基坑工程中碳纖維增強混凝土的界面粘結(jié)性能研究

韓 峰

（河北工業(yè)大學(xué)，天津300401）

隨著基建工程的快速發(fā)展，基坑支護工程數(shù)量不斷攀升，同時給基坑支護質(zhì)量等提出了更高的要求，這主要是因為基坑工程所處的地質(zhì)條件和周邊環(huán)境條件較為復(fù)雜[1]，如通常伴隨著建筑物、構(gòu)筑物、管線等，既涉及土力學(xué)中典型強度與穩(wěn)定問題，又包含了變形問題，同時還涉及到土與支護結(jié)構(gòu)的共同作用[2]。目前，大多數(shù)基坑工程都采用混凝土結(jié)構(gòu)，在多年使用后通常發(fā)生破損，后續(xù)需要進一步進行加固處理，如使用碳纖維增強混凝土等，在水凍和鹽凍環(huán)境下，基坑工程中的碳纖維混凝土結(jié)構(gòu)會受到不同程度的破壞[3]。然而，目前基坑工程中混凝土的破壞形態(tài)等研究多集中在單一水凍環(huán)境和混凝土結(jié)構(gòu)中，對于不同凍融環(huán)境下的碳纖維增強混凝土的影響方面的報道較少[4-6]。本文對比分析了基坑工程中水凍和鹽凍環(huán)境下碳纖維增強混凝土結(jié)構(gòu)的破壞形態(tài)和界面剪切行為，結(jié)果可為實際基坑工程中的加固改造等提供必要參考。

1 試驗材料與方法

試驗原料: 普通PO42.5 硅酸鹽水泥（比表面積為345m2/kg）、粒徑級配10～20mm 的石子作為粗骨料，天然砂為細(xì)骨料（表觀密度2542kg/mm3、堆積密度1625kg/mm3、含泥量0.85%），自來水、HPEG2400 型聚羧酸系減水劑、Ⅰ級碳纖維布、碳纖維環(huán)氧樹脂浸漬膠和4% NaCl 溶液。

按照J(rèn)GJ 55-2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》制備C40 混凝土，配合比（kg/m3）為:125 水、285 灰、455 砂、1365 石子、72 粉煤和1.5 減水劑。按照GB/T 50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》進行混凝土試件制備，模具內(nèi)側(cè)涂抹親水性脫模劑，混凝土攪拌均勻后進行振搗和室溫24h 養(yǎng)護處理后脫模，并轉(zhuǎn)入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室內(nèi)進行28d 養(yǎng)護。碳纖維- 混凝土試件的示意圖如圖1 所示，混凝土立方體尺寸為100×100×100mm3，碳纖維尺寸為200mm 長×50mm寬，按照CECS146:2007《碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》對碳纖維和混凝土進行粘結(jié)（粘結(jié)長度100mm）[7-8]，試件制備完成并脫模后置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室內(nèi)進行7d 養(yǎng)護。

圖1 碳纖維混凝土剪切試件的示意圖Fig.1 Schematic diagram of carbon fiber reinforced concrete shear specimen

按照GB/T 50082-2009 進行凍融循環(huán)試驗，凍融箱溫度在-18℃～7℃循環(huán)，單次凍融循環(huán)時間為6h，分別在凍融循環(huán)次數(shù)為25、50、75、100 次時取出試樣，水凍介質(zhì)為自來水，鹽凍介質(zhì)為4% NaCl 溶液；采用華為P30 手機對凍融循環(huán)后的試樣進行宏觀形貌拍攝；在SF-Q61 型混凝土強度測試儀中對混凝土立方體進行抗壓性能測試；在MTS-810 型液壓伺服萬能拉伸試驗機上進行粘結(jié)強度測試[9]，加載速率為1.5kN/min。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 混凝土立方體

圖2 為不同水凍次數(shù)下混凝土立方體的表面形貌。對比分析可知，室溫水凍25 次后，混凝土表面未見明顯變化，而增加水凍次數(shù)至50 次時，混凝土表面開始出現(xiàn)脫落，并在水凍次數(shù)為75 次時可見整個表面有麻點或者顯微凹坑；繼續(xù)增加水凍次數(shù)至100 次，混凝土立方體的邊部出現(xiàn)明顯脫落，局部可見粗骨料存在。由此可見，隨著室溫水凍次數(shù)增加，混凝土立方體的破壞程度不斷加劇，并在水凍次數(shù)達到100 次時出現(xiàn)邊部脫落現(xiàn)象。

圖2 不同水凍次數(shù)下混凝土立方體的表面形貌Fig.2 Surface morphology of concrete cube under different times of water freezing

圖3 為不同鹽凍次數(shù)下混凝土立方體的表面形貌。對比分析可知，室溫鹽凍25 次后，混凝土表面已出現(xiàn)局部凹坑，而增加鹽凍次數(shù)至50 次時，混凝土表面可見局部脫落并露出粗骨料；在鹽凍次數(shù)為75 次時，表面脫落現(xiàn)象更加嚴(yán)重，并在鹽凍次數(shù)增加至100 次時，混凝土立方體的表面呈現(xiàn)完全侵蝕特征，粗骨料在整個表面都清晰可見。對比圖2 的相同循環(huán)次數(shù)下混凝土表面形貌可知，鹽凍環(huán)境會相對水凍環(huán)境對混凝土的侵蝕破壞更加嚴(yán)重。

圖3 鹽溶液環(huán)境下混凝土立方體的表面形貌Fig.3 Surface morphology of concrete cube in salt solution

圖4 為凍融次數(shù)對混凝土抗壓強度的影響曲線。可見，室溫養(yǎng)護下混凝土試件的抗壓強度為43MPa，而水凍環(huán)境和鹽凍環(huán)境下混凝土的抗壓強度都相對較低；隨著凍融次數(shù)從25 次增加至100 次，混凝土試件的抗壓強度呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，但是在相同凍融次數(shù)下，水凍試件的抗壓強度要高于鹽凍試件，這主要與鹽凍環(huán)境對混凝土試件的侵蝕更嚴(yán)重有關(guān)[10]。

圖4 凍融次數(shù)對混凝土抗壓強度的影響Fig.4 Influence of freeze-thaw times on compressive strength of concrete

2.2 碳纖維混凝土試件

圖5 為不同水凍次數(shù)下碳纖維混凝土試件的界面形貌。對比分析可知，隨著水凍次數(shù)從25 次增加至100 次，碳纖維表面粘結(jié)的混凝土厚度呈現(xiàn)不斷增大趨勢，且當(dāng)水凍次數(shù)為100 次時，局部區(qū)域還可見混凝土被粘結(jié)撕下的特征。

圖5 不同水凍次數(shù)下碳纖維混凝土試件的界面破壞形態(tài)Fig.5 Interface failure mode of carbon fiber reinforced concrete specimens under different times of water freezing

圖6 為不同鹽凍次數(shù)下碳纖維混凝土試件的界面形貌。對比分析可知，與水凍時碳纖維混凝土試件的界面相似的是，碳纖維表面粘結(jié)的混凝土厚度會隨著鹽凍次數(shù)增加而增大，且相同循環(huán)次數(shù)下，鹽凍環(huán)境下碳纖維表面粘結(jié)的混凝土厚度更大。

圖6 不同鹽凍次數(shù)下碳纖維混凝土試件的界面破壞形態(tài)Fig.6 Interface failure mode of carbon fiber reinforced concrete specimens under different times of salt freezing

表1 為不同凍融環(huán)境下碳纖維混凝土試件的界面力學(xué)性能測試結(jié)果。可見，在水凍環(huán)境下，當(dāng)水凍次數(shù)為25、50、75、100 次時，碳纖維- 混凝土界面承載力和粘結(jié)強度呈現(xiàn)隨著水凍次數(shù)增加而減小的特征，且都低于常溫養(yǎng)護試件；在鹽凍環(huán)境下，當(dāng)鹽凍次數(shù)為25、50、75 和100 次時，碳纖維- 混凝土界面承載力和粘結(jié)強度呈現(xiàn)隨著鹽凍次數(shù)增加而減小，其界面承載力和粘結(jié)強度也都低于常溫養(yǎng)護試件[11]。此外，在相同凍融循環(huán)次數(shù)下，鹽凍試件的界面承載力和粘結(jié)強度都要低于水凍試件。

表1 不同凍融環(huán)境下碳纖維混凝土試件的界面力學(xué)性能Table 1 Interface mechanical properties of carbon fiber reinforced concrete specimens under different freeze-thaw environments

圖7 為凍融環(huán)境下凍融次數(shù)與加載端最大應(yīng)變值的對應(yīng)關(guān)系。對比分析可知，當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)分別為25、50、75、100 次時，常溫氧化試件加載端最大應(yīng)變值都高于水凍和鹽凍試件，且除凍融循環(huán)次數(shù)為50 次外，其余凍融次數(shù)下水凍試件的加載端最大應(yīng)變值都高于鹽凍試件。造成這種現(xiàn)象的原因在于，經(jīng)過不同次數(shù)的凍融循環(huán)處理后，水凍和鹽凍試件中碳纖維與混凝土之間的粘結(jié)強度會降低，造成混凝土與碳纖維會提前剝離[12]，而使得加載端最大應(yīng)變值減小，且由于鹽凍試件相較水凍試件對界面的惡化更加嚴(yán)重，前者的加載端最大應(yīng)變值會更小。

圖7 凍融環(huán)境下凍融次數(shù)與加載端最大應(yīng)變值的對應(yīng)關(guān)系Fig.7 Corresponding relationship between freeze-thaw times and maximum strain at loading end in freeze-thaw environment

3 結(jié)論

（1）隨著室溫水凍次數(shù)增加，混凝土立方體的破壞程度不斷加劇，并在水凍次數(shù)達到100 次時出現(xiàn)邊部脫落現(xiàn)象；鹽凍環(huán)境會相對水凍環(huán)境對混凝土的侵蝕破壞更加嚴(yán)重。

（2） 室溫養(yǎng)護下混凝土試件的抗壓強度為43MPa，而水凍環(huán)境和鹽凍環(huán)境下混凝土的抗壓強度都相對較低；隨著凍融次數(shù)從25 次增加至100 次，混凝土試件的抗壓強度呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，但是在相同凍融次數(shù)下，水凍試件的抗壓強度要高于鹽凍試件。

（3）當(dāng)水凍次數(shù)為25、50、75、100 次時，碳纖維-混凝土界面承載力和粘結(jié)強度呈現(xiàn)隨著水凍次數(shù)增加而減小的特征，且都低于常溫養(yǎng)護試件；在鹽凍環(huán)境下，當(dāng)鹽凍次數(shù)為25、50、75、100 次時，碳纖維- 混凝土界面承載力和粘結(jié)強度呈現(xiàn)隨著鹽凍次數(shù)增加而減小，其界面承載力和粘結(jié)強度也都低于常溫養(yǎng)護試件。在相同凍融循環(huán)次數(shù)下，鹽凍試件的界面承載力和粘結(jié)強度都要低于水凍試件。