超強韌性混凝土疊層修補界面研究

于明鑫，楊 楠，俞家歡

(1.沈陽城市建設(shè)學(xué)院 沈陽市 110167； 2.沈陽建筑大學(xué) 沈陽市 110168)

0 引言

經(jīng)過對工程水泥基復(fù)合材料(ECC)的性能改良、成本優(yōu)化，超強韌性混凝土(PP ECC)作為一種新型的建筑材料，由水泥、水、骨料、摻合料、國產(chǎn)PP纖維制成，具優(yōu)秀的力學(xué)性能[1]。采用超強韌性混凝土作為修補材料對普通混凝土路面、普通鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)等進行疊層修補，是目前新型水泥基復(fù)合材料實現(xiàn)工程應(yīng)用的一個發(fā)展方向，但其與普通混凝土材料疊層修補界面的處理方法及粘結(jié)性能尚未有深入研究[2]。

1 修補界面的影響

在不同材料間的疊層修補中，修補界面處理方法會直接影響基層(混凝土)和修補層超強韌性混凝土間的粘結(jié)性能[3-7]。通過理論研究和實驗分析，得出超強韌性混凝土疊層修補普通混凝土路面、建筑結(jié)構(gòu)等最合理的界面處理方法，為實際工程中的普通混凝土路面、普通鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)等的疊層修補方法提出合理化建議。

1.1 修補層與基層的粘結(jié)性能

在普通混凝土路面、普通鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)的修補工作中，由于缺少實用準(zhǔn)確的修補界面處理方法，尤其是在高性能修補層材料方面研究更少，造成了普通混凝土路面、普通鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)的修補層脫粘現(xiàn)象普遍存在，亟待解決。

超強韌性混凝土具有良好的力學(xué)性能可以滿足普通混凝土路面、普通鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)等修補的需要，目前超強韌性混凝土做修補層材料的相關(guān)研究，尤其是疊層修補的界面處理方法研究非常少，疊層修補界面間的粘結(jié)性能又是影響荷載能否充分地從基層材料傳遞到修補層的重要因素，因此研究的內(nèi)容對工程實踐意義較大。

疊層修補界面間的粘結(jié)力包含物理粘結(jié)力和化學(xué)粘結(jié)力[8]。物理粘結(jié)力主要取決于界面間的粗糙程度和凹槽。粗糙程度和凹槽是指在材料制作過程中，基層普通混凝土凝結(jié)過程中通過擠壓等特殊工藝而形成，或成型后期通過磨砂或鉆孔等方式形成的。疊層界面的化學(xué)粘結(jié)力包含兩種，一種為范氏力，是兩種材料之間的化合力；另一種是橋聯(lián)力。橋聯(lián)力是指材料在微觀層面，基層材料孔洞中出現(xiàn)膠結(jié)和硬化現(xiàn)象而產(chǎn)生的粘結(jié)力，其與材料的毛細粘結(jié)程度和濕潤程度有關(guān)。

微觀力學(xué)下粘結(jié)力又分為抗拉粘結(jié)力和抗剪粘結(jié)力，其主要不同在于外力的角度，如圖1所示。

圖1 微觀下界面的剪力和拉力的影響

為了測試接觸面的粘結(jié)性能，研究采用如圖2所示試驗方法，通過加載超強韌性混凝土疊層修補試件得出界面的抗拉能力和抗剪能力。

圖2 試驗方法

試驗設(shè)備加載方式如圖3所示。

圖3 疊層界面粘結(jié)力試驗裝置

1.2 試件的制作

本試驗主要分析不同修補界面的粘結(jié)力，以得出最有利的界面處理方法。普通混凝土路面、普通鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)等修補常用的表面處理方法有刮削、磨砂、鉆孔和凹槽這四種形式，如圖4所示。

刮削—使用刮削金屬板刮普通混凝土層上表面，直到露出里面的石子等骨料，使界面變得更粗糙。

磨砂—用大粒砂布對普通混凝土上表面進行打磨粗糙，直到可以清楚地看到粗骨料。

鉆孔—采用在普通混凝土上鉆孔的方式，使得超強韌性混凝土修補層與普通混凝土基層形成用咬合的形式增加界面的機械咬合力。

凹槽—利用模具，在普通混凝土基層上制作垂直于主剪力方向的凹槽。

將界面處理后，上面澆注超強韌性混凝土，并充分振搗，以確保超強韌性混凝土與基層普通混凝土完全接觸形成整體，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護3d后拆模。

1.3 界面粘結(jié)力試驗

研究中通過分析剪切試驗和拉伸試驗得到超強韌性混凝土疊層修補界面間的極限切應(yīng)力和極限正應(yīng)力，對比得到處理修補界面的最佳方式。

1.3.1剪切試驗

通過疊層修補界面剪切試驗裝置測得在4種不同修補界面處理方法下界面間的抗剪能力。每種界面處理做3個試件，齡期均為14d，一共是36個試件。加載后的極限切應(yīng)力如表1所示。

表1 不同修補界面處理下的極限切應(yīng)力τxyMPa

1.3.2拉伸試驗

通過疊層修補界面拉伸試驗可以測出4種不同修補界面處理方法下界面的抗拉能力。每一種表面處理制作3個試件，加載后得到這4組12個試件的極限正應(yīng)力，如表2所示。

表2 不同修補界面處理下的極限正應(yīng)力σt,iMPa

從試驗結(jié)果上可以看出磨砂方式的粘結(jié)力是最強的。觀察破壞后的試件，如圖5、圖6、圖7所示，可以看出磨砂方式制備的試件在拉伸破壞后橋聯(lián)作用非常明顯，其破壞并不是在兩材料的接觸面上，而是發(fā)生在超強韌性混凝土中，這樣就能夠完全發(fā)揮出超強韌性混凝土的抗裂性能。試件破壞后，修補層超強韌性混凝土表面上的PP 纖維粘連在普通混凝土上，試驗中大量的PP纖維從超強韌性混凝土中拔出，試件整體的抗拉強度較高。

圖4 疊層修補界面的處理方法

圖5 磨砂制備方式下的破壞形式

圖6 破壞后混凝土上粘連了大量的纖維

圖7 磨砂試件破壞后的超強韌性混凝土與普通混凝土

2 磨砂制備的方式

實際工程中，普通混凝土路面、普通鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)往往表面光滑，如果將其作為基層在其上直接澆注超強韌性混凝土，界面間的粘結(jié)力很小。所以工程實踐中，應(yīng)在普通混凝土路面、普通鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)表面進行處理，根據(jù)研究可知，最佳處理方法是磨砂，即用打磨的方式在普通混凝土基層表面上制備出45°斜紋麻面。

試驗中采用大粒砂紙打磨，在打磨過程中，將普通混凝土基層試件上表面的水泥漿打磨掉，露出里面的石子和砂子，直到石子的表面磨出45°斜紋，如圖8所示。實際工程中可采用施工機械制備出此類45°斜紋磨砂界面。

圖8 表面磨砂打磨

圖9所示為未處理的普通混凝土基層光滑表面和磨砂后表面的對比照片，從圖中可以明顯看出普通混凝土基層表面上是光滑的，而磨砂制備的試件表面形成了凹凸不平的45°斜紋，并且露出了里面的石子和砂子。細部觀察，如圖10所示，打磨后的表面可以看到很粗糙。這樣會更有效地使疊層修補材料超強韌性混凝土和普通混凝土基層緊密地粘結(jié)在一起，不會出現(xiàn)脫層等現(xiàn)象。

圖9 未處理混凝土表面與磨砂表面對比

圖10 磨砂表面細部

3 結(jié)論

通過疊層修補界面剪切試驗和拉伸試驗，得出了四種不同修補界面處理方法下的抗剪能力和抗拉能力，不管是從實驗數(shù)據(jù)還是破壞形態(tài)，對比都能看出修補基層采用磨砂的界面處理方法效果較好，能充分發(fā)揮出超強韌性混凝土作為修補材料修補普通混凝土路面、普通鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)等的獨特性能。