超强韧性混凝土叠层修补界面研究

于明鑫，杨 楠，俞家欢

(1.沈阳城市建设学院 沈阳市 110167； 2.沈阳建筑大学 沈阳市 110168)

0 引言

经过对工程水泥基复合材料(ECC)的性能改良、成本优化，超强韧性混凝土(PP ECC)作为一种新型的建筑材料，由水泥、水、骨料、掺合料、国产PP纤维制成，具优秀的力学性能[1]。采用超强韧性混凝土作为修补材料对普通混凝土路面、普通钢筋混凝土建筑结构等进行叠层修补，是目前新型水泥基复合材料实现工程应用的一个发展方向，但其与普通混凝土材料叠层修补界面的处理方法及粘结性能尚未有深入研究[2]。

1 修补界面的影响

在不同材料间的叠层修补中，修补界面处理方法会直接影响基层(混凝土)和修补层超强韧性混凝土间的粘结性能[3-7]。通过理论研究和实验分析，得出超强韧性混凝土叠层修补普通混凝土路面、建筑结构等最合理的界面处理方法，为实际工程中的普通混凝土路面、普通钢筋混凝土建筑结构等的叠层修补方法提出合理化建议。

1.1 修补层与基层的粘结性能

在普通混凝土路面、普通钢筋混凝土建筑结构的修补工作中，由于缺少实用准确的修补界面处理方法，尤其是在高性能修补层材料方面研究更少，造成了普通混凝土路面、普通钢筋混凝土建筑结构的修补层脱粘现象普遍存在，亟待解决。

超强韧性混凝土具有良好的力学性能可以满足普通混凝土路面、普通钢筋混凝土建筑结构等修补的需要，目前超强韧性混凝土做修补层材料的相关研究，尤其是叠层修补的界面处理方法研究非常少，叠层修补界面间的粘结性能又是影响荷载能否充分地从基层材料传递到修补层的重要因素，因此研究的内容对工程实践意义较大。

叠层修补界面间的粘结力包含物理粘结力和化学粘结力[8]。物理粘结力主要取决于界面间的粗糙程度和凹槽。粗糙程度和凹槽是指在材料制作过程中，基层普通混凝土凝结过程中通过挤压等特殊工艺而形成，或成型后期通过磨砂或钻孔等方式形成的。叠层界面的化学粘结力包含两种，一种为范氏力，是两种材料之间的化合力；另一种是桥联力。桥联力是指材料在微观层面，基层材料孔洞中出现胶结和硬化现象而产生的粘结力，其与材料的毛细粘结程度和湿润程度有关。

微观力学下粘结力又分为抗拉粘结力和抗剪粘结力，其主要不同在于外力的角度，如图1所示。

图1 微观下界面的剪力和拉力的影响

为了测试接触面的粘结性能，研究采用如图2所示试验方法，通过加载超强韧性混凝土叠层修补试件得出界面的抗拉能力和抗剪能力。

图2 试验方法

试验设备加载方式如图3所示。

图3 叠层界面粘结力试验装置

1.2 试件的制作

本试验主要分析不同修补界面的粘结力，以得出最有利的界面处理方法。普通混凝土路面、普通钢筋混凝土建筑结构等修补常用的表面处理方法有刮削、磨砂、钻孔和凹槽这四种形式，如图4所示。

刮削—使用刮削金属板刮普通混凝土层上表面，直到露出里面的石子等骨料，使界面变得更粗糙。

磨砂—用大粒砂布对普通混凝土上表面进行打磨粗糙，直到可以清楚地看到粗骨料。

钻孔—采用在普通混凝土上钻孔的方式，使得超强韧性混凝土修补层与普通混凝土基层形成用咬合的形式增加界面的机械咬合力。

凹槽—利用模具，在普通混凝土基层上制作垂直于主剪力方向的凹槽。

将界面处理后，上面浇注超强韧性混凝土，并充分振捣，以确保超强韧性混凝土与基层普通混凝土完全接触形成整体，标准养护3d后拆模。

1.3 界面粘结力试验

研究中通过分析剪切试验和拉伸试验得到超强韧性混凝土叠层修补界面间的极限切应力和极限正应力，对比得到处理修补界面的最佳方式。

1.3.1剪切试验

通过叠层修补界面剪切试验装置测得在4种不同修补界面处理方法下界面间的抗剪能力。每种界面处理做3个试件，龄期均为14d，一共是36个试件。加载后的极限切应力如表1所示。

表1 不同修补界面处理下的极限切应力τxyMPa

1.3.2拉伸试验

通过叠层修补界面拉伸试验可以测出4种不同修补界面处理方法下界面的抗拉能力。每一种表面处理制作3个试件，加载后得到这4组12个试件的极限正应力，如表2所示。

表2 不同修补界面处理下的极限正应力σt,iMPa

从试验结果上可以看出磨砂方式的粘结力是最强的。观察破坏后的试件，如图5、图6、图7所示，可以看出磨砂方式制备的试件在拉伸破坏后桥联作用非常明显，其破坏并不是在两材料的接触面上，而是发生在超强韧性混凝土中，这样就能够完全发挥出超强韧性混凝土的抗裂性能。试件破坏后，修补层超强韧性混凝土表面上的PP 纤维粘连在普通混凝土上，试验中大量的PP纤维从超强韧性混凝土中拔出，试件整体的抗拉强度较高。

图4 叠层修补界面的处理方法

图5 磨砂制备方式下的破坏形式

图6 破坏后混凝土上粘连了大量的纤维

图7 磨砂试件破坏后的超强韧性混凝土与普通混凝土

2 磨砂制备的方式

实际工程中，普通混凝土路面、普通钢筋混凝土建筑结构往往表面光滑，如果将其作为基层在其上直接浇注超强韧性混凝土，界面间的粘结力很小。所以工程实践中，应在普通混凝土路面、普通钢筋混凝土建筑结构表面进行处理，根据研究可知，最佳处理方法是磨砂，即用打磨的方式在普通混凝土基层表面上制备出45°斜纹麻面。

试验中采用大粒砂纸打磨，在打磨过程中，将普通混凝土基层试件上表面的水泥浆打磨掉，露出里面的石子和砂子，直到石子的表面磨出45°斜纹，如图8所示。实际工程中可采用施工机械制备出此类45°斜纹磨砂界面。

图8 表面磨砂打磨

图9所示为未处理的普通混凝土基层光滑表面和磨砂后表面的对比照片，从图中可以明显看出普通混凝土基层表面上是光滑的，而磨砂制备的试件表面形成了凹凸不平的45°斜纹，并且露出了里面的石子和砂子。细部观察，如图10所示，打磨后的表面可以看到很粗糙。这样会更有效地使叠层修补材料超强韧性混凝土和普通混凝土基层紧密地粘结在一起，不会出现脱层等现象。

图9 未处理混凝土表面与磨砂表面对比

图10 磨砂表面细部

3 结论

通过叠层修补界面剪切试验和拉伸试验，得出了四种不同修补界面处理方法下的抗剪能力和抗拉能力，不管是从实验数据还是破坏形态，对比都能看出修补基层采用磨砂的界面处理方法效果较好，能充分发挥出超强韧性混凝土作为修补材料修补普通混凝土路面、普通钢筋混凝土建筑结构等的独特性能。