高韧性纤维增强水泥基复合材料与老混凝土的界面直剪试验研究

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公路2011年2月第2期H IGH WA Y Feb12011N o12文章编号:0451-0712(2011)02-0118-05中图分类号:U4141103文献标识码:A高韧性纤维增强水泥基复合材料与老混凝土的界面直剪试验研究邓宗才,薛会青(北京工业大学城市与工程安全减灾省部共建教育部重点实验室北京市100124)摘要:高韧性纤维增强水泥基复合材料(ECC)具备很好的延展性和微裂缝宽度控制能力,通过ECC与老混凝土之间的界面直剪试验,研究高韧性复合材料与普通混凝土之间的界面黏结性能,为混凝土工程的维修或加固提供试验数据。

试验结果表明:随着龄期的增加,ECC抗压强度与抗折强度逐渐提高;随着砂灰比的增加,ECC黏结试件的界面抗剪强度逐渐提高,说明增加砂灰比可以提高ECC与老混凝土间的界面黏结性能;ECC与老混凝土间的界面黏结性能远优于自密实混凝土和普通混凝土,高韧性水泥基复合材料是修补桥面、路面和加固水库、大坝等混凝土工程的理想材料。

关键词:ECC;延展性;直剪试验;界面抗剪强度混凝土作为建筑材料,其性能已经有了一定程度上的改善,但混凝土的低拉伸应变能力使其易于开裂,氯化物或其他侵蚀性介质易于从面层渗透至钢筋表面,继而钢筋锈蚀产生膨胀应力,最终导致混凝土结构过早地劣化最终退出工作。

高韧性纤维增强水泥基复合材料(ECC)是借助细观力学和断裂力学基本原理设计而成的一种纤维增强水泥基复合材料,具有显著的应变硬化特征,极限拉应变可稳定地达到3%以上;并且与传统水泥基材料在抗拉荷载下单一裂纹的宏观开裂模式不同,ECC开裂为多条细密裂纹的微观开裂模式,具备很好的延展性和微裂缝宽度控制能力,抗冻融和抗渗能力优良[1]。

将ECC作为混凝土工程的加固、维修材料,可以有效阻止混凝土开裂,提高结构耐久性。

如用高抗裂、高耐久的ECC覆盖层加固维修大坝,可阻止大坝的开裂;作桥面铺装层,可以提高桥梁的抗腐蚀耐久性、抗疲劳和抗冲击性能等。

作为老混凝土的加固维护材料,除了自身具有高的耐久性以外,应该与老混凝土之间具有良好的黏结性能。

目前,国内外对新老混凝土的界面黏结性能、界面微观失效机理等进行了一些研究[2-4],研究中新混凝土以普通混凝土为主,纤维混凝土和自密实混凝土也有研究,但关于高韧性纤维水泥基复合材料与老混凝土之间黏结性能的研究鲜见报道[2]。

本文进行了ECC与老混凝土之间的界面黏结强度的直剪试验研究,试验结果表明,ECC与老混凝土间的界面黏结性能远优于自密实混凝土和普通混凝土,它是修补桥面、路面和加固水库、大坝等混凝土工程的理想材料。

1试验研究111试验材料与配合比老混凝土设计强度等级C30,实测标准立方体抗压强度为34194M Pa。

对老混凝土试块做标准劈拉试验可得到试验所需的老混凝土试块。

制作ECC试件的水泥采用普通P#O4215水泥,砂子采用石英砂,水取自实验室自来水,减水剂用聚羧酸减水剂,减水剂占胶凝材料的015%。

聚乙烯醇(PVA)纤维采用作者与上海罗洋新材料有限公司共同开发的UF600,纤维材性见表1,复合材料配合比见表2,其中NE和ZE分别代表ECC黏结试件和ECC整体浇筑试件,1、2和3代表砂灰比分别为015、016和018。

表1聚乙烯醇(PVA)纤维材性名称纤维种类长度m m直径L m弹性模量GPa断裂强度M Pa断裂伸长率%U F600PVA纤维1228>30\1400[715收稿日期:2010-06-22表2 复合材料配合比编号水泥kg/m 3石英砂kg/m 3水kg/m 3减水剂k g/m 3纤维来源纤维质量掺量kg/m 3水灰比砂灰比NE111245623375162ZE111245623375162NE210706423215135ZE210706423215135NE310178133055108ZE310178133055108U F6001915013015015016016018018112 试件的制作考虑减少施加剪力时带来的压应力集中和附加弯矩,并使黏结面应力均匀分布及加载对中良好等因素,选择Z 形试件作为直剪试验的试件形式[3-5],如图1所示,试件厚度为150mm 。

本试验采用锤凿对老混凝土的光滑表面进行人工凿毛处理,使其表面凹凸不平,并用灌砂法测粗糙度得到平均灌砂深度为115~210mm,以便于ECC 与老混凝土的黏结。

单位:m m图1 Z 形试件示意Z 形试件共做了6组:ECC 黏结试件3组,同时还制作了相同配比ECC 的整体浇筑试件3组。

每组3个,共18个试件。

抗折试验试件尺寸40mm @40m m @160mm,每组3个试件,共9组。

完成抗折试验后,直接进行抗压试验,试件尺寸40m m @40mm @40mm,每组6个试块。

113 试验过程直剪试验在2000kN 万能压力机上进行,如图2所示。

加载前调整好试块位置,使黏结面与加载中心线一致,并在上下压头中心线处各放一块长180cm 、宽2cm 、厚015cm 的钢板条,可近似认为其在试块中线处产生集中力。

图2 直剪试验加载示意2 试验结果与分析211 试验现象与破坏形态在剪切荷载作用下,ECC 黏结试件的裂缝均出现在黏结面的顶端,且破坏面较为平直,最终沿黏结面断裂,如图3所示。

对ECC 整浇试件而言,试件呈多缝开裂,且裂缝发展方向与试件中心线大致平行,初裂时,荷载主要由ECC 基体承担,随后纤维发挥作用,最终在试件中心线处断裂破坏,整浇试件断裂面上纤维被剪断和拔出的比例多于黏结试件,说明黏结面为薄弱环节,如图4所示。

212 试验结果与分析ECC 各龄期时的抗压强度和抗折强度见表3。

直剪破坏时,黏结试件的界面抗剪强度按下式进行计算:S =V A(1))119) 2011年 第2期 邓宗才 薛会青:高韧性纤维增强水泥基复合材料与老混凝土的界面直剪试验研究表3 ECC 抗压强度和抗折强度名称抗压强度f c /M Pa 抗折强度f d /M Pa 3d 7d 28d 3d 7d 28d ZE1631336715075194101581116211188ZE2631136911776198101921118012109ZE3641586717177166111651119012134式中:S 为界面抗剪强度,M Pa;V 为剪切破坏荷载,kN;A 为黏结面面积,mm 2。

直剪试验结果见表4,其中,NS 和ZS 分别代表C30自密实混凝土的黏结试件和整浇试件,NP 和ZP 分别代表C30普通混凝土的黏结试件和整浇试件。

表4 直剪试验结果编号试件种类混凝土品种剪切破坏荷载Vk N破坏荷载平均值VkN黏结面面积Am m 2界面抗剪强度SM PaNE1黏结试件ZE1整浇试件NE2黏结试件ZE2整浇试件NE3黏结试件ZE3整浇试件NS 黏结试件ZS 整浇试件NP 黏结试件ZP整浇试件ECC C30自密实混凝土C30普通混凝土55*42414115115@104217711711810911417115@10471654851*34*4810115@104312010910911711117115@10471454165110*5310115@1043153978410310010115@10461673133333213115@10421156066626217115@10441182834303017115@10421056568656610115@1044140注:表中注有*的数值忽略不计。

其中,C30自密实混凝土和C30普通混凝土的剪切破坏荷载是参考文献[5]中的剪切破坏荷载。

21211 ECC 抗压强度与抗折强度图5是ECC 抗压强度与龄期的柱状关系图。

由图5可见,随着龄期的增加,ECC 抗压强度逐渐提高。

3d 、7d 和28d 时,ECC 抗压强度平均值分别为63168M Pa 、68113M Pa 和76186MPa,28d 平均抗压强度分别比3d 提高21%,比7d 提高13%。

在整个测试时间,砂灰比为018试件的抗压强度最高。

表明随着砂灰比的增加,ECC 抗压强)120) 公 路 2011年 第2期图5 EC C 抗压强度与龄期关系度逐渐增加。

图6是ECC抗折强度与龄期柱状关系图。

图6 EC C 抗折强度与龄期关系由图6可见,随着龄期的增加,ECC 抗折强度逐渐提高。

3d 、7d 和28d 时,ECC 抗折强度平均值分别为11105M Pa 、11177MPa 和12110M Pa,28d 平均抗折强度分别比3d 提高10%,比7d 提高3%。

在整个测试时间,砂灰比为018试件的抗折强度最高。

表明随着砂灰比的增加,ECC 抗折强度逐渐增加。

21212 ECC 黏结试件与整浇试件抗剪强度图7是ECC 黏结试件与整浇试件的抗剪强度柱状关系图。

图7 ECC 黏结试件与整浇试件的抗剪强度由图7可见,ECC 黏结试件的界面抗剪强度为2177~3153M Pa,砂灰比增加,ECC 黏结试件的界面抗剪强度逐渐增加。

砂灰比为018黏结试件的界面抗剪强度比砂灰比为015和016时分别提高27%和10%,说明随着砂灰比的增加,ECC 与老混凝土间的界面黏结性能逐渐提高。

ECC 整浇试件的抗剪强度为6167~7165MPa,砂灰比增加,ECC 整浇试件的抗剪强度逐渐降低。

砂灰比为018整浇试件的抗剪强度比砂灰比为015和016时分别降低13%和11%,说明随着砂灰比的增加,ECC 整浇试件抗剪性能逐渐降低。

砂灰比为015、016和018时,ECC 黏结试件的界面抗剪强度分别为ECC 整浇试件的抗剪强度的36%、43%和53%。

由此可见,ECC 黏结试件的界面抗剪强度明显低于整浇试件的抗剪强度,增加砂灰比可以提高新老混凝土的界面黏结性能。

这是由于增加砂灰比,ECC 基体中砂所占比例增加,新老混凝土之间黏结面黏结得更为紧密,黏结性能随之提高,从而改善了界面抗剪性能。

21213 ECC 与其他混凝土试件对比图8是砂灰比为015、016和018时,ECC 与C30自密实混凝土(SCC)和C30普通混凝土(PC)的界面黏结试件与整浇试件的抗剪强度柱状关系图。

图8 不同材料种类抗剪强度由图8可见,砂灰比为018的ECC 黏结试件的界面抗剪强度比砂灰比为015和016时的ECC 分别提高27%和10%,比SCC 提高64%,比PC 提高72%;砂灰比为015的ECC 整浇试件的抗剪强度比砂灰比为016和018时的ECC 分别提高6%和15%,比SCC 提高83%,比PC 提高74%。

说明ECC 与老混凝土间具有良好的界面黏结性能,远优于自密实混凝土和普通混凝土,主要是由于ECC 基体中胶凝材料所占比例远多于自密实混凝土和普通混凝土,胶凝材料渗入老混凝土中,ECC 与老混凝土之间黏结得更为紧密,其黏结面处的界面黏结效果优于自密实混凝土和普通混凝土,可以充分利用ECC 材料良好的延展性和微裂缝宽度控制能力。