纤维水泥砂浆与混凝土界面黏结性能钻芯拉拔试验研究

卜良桃，周云鹏

(湖南大学土木工程学院,湖南 长沙　410082)



纤维水泥砂浆与混凝土界面黏结性能钻芯拉拔试验研究

卜良桃，周云鹏

(湖南大学土木工程学院,湖南 长沙410082)

为研究纤维水泥砂浆与混凝土界面黏结性能,采用钻芯拉拔法试验制作模拟中型柱混凝土构件,并分别外包不同强度的聚乙烯醇纤维水泥砂浆、聚丙烯纤维水泥砂浆、钢纤维水泥砂浆。对制作的试验构件进行钻芯拉拔试验,得出界面破坏时的拉拔力,将得到的不同类型的纤维水泥砂浆构件拉拔力数据与构件混凝土轴心抗拉强度、纤维水泥砂浆抗压强度进行比较分析。结果表明,在该试验中合成纤维水泥砂浆的界面黏结强度比钢纤维水泥砂浆的界面黏结强度高;界面黏结强度与构件混凝土轴心抗拉强度呈正相关关系,与纤维水泥砂浆抗压强度呈正相关关系,界面黏结力与砂浆抗压强度呈线性相关关系。

纤维水泥砂浆;混凝土;界面;黏结性能;钻芯拉拔;相关系数;线性相关

纤维水泥砂浆加固混凝土是在混凝土构件表面绑扎钢筋网,然后再抹上一层纤维水泥砂浆薄层形成完整的加固层,加固层与原构件作为一个整体协同工作共同受力,以提高结构承载力[1-2]。常用的纤维有合成纤维及钢纤维[3]。与传统的混凝土加大截面方法类似,纤维水泥砂浆加固技术的加固效果关键取决于加固层与原有结构层之间的黏结质量[4]。如何使新加纤维水泥砂浆与原有混凝土的整体工作共同受力,防止出现界面黏结滑移或剥离破坏而导致加固作用失效,是该新型加固方法成功应用的关键点[5-6]。所以研究新加纤维水泥砂浆层与原混凝土的界面黏结性能,探讨提高界面黏结强度的方法和措施,具有很强的工程背景和实际意义。

目前,国内对于界面黏结性能的试验研究主要集中在劈裂抗拉试验、直接抗拉试验、剪切强度试验、抗折强度试验和拉拔强度试验[7]。钻芯拉拔法是一种解除约束的拔出法,它是一种将钻芯法与拔出法相结合的检验界面黏结状况的试验方法[8]。钻芯拉拔法通过对结构的局部破坏来获得结构的实际抵抗破坏能力[9],其优点在于能较真实地反映修补界面的实际工作情况,缺点在于影响因素较多且对结构产生一定的损伤[10]。目前该试验方法多用于新老混凝土黏结性能研究,除文献[2]外该方法在纤维水泥砂浆与混凝土黏结性能的研究中应用较少。本文研究试验室中添加不同纤维的多种强度配比的水泥砂浆与混凝土构件黏结界面的实际抗拉破坏能力,采用钻芯拉拔法能够较好地完成预定的研究计划。

1　试 验 方 案

1.1试验原理

钻芯拉拔试验是一种改进的间接拉伸试验方法,它通过钻芯设备解除芯样周围的约束仅保留界面处的约束,然后粘贴拉拔盘来实现加载,借助拉拔设备可以获得界面破坏时的极限拉力,从而间接地得到界面的极限拉应力,其原理如图1所示。先在试验室制作混凝土试件,对界面进行人工凿毛后修补纤维水泥砂浆,经过自然养护后,使用金刚石薄壁空心钻钻取芯样,钻取芯样时应保证芯样垂直,芯样深度应大于砂浆层厚度,芯样顶面干燥后用结构胶黏结与芯样直径相当的拉拔盘,结构胶固结后使用拉拔仪进行拉拔,测得芯样的砂浆层与基底层剥离破坏时的拉拔力P,由拉拔力P与芯样直径D可以计算得到界面的黏结强度值。

图1　钻芯拉拔试验原理Fig. 1　Principle of core drilling and pull-off test

1.2试验设计

图2　钻芯拉拔试验现场Fig. 2　Site of core drilling and pull-off test

采用标准方法制作尺寸为300 mm×300 mm×600 mm的混凝土模拟中型柱试件,试件混凝土强度等级为C15、C20、C30、C40、C50。对试件表面进行人工凿毛[11],然后分别抹压强度等级为M20、M30、M40、M50、M60、M70、M80、M90、M100的聚乙烯醇纤维水泥砂浆、聚丙烯纤维水泥砂浆、钢纤维水泥砂浆,砂浆层厚度为30 mm。各纤维种类对应的C15-M20、C20-M30、C20-M40、C30-M50、C30-M60、C40-M70、C40-M80、C50-M90、C50-M100纤维砂浆薄层加固混凝土构件各3个,每组砂浆预留边长70.7 mm的立方体试块3个。在制作好的模拟加固试件上使用内径60 mm的金刚石薄壁空心钻钻取芯样,每个试件上芯样数量为3个,相邻芯样间的间距不小于60 mm,芯样距试件边缘不小于60 mm[12]。使用结构胶将金属拉拔盘粘贴在芯样顶部,并保证拉拔盘上的杆件垂直,待结构胶固结后使用精度为0.1 kN的锚杆拉力计进行拉拔。试验现场情况如图2所示。

试验所采用的纤维规格为:聚乙烯醇纤维、聚丙烯纤维、钢纤维规格均为Φ0.02 mm×8 mm,纤维掺入量体积比均为0.4%。

2　试验结果与分析

2.1试验结果

试验共设置有27组构件(纤维种类、混凝土强度与砂浆强度组合),每组3个构件,每个构件上钻取了3个芯样。使用精度为0.1 kN的锚杆拉力计对芯样顶部的拉拔盘施加竖向拉拔力,得到界面破坏时的破坏荷载,计算破坏荷载的平均值,由公式fn=4P/πD2计算出各组试件的界面黏结应力fn,试验中芯样直径D=60 mm。对预留的标准砂浆试块进行抗压试验,得到各组砂浆的抗压强度平均值fc。钻芯拉拔试验结果见表1。

表1　钻芯拉拔试验结果Table 1　Results of core drilling and pull-off tests

2.2界面黏结强度与纤维类型关系

对表1中的不同纤维种类水泥砂浆界面黏结应力进行比较,结果如图3所示。试验表明相同强度等级组合下,3种纤维水泥砂浆与混凝土界面黏结强度由高到低排序为:聚乙烯醇纤维砂浆、聚丙烯纤维砂浆、钢纤维砂浆。将聚乙烯醇纤维水泥砂浆与聚丙烯纤维水泥砂浆统称为合成纤维水泥砂浆,并将二者的界面黏结强度平均值与钢纤维水泥砂浆界面黏结强度进行对比,结果如表2所示。结果表明,相同的混凝土与砂浆强度等级组合下,纤维体积比同为0.4%的合成纤维水泥砂浆界面黏结强度比钢纤维水泥砂浆高0.56%～6.19%(G组数据除外)。

图3 相同强度组合下不同种类砂浆界面黏结强度对比Fig.3 Comparisonofinterfacialbondstrengthsfordifferenttypesofmortarinterfaceswithsamestrengthlevel表2 合成纤维水泥砂浆与钢纤维水泥砂浆黏结强度对比Table2 Comparisonofinterfacialbondstrengthsofsyntheticfibercementmortarandsteelfibercementmortar分组编号砂浆黏结强度/MPa合成纤维钢纤维强度比A1.13851.11461.0214B1.17831.13231.0406C1.22121.15001.0619D1.23451.21451.0165E1.29751.29021.0056F1.32511.29841.0206G1.34571.34710.9989H1.41231.36191.0371I1.42041.37561.0325

2.3界面黏结强度与构件混凝土及砂浆强度关系

2.3.1界面黏结强度与混凝土强度关系

试验所得的纤维水泥砂浆与混凝土界面黏结强度和构件混凝土强度等级之间的关系如图4所示,界面黏结强度与构件混凝土强度等级呈正相关关系。

图4　界面黏结强度与混凝土强度等级关系Fig. 4　Relationship between interfacial bond strength and concrete strength

表3　界面黏结强度与混凝土轴心抗拉强度比值Table 3　Ratio of interfacial bond strength to axial tensile strength of concrete

现行混凝土结构设计规范[13]中,C15、C20、C30、C40、C50混凝土的轴心抗拉强度标准值分别为1.27 MPa、1.54 MPa、2.01 MPa、2.39 MPa、2.64 MPa,将实验获得的聚乙烯醇纤维水泥砂浆、聚丙烯纤维水泥砂浆及钢纤维水泥砂浆与混凝土界面黏结强度值与对应的混凝土轴心抗拉强度标准值进行对比,结果如表3所示。

由表3可知,界面黏结强度与混凝土轴心抗拉强度标准值比值最大为0.940 4,且随着混凝土强度等级的提高,界面黏结强度与轴心抗拉强度标准值的比值越来越小,当混凝土强度等级不变时,比值与砂浆强度呈现出正相关关系。数据表明,在使用复合砂浆薄层加固混凝土构件时,当构件强度一定时,提高砂浆强度等级可以在一定程度上提高界面的黏结强度,但提高后的强度始终要远小于原构件混凝土的轴心抗拉强度,即二者不能很好地协同工作,因此在实际的工程加固中,通常需要铺设钢

筋网来增强加固层与原构件的共同受力性能。

2.3.2界面黏结强度与纤维水泥砂浆强度关系

试验所得的纤维水泥砂浆与混凝土界面黏结强度和纤维水泥砂浆强度等级之间的关系如图5所示,界面黏结强度与砂浆强度等级呈正相关关系。因M90及M100砂浆试块实压强度与强度等级相差较大,图5中该2组数据仅作为参考。

图5　界面黏结强度与纤维水泥砂浆强度等级的关系Fig. 5　Relationship between interfacial bond strength and strength level of fiber cement mortar

将试验所得的纤维水泥砂浆与混凝土界面黏结强度与获得的砂浆抗压强度进行比较,结果如表4所示。

表4　界面黏结强度与砂浆抗压强度比值Table 4　Ratio of interfacial bond strength to compressive strength of cement mortar

由表4可知,纤维水泥砂浆与混凝土界面黏结强度和纤维水泥砂浆抗压强度的比值介于0.015 2～0.047 7之间。在本次试验的强度范围内,随着砂浆强度的提高,界面黏结强度提高,黏结强度与砂浆抗压强度的比值降低,且降低的比率逐渐变缓。以聚乙烯醇纤维水泥砂浆为例,当砂浆抗压强度由20 MPa提高至30 MPa时,比值由0.047 7减小至0.035 0,减少了0.012 7;当砂浆强度由30 MPa提高至40 MPa时,比值由0.035 0减小至0.028 2,减少了0.006 8。

2.4界面黏结强度与纤维水泥砂浆抗压强度线性拟合

计算可得各种纤维水泥砂浆与混凝土界面黏结强度和砂浆抗压强度之间的相关系数分别为:聚乙烯醇纤维水泥砂浆r=0.964 7;聚丙烯纤维水泥砂浆r=0.977 8;钢纤维水泥砂浆r=0.999 6。0.8

图6　界面黏结强度与砂浆抗压强度线性拟合结果Fig. 6　Linear fitting of relationship between interfacial bond strength and compressive strength of cement mortar

图6对应的线性拟合公式为:聚乙烯醇纤维水泥砂浆fn=0.004 11fc+1.053 23,聚丙烯纤维水泥砂浆fn=0.004 8fc+0.987 99,钢纤维水泥砂浆fn=0.004 31fc+0.999 25。

3　结　　论

a. 水泥砂浆中添加的纤维种类会影响砂浆与混凝土界面的黏结强度,本试验中合成纤维水泥砂浆与混凝土界面黏结强度比相同强度等级的钢纤维水泥砂浆界面黏结强度高0.56%～6.19%。

b. 界面黏结强度与构件的混凝土强度等级呈正相关关系,随着混凝土强度等级的提高,界面钻拉强度与混凝土轴心抗拉强度标准值之间的比值减小,本试验获得的界面黏结强度与轴心抗拉强度比值为0.515 9～0.940 4。

c. 界面黏结强度与砂浆抗压强度呈正相关关系,随着砂浆抗压强度的提高,界面黏结强度提高,黏结强度与砂浆抗压强度之间的比值减小,本次试验获得的钻拉强度与砂浆抗压强度比值介于0.015 2～0.047 7之间。

d. 对试验数据的相关系数进行计算表明界面黏结强度与砂浆抗压强度之间存在高度的线性相关关系。

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Core drilling and pull-off tests of interfacial bond behaviors between fiber cement mortar and concrete

BU Liangtao, ZHOU Yunpeng

(CollegeofCivilEngineering,HunanUniversity,Changsha410082,China)

To investigate the interfacial bond behaviors between fiber cement mortar and concrete with core drilling and pull-off tests, medium-sized columnar concrete samples enclosed with different strengths of polyvinyl alcohol fiber cement mortar, polypropylene fiber cement mortar, and steel fiber cement mortar were prepared. Core drilling and pull-off tests were conducted on the samples to obtain the pulling force with failure occurring at the interface, and the results of different kinds of samples from pull-off tests were compared with the axial tensile strength of concrete and compressive strength of fiber cement mortar. The results show that the interfacial bond strength between synthetic fiber cement mortar and concrete is higher than that between steel fiber cement mortar and concrete, and that the interfacial bond strength is positively correlated with the axial tensile strength of concrete and compressive strength of fiber cement mortar. There is also a linear correlation between the interfacial bond strength and compressive strength of fiber cement mortar.

fiber cement mortar; concrete; interface; bond behavior; core drilling and pull-off; correlation coefficient; linear correlation

1000-1980(2016)04-0291-06

10.3876/j.issn.1000-1980.2016.04.002

2015-08-17

国家火炬计划(2013GH561393);国家自然科学基金(51278187)

卜良桃(1963—),男,湖南南县人,教授,博士,主要从事工程结构加固理论与技术研究。E-mail:plt63@126.com

TU528

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