凍融環境下廢舊纖維混凝土與舊混凝土粘結面劈拉試驗

李 妍，賀柱國

吉林建筑大學 土木工程學院,長春 130118

0 引言

混凝土是日常生活中最為常見的建筑材料之一,在世界各大城市中均能找到他們的身影.隨著我國大規?；窘ㄔO的實施,出現許多大型混凝土建筑和結構.但隨著混凝土的老化也出現了一些問題,如在高海拔和高緯度等寒冷地區溫度的變化導致荷載發生變化、港口,城市立交橋等結構遭遇嚴重的凍融破壞等情況,建筑的長時間使用將導致耐久性不足存在安全隱患,因此必須對遭受凍融破壞的混凝土進行加固補強.

工業廢舊纖維混凝土相比普通混凝土具有抗壓強度高、韌性性能好等特性[1],將其作為新混凝土加固的材料,能夠提高被加固物體整體的力學性能,這對處于惡劣環境、受荷復雜的混凝土結構的修補或對混凝土結構有更高要求的無疑是一種理想材料[2].因此,研究纖維混凝土與舊混凝土粘結復合結構的力學性能具有十分重要的現實意義和實用價值.當前,一些學者做了許多相關研究,文獻[3]研究了先凍融后粘結的新舊混凝土復合立方體試件和先粘結后凍融的新舊混凝土復合立方體試件,根據界面粗糙度、凍融循環次數和界面劑3種不同因素作用下劈裂抗拉強度的變化.文獻[4]研究了超低溫凍融循環后混凝土的損傷機理及控制措施,根據試驗得出了混凝土的凍融循環損傷主要是由于混凝土內部的水孔隙水結冰導致體積膨脹對混凝土內部細微孔隙壁產生凍脹壓力使得孔隙增大,許多原本不相連的孔隙連通甚至形成通縫,從而造成混凝土的內部破壞.粘結劈拉性能是新舊混凝土粘結的基本力學性能之一[5].本文擬通過對工業廢舊纖維混凝土與舊混凝土粘結試塊的慢速凍融試驗,探究纖維摻量、凍融循環次數對粘結面劈裂抗拉強度的影響.

1 試驗概況

1.1 試驗材料及其配合比

在半年之前澆筑一批100 mm×100 mm×100 mm的舊混凝土試件,水泥采用吉林亞泰水泥有限公司生產的32.5級復合硅酸鹽水泥,其他原材料包括中粗河沙(細度模數為2.62)、碎石(粒徑為4.75 mm～20.5 mm)、減水劑(減水率為20 %).舊混凝土所用混凝土強度等級為C 30,根據《混凝土結構加固技術規范》(GB 50367-2013)[6],混凝土結構加固時所用混凝土等級應比原結構混凝土強度等級高一級.因此,新纖維混凝土強度設計等級為C 40.工業廢舊纖維采用從輪胎中提取出來的高強胎圈鋼絲,對廢舊纖維進行拉拔試驗測得工業廢舊纖維的抗拉強度平均值為1 900 MPa,用鋼絲球擦去纖維表面的殘留橡膠和鐵銹使之成為光圓鋼絲并按照試驗要求進行剪切,其平均長度為30.5 mm,長徑比為30，纖維的體積摻量為0 %,0.5 %,1.0 %,1.5 %,試驗材料的配合比(系指1 m3廢舊纖維混凝土中所含各材料的質量)見表1.

表1 試驗材料配合比的設計

1.2 粘結面的處理

新舊混凝土粘結界面需經過粗糙處理,以提高其表面的粗糙度,通常所用方法為高壓水沖法、人工鑿毛法和噴砂法等[7].本試驗中將100 mm×100 mm×100 mm 的舊混凝土試塊用石材切割機切割成100 mm×100 mm×50 mm 的小塊,然后用鑿等工具將粘結面鑿毛,清除松動開裂部分并刷洗干凈如圖1所示,用灌砂法控制粘結面的粗糙度在1.5 mm～2.3 mm之間.本試驗的界面粘結劑選用水泥砂漿,其配比為水泥∶砂∶水=1∶1∶0.4.

圖1 粘結面

圖2 側向澆筑新混凝土

1.3 試驗方法

將粘結面處理后的100 mm×100 mm×50 mm 的試塊用水沖洗干凈并通風晾干至表面無水狀態.澆筑時,先在粘結面涂上界面劑放置在模具內,并迅速側向澆筑各類纖維摻量的工業廢舊纖維混凝土如圖2所示.24 h小時后拆模,送入標準養護室養護28 d.每組試件澆筑3個試塊,共計17組51個試塊.在凍融循環之前將試塊放入養護箱中加水浸泡96 h至試塊水飽和狀態.本試驗采用慢速凍融法,新舊混凝土復合立方體分別凍融循環30次、60次、90次.根據《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/T 50082-2009)[8],1個凍融循環周期為8 h左右,冷凍期間凍融試驗箱內保持在-20 ℃～-18 ℃,融化期間凍融箱內浸泡混凝土試件水溫保持在20 ℃～18 ℃.試驗中同時測量新舊混凝土的劈裂抗拉強度和質量損失率.本試驗采用600 kN的液壓萬能試驗機進行,如圖3所示,墊條放在粘結面的上下兩側.新舊混凝土試塊的劈裂抗拉強度按下式計算:

fτ=2P/(πA)

(1)

式中,fτ為劈裂抗拉強度,MPa;P為最大劈裂荷載,N;A為粘結面的面積,mm2.

圖3 劈裂抗拉試驗

圖4 粘結破壞表面

2 試驗結果與分析

2.1 破壞形態

所有復合立方體試件的破壞面均沿著新舊混凝土的粘結面而破壞，且所有的新舊混凝土復合立方體的劈裂抗拉強度均低于舊混凝土試塊和新混凝土試塊的劈裂抗拉強度,經過凍融循環之后復合立方體劈裂抗拉強度也顯著低于未經凍融循環的復合立方體的劈裂抗拉強度,且隨著凍融循環次數的增加其劈裂抗拉強度逐漸降低.鋼纖維分布如圖4所示,均勻分布在新混凝土中且部分纖維裸露在外部說明鋼纖維發揮了部分阻裂耗能的作用.為了衡量凍融循環后復合立方體試塊劈裂抗拉強度的下降程度,本文采用相對劈拉強度β衡量試驗結果,其定義式為:

β=(fτn/fτo)×100 %

(2)

式中,β為相對劈拉強度,%;fτo為老混凝土的劈裂抗拉強度,MPa;fτn為凍融循環作用n次后新舊混凝土復合立方體的劈裂抗拉強度,MPa.

2.2 凍融循環次數對粘結面劈裂抗拉性能的影響

各纖維摻量的工業廢舊纖維混凝土和舊混凝土復合立方體的相對劈裂抗拉強度隨凍融循環次數的變化曲線如圖5所示,凍融循環次數對復合立方體的劈拉強度的影響很大.各個纖維摻量下,復合立方體的劈裂抗拉強度均隨凍融循環次數的增加而降低,未經凍融循環時,復合立方體的劈裂抗拉強度為舊立方體劈裂抗拉強度的70 %～90 %,經過30次的凍融循環,劈裂抗拉強度降到了舊混凝土的65 %～78 %且隨著凍融循環次數的進一步增加劈裂抗拉強度大幅下降,到第90次凍融循環時只有舊混凝土的20 %～35 %,粘結面基本破裂.復合立方體試塊粘結面是新舊混凝土通過界面劑粘結在一起,在澆筑和粘結硬化的過程中會存在一些細微孔隙,因此造成粘結面處于復合立方體試件的最薄弱處,未經凍融循環的復合立方體劈裂抗拉強度均低于舊混凝土和工業廢舊纖維混凝土試塊.由于這些孔隙的存在,在飽水狀態下經過數次的凍融循環,孔隙內的水分多次結冰膨脹使得裂縫進一步擴展[9],從而導致新舊混凝土粘結性能遭到破壞機械咬合力下降.從斷面分析,經過多次凍融循環的復合立方體粘結面相比未經凍融循環的粘結面更疏松多孔,凍融循環過后的新舊混凝土試塊粘結面粘結強度下降,導致在外力的作用下更容易破壞.

圖5 凍融循環次數對相對劈拉強度的影響

圖6 工業廢棄纖維體積摻量對相對劈拉強度的影響

2.3 纖維體積摻量對粘結面劈裂抗拉性能的影響

圖6為凍融循環0次、30次、60次和90次的新舊混凝土復合立方體試塊相對劈拉強度隨纖維摻量的變化曲線.由圖6可以看出,纖維體積摻量的變化對試塊相對劈裂抗拉強度有較大影響.在上述4種凍融循環次數下,增加纖維體積摻量均不同程度地提升了復合立方體的相對劈裂抗拉強度,且當纖維體積摻量為1.5 %時達到最優.由前述研究可知,隨著凍融循環次數的增加,復合立方體的劈裂抗拉強度降低,而工業廢棄纖維的摻入則能延緩其降低程度.例如經90次凍融循環后,未摻廢棄纖維的新混凝土復合立方體的相對劈裂抗拉強度值僅為23 %,而相同條件下摻入0.5 %廢棄纖維的新混凝土復合立方體的相對劈裂抗拉強度值提升到了30 %,而摻入1.0 %,1.5 %體積摻量的復合立方體的相對劈裂強度值分別達到了29.5 %和33.2 %.在相同條件下,劈裂抗拉強度基本隨著纖維體積摻量的增加而增大.這是由于新舊混凝土的收縮差異是粘結面產生細微裂縫而影響粘結效果的因素之一,而工業廢舊纖維的摻入使得新混凝土的收縮大為減少,從而改善了粘結面的粘結效果[10].同時,工業廢舊纖維亂向分布在新混凝土中有的橫貫粘結面,劈拉時阻礙了破壞面通縫的形成,提高試塊的劈裂抗拉強度.

3 結論

本文通過不同纖維體積摻量下新型工業廢棄纖維混凝土與舊混凝土粘結面的凍融劈拉試驗,研究了試塊在不同纖維體積摻量及凍融循環次數下劈裂抗拉強度的影響變化規律,并觀察了試塊粘結面的破壞特征,綜合得出如下結論:

(1)在新混凝土中摻入工業廢棄纖維能提高混凝土復合立方體在凍融循環下的劈裂抗拉強度,其原因在于新混凝土中摻入工業廢棄纖維能改善混凝土的收縮性能及部分橫穿粘結面的纖維也能起到阻裂作用.相同凍融循環下,新舊混凝土復合立方體劈裂抗拉強度隨纖維體積摻量的增加而增大.

(2)在飽水狀態下,工業廢棄纖維混凝土與舊混凝土粘結的復合立方體試件劈裂抗拉強度隨凍融循環次數的增加而減小.