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引言
在人为和自然环境作用下,每年都有大量的混凝土结构发生损坏和劣化;另外,由于使用功能的改变和使用期的延长,许多既有混凝土结构物的承载能力不能满足新的使用要求。在以上这些情况下,需要对原有的混凝土结构进行加固和维修,使之满足新的使用功能。在混凝土结构的维修、加固和改造中,新老混凝土的粘结性能是混凝土修补成功的关键所在。目前,国内外在新老混凝土粘结机理和关键技术方面已进行了相当的研究,并取得了相应成果。如粘结面喷砂法处理[ 122 ] 、水泥净浆或水泥砂浆界面剂[ 324 ]的使用、在新混凝土中掺入碳纤维[ 5 ]减少新混凝土的收缩、采用聚合物水泥砂浆提高界面粘结强度与断裂性能[ 6 ]等。笔者认为, 无论是采用何种技术措施,新修补的材料应具备收缩小、内部孔隙尺寸小和有害孔隙含量少的特点以增强与老水泥基体界面粘结。大量的研究表明,纤维可减小混凝土的收缩变形[ 728 ] ,而聚合物可以改善混凝土的微观孔结构[ 9210 ] 。为此,本文提出采用SBR乳液和纤维复掺的方法来改善新旧水泥基体界面粘结,采用界面粘结强度评价钢纤维、聚丙烯纤维、碳纤维和乳液在单掺、复掺的情况下对新旧水泥基界面粘结性能的作用效果,并对粘结机理进行简要分析。
1 原材料及性能
水泥:上海海豹水泥厂普通硅酸盐42. 5 水泥。
砂:普通河沙,细度模数为1. 95;丁苯乳液:上海BASF公司丁苯乳液( SD622S, styrene2butadiene rubber,简称SBR 乳液) , 含固量为46% , pH = 9. 25, 粘度为12mPa. s,表面张力为36 mN /m。纤维分别为扭曲型矩形截面钢纤维(简称S) 、强伦纤维Ⅰ型圆直型聚丙烯纤维(简称PP纤维) 、截面异性沥青基碳纤维(简称C) 。各种纤维参数见表1 (各参数均由厂家提供) 。
表1 纤维物理力学性能指标
2 试验安排与试验方法
2. 1 试验安排
新拌砂浆配合比为m (水泥) ∶m (砂) ∶m (水) =1∶1. 5∶0. 43,对于掺加SBR乳液的砂浆,所加水量包括SBR乳液中的水量。乳液的掺量为0～12% (指乳液总质量占水泥质量的百分数) ,钢纤维的掺量为0. 1%、0. 3%、0. 6%、0. 9% (体积掺量,下同) ,聚丙烯纤维和碳纤维的掺量分别为0. 1%和0. 3%。
2. 2 试验方法
采用轴向拉拔试验测试新拌砂浆和旧水泥基体的界面粘结强度。参考并借鉴JC /T 547—2005 (《陶瓷墙地砖胶粘剂》) [ 11 ] ,试验方法具体如下: ( 1) 预制备混凝土基体。其抗压强度≥30MPa,尺寸250mm ×250 mm ×50 mm。养护至终凝前后,用钢丝刷刷去约2mm的表面浆体,使其表面平整度约2～3mm。然后在标准养护室内养护至28d以备用。( 2)试样制备。将混凝土基体表面用毛刷清扫,并用湿布湿润后,在基体上浇注尺寸为D ×H = 50mm ×30mm的圆柱体试样。(3) 养护。试样成型一天后脱模,放入温度为(20 ±2) ℃,湿度(60 ±5) RH%的养护室中养护。第27d用环氧树脂在试样表面粘拉拔用的铁块(抗拉夹具) ,第28d测定轴向拉拔强度。每个配比8个试样,除去最大、最小的两个取平均值,并剔除超过均值15%数据,再取余下的平均值。试验仪器为北京某科学研究院的SHJ240轴向拉拔试验测试仪,测量精度为0. 001 kN。试验方法如图1所示。
3 试验测试结果
3. 1 纤维聚合物单掺
掺量为0～12%的SBR乳液改性水泥砂浆与水泥基体的界面粘结强度测试结果如图2所示(乳液掺量为0时,以L0 表示) ;掺量为0. 1%、0. 3%、0. 6%和0. 9%的钢纤维砂浆与水泥基体的界面粘结强度测试结果如图3所示;掺量为0. 1%、0. 3%的钢纤维、聚丙烯纤维和碳纤维砂浆与水泥基体的界面粘结强度测试结果如图4所示。
3. 2 纤维聚合物复掺
掺量为0～0. 6%的钢纤维砂浆复掺SBR乳液后与旧水泥基体的界面粘结强度如图5 所示; 掺量为0. 1%和0. 3%的钢纤维、聚丙烯纤维以及碳纤维砂浆在复掺SBR乳液后与旧水泥基体的界面粘结强度分别如图6 ( a) 、( b)所示。
4 结果分析
4. 1 纤维聚合物单掺对界面粘结强度影响
由测试结果得知, SBR乳液的掺入使得新拌砂浆与旧水泥基体的界面粘结强度有所下降,但当SBR乳液掺量超过6%后,随着乳液的掺入,新拌砂浆与旧水泥基体的界面粘结强度则有所提高,且乳液掺量越多,界面粘结强度越大,当乳液物掺量为12%时,界面粘结强度提高了43. 8%。对于钢纤维、聚丙烯纤维和碳纤维,在体积掺量为0. 1%、0. 3%的情况下纤维的掺入均降低了新拌砂浆与旧水泥基体的界面粘结强度。钢纤维的掺入使得砂浆与旧水泥基体界面粘结强度先是有较大幅度的下降,随着钢纤维掺量的增加,界面粘结强度逐渐增加。例如,在掺量为0. 1% ,钢纤维砂浆与旧水泥基体的界面粘结强度下降了37. 6%;但随着钢纤维掺量的增加, 界面粘结强度有所提高, 当钢纤维掺量为0. 9%时,新拌砂浆与旧水泥基体的界面粘结强度甚至超过基准砂浆与旧水泥基体的界面粘结强度。
4. 2 纤维聚合物复掺对界面粘结强度影响
SBR乳液掺量较小时,对改善新拌纤维砂浆与旧水泥基体的界面粘结强度作用效果不是很明显,但当掺量超过6%后,乳液对新拌纤维砂浆与旧水泥基体界面粘结强度的改善效果较为明显,特别是对纤维掺量较高的砂浆作用效果更为明显。例如,体积掺量为0. 6%的钢纤维复掺12%的SBR乳液后与旧水泥基体的界面粘结强度是钢纤维砂浆与旧水泥基体界面粘结强度的1. 89倍。在纤维掺量为0. 1%的情况下,碳纤维砂浆复掺SBR乳液后与旧水泥基体的界面粘结强度比碳纤维、SBR乳液在单掺情况下都要好; 在纤维掺量为0. 3%的情况下,钢纤维砂浆和碳纤维砂浆复掺SBR乳液后与旧水泥基体的界面粘结强度显示出比纤维、SBR乳液在单掺情况下都要好。对于掺量为0. 1%的碳纤维砂浆以及掺量不小于0. 3%的钢纤维砂浆,复掺SBR乳液改善了新拌砂浆与旧水泥基体的界面粘结强度;且随着乳液掺量的增加,改善效果越好。
4. 3 不同纤维砂浆复掺乳液对界面粘结性能作用效果的差异
对不同种类的纤维砂浆,在纤维体积掺量相同的情况下SBR乳液的掺入对其作用效果是不同的。在纤维体积掺量为0. 1%的情况下,乳液对不同种类纤维砂浆与旧水泥基体界面粘结性能作用效果的优劣依次为碳纤维砂浆、钢纤维砂浆、聚丙烯纤维砂浆。在纤维体积掺量为0. 3%的情况下,钢纤维与聚合物的复合效果对界面粘结性能最好,碳纤维次之,聚丙烯纤维最差。但不论何种纤维砂浆,在复掺SBR乳液的情况下对新拌纤维砂浆与旧水泥基体界面粘结性能均起到较好的改善效果,且随着乳液掺量的增加作用效果越好。
5 纤维聚合物对界面粘结性能作用机理
5. 1 SBR乳液对界面粘结性能作用机理
SBR乳液掺量超过6%后能有效改善新拌砂浆与旧水泥基体的界面粘结性能。乳液对新拌砂浆与基体之间界面粘结性能的作用效果与新拌聚合物砂浆的孔结构特征有明显的相关性。表2 为28d龄期的SBR乳液改性水泥砂浆特征孔径、孔径分布及新拌砂浆的含气量。
表2 SBR乳液改性水泥砂浆孔结构特征
从表2中数据可以知,随着SBR 乳液的掺入,有害孔(指孔径尺寸在50nm～200 nm之间的孔) 、多害孔(指孔径大于200 nm的孔)以及新拌砂浆的含气量先是增加;当乳液掺量超过6%后,随着乳液掺量的增多,砂浆的有害孔以及多害孔的数量明显减少了,平均孔径尺寸的大小则随着乳液掺量的增加而减小,新拌砂浆的含气量也有较大幅度的减少。有害孔、多害孔以及新拌砂浆含气量的变化规律与轴拉粘结强度的变化规律一致,表明微观孔结构的改善有助于增加新拌砂浆与基体之间的界面粘结强度。有害孔隙数量的减少以及平均孔径尺寸的减小表明新拌砂浆与旧砂浆板接触面处的有害孔隙减少或孔隙细化了,增加了粘结界面有效面积,从而提高了界面粘结强度;而新拌砂浆含气量的减小则减小了砂浆的干燥收缩,减少了粘结界面因新砂浆干燥收缩产生的微裂缝,从而增加了界面粘结强度。
5. 2 纤维对界面粘结性能的影响
纤维对新拌砂浆与旧水泥基体界面粘结性能作用机理比较复杂,分析其原因,主要体现在以下几个方面:
(1)纤维的掺入影响了新拌砂浆的流动性及保水性,使得新拌砂浆与旧水泥基体接触面润湿程度不一致,从而导致界面过渡层厚度发生变化;
(2)纤维对新拌砂浆能起到抗裂的作用,对硬化后的砂浆能起到减少干燥收缩的作用,从而减少了粘结界面处因新拌砂浆收缩开裂而产生的微裂缝;
(3)纤维的掺入对新拌砂浆起到了“桥联”的作用,增强了硬化后砂浆的自身强度,减小了砂浆基体在拉拔过程中碎裂的可能性能,从而对界面粘结起到积极的作用。
6 结果及讨论
本文通过轴向拉拔试验测试了钢纤维、碳纤维和聚丙烯纤维等三种不同类型的纤维和SBR乳液在单掺、复掺情况下新拌砂浆与旧水泥基体的界面粘结,并对纤维聚合物砂浆与旧水泥基体界面粘结机理进行了分析。主要研究结论如下:
(1)在纤维体积掺量为0. 1%、0. 3%时,钢纤维、碳纤维、聚丙烯纤维的掺入降低了新拌砂浆与旧水泥基体之间的界面粘结强度;对于钢纤维砂浆,随着纤维掺量的增加,新拌砂浆与旧水泥基体的界面粘结强度有所提高,当钢纤维掺量为0. 9%时,甚至超过普通砂浆与旧水泥基体的界面粘结强度;
(2)不同种类的纤维砂浆在复掺SBR乳液的情况下,均能有效改善砂浆与旧水泥基体的界面粘结性能,且随着乳液掺量的增加作用效果越好;
(3) SBR乳液的掺入改善了新拌砂浆微观孔结构,减少了新拌砂浆的含气量,使有害、多害孔的数量减少,并使砂浆的平均孔径减小,增加了界面的有效接触面积,提高了界面粘结强度,且乳液掺量越多,效果越好;
(4)对于掺量为0. 1%的碳纤维砂浆以及掺量不小于0. 3%的钢纤维砂浆,纤维和乳液复掺对改善新拌砂浆与旧水泥基体界面粘结性能的作用效果比单掺好。
建议进一步对不同类型纤维砂浆及其与聚合物乳液在复掺情况与旧水泥基体之间长龄期粘结性能,特别是在复杂环境条件下的耐久性能进行深入研究,配制适合于混凝土结构表面修补的砂浆或混凝土。
