新老碾壓混凝土粘結強度的影響因素分析

吳冠宇,董政良,余志堅,鄭剛峰,張曉飛

(1.陜西省水利水電工程咨詢中心,陜西 西安 710109;2.西安理工大學 水利水電學院,陜西 西安 710048;3.浙江省水利水電勘測設計院,浙江 杭州 310000)

混凝土壩裂縫、坑槽等問題頻繁出現,這些問題的存在會大大降低結構的安全性和耐久性[1],從而大幅縮短混凝土工程的使用年限。國家政府每年投入大量的資金對存在問題的混凝土工程進行修補和加固,混凝土結合面是加固維修中十分重要的環節[2]。通常來說,老碾壓混凝土是指已經超過28 d齡期的混凝土,老混凝土一般已經達到終凝,新混凝土是指澆筑在老混凝土上的混凝土,是一個相對的概念。新老混凝土的粘結面是一個質量相對較差的薄弱面,它使得混凝土整體的力學性能均有所下降。其結合面的粘結性能決定著工程修補加固的成敗,因此整個壩工界對這個問題十分關注[3]。實際上,混凝土表面粘結質量是當前工程修補加固的關鍵,是能否使破損的工程重新恢復功能并能持續安全運行的重要基礎,界面劑、混凝土設計強度以及粘結面的粗糙程度都是影響粘結性能的主要因素[4]。柴敏等[5]將測試新老混凝土粘結強度的方法進行了總結:有劈拉強度試驗法、粘結抗裂強度試驗法、剪切強度試驗法和抗折強度試驗法等。吳吉昊等[6]發現當需要提高新老混凝土的早期剪切和劈拉強度時可以使用硅灰替代水泥基灌漿作為界面劑。曹宏亮[7]通過在水泥漿中摻入粉煤灰用作界面劑對新老混凝土粘結試件開展劈裂抗拉試驗,發現其可以提升粘結面的粘結強度。張振超等[8]使用聚丙烯纖維丙烯酸溶液等制成聚合物砂漿用作界面劑,通過劈拉實驗發現聚合物砂漿可以提升粘結強度。張建仁等[9]認為新混凝土的澆筑方向會對新老混凝土界面粘結抗剪強度產生一定的影響。Huang Dunwen等[10]發現新混凝土的強度等級會影響新老混凝土粘結面的抗剪強度。張靜[11]試驗發現水泥凈漿可以提高新老混凝土的劈裂抗拉強度,添加302界面劑后新老混凝土抗折抗拉強度明顯增加。金宇松[12]運用Ansys軟件對新老混凝土粘結進行分析,通過模型驗證了界面劑的種類會影響應力。

現有的大多數試驗都是針對普通硅酸鹽混凝土,缺乏對其他類型混凝土的研究,正因如此,研究老碾壓混凝土面-界面劑-新碾壓混凝土面的耦聯粘結機制是非常有必要的。本試驗以不同摻比的一種高強度高耐水性的無機膠凝材料(High Strength and Water StabilityEarth Consolidator,以下簡稱為HEC)界面劑為例,研究不同強度等級的新澆筑碾壓混凝土以及不同摻比的HEC界面劑對新老混凝土粘結強度的影響。首先進行新老碾壓混凝土劈拉試驗,然后采用ABAQUS有限元軟件建立新老碾壓混凝土粘結模型,以試驗數據為基準,并與模擬仿真值進行對比驗證,得出新澆筑混凝土強度等級以及摻有HEC試劑對新老碾壓混凝土粘結強度的提升規律,并提出粘結強度的合適摻比。

1 試驗材料與方法

1.1 材料

本次實驗設計邊長為150 mm的立方體新老碾壓混凝土試件7組,每組有體積同等的立方體試件3個,試件共計21個,采用原材料有減水劑、水、硅酸鹽水泥、粉煤灰、中砂細骨料、二級配銅川碎石粗骨料以及HEC界面劑。水選用普通生活用水,在選擇水泥的時候,考慮工程的一般性,選用比較常見的混凝土,因此本次試驗選擇的水泥為普通硅酸鹽水泥,型號為P.O42.5,其基本參數見表1。粉煤灰采用的是西安宏源生產的II級粉煤灰。試塊中采用周至縣所出產的中砂細骨料,其細度模數可達2.5,含泥量低于2.0%,同時具有均勻的級配。本次碾壓混凝土使用粗骨料最大的粒徑為4 cm,為銅川碎石,二級配。本試件采用的外加劑是西安宏達生產的JC-04萘系高效減水劑,它可以改善拌合物的粘聚性、抗離析性,它對混凝土影響性能見表2。 界面劑主要采用的是HEC固結劑。并且與水泥凈漿之間按照一定的比例來配比摻和,新老碾壓混凝土的配合比例如表3所示[13-14]。7組試件分類如表4所示。

表1 普通硅酸鹽水泥基本參數

表2 JC-04萘系高效減水劑對混凝土影響性能表

表3 不同強度等級下的碾壓混凝土配合比例 單位:kg/m3

表4 7組試驗試件分類

1.2 試件的成型與處理

取料拌和后將混凝土泥漿倒入一半進磨具,振搗養護后形成老碾壓混凝土,然后涂抹界面劑,再澆筑新碾壓混凝土,如圖1所示。由于試驗的自變量為新碾壓混凝土的等級以及HEC界面劑的摻量,所以需要將其他影響粘結強度的因素排除。首先需要對試件的粘結面進行鑿毛處理以提升其粗糙度,再按照實驗要求在新老混凝土結合面處涂刷界面劑,而界面劑的厚度一般為2 mm～4 mm,因此選取3 mm作為本試驗的涂刷厚度。新碾壓混凝土澆筑方向,同樣會影響其粘結強度。查閱文獻[15-17]可知:澆筑方式與新混凝土本身的重力方向所形成的角度越小,粘結強度越好。所以在本試驗中新碾壓混凝土的澆筑方式為水平澆筑。

圖1 新碾壓混凝土試樣

1.3 劈拉實驗

試驗的機器型號為WAW-3000C,按照《水工混凝土試驗規程》(SL/T 352—2020)操作試驗。該試驗機中油源液壓系統的主要構成包括了油泵、電機、閥塊、伺服閥、電控柜等。 計算機測控系統的構成涵蓋了傳感器、控制器與微機。該系統將計算機作為核心平臺,借助于智能數字控制器來對試驗機進行智能化控制。控制器還能為傳感設備提供高精度的電壓,同時還能確保檢測結果的精準性。電器控制系統中提供了諸多保護模塊,譬如過流與過壓保護,此外還提供了在試驗操作過程中互鎖保護,這樣就能有效提升試驗的安全性,同時也能增強控制系統的使用年限,有效提升了試驗臺的工作穩定性。

本次所選的測控軟件系統可以對速度、參數、試驗力值等指標進行相應的調控,可以按照具體的試驗要求對本次的劈拉試驗進行動態調控,同時還能按照用戶需求對試驗過程進行編制,對諸多步驟進行設定,進而開展不同類型的力學試驗。最后可以結合數據分析結果輸出相應結果,并得出相應的數據報表與試驗報告。

控制萬能機以0.05 MPa/s的速度對試件加載,如果有較為清脆的斷裂聲傳出,看到試驗力曲線發生突變,則可以確定試件達到了斷裂效果。劈裂試驗見圖2。

圖2 新老碾壓混凝土劈裂試驗試樣外觀

觀察試件斷裂面可知:無論使用多少摻比的HEC界面劑,多高強度的新混凝土,試件劈裂位置都處于混凝土粘結位置,表明若粘結面沒有骨料摻入的話,那么新老混凝土樣件在受壓之下粘結面就是其薄弱面。仔細對比各新老混凝土的粘結面發現,其粘結面處只有一些新混凝土和老混凝土的水泥漿體緊密附著,沒有在碎屑中發現有粗骨料,同時其粘結面上的水泥漿體越多,試件的劈拉強度越大。

1.4 結果與分析

本試驗所需材料為不同摻量比例(50%、40%、30%、20%、10%、0%)的HEC界面劑以及不同等級(C20、C30、C40)的新碾壓混凝土,將兩種變量影響下的劈拉強度與基準混凝土強度進行對比,同時引入相對強度α來表示。其劈拉強度平均值及相對強度α見表5,關系圖見圖3。

圖3 HEC界面劑摻量及混凝土強度等級與混凝土劈拉強度關系圖

表5 兩種影響因素下碾壓混凝土的相對強度與劈拉強度平均值

從上述劈拉實驗發現:C20的試驗混凝土的基準試驗劈裂抗拉強度值為2.432 MPa,C30的為3.665 MPa,C40則為4.412 MPa。具體公式如式(1)所示:

Pft=αP0

(1)

式中:Pft為新老混凝土的劈拉強度,MPa;P0為基準劈裂抗拉強度,MPa;α為相對強度。

通過試驗得到的數據,分析后可知:新老混凝土在不同影響因素下其強度的變化關系,同時從擬合公式中發現其關系符合線性關系,擬合公式如式(2)—式(4)所示。

C20碾壓混凝土:

Pft=0.017β+1.047,R2=0.9989

(2)

C30碾壓混凝土:

Pft=0.017β+1.358,R2=0.9755

(3)

C40碾壓混凝土:

Pft=0.017β+1.6366,R2=0.9997

(4)

式中:β為不同摻合比例的HEC界面劑,%。

由表5和圖3可知,隨著新澆筑的碾壓混凝土強度等級逐漸增加,在摻界面劑相同的條件下,新老碾壓混凝土本身的粘結劈拉強度也會發生相應的改變,當強度等級為C40時粘結強度最大。在新混凝土強度等級相同條件下,不同摻比HEC界面劑會對新老混凝土粘結劈拉強度造成影響:水泥凈漿<10%<20%<30%<50%<40%。同時新澆筑混凝土的強度也會隨界面劑摻入發生變化,試驗的粘結強度也隨之改變,而且當摻比為40%時,新老混凝土的粘結強度最大。

2 模擬驗證

2.1 模型建立與加載

利用有限元軟件ABAQUS對本實驗進行模擬研究,基于完成的試件來建立模型,將試件分為左、中、右三部分,左邊代表的是老碾壓混凝土,中間為3 mm的界面劑,對右邊部分的模擬成新澆筑的混凝土。 混凝土模型尺寸為150 mm×150 mm×150 mm,對其施加軸向均布荷載。 試件模型如圖4所示。

圖4 混凝土試件的模型示意圖

若新混凝土的強度不一致,界面劑所摻水泥砂漿百分比不同,其混凝土的彈性模量值也會不同。故在加載之前需要通過對實際試件的三軸取芯 ,然后對其進行劈拉試驗,可以得出試件的應力應變數值,計算后可得彈性模量值,將其與規范值整理后見表6。而模擬彈簧單元中的剛度K則是應力應變之比,計算后整理可得表7。然后將獲得的實際彈性模量值使其帶入有限元軟件中,對模型進行劈拉加載。在此過程中,需以實際試驗所得荷載曲線控制對于模型的荷載,另外還需要設置其余四個面作為模型的自由邊界。

表6 不同強度碾壓混凝土彈性模量值

表7 新澆筑混凝土強度等級不同時的劈拉試驗剛度K

試驗所得彈性模量值與規范值差別不大是因為摻入了一定量的粉煤灰,從而引發彈性模量的變化。

2.2 應力分布的效果圖

模擬試驗后可得應力分布圖如圖5、圖6所示。(C20-40,表示強度等級為C20的新澆筑混凝土,HEC的摻比為40%)。

圖5 劈裂抗拉面對應的應力云圖(強度等級不同的新澆筑碾壓混凝土)

圖6 不同摻比的HEC界面劑劈裂抗拉面的應力云圖

分析應力云圖可知最大應力都處于粘結面的邊緣位置,應力沿著粘結面從外向內逐漸減小。這是因為在模擬混凝土劈裂抗拉試驗時,施加的荷載集中在粘結面區域,因此其邊緣位置應力普遍最大。其中當所施加的荷載逐漸增大時,由于粘結面為新老碾壓混凝土的薄弱面,裂紋由粘結面處開始起裂至穩定擴展并積累能量。當荷載增長到臨界值時,即其所釋放的能量大于裂紋面積形成所需能量時,試件發生脆性斷裂。

2.3 計算與分析

在程序進行模擬加載后可以得出劈拉強度的模擬值。然后將由不同變量制作的實際混凝土試件進行劈拉試驗所得的試驗值與模擬值進行對比,分析模型的可靠性,以及試驗的準確性,將其整理后如表8所示。

表8 碾壓混凝土劈拉強度的平均值與模擬值誤差統計表

由表8可以看出,劈裂抗拉試驗所得的試驗值與仿真模擬值大部分均比較接近。同時每組數據之間的差距也相對比較小,誤差主要保持在0～6%之內,可以確定其試驗值與模擬值之間的劈裂抗拉強度以及實際變化規律基本保持一致。

通過仿真模擬結果可以看出:(1)隨著新澆筑混凝土強度等級的增加,粘結面的劈拉強度隨之增大;(2)隨著HEC界面劑摻量的增加,劈拉強度同樣隨之增大,但過大的摻量會使劈拉強度降低。

3 結 論

(1) 新老碾壓混凝土的粘結效果受到水泥凈漿以及水泥凈漿中HEC界面劑的摻合比的影響。不同摻量下的HEC 界面劑會影響新老碾壓混凝土粘結劈拉強度:水泥凈漿<10%HEC<20%HEC<30%HEC<50%HEC<40%HEC。

(2) 混凝土等級越大,等效強度系數α越小,劈拉強度越大,最大為C40。以C40混凝土為例,加了10%、20%、30%、40%、50%的HEC界面劑,其劈拉強度相較與水泥凈漿分別提高了11.20%、20.81%、31.76%、42.17%、40.64%,從水泥凈漿到50%HEC組,等效強度系數α分別為37.1%、41.2%、44.7%、48.7%、52.6%、51.8%。由此可以看到,當HEC的摻比達到40%的時候,新老混凝土的粘結強度達到峰值。

(3) 在HEC界面劑摻合比保持不變的條件下,混凝土等級的提升,會使得其增大,但是增加的幅度不明顯。

(4) 通過有限元軟件ABAQUS進行數據模擬的過程中,其模擬結果與試驗所得數值的誤差大小在0～6%之間,這說明模擬所得結果與試驗所得結果相匹配,并且得出的結果較為合理,這使本次模擬所建立的劈裂抗拉強度模型得到了驗證,而且其本身的準確性以及可靠性均可獲得相應的保障。