纤维水泥砂浆加固混凝土构件是一种新型加固方法[1]。纤维掺在水泥砂浆中主要起到阻裂、增强和增韧的作用[2]。常用的纤维有合成纤维(包括聚乙烯醇纤维和聚丙烯纤维)及钢纤维[3]。纤维水泥砂浆具有良好的工作度, 硬化养护至设计强度后, 具有高强度、高抗裂、低收缩、密实性好等优点[4], 类似于砂浆中掺入加热融化的塑料后表现出的力学性能[5]。使用纤维水泥砂浆加固混凝土构件能否达到预期的加固效果, 关键在于两者的协同工作能力, 因此, 对纤维水泥砂浆与混凝土粘结性能的研究显得尤为重要。
目前, 行业内对于水泥基材料界面性能的研究主要集中在纤维水泥砂浆力学性能[6-9]、新老混凝土界面的粘结性能[10-11]以及钢纤维混凝土的力学性能[12-14]等方面。例如, 孙丽莉通过对纤维复合材料的力学性能试验, 得出复合材料在强界面情况下发生脆性破坏, 在弱界面情况下发生韧性破坏的结论[15]。卜良桃等也研究了强度范围在M30～M50(mortar)的聚乙烯醇纤维水泥砂浆、钢纤维水泥砂浆与被加固构件混凝土之间, 以及新老混凝土之间的界面粘结性能, 研究表明纤维水泥砂浆与混凝土之间的界面粘结强度主要受到纤维水泥砂浆强度等级、界面剂等因素的影响[16-23]。
然而, 以上研究成果所涉及的纤维水泥砂浆强度等级涵盖范围小, 上述文献中没有涉及聚丙烯纤维水泥砂浆与混凝土界面粘结性能的研究, 也没有关于纤维种类对纤维水泥砂浆与混凝土界面性能影响的研究, 界面粘结性能的研究也并未涵盖更广强度等级的纤维水泥砂浆。管大庆等使用双面剪切试验方法研究新老混凝土界面粘结的抗剪强度和抗渗性能[24], 本研究也通过对强度等级为M20～M100的聚乙烯醇纤维、聚丙烯纤维、钢纤维这三种纤维水泥砂浆所加固的混凝土构件进行双面剪切试验, 探究纤维水泥砂浆与混凝土之间的界面粘结性能以及纤维种类、混凝土抗压强度、纤维水泥砂浆抗压强度对界面粘结性能的影响。本研究成果为工程实践中加固材料的选择和改进施工方法提供了理论依据, 从而能保证原构件与砂浆加固层有效共同工作, 有效降低纤维水泥砂浆加固层与被加固构件之间发生界面粘结破坏的可能性。
1 试验方案 1.1 试验材料选用强度等级为32.5 MPa和42.5 MPa的水泥, 细度模数为2.4～2.6的中砂, 粒径为5～20 mm的卵石, 自来水, 钢纤维、聚丙烯纤维、聚乙烯醇纤维, 由长沙固力实业有限公司提供的活性粉末混凝土(reactive powder concrete, RPC)干混料和高性能粉末复合材料(high performance powder composite, HPPC)外加剂。
1.2 试验仪器使用500 t油压千斤顶，反力架和300 kN万能压力机。
1.3 试件制作及试验分组首先制作300 mm×300 mm×600 mm的素混凝土块。养护28 d后使用钻孔机选取一组尺寸为300 mm×600 mm的素混凝土块表面进行轻度凿毛, 清灰后再浇筑一层30.0 mm厚度的纤维水泥砂浆加固层。用之前配制的素混凝土块同盘混凝土制作边长为150 mm的立方体试块, 并用现场拌合的纤维水泥砂浆制作边长70.7 mm的立方体试块, 将纤维水泥砂浆及混凝土立方体试块与其他混凝土试件置于相同条件下养护28 d, 使用300 kN万能压力机测出纤维水泥砂浆和混凝土的立方体抗压强度。
试件中纤维水泥砂浆强度均高于原试块混凝土强度, 符合加固工程实际, 分为C15-M20、C20-M30、C20-M40、C30-M50、C30-M60、C40-M70、C40-M80、C50-M90、C50-M100这9个强度等级, 每个强度等级按照掺入的纤维种类(钢纤维、聚丙烯纤维和聚乙烯醇纤维)分为3组, 共27组, 每组3个试件。强度等级为M20～M80的水泥砂浆的配合比如表 1所示, 其中强度等级为M20～M30的水泥砂浆使用标号为32.5 MPa的水泥, 其余使用标号为42.5 MPa的水泥; 强度等级为M90、M100的水泥砂浆由长沙固力实业有限公司提供的RPC干混料配制而成。试件中聚乙烯醇纤维和聚丙烯纤维规格均为Φ0.02mm×8mm, 抗拉强度均为1 400 MPa; 钢纤维规格为Φ0.12 mm×8.0 mm, 抗拉强度为3 300 MPa。三种纤维掺入量体积比均为0.4％。
|
表 1 水泥砂浆的配合比 Table 1 Proportions of mixture of cement mortar |
试验装置如图 1所示。试验在500 t油压千斤顶及反力架上进行。将试件运至千斤顶上, 使试件中心轴与千斤顶中心轴对齐, 然后在砂浆层上方安置槽钢(槽钢宽度为30 mm, 开口处用钢板焊接封口防止其变形), 千斤顶向上加载的过程中利用反力架使砂浆层受到反向作用力, 从而达到双面剪切的目的。随着千斤顶不断加载, 试件受到双向的剪切荷载作用沿着槽钢下方的界面处向下发生破坏, 最终得到其破坏荷载。
|
图 1 加载装置示意图 Figure 1 Schematic diagram of loading device |
将试验过程中得到的每一组破坏荷载取平均值, 根据τ=F/S计算出剪切强度, 式中:τ表示剪切强度, F为破坏荷载平均值, S为粘结破坏面面积。试验过程中对预留的纤维水泥砂浆立方体试块和混凝土立方体试块进行抗压强度试验, 纤维水泥砂浆立方体试块每组3个, 混凝土立方体试块每等级取3个, 将试验结果取平均值, 双面剪切与立方体抗压试验结果如表 2所示。表中fcu表示混凝土立方体抗压强度, fm表示纤维水泥砂浆立方体抗压强度。
|
|
表 2 双面剪切与立方体抗压试验结果 Table 2 Results of two-sided shearing and cube compressive test |
试验过程中试件的破坏形态有三种。第一种破坏形态为裂缝沿混凝土与纤维水泥砂浆界面从上往下延展, 下端向混凝土部分斜向延伸直至破坏, 出现这种破坏形态可能是底部千斤顶对混凝土部分约束面积不足所导致; 第二种破坏形态为裂缝沿界面从上往下延展直至破坏, 整个过程均属于界面破坏; 第三种破坏形态为砂浆层被压坏, 其原因是制作时施工因素导致个别试件砂浆层整体厚度偏小, 对于发生第三种破坏的试件全部重新制作进行双面剪切试验, 三种破坏形式如图 2所示。其中约有1/3的试件呈现出第一种破坏, 主要集中在A～C组, 约有2/3的试件呈现出第二种破坏, 主要集中在D～I组。
|
图 2 三种破坏形态 Figure 2 Three kinds of destroying shape figures |
通过对表 2中聚乙烯醇、聚丙烯、钢纤维三种纤维水泥砂浆试件的剪切强度对比研究, 结果如图 3所示。在混凝土和纤维水泥砂浆强度均相同的情况下, 剪切强度的大小依次为: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。
|
图 3 三种纤维水泥砂浆的剪切强度 Figure 3 Shear strength of three kinds of fiber cement mortar |
由于在纤维水泥砂浆分散系中, 纤维分散在砂浆中并与砂浆交织在一起可以形成网状结构, 达到阻裂的效果[2], 当试验构件承受剪切荷载作用时, 界面处的纤维能够传递和分散应力从而影响纤维水泥砂浆与混凝土之间的粘结强度。在试验过程中, 当纤维水泥砂浆强度等级和混凝土试件强度等级相同时, 掺入聚乙烯醇纤维的试验组测得的界面剪切强度最大, 掺入聚丙烯纤维的试验组次之, 掺入钢纤维的试验组最小。林水东等做的相关试验研究表明, 同条件下掺入聚乙烯醇纤维的水泥砂浆其阻裂效果要比掺入聚丙烯纤维的水泥砂浆好[25]。另外试验中所用钢纤维的直径是合成纤维(聚乙烯醇纤维、聚丙烯纤维)的6倍, 单位体积砂浆中合成纤维的数量多, 根据纤维阻裂理论的相关成果[26]可以推测出合成纤维的阻裂效果要优于钢纤维。综上所述, 三种纤维阻裂效果与三种纤维水泥砂浆界面剪切强度相对应, 由此可以推测, 三种纤维水泥砂浆的界面剪切强度与所掺纤维的阻裂效果存在较大关联。
4.2 混凝土抗压强度对剪切强度的影响将表 2中每一种纤维水泥砂浆双面剪切的试验数值按照混凝土抗压强度的不同等级进行对比分析, 结果如图 4所示。由图 4可知, 不考虑纤维水泥砂浆强度等其他因素对剪切强度的影响, 剪切强度随混凝土抗压强度的提高而增大。
|
图 4 混凝土抗压强度对剪切强度的影响 Figure 4 Effects of concrete compression strength to the shear strength |
在试验构件受到剪切荷载作用沿界面发生破坏的过程中, 由于纤维水泥砂浆与混凝土之间的机械咬合力, 素混凝土部分也会发生一定程度的微观裂缝。然而不同强度等级的混凝土中水泥浆及骨料粘结力不同, 因此随着混凝土抗压强度的提高, 混凝土的抗剪性能也会相应提高, 纤维水泥砂浆与混凝土之间的界面粘结力也随之增大, 这一结论也与图 4中的实验结果相符。需要说明的是, 目前对于混凝土强度对界面粘结性能影响的研究较少, 主要涉及混凝土强度与钢筋握裹力的关系。文献[20]中钻芯拉拔试验研究成果表明, 混凝土强度对钻芯拉拔所测得的混凝土与纤维水泥砂浆界面粘结性能的影响不显著, 但该研究考虑的是混凝土抗拉强度的影响, 且样本量较少, 涵盖的强度等级范围较少。本研究中采用的是双面剪切试验方法, 虽然目前无法获得更多微观层次的解释, 但从图 4的结果仍可定性的看出, 混凝土强度对混凝土与纤维水泥砂浆界面粘结性能存在一定影响。
4.3 纤维水泥砂浆抗压强度对剪切强度的影响将表 2中每一种纤维水泥砂浆双面剪切的试验数值按照纤维水泥砂浆抗压强度的不同进行对比分析, 结果如图 5所示。不考虑混凝土强度等其他因素对剪切强度的影响, 剪切强度随纤维水泥砂浆抗压强度的提高而增大。
|
图 5 纤维水泥砂浆强度对剪切强度的影响 Figure 5 Effects of fiber cement mortar strength to the shear strength |
纤维水泥砂浆强度是影响纤维水泥砂浆与混凝土剪切强度的主要因素之一。当砂浆强度提高时, 砂浆中单位体积的水泥用量增大, 水泥浆体总量会增加, 填充到界面处预留孔中的浆体增加, 使砂浆与混凝土界面处的密实程度得到提高, 加强了两者之间的机械咬合力, 提高了界面结合强度。
4.4 剪切强度与纤维水泥砂浆抗压强度线性拟合使用统计学中最小二乘法原理公式(式(1))计算剪切强度与纤维水泥砂浆抗压强度之间的相关系数。计算结果分别为:聚乙烯醇纤维水泥砂浆r=0.988 3;聚丙烯纤维水泥砂浆r=0.988 5;钢纤维水泥砂浆r=0.987 2。相关系数r的范围在0～1之间, r越接近1, 说明两者相关越密切, r>0.8时即认为两者之间有很强的线性相关性。因此, 三种纤维水泥砂浆与混凝土界面的剪切强度以及纤维水泥砂浆抗压强度具有高度的线性相关关系。本研究对相关数据进行线性拟合, 结果如图 6所示。
|
图 6 剪切强度与砂浆抗压强度线性拟合结果 Figure 6 Linear fitting results of shear strength and compression strength of cement mortar |
| $ r = \frac{{\sum\limits_{i = 1}^n {\left( {{x_i} - \bar x} \right)} \left( {{y_i} - \bar y} \right)}}{{\sqrt {\sum\limits_{i = 1}^n {{{\left( {{x_i} - \bar x} \right)}^2}} \times {{\left( {{y_i} - \bar y} \right)}^2}} }} $ | (1) |
图 6中对应的线性拟合公式为:聚乙烯醇纤维水泥砂浆τ=0.010 7fm+0.530 1, 聚丙烯纤维水泥砂浆τ=0.013 0fm+0.278 7, 钢纤维水泥砂浆τ=0.011 1fm +0.361 9, 其中τ为界面双面剪切强度, fm 为纤维水泥砂浆抗压强度。以上3个拟合公式是对纤维水泥砂浆抗压强度这一影响因素的总结和延伸, 因此, 纤维水泥砂浆与混凝土界面剪切强度以及纤维水泥砂浆抗压强度呈正相关关系, 本次试验结果也很好的印证了这一结论。
5 结论本研究通过对27组试件双面剪切的试验结果进行研究分析, 得出以下结论:
(1)本研究中, 水泥砂浆中掺入的纤维种类会影响纤维水泥砂浆与混凝土界面的剪切强度。当纤维水泥砂浆强度等级和混凝土试件强度等级都相同时, 掺入聚乙烯醇纤维的试验组测得的界面剪切强度最大, 掺入聚丙烯纤维的试验组次之, 掺入钢纤维的试验组最小。根据相关文献的研究成果和本研究中纤维的力学性能, 聚乙烯醇纤维、聚丙烯纤维与钢纤维掺入水泥砂浆中的阻裂效果依次减弱。结合试验结果可推测, 纤维水泥砂浆与混凝土的界面剪切强度以及所掺纤维的阻裂效果存在较大关联, 这一推论是否准确还有待进一步的试验来证实。
(2)不考虑纤维水泥砂浆强度等其他因素对剪切强度的影响, 剪切强度随混凝土抗压强度的提高而增大。湖南大学相关研究成果表明, 混凝土强度对钻芯拉拔所测得的混凝土与纤维水泥砂浆界面粘结性能的影响不显著。与本研究试验结果的差异主要源自试验方法的不同, 其研究采用钻芯拉拔试验方法, 与本研究的双面剪切试验方法在试验原理和粘结界面破坏方式上均存在很大差异。
(3)不考虑混凝土强度等其他因素对剪切强度的影响, 剪切强度随纤维水泥砂浆抗压强度的提高而增大。虽然已有学者通过对低强度范围内的钢纤维水泥砂浆与混凝土界面的双面剪切试验得到过相似的结论, 但本研究中纤维水泥砂浆的强度范围更广, 种类更多, 所得出的结论也更具有代表性。
(4)三种纤维水泥砂浆与混凝土界面的剪切强度以及纤维水泥砂浆抗压强度均具有高度的线性相关关系。对相关数据进行线性拟合的结果是:聚乙烯醇纤维水泥砂浆τ=0.010 7fm+0.530 1, 聚丙烯纤维水泥砂浆τ=0.013 0fm+0.278 7, 钢纤维水泥砂浆τ=0.011 1 fm+0.361 9。其中τ为界面双面剪切强度值, fm为纤维水泥砂浆抗压强度值。
| [1] |
NANNI A. A new tool for concrete and masonry repair: strengthening with fiber-reinforced cementitious matrix composites[J].
Concrete International , 2012, 34 (4) : 43-49 ( 0)
|
| [2] |
沈荣熹, 王璋水, 崔玉忠.
纤维增强水泥与纤维增强混凝土[M]. 北京: 化学工业出版社, 2006 : 8 .
(0)
|
| [3] |
中国工程建设标准化协会.纤维混凝土结构技术规程:CECS 38:2004[S].北京:中国计划出版社, 2004:8.
(0)
|
| [4] |
蒋隆敏, 尚守平, 黄政宇. 一种适用于钢丝(筋)网水泥加固RC结构的纤维增强复合砂浆和界面剂[J].
土木工程学报 , 2005, 38 (5) : 41-47 JIANG Longmin, SHANG Shouping, HUANG Zhengyu. Fiber reinforced composite mortar and interfacial adhesive for strengthening of RC structures with ferrocement[J]. Journal of Civil Engineering , 2005, 38 (5) : 41-47 ( 0)
|
| [5] |
葛智, 王昊, 张堃, 等. 塑料砂浆的性能研究[J].
山东大学学报(工学版) , 2012, 42 (1) : 106-108 GE Zhi, WANG Hao, ZHANG Kun, et al. Investigation on the properties of plastic mortar[J]. Journal of Shandong University(Engineering Science) , 2012, 42 (1) : 106-108 ( 0)
|
| [6] |
GUTIERREZ R M D, DIAZ L N, DELVASTO S. Effect of pozzolans on the performance of fiber-reinforced mortars[J].
Cement and Concrete Composites , 2005, 27 (5) : 593-598 DOI:10.1016/j.cemconcomp.2004.09.010 (0)
|
| [7] |
FELEKOGLU B, TURKEL S, ALTUNTAS Y. Effects of steel fiber reinforcement on surface wear resistance of self-compacting repair mortars[J].
Cement and Concrete Composites , 2007, 29 (5) : 391-396 DOI:10.1016/j.cemconcomp.2006.12.010 (0)
|
| [8] |
DAWOOD E T, RAMLI M. High strength characteristics of cement mortar reinforced with hybrid fibres[J].
Construction and Building Materials , 2011, 25 (5) : 2240-2247 DOI:10.1016/j.conbuildmat.2010.11.008 (0)
|
| [9] |
SEVIL T, BARAN M, BILLR T, et al. Use of steel fiber reinforced mortar for seismic strengthening[J].
Construction and Building Materials , 2011, 25 (2) : 892-899 DOI:10.1016/j.conbuildmat.2010.06.096 (0)
|
| [10] |
SANTOS P M D, JULIO E N B S. Factors affecting bond between new and old concrete[J].
ACI Materials Journal , 2011, 108 (4) : 449-456 (0)
|
| [11] |
TSCHEGG E K, STANZL S E. Adhesive power measurements of bonds between old and new concrete[J].
Journal of Materials Science , 1991, 26 (19) : 5189-5194 DOI:10.1007/BF01143212 (0)
|
| [12] |
SHAH A A, RIBAKOV Y. Recent trends in steel fibered high-strength concrete[J].
Materials and Design , 2011, 32 (8) : 4122-4151 (0)
|
| [13] |
HOLSCHEMACHER K, MUELLER T, RIBAKOV Y. Effect of steel fibres on mechanical properties of high-strength concrete[J].
Materials and Design , 2009, 31 (5) : 2604-2615 (0)
|
| [14] |
RUANO G, ISLA F, PEDRAZA R I, et al. Shear retrofitting of reinforced concrete beams with steel fiber reinforced concrete[J].
Construction and Building Materials , 2014, 54 (3) : 646-658 (0)
|
| [15] |
孙丽莉, 贾玉玺, 孙胜, 等. 界面强度对纤维复合材料破坏及力学性能的影响[J].
山东大学学报(工学版) , 2009, 39 (2) : 101-103 SUN Lili, JIA Yuxi, SUN Sheng, et al. Influence of interfacial strength on fracture process and mechanical properties of fiber composites[J]. Journal of Shandong University(Engineering Science) , 2009, 39 (2) : 101-103 ( 0)
|
| [16] |
何伟.新老混凝土粘结强度的试验研究[D].长沙:湖南大学, 2004.
HE Wei. Experimental research on bonding strength between new and old concrete[D]. Changsha: Hunan University, 2004. ( 0)
|
| [17] |
卜良桃, 全玥. 高性能水泥复合砂浆与混凝土粘结的剪切性能试验研究[J].
四川建筑科学研究 , 2008, 34 (3) : 64-67 BU Liangtao, QUAN Yue. Experimental research on shear properties of adhesion between high performance cement-mortar and concrete[J]. Sichuan Building Science , 2008, 34 (3) : 64-67 ( 0)
|
| [18] |
卜良桃, 罗兴华, 高伟. 销钉用于HPF加固混凝土构件的界面黏结性能[J].
河海大学学报 , 2008, 36 (3) : 367-370 BU Liangtao, LUO Xinghua, GAO Wei. Contribution of pins to the interfacial bonding property of HPF-reinforced concrete specimens[J]. Journal of Hohai University , 2008, 36 (3) : 367-370 ( 0)
|
| [19] |
卜良桃, 高伟, 罗兴华. 高性能水泥复合砂浆与混凝土粘结性能钻芯拉拔试验研究[J].
湖南大学学报(自然科学版) , 2009, 36 (1) : 19-23 BU Liangtao, GAO Wei, LUO Xinghua. Experimental research on the tensile behavior of high performance cement mortar to concrete with core drilling and pull stripping test[J]. Journal of Hunan University(Natural Sciences) , 2009, 36 (1) : 19-23 ( 0)
|
| [20] |
卜良桃, 周宁, 鲁晨, 等. PVA-ECC与混凝土界面钻芯拉拔试验研究[J].
山东大学学报(工学版) , 2012, 42 (2) : 45-51 BU Liangtao, ZHOU Ning, LU Chen, et al. Research on the bond-performance of polyvinyl alcohol-engineered cementitious composite to concrete[J]. Journal of Shandong University(Engineering Science) , 2012, 42 (2) : 45-51 ( 0)
|
| [21] |
卜良桃, 周宁, 毛晶晶. 新老混凝土黏结界面钻芯拉拔强度的试验研究[J].
西安建筑科技大学学报(自然科学版) , 2009, 41 (5) : 599-605 BU Liangtao, ZHOU Ning, MAO Jingjing. Research on pull strength of new concrete to old adherence with core-drilling and pull-stripping test[J]. Xi′an University of Architecture ＆ Technology(Natural Science Edition) , 2009, 41 (5) : 599-605 ( 0)
|
| [22] |
卜良桃, 罗兴华. 钢纤维水泥砂浆与老混凝土双面剪切粘结性能研究[J].
工业建筑 , 2009, 39 (9) : 90-94 BU Liangtao, LUO Xinghua. Two-sided shearing bonding strength of steel fiber cement mortar to old concrete[J]. Industrial Construction , 2009, 39 (9) : 90-94 ( 0)
|
| [23] |
卜良桃, 张欢. 基于纤维水泥砂浆加固的后装拔出试验[J].
河海大学学报(自然科学版) , 2015, 43 (2) : 139-143 BU Liangtao, ZHANG Huan. Post-install pullout test based on fiber cement mortar reinforcement[J]. Journal of Hohai University(Natural Sciences) , 2015, 43 (2) : 139-143 ( 0)
|
| [24] |
管大庆, 陈章洪, 石韫珠. 界面处理对新老混凝土粘结性能的影响[J].
混凝土 , 1994 (5) : 16-22 GUAN Daqing, CHEN Zhanghong, SHI Yunzhu. The impact of interface processing on bonding properties between the new and old concrete[J]. Concrete , 1994 (5) : 16-22 ( 0)
|
| [25] |
林水东, 程贤甦, 林志忠. PP和PVA纤维对水泥砂浆抗裂和强度性能的影响[J].
混凝土与水泥制品 , 2005 (1) : 43-45 LIN Shuidong, CHENG Xiansu, LIN Zhizhong. The influence of PP and PVA fiber on the cracking and strength properties of cement mortar[J]. Concrete and Cement Products , 2005 (1) : 43-45 ( 0)
|
| [26] |
付操.高性能钢纤维和合成纤维混凝土的力学性能试验研究[D].淮南:安徽理工大学, 2013.
(0)
|