馮 碩, 石新波, 王 威, 徐 凡, 肖會剛
(1.山東大學(xué) 土建與水利學(xué)院,山東 濟南 250061; 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院,黑龍江哈爾濱 150090; 3.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 結(jié)構(gòu)工程災(zāi)變與控制教育部重點實驗室,黑龍江哈爾濱 150090; 4.黑龍江省建工集團有限責(zé)任公司,黑龍江 哈爾濱 150000)
普通混凝土(NSC)作為基礎(chǔ)設(shè)施建造的主要材料,服役環(huán)境通常比較惡劣,比如江海橋墩受到海水的沖刷,山區(qū)高架橋橋墩受到洪水與泥石流的沖撞和磨蝕,易于發(fā)生損壞,威脅到混凝土基礎(chǔ)設(shè)施的服役安全[1-2].為了保障混凝土結(jié)構(gòu)的正常服役,通常需要進行修復(fù).傳統(tǒng)修復(fù)材料的修復(fù)界面由于邊壁效應(yīng),富集氫氧化鈣形成了擇優(yōu)取向,致使結(jié)構(gòu)比較疏松[3-4].因此,修復(fù)界面屬于薄弱區(qū)且容易發(fā)生脫黏.傳統(tǒng)修復(fù)材料自身的耐久性能有限,且界面易脫黏,特別是在嚴(yán)酷環(huán)境作用下發(fā)揮的延壽效能比較有限[5-6].
超高性能混凝土(UHPC)具有高強、高韌和高耐久的優(yōu)點[7-8],可以成為理想的修復(fù)材料,能夠解決“反復(fù)”修復(fù)的難題.但是,UHPC 與NSC 的彈性模量和線膨脹系數(shù)等存在較大的差異[9-10].UHPC-NSC 能否獲得良好的界面黏結(jié)性能并克服兩者物理參數(shù)差異帶來的不利影響,是UHPC-NSC 能否在嚴(yán)酷環(huán)境下長期協(xié)同服役的關(guān)鍵所在.Zhang 等[11]研究發(fā)現(xiàn),粗糙度對UHPC-NSC 界面黏結(jié)性能的影響顯著,多出現(xiàn)基體的完全破壞.龍杰等[12]研究發(fā)現(xiàn),粗糙度對UHPC-NSC 界面劈拉性能有顯著的影響,出現(xiàn)了基體失效模式.Farzad 等[13]發(fā)現(xiàn)UHPC-NSC 界面的黏結(jié)性能較高,失效模式多為基體失效.UHPC-NSC 由于界面性能良好,失效位置發(fā)生在基體,采用破壞荷載來評價UHPC-NSC 界面的黏結(jié)性能將偏于保守.
本文采用基體約束加強的方法將UHPC-NSC的失效位置控制在界面處,解決傳統(tǒng)測試方法失效位置發(fā)生在基體的問題,進而提出了UHPC-NSC 界面黏結(jié)性能的評價方法,研究混凝土基體表面粗糙度、基體強度以及測試方法對UHPC-NSC 界面黏結(jié)性能的影響,并通過微觀表征手段揭示其機理.
混凝土基體采用3 種強度等級(S1、S2、S3),配合比見表1.修復(fù)材料采用NSC 和UHPC:NSC 的配合比見表1,UHPC 的28 d 抗壓強度為 135 MPa,配合比包括42.5 普通硅酸鹽水泥 833.3 kg/m3、硅灰208.3 kg/m3、河砂1 041.6 kg/m3、水193.7 kg/m3、鋼纖維體積分?jǐn)?shù)2% 以及聚羧酸減水劑31.3 kg/m3.NSC 所用河砂最大粒徑4.75 mm,UHPC 所用河砂最大粒徑2.36 mm. 所用直型鋼纖維直徑0.2 mm,長度13 mm,抗拉強度2 850 MPa.
表1 混凝土的配合比Table 1 Mix proportions of concretes
1.2.1 試件設(shè)計
修復(fù)界面的黏結(jié)性能采用直接拉伸測試方法進行評價,修復(fù)試件為?50×100 mm 的圓柱體,采用3種方法進行測試(見圖1):試件端部用環(huán)氧樹脂連接拉拔塊進行拉伸試驗(CL法),如圖1(a)所示;試件接近端部的圓柱體側(cè)面部位采用鋼圓環(huán)通過環(huán)氧樹脂和試件連接,鋼圓環(huán)和拉伸夾具通過螺紋咬合連接(WH 法),如圖1(b)所示;試件界面放置O 型橡膠環(huán),試件其余部位通過環(huán)氧樹脂和鋼圓環(huán)相連,圓環(huán)和拉伸夾具通過螺紋咬合連接(YH 法),如圖1(c)、(d)所示.
圖1 試件設(shè)計Fig.1 Specimen design
YH 法模擬了混凝土受損基體進行局部約束加強后與修復(fù)材料界面黏結(jié)性能的受力特征.采用增加基體約束加強的方法使得失效位置控制在修復(fù)界面,得到的結(jié)果能夠準(zhǔn)確評價UHPC-NSC 界面的黏結(jié)性能,改進了傳統(tǒng)評價方法測試結(jié)果出現(xiàn)基體失效導(dǎo)致結(jié)果偏于保守的不足,獲得了UHPC-NSC 界面準(zhǔn)確的黏結(jié)性能,有助于評價修復(fù)界面在長期復(fù)雜環(huán)境作用下的性能退化過程.
1.2.2 試件制備
修復(fù)試件的制備過程如圖2 所示:
圖2 修復(fù)試件的制備流程Fig.2 Process of concrete repair
(1)制備混凝土基體,尺寸為150 mm×150 mm×50 mm.150 mm 立方體模具中的墊塊為硬質(zhì)木板,在空余部位澆筑混凝土,得到設(shè)計尺寸的混凝土基體.混凝土基體在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護環(huán)境下養(yǎng)護28 d 后,放在實驗室中自然干燥2 個月.
(2)進行修復(fù)表面粗糙度處理.采用高壓水流處理混凝土的修復(fù)表面,采用不同時長的高壓水流作用,得到3 種粗糙度修復(fù)面,分別命名為L、M 和H 型修復(fù)表面.
(3)將混凝土基體放入模具中,然后在其余部位澆筑修復(fù)材料,修復(fù)材料的尺寸與混凝土基體相同.
(4)取芯得到?50×100 mm 的圓柱形修復(fù)試件.修復(fù)材料UHPC 的制備過程如下:首先,將水泥、硅灰、水和減水劑在霍巴特攪拌器中混合5 min;隨后,加入鋼纖維并混合10 min;最后,加入河砂并混合攪拌5 min. 基體包括S1、S2 和S3,修復(fù)材料包括NSC和UHPC.
1.2.3 粗糙度表征
混凝土修復(fù)表面粗糙度處理后的狀態(tài)如圖3 所示.由圖3 可見:L 型粗糙面的浮漿層去除,修復(fù)表面的骨料裸露,但裸露高度低于基體砂漿;M 型粗糙面的骨料裸露程度增加,周圍砂漿被高壓水流沖蝕,骨料和基體砂漿高度平齊或略微高出;H 型粗糙面的骨料裸露程度進一步增加,骨料裸露高度高于砂漿.
圖3 混凝土修復(fù)表面的狀態(tài)Fig.3 Repaired surface state of concretes
此外,采用傳統(tǒng)的灌砂法進行粗糙度的測量[14],L、M、H 型粗糙面的平均灌砂深度分別為0.31、0.64、1.29 mm,每種類型表面測量9 個試件,平均灌砂深度數(shù)據(jù)變異系數(shù)(COV)低于6%,表明同類型修復(fù)表面的粗糙度是一致的.
1.3.1 界面黏結(jié)性能測試
界面黏結(jié)性能測試采用位移加載,加載速率1.0 mm/min,鋼圓環(huán)內(nèi)徑為50.5 mm,拉拔夾具端部通過鉸接與螺紋拉桿進行連接,盡量減小螺紋拉桿與黏結(jié)面軸向偏差帶來的測試誤差.界面抗拉強度(T,MPa)計算如式(1)所示.
式中:P為破壞荷載,kN;A為修復(fù)界面的橫截面積,mm2.
修復(fù)工況如下:混凝土基體采用S1、S2 和S3,采用CL 法測試L、M 和H 型粗糙面下NSC-NSC 界面的黏結(jié)性能;采用WH 法測試L、M 和H 型粗糙面下NSC-UHPC 界面的黏結(jié)性能;采用YH 法測試L、M和H 型粗糙面下NSC-UHPC 界面的黏結(jié)性能.
1.3.2 界面微觀結(jié)構(gòu)分析
在未受力修復(fù)試件的界面處取?20×15 mm 的圓柱體芯,以制備背散射(BSE)測試樣品,觀測表面含有新老混凝土及修復(fù)界面.使用高流動性環(huán)氧樹脂在0.095 MPa 壓力下真空浸漬干燥的樣品,常溫固化24 h 后脫模.使用自動磨拋機對浸漬過的樣品進行研磨和拋光,制備樣品具有“鏡面”效應(yīng). 觀測修復(fù)界面的平面結(jié)構(gòu)特征,并獲得BSE 圖像,界面過渡區(qū)進行能譜(EDS)元素分析和孔隙率分布分析,統(tǒng)計修復(fù)界面的裂縫寬度.
圖4 為修復(fù)試件的失效模式.由圖4 可見:采用CL 法測試NSC-NSC 界面的性能,主要是界面失效模式;采用CL 法測試NSC-UHPC 界面的性能,出現(xiàn)了拉拔塊與修復(fù)試件之間環(huán)氧樹脂層的破壞,從而導(dǎo)致界面黏結(jié)性能數(shù)據(jù)的獲取失效.因此,采用端部部分圓環(huán)約束修復(fù)試件進行NSC-UHPC 界面的黏結(jié)性能測試.UHPC-NSC 試件在基體S3 與L 型粗糙面出現(xiàn)了界面破壞,其余全部為混凝土基體破壞.這是由于S3 基體的強度較高,修復(fù)面的粗糙度較大的緣故.采用YH 法測試NSC-UHPC 界面的黏結(jié)性能,失效位置位于界面處.
圖4 修復(fù)試件的失效模式Fig.4 Failure modes of repaired specimens
對CL、WH 和YH 法測試試件的失效位置進行了統(tǒng)計分析(見圖5(a)),統(tǒng)計失效位置和修復(fù)界面的距離結(jié)果見圖5(b).由圖5(a)、(b)可見:對于UHPC-NSC 的S3L(S3 基體+L 型粗糙面,余同)工況,WH 與YH 法測試試件的失效位置與界面的距離是類似的,均低于3 mm,這是由于2 種方法測試試件的失效模式均為界面失效;對于其他工況,WH 法中UHPC-NSC 試件的失效位置與界面的距離均大于13 mm,YH 法中UHPC-NSC 試件的失效位置與界面的距離均低于3 mm,這遠低于WH 法中UHPC-NSC試件的失效位置與界面的距離;CL 法中NSC-NSC界面的失效位置與界面的距離均低于3 mm,這是由于NSC-NSC 界面的強度較低,基體未發(fā)生失效.
圖5 修復(fù)試件失效后提取的數(shù)據(jù)Fig.5 Information extracted from a repaired specimen after testing
圖5(c)為UHPC 粘落混凝土基體面積占比的示意圖,圖中線條圍成的區(qū)域為NSC 基體,其余區(qū)域為UHPC.圖5(d)為統(tǒng)計UHPC 粘落混凝土基體面積占比的結(jié)果.由圖5(c)、(d)可見:對于WH 法,除了UHPC-NSC 試件的S3L 工況外,其余工況的界面失效位置均在混凝土基體上,UHPC 粘落混凝土基體面積占修復(fù)界面面積的100%;對于YH 方法,由于界面失效,UHPC 粘落混凝土基體面積占修復(fù)界面面積的比例均低于100%;對于同種粗糙面,混凝土基體強度較低時粘落的混凝土面積占比較高;對于同種混凝土強度基體,隨著粗糙度的增加,混凝土基體被粘落的面積占比升高.
圖6 為界面黏結(jié)強度的測試結(jié)果.由圖6 可見:
圖6 界面黏結(jié)強度的測試結(jié)果Fig.6 Test results of interface tensile strength
(1)WH 法得到的UHPC-NSC 界面黏結(jié)強度的COV 均大于10.5%,最高達到17.5%,CL 法得到的NSC-NSC 界面黏結(jié)強度的COV 均大于11.4%,最高達到17.2%;YH 法得到的UHPC-NSC 界面黏結(jié)強度的COV 均小于6.5%.本文采用環(huán)向約束加強基體的方法使直接拉伸試驗數(shù)據(jù)的COV 顯著降低,減小了數(shù)據(jù)的離散程度.
(2)在CL 法測試中,NSC-NSC 界面失效,直接拉伸試驗結(jié)果即為NSC-NSC 界面的黏結(jié)性能.S1L、S2L、S3L 工況下的界面黏結(jié)強度分別為1.35、1.42、1.38 MPa,S1M、S2M、S3M 工況下的界面黏結(jié)強度分別為1.71、1.62、1.74 MPa,S1H、S2H、S3H 工況下的界面黏結(jié)強度分別為2.01、1.98、2.07 MPa.對于同種類型修復(fù)面,基體強度對界面黏結(jié)性能的影響幅度為1.4%~5.6%,粗糙度對界面黏結(jié)性能的影響幅度為14.1%~50.4%.由此可見,NSC-NSC 界面的化學(xué)膠結(jié)力較弱,機械咬合力起主導(dǎo)作用.對于同類型修復(fù)面,同等粗糙度能夠提供近似的機械咬合力.
(3)在WH 法測試中,除了S3L 工況出現(xiàn)界面失效外,其他工況的直接拉伸試驗結(jié)果與混凝土基體的拉伸強度類似,UHPC-NSC 界面真實的黏結(jié)強度較WH 法實測值偏高.以S2 混凝土基體為例,L、M和H 型UHPC-NSC 界面黏結(jié)強度的WH 法測試結(jié)果分別為3.07、3.14、3.16 MPa.由此可見,當(dāng)采用WH 法測試UHPC-NSC 界面的黏結(jié)強度時,粗糙度對修復(fù)界面性能的影響不顯著.在YH 法測試中,以S1 混凝土基體為例,L、M 和H 型UHPC-NSC 界面的黏結(jié)強度分別為3.45、3.68、4.03 MPa. S1、S2、S3基體UHPC-NSC 界面的性能隨著粗糙度的增加而增加,界面強度分別提升了7.4%~19.3%、16.9%~33.3% 和21.2%~23.6%. 由 此 可 見,YH 法 測 試UHPC-NSC 界面的黏結(jié)性能能夠反映粗糙度對界面黏結(jié)性能的影響,而WH 法測試由于基體失效,無法反映粗糙度對界面黏結(jié)性能的影響.
(4)研究了評價方法、混凝土基體強度和修復(fù)面粗糙度對修復(fù)界面黏結(jié)性能的影響,分析測試方法對結(jié)果的影響時均采用同種混凝土基體和同種修復(fù)面類型,排除基體強度差異對結(jié)果的干擾.YH 法與WH 法相比,UHPC-NSC 界面的黏結(jié)性能在S1L、S1M、S1H、S2L、S2M、S2H、S3L、S3M、S3H 工況下分別提升了32.2%、38.2%、48.9%、18.2%、26.0%、39.2%、4.6%、18.9%、29.0%.由此可見,本文采用環(huán)向約束加強基體,相對弱化界面的方法使直接拉伸UHPC-NSC 界面黏結(jié)性能的數(shù)據(jù)更接近真實值.
(5)WH 法與CL 法相比,UHPC-NSC 界面的黏結(jié)強度在S1L、S1M、S1H、S2L、S2M、S2H、S3L、S3M、S3H 工況下分別增加了93.8%、55.7%、34.7%、116.1%、93.7%、59.6%、142.7 %、105.8%、75.8%.隨著修復(fù)表面粗糙度的增加,UHPC 相較于NSC 對界面性能的提升幅度逐漸降低.YH 法與CL法相比,UHPC-NSC 界面的黏結(jié)強度在S1L、S1M、S1H、S2L、S2M、S2H、S3L、S3M、S3H 工況下分別增加了156.2%、115.2%、100.6%、155.5%、144.1%、122.2%、153.8 %、144.6%、126.8%.隨著修復(fù)表面粗糙度的增加,UHPC 相較于NSC 對界面性能的提升幅度逐漸降低. 由此可見,UHPC 相比于NSC 在修復(fù)表面粗糙度較低的情況下更顯界面性能優(yōu)勢.
(6)YH 法 修 復(fù) L 型 S1、S2、S3 基 體UHPC-NSC 界面的拉伸黏結(jié)強度分別為3.45、3.63、3.49 MPa,M 型S1、S2、S3 基體UHPC-NSC 界面的拉伸黏結(jié)強度分別為3.68、3.95、4.25 MPa,H型S1、S2、S3 基體UHPC-NSC 界面的拉伸 黏結(jié)強度分別為4.03、4.40、4.69 MPa.對于相同的修復(fù)表面粗糙度,盡管混凝土基體的強度存在差異,但是修復(fù)界面的黏結(jié)強度是類似的.因此,采用YH 法只需要1/3 的工況數(shù)量就能夠得到現(xiàn)有的結(jié)果,減少了試驗的工作量.例如,M 型修復(fù)表面灌砂法得到粗糙度為0.64 mm,使用YH 法測得混凝土基體強度等級S2 與UHPC 界面的黏結(jié)強度為3.95 MPa.由此可知:采用UHPC 修復(fù)該粗糙度情況下的混凝土基體時,當(dāng)混凝土基體抗拉強度小于3.95 MPa 時,UHPC 不會脫黏;混凝土基體抗拉強度大于3.95 MPa 時,UHPC 出現(xiàn)脫黏現(xiàn)象.
(7)CL 法、WH 法和YH 法擬合線的斜率分別為0.63、0.15 和0.84,誤差(R2)分別為0.95、0.03 和0.70.對于傳統(tǒng)測試方法,粗糙度與UHPC-NSC 界面黏結(jié)性能擬合線的斜率和R2均較低;對于YH 法,粗糙度與UHPC-NSC 界面黏結(jié)性能擬合線的斜率和R2均較高.NSC-NSC 界面脫黏,因此CL 法擬合線的斜率和R2均較高. 由此可見,YH 法能夠較好地反映粗糙度對UHPC-NSC 界面性能的影響,準(zhǔn)確評價UHPC-NSC 界面的黏結(jié)性能.通過強化混凝土基體環(huán)向約束,使修復(fù)界面變?yōu)橄鄬^弱區(qū)域,從而獲得真實的黏結(jié)強度,本文所提出的測試方法中UHPC、混凝土基體和界面均屬于同截面的區(qū)域.
2.4.1 平面結(jié)構(gòu)特征和EDS 元素分析
圖7 為修復(fù)界面的微觀結(jié)構(gòu). 由圖7 可見:(1)NSC 修復(fù)材料含有粗骨料,在澆筑過程中,粗骨料可能會沉降并堆積在混凝土基體表面造成點接觸,從而阻止水泥漿進入凹槽處或孔隙內(nèi),在修復(fù)表面產(chǎn)生間隙,降低修復(fù)界面的黏結(jié)面積,弱化修復(fù)界面的機械咬合力,導(dǎo)致修復(fù)界面比較薄弱,易脫黏[15].(2)UHPC 僅含有2.36 mm 的細(xì)骨料. 相比于NSC,UHPC 修復(fù)界面避免了表面出現(xiàn)“缺漿”現(xiàn)象. NSC的水膠比高于UHPC,作為修復(fù)材料,在修復(fù)界面形成了水灰比高的“過渡區(qū)”.在該過渡區(qū)中,修復(fù)材料水化產(chǎn)物生成的Ca(OH)2和鈣礬石晶體的尺寸和數(shù)量較大.晶體擇優(yōu)取向的定向排列增大了界面過渡區(qū)的孔隙率[16]. 因此,NSC-NSC 界面過渡區(qū)產(chǎn)生了裂紋且結(jié)構(gòu)比較疏松,而UHPC-NSC 界面過渡區(qū)比較致密,僅存在微裂紋.
使用EDS 對NSC-NSC 和UHPC-NSC 界面過渡區(qū)的Ca、Si 元素進行分析,結(jié)果也繪于圖7.由圖7(c)可見,NSC-NSC 界面過渡區(qū)的鈣硅原子比為1.82,標(biāo)準(zhǔn)差為0.15,UHPC-NSC 界面過渡區(qū)的鈣硅原子比為0.52,標(biāo)準(zhǔn)差為0.11,這表明UHPC 修復(fù)界面處產(chǎn)生了較多的水化硅酸鈣(C-S-H)和較低含量的Ca(OH)2. UHPC 中的硅灰與Ca(OH)2反應(yīng)在界面處生成了C-S-H,減少了Ca(OH)2的含量,使界面過渡區(qū)更加致密[17-18].
2.4.2 界面過渡區(qū)的孔隙率分布
界面過渡區(qū)的孔隙率通過BSE 圖像分析實現(xiàn).圖8 為修復(fù)界面的背散射圖像及分析.由圖8 可見:
(1)孔隙率隨著距離修復(fù)界面與過渡區(qū)距離的增加而逐漸減小,該規(guī)律與文獻[19]報道的界面過渡區(qū)孔隙率分布特征一致.由于壁效應(yīng)和泌水效應(yīng)的存在,使得修復(fù)界面過渡區(qū)的孔隙率增大,Ca(OH)2的數(shù)量和缺陷增多.
(2)在UHPC-NSC 界面的40 μm 距離內(nèi),隨著與修復(fù)表面的距離的增加,修復(fù)界面過渡區(qū)的孔隙率急劇下降;當(dāng)距離超過40 μm 時,孔隙率趨于穩(wěn)定.在UHPC-NSC 界面的60 μm 距離內(nèi),隨著與修復(fù)表面距離的增加,修復(fù)界面過渡區(qū)的孔隙率急劇下降;當(dāng)距離超過60 μm 時,孔隙率趨于穩(wěn)定. 在距離修復(fù)界面相同的距離時,UHPC-NSC 界面過渡區(qū)的孔隙率低于NSC-NSC 界面過渡區(qū)的孔隙率.
2.4.3 修復(fù)界面裂縫的寬度
修復(fù)界面裂縫寬度的測量需要在放大倍數(shù)2 000倍以上獲得修復(fù)界面的BSE 照片,每種工況至少采集20 張,使用Image J 軟件測量修復(fù)界面的裂縫寬度,結(jié)果如圖9 所示.由圖9 可見:相比于NSC-NSC修復(fù)界面,UHPC-NSC 修復(fù)界面裂縫寬度的分布曲線向左移,表明UHPC 減小了修復(fù)界面的裂縫寬度;UHPC 修復(fù)界面的平均裂縫寬度為0.56 μm,NSC 修復(fù)界面的平均裂縫寬度為6.00 μm,修復(fù)界面裂縫寬度的減小有利于提高界面的黏結(jié)強度.
圖9 修復(fù)界面的裂縫寬度Fig.9 Crack width of repaired interface
(1)采用傳統(tǒng)直接拉伸方法測試普通混凝土(NSC)修復(fù)的NSC-NSC 界面性能,其主要破壞模式為界面失效;超高性能混凝土(UHPC)修復(fù)的UHPC-NSC 界面的失效模式為拉拔塊和混凝土之間環(huán)氧樹脂層破壞,測試數(shù)據(jù)無效.采用改進直接拉伸測試方法,UHPC-NSC 界面性能的測試數(shù)據(jù)均有效,采用環(huán)向約束加強基體,相對弱化界面的方法使直接拉伸試驗試驗失效位置在界面位置處.
(2)采用環(huán)向約束加強基體,相對弱化界面的方法使直接拉伸試驗數(shù)據(jù)的變異系數(shù)(COV)顯著降低,UHPC-NSC 界面黏結(jié)性能的數(shù)據(jù)更接近真實值,能夠反映粗糙度對界面黏結(jié)性能的影響.無環(huán)向約束加強基體進行測試由于基體失效,無法反映粗糙度對界面黏結(jié)性能的影響.相比于NSC,UHPC 在修復(fù)表面粗糙度較低的情況下更顯修復(fù)界面黏結(jié)性能的優(yōu)勢.
(3)UHPC-NSC 界面過渡區(qū)的孔隙率相對于NSC-NSC 界面降低了70%以上. UHPC-NSC 界面的平均裂縫寬度為0.56 μm,NSC-NSC 界面的平均裂縫寬度為6.00 μm. UHPC 中的硅灰與Ca(OH)2發(fā)生反應(yīng),在界面處生成水化產(chǎn)物水化硅酸鈣,減少了Ca(OH)2的含量,使界面過渡區(qū)致密.