合比

        試件制作所采用的原料同第1節,在此基礎上,研究聚合物的摻入對新老混凝土界面粘結特性的影響。試驗方法仍采用劈拉試驗。采用的聚合物為日化級苯丙乳液,稀稠度750cps,固含量48.2%,ph值7.6。苯丙乳液的摻量以聚灰比計算,即實際聚合物質量與水泥質量之比。試驗中采用了5% 、10% 、15% 、20%4 種聚灰比,新混凝土中苯丙乳液摻量及用水量見表3,其余材料配比同第1.1.2節。

    表3 新混凝土中苯丙乳液摻量


    2.2 試件的制作

        老混凝土試件澆筑制作同前述方法。養護完成后,作相應的表面處理并涂抹水泥凈漿。在其上方澆筑摻入了不同類別纖維和聚合物乳液的混凝土,拆模后,在標準條件下養護28d即得到新老混凝土粘結試件。考慮到經濟效益,碳納米管仍通過制作碳納米管水泥凈漿作為界面劑使用,涂抹在經過處理的老混凝土表面,再在其上澆筑摻入苯丙乳液的改性混凝土。

        4種苯丙乳液摻量與4 種纖維摻量相組合,共有64組試件,每組3個試件。試件編號采用MY@Z 表示,其中: M代表4 種不同類型的纖維,符號表示如前所述; Y 代表纖維的摻量; Z 代表苯丙乳液聚灰比。如鋼纖維體積率為4% ,苯丙乳液聚灰比為20% 的試件編號為G4@20。

    2.3  復摻狀況下劈拉試驗結果

        表4為不同纖維增強苯丙乳液改性混凝土與老混凝土粘結劈拉強度。通過表4可以得到纖維在不同類型、不同摻量下新老混凝土粘結強度指標隨苯丙乳液摻量的變化趨勢如圖4~7。

        分析以上試驗結果可知,相對于纖維單摻的情況,纖維與苯丙乳液復摻,總體上可以獲得比相同纖維摻量的單摻試件更高的新老混凝土粘結劈拉強度,并且摻入不同的纖維對粘結性能的改善有所不同。其中,鋼纖維、聚丙烯腈纖維、玄武巖纖維和碳納米管分別以適當的摻量與苯丙乳液復摻時,粘結劈拉強度最高達到1.89、1.94、1.91、2.10MPa; 分別比普通修補方式下的新老混凝土粘結劈拉強度提高87% 、92% 、89%、108%。但在某些纖維摻量下,如碳納米管0.4% 和聚丙烯腈纖維0.4% 體積率下,聚合物乳液的加入反而會降低粘結性能。另外各纖維與苯丙乳液復摻時,試件粘結劈拉強度的最大值基本上都出現在苯丙乳液摻量為10%或15%時,即存在一個苯丙乳液摻量的最優值。

        4種纖維的摻量變化對粘結強度影響明顯,且苯丙乳液的摻入對不同纖維混凝土性能的影響有所不同。鋼纖維在4% 摻量下,具有較高的粘結劈拉強度; 另外的3種摻量下,粘結強度相對指標η 值均低于60% ; 尤其在苯丙乳液的摻量為20%時,4種摻量下的劈拉強度甚至均低于按普通修補方式下劈拉強度。說明苯丙乳液的摻入,對鋼纖維作用下的新老混凝土粘結性能改善不明顯。聚丙烯腈纖維在0.4%摻量下,隨著苯丙乳液的摻入,粘結強度明顯下降,甚至低于按照普通粘結方式修補的新老混凝土試件的粘結強度。在其他3 種摻量下,相對于聚丙烯腈單摻的情況,粘結強度均有較明顯的提高。玄武巖纖維在3和5kg/m3的摻量下,隨著苯丙乳液的摻入,粘結劈拉強度有明顯的上升,并在苯丙乳液摻量為15% 時達到最高值; 在1和7kg /m3的摻量下,苯丙乳液的摻入對粘結劈拉強度沒有顯著影響;碳納米管在0.4%摻量下,隨著苯丙乳液的摻入,粘結強度明顯下降。其他3種碳納米管摻量下,相對于碳納米管單摻的情況,粘結強度有較明顯的提高。最高值基本出現在苯丙乳液摻量為10%和15% 時。總體看來,與普通修補方式下的粘結強度相對指標45.50%相比,復摻狀況下對新老混凝土粘結強度改善更加明顯,這主要是因為復摻時不僅發揮了纖維本身的增強作用,同時由于在界面處苯丙乳液與滲入老混凝土空隙中的水泥成分發生化學反應形成橋鏈,填充粘結面處的空隙,提升了粘結面的性能。

    3 結 論

         通過不同纖維單摻與纖維和苯丙乳液復摻狀況下的新老混凝土劈拉試驗形成以下結論:

        1) 在修補用混凝土材料中摻入適量纖維有助于改善新老混凝土的粘結性能; 不同纖維類型,其摻入后的改善效果不同。

        2) 用碳納米管水泥凈漿作為新老混凝土的界面劑可明顯改善新老混凝土的粘結抗拉性能。

        3) 各種纖維單摻時存在最優摻量,并非越多越好。

        4) 與單摻纖維相比,苯丙乳液復摻對新老混凝土粘結強度的改善效果明顯。

        5) 基于本文的單摻試驗配比,鋼纖維、聚丙烯腈纖維、玄武巖纖維和碳納米管單摻的最優值分別為4% 、0.2% 、3kg /m3、0.2% 。

        6) 基于復摻試驗配比,4 組最優復摻值分別為鋼纖維體積率4% 復合苯丙乳液聚灰比5% 、聚丙烯腈纖維0.1%復合苯丙乳液聚灰比10% 、玄武巖纖維kg /m3復合苯丙乳液聚灰比15% 、碳納米管0.2%復合苯丙乳液聚灰比10%。


    標簽:道路建設施工案例技術中心瀝青混凝土
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