混凝土黏结面性能研究进展

侯金良

(中国核电工程有限公司,北京 100840)

0 引言

在实际工程中混凝土黏结面有很多,比如在混凝土浇筑过程中由于各种施工组织问题或意外发生(如混凝土供给不及时)使得先浇混凝土初凝后,浇筑后浇筑混凝土时,先浇与后浇筑的混凝土黏结处出现薄弱的冷缝。在装配整体式混凝土结构预制结构与后浇混凝土之间也存在着很多的叠合面。还有由于环境影响、材料限制及长期服役,混凝土结构不可避免地存在一些耐久性问题导致损坏而需要修补产生的黏结面。显然,先浇和后浇混凝土之间的黏结面一般是薄弱区,此区域的性能关系到整体结构的性能,因此受到国内外学者的广泛关注,有必要对现有混凝土黏结面研究进行总结与展望。

1 影响黏结面性能的主要因素

国内外学者对影响黏结面性能的因素展开了大量研究,按影响程度大小总结如下:

1)黏结面粗糙度。研究发现,增大黏结面粗糙度可提高黏结力学性能,但粗糙度超过一定值时,后浇混凝土部分粗骨料堵住黏结面浆体流动通道导致缺浆,待养护完成会使黏结面出现较多空隙,导致黏结面性能下降[1]。关于黏结面粗糙度的定量评定方法也有好多,已经开展了表征混凝土界面几何形状的研究[2-3],包括灌砂法、分维分析等方法。

2)界面剂以及后浇混凝土种类。不同界面剂及后浇混凝土也会影响黏结性能。Khuram Rashid[4]将水泥浆料、环氧胶黏剂、丁苯乳胶和碳纤维增强聚合物四种常用界面剂应用于黏结面后研究试件在拉伸、剪切和拉剪应力作用下的性能。发现SBR通过形成聚合物薄膜增强黏结性能。碳纤维增强聚合物在受到拉剪作用时表现出较高强度。水泥浆体应用广泛,但呈现脆性,抗拉不理想。史长城等[5]研究使用地质聚合物界面剂后7 d和28 d黏结面劈裂抗拉强度的变化规律。发现地聚物界面剂量少时黏结强度小于水泥浆体,随着地聚物含量的增加,黏结强度逐渐超过水泥浆界面剂。

3)混凝土黏结龄期。混凝土龄期也是影响黏结性能的一个主要因素,Talbot等[6]很多学者认为,黏结强度随黏结龄期的增长而增加,但达到一定时间后,黏结强度会降低。此外,两部分混凝土龄期差也是必须考虑的因素。目前,对于28 d及更长龄期差含黏结面混凝土的黏结性能研究有很多,但对于短龄期差研究还很少。现有研究中,马朝运等[7]对混凝土冷缝黏结面劈裂强度进行了试验研究,研究了龄期差从初凝时间的一半到24 h的黏结面劈裂抗拉强度规律,发现随着龄期差增大,黏结面劈裂抗拉强度逐渐减小。史长城等[8]对龄期差从初凝到28 d的含黏结面混凝土劈裂抗拉强度的变化规律进行了研究。发现黏结面的劈裂抗拉强度随龄期差增大而减少,最后逐渐趋于稳定。

除上述三点主要影响因素外,还有一些其他因素,如先浇混凝土结合面的湿润状况[9]、后浇混凝土浇筑的方位等等[10]。

可以看到,目前对影响黏结面性能因素的研究主要以力学试验为主,在试验中主要采用控制变量法,因此上述影响因素也为黏结面性能后续研究打下了基础。

2 黏结机理及黏结面微观结构研究现状

现有文献中,关于黏结面黏结机理研究主要是黏结面区域的物理化学作用、微观结构分析以及建立黏结面区域的一些黏结模型等等。

黏结面两侧混凝土的黏结是物理及化学作用结合,物理黏结有下面几种:吸附;原子分子的相互扩散;机械咬合;静电引力。化学黏结作用力可分为两种:一种是化学键结合;另一种是在黏结面区域生成了新的物质[11]。

国内学者对于含黏结面混凝土黏结机理也做了许多研究:李庚英、谢慧才等[12-14]通过研究发现黏结力的主要来源是范德华力、机械咬合力和化学作用结合力。通过电镜扫描黏结面认为,黏结面应分为渗透层、强效应层、弱效应层,如图1所示,其中强效应层包括钙矾石、C-S-H凝胶以及氢氧化钙,大晶体具有定向性,这个性质决定了黏结面会有更多的空隙,强效应层的结构对黏结面性能起到决定性作用。

大连理工大学赵志方[15]提出了一种双界面-多层区的黏结模型,认为黏结区的结构是多层区的,如图2所示。其中过渡区域主要包括双界面和它们之间的缝隙。通过各种方法调节界面之间的缝隙大小,可以使黏结面过渡区域结构更密实,大大改善黏结面性能。

Yan He[16]提出了一个三区两层的黏结区域模型,如图3所示。此模型可以很好地反映黏结面粗糙度和后浇材料影响黏结面性能的机理。后浇混凝土区域是比较密实的,过渡区有比较多的细微空隙。而后浇混凝土中的胶凝材料浆体可以渗入透水层,并与先浇混凝土基体接触并且发生化学反应硬化。反应层是黏结面两侧混凝土之间的空隙。透水层和反应层对含黏结面混凝土的黏结影响显著。

3 含黏结面混凝土的力学与耐久性能研究现状

黏结面区域由于其结构比两侧混凝土更薄弱,所以在外界因素作用下,在黏结面裂缝尖端处出现应力集中,裂缝迅速开展造成黏结面承载力下降,黏结面区域往往会首先破坏。黏结面的存在直接会影响到结构的承载性和耐久性能,因此黏结面处的力学和耐久性能是影响混凝土整体性能的关键因素。

3.1 力学性能研究现状

关于含黏结面混凝土的黏结力学性能方面的研究已经有很多,这方面研究包括黏结面的抗拉、抗剪、抗折以及断裂韧性等等。

赵志方等[17]通过对大量含黏结面混凝土黏结抗拉试件的试验研究,发现影响黏结力的因素显著性从大到小排序依次为粗糙度、后浇混凝土的种类、龄期差。后浇混凝土对先浇混凝土的约束作用随时间增长,当后浇混凝土停止收缩时达到最大值。叶果[18]进行了黏结面植筋混凝土试件剪切试验,发现加荷初期,黏结面抗剪能力来自黏结面的黏结力,黏结力由范德华力、化学作用结合力、机械咬合力组成。加荷后期黏结面黏结力逐渐丧失,两部分混凝土剪切错动,此时钢筋受到了拉应力和剪应力。试验发现通过黏结面植筋使得黏结面抗剪产生了良好的延性。Bo Hu[19]通过试验研究了含黏结面混凝土的动态斜剪黏合行为,结果表明,应变率对黏结强度影响显著。试件的倾斜角影响了破坏模式和黏结强度,然而粗糙度和黏结龄期的影响较小。韩菊红[20]对含黏结面混凝土的黏结面断裂性能进行了相关的研究,提出了黏结面区域断裂模型,即可将黏结面区域视为含黏结面混凝土中的软弱夹层。在外部荷载的作用下,黏结面试验预留裂缝的发展只在黏结面区域内按最薄弱链的原则发展,不会侵入两侧的混凝土中。

黏结面的现有研究中对含黏结面混凝土的力学性能研究试验方法一般包括劈裂抗拉试验[21-24]、直接抗拉试验[25-26]、拉拔强度试验[27]、钻芯拉拔试验、剪切试验[28]、抗折试验[29]等,从而利用这些试验结果探讨各影响因素对黏结面黏结力学性能的影响。大多情况下,研究中较多的是黏结抗拉强度。黏结抗拉强度原则上应由黏结轴心受拉试验求得,但这对试验设备以及试件制备工艺要求高,且试验十分复杂。赵志方等[30]通过试验提出先做含黏结面混凝土黏结面劈裂抗拉试验,将获取的黏结面劈裂抗拉强度值乘一个转换系数,就可以换算成黏结轴心抗拉强度(见图4)。此研究证实了黏结面劈裂抗拉强度与黏结抗拉强度的相关性,为用黏结面劈裂抗拉强度表征含黏结面混凝土的黏结面力学性能奠定了基础。

在劈裂加载过程中会发现,与完整混凝土试件的试验力-时间曲线相比,含黏结面混凝土试件有着明显的不同,见图5。完整混凝土试件的实验力随着时间变化所加力也在平稳增长。但含黏结面试件的力时间曲线在某一时间点增长到某力值时,试验力开始上下波动,随后又继续平稳上升达到极限值。根据含黏结面混凝土的结构特点,可以判断,在压力机加载到这个波动处时,黏结面失效开裂,之后黏结面两侧的混凝土开始受力。所以统一取波动处的上峰值点所对应的试验力为含黏结面混凝土试件的破坏荷载进行研究。

3.2 耐久性能研究现状

与含黏结面混凝土黏结力学性能研究相比,现有研究中关于含黏结面混凝土耐久性能的研究是比较少的,只有少数学者研究了黏结面抗渗、抗冻性能以及抗碳化的性能。

赵东和、丁巍巍[31-32]通过试验研究,发现降低后浇混凝土的水灰比,掺入粉煤灰、矿渣等,或者改善黏结面结构以及黏结面的处理方式都可显著降低氯离子的渗透能力。朱红光、侯金良等[33]通过试验发现用碱激发矿渣粉煤灰材料修补老混凝土后,在碱激发剂作用下,碱激发矿渣-粉煤灰与老混凝土的部分组分发生水化反应,提升了黏结面的力学性能与抗氯离子渗透性能。

欧阳志鹏等[34]研究了装配式结构混凝土结合面清理及含水情况对抗碳化性能的影响。结果发现,既清理又润湿的黏结面碳化深度约为两侧混凝土本体的1.5倍。不清理也不湿润的情况下黏结面的碳化深度约为两侧混凝土本体的3倍。

关于含黏结面混凝土耐久性能的试验方法也有多种。

对于研究抗氯离子渗透性能,可以使用渗水高度法,但是此方法由于抗渗等级与渗透系数的关系不太一致,故不常用。目前研究常用氯离子迁移系数(RCM法)或者电通量法。

研究黏结面抗冻性能时,可以通过测量每冻融一段时间的黏结面劈裂抗拉强度来分析黏结面抗冻性能,但这种破坏性试验需要大量的试块,增加了科研人员工作量,因此参考价值不大[35]。所以无损检测方法受到了广泛关注,相关方法有动弹模测试及超声波测试法。根据GB/T 50082—2009普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准,达到初始模量60%的相对动弹性模量代表着混凝土的耐久性失效[36]。动态模量测试的基础是共振法,这种方法只能表征含黏结面混凝土整体的平均损伤。基于共振法,各向同性假设表明混凝土内部的损伤是均匀的,这在含黏结面混凝土中显然不正确。经过连续的冻融循环后,黏结面的损伤要比黏结面两侧混凝土的损伤更为显著。当相对动弹性模量达到初始模量的60%时,黏结面早已破坏。所以动弹模测试方法不适用于含黏结面混凝土。

朱红光等[37-38]应用超声波速测试方法,进行一系列试验研究,结果发现超声波速能较好地量测含黏结面混凝土冻融过程,提出了冻融循环下适合于含黏结面混凝土的黏结面超声波速损失率表征模型式。下面对此模型进行解释(见图6)。

在图6中N为后浇混凝土;O为先浇混凝土;T⊥为垂直于黏结面超声波经过黏结面两侧所用的时间;TPO为超声波通过先浇混凝土所用的时间;TPN为超声波通过后浇混凝土所用的时间;Td为通过黏结面所用的时间。介质的密度越大,则在介质中的传播速度越快,通过介质用时最短。

试块的尺寸为100 mm,黏结面的厚度为d。v⊥为垂直于黏结面贯穿整体混凝土的超声波速。vPO,vPN分别为先浇混凝土的超声波速与后浇混凝土的超声波速。根据TPN+Td+TPO=T⊥,可以得到式(1):

(1)

由上述公式可以推得黏结面超声波速损失率D,见式(2):

(2)

4 现有研究中存在的问题及展望

通过对研究现状的总结与归纳,对现有研究中存在的问题及展望进行以下分析:

1)现有影响黏结面黏结性能的因素研究中宏观力学试验偏多,多数研究未深入探讨不同后浇混凝土作用下黏结面的化学反应对黏结面结构的影响。

2)现有关于龄期差研究中,龄期差为28 d或更长,但是实际工况中短龄期差的情况也有很多,此部分研究仍需完善。

3)相比力学性能,对含黏结面混凝土耐久性能的研究较少。除进行耐久性试验外,可以借助一些数值模拟软件如MATLAB和COMSOL对混凝土抗渗性等耐久性问题进行数值模拟。

4)后续关于黏结面的相关研究中,还可以从孔隙率以及空隙分布的角度来更深入的研究。

5)近些年来,新型建筑材料在一直发展,更有效的后浇混凝土材料能与先浇混凝土发生良好的化学反应而增强黏结面性能。可以研究这些材料在含黏结面混凝土中的应用,寻找更好提升黏结面性能的方法。