混凝土-环氧砂浆界面Ⅰ-Ⅱ型断裂性能试验研究*

杭振园 喻 莹

(1.浙江交通职业技术学院 路桥学院, 杭州 311112; 2.汕头大学土木与环境工程系, 广东汕头 515000)

0 引 言

在组合结构建造过程中,常采用环氧砂浆实现结构部件之间的紧密接触,起到良好的密封和防脱空作用[1],并可以有效提高混凝土组合构件的承载力[2-4]、延性[2]和刚度[4]。在复杂应力场作用下,由于混凝土表面存在大量的初始缺陷,薄弱的混凝土-环氧砂浆界面处极易发生开裂。在断裂力学理论中,通常根据结构的受力特性将裂纹分为张开型裂纹(Ⅰ型)、滑移型裂纹(Ⅱ型)、撕开型裂纹(Ⅲ型),如图1所示。在实际工程中,较为常见的是Ⅰ-Ⅱ型复合裂纹,该种裂纹的起裂荷载、断裂荷载和断裂能等断裂参数以及相关影响因素仍是当前学者们关注的主要问题[5-6]。

为改善薄弱界面的力学性能,通常采用提高材料强度、粗糙工艺和预涂层技术等方法对界面进行增韧。胡少伟等[7]、张新慧[8]通过试验研究了材料强度对混凝土梁断裂性能的影响,试验结果表明断裂韧度、抗裂承载力与混凝土强度的增加呈线性关系。Dong等[9]和荣华等[10]对材料表面进行刻槽处理,获得了不同粗糙度的界面,并通过试验研究了粗糙度对Ⅰ-Ⅱ型界面断裂性能的影响,结果表明粗糙处理工艺可以大幅提高界面的断裂性能。王晓伟等[11]通过试验研究了定向和乱向钢纤维水泥基试件的Ⅰ-Ⅱ型断裂性能,研究结果表明,较乱向钢纤维水泥材料,定向纤维水泥材料可以大幅提高试件界面的抗裂性能。Zhao等[12]采用环氧树脂-丙酮溶液对混凝土表面进行预处理,修复混凝土表面缺陷,通过四点弯曲试验研究了预涂层技术对混凝土-环氧砂浆复合界面Ⅰ型断裂性能的影响,试验结果表明预涂层技术可有效改善混凝土表面缺陷,增强界面变形能力和断裂性能。

目前,针对混凝土-环氧砂浆界面断裂性能的研究较少,主要集中在Ⅰ型裂缝断裂性能及影响因素方面[12-13]。蒋宇翔[13]通过对混凝土-环氧砂浆界面进行Ⅰ-Ⅱ型断裂试验,仅从试验层面简单分析了加载方式、缝高比对界面抗裂承载力的影响。目前,尚未见与混凝土强度、界面粗糙工艺等增韧方法对混凝土-环氧砂浆组合界面断裂性能影响的理论研究相关的报道。

a—Ⅰ型; b—Ⅱ型; c—Ⅲ型。图1 三种类型的断裂裂纹Fig.1 Three types of fracture cracks

1 试 验

1.1 试验材料

制作试件的材料包括混凝土和环氧砂浆。根据JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》[14]要求设计了C45、C55和C65三种混凝土的配合比,每立方米混凝土的配合比如表1所示。混凝土的材料力学性能如表2所示。黏结材料采用西卡(中国)有限公司生产的Sikadur-31双组分触变性环氧砂浆,由A部分和B部分组成,质量配合比为2∶1。根据DL/T 5193—2021《环氧树脂砂浆技术规程》[15]进行环氧树脂砂浆的材料试验,试验结果如表2所示。

表1 混凝土配合比 Table 1 Mix proportions of concrete

表2 材料学性能参数Table 2 Mechanical properties of materials

1.2 试件制备

试件制备过程如图2所示,包括四个步骤:1)准备48个300 mm×100 mm×100 mm模具,在其中6个模具内的一端设置止浆带(粗糙处理),浇筑混凝土,标准养护28 d;2)采用酒精溶液清洗混凝土黏结面,消除脱模剂对混凝土与环氧砂浆之间黏结性能的影响,通过在混凝土表面设置泡沫胶和硅胶垫,获得精确尺寸的预制切口和砂浆厚度;3)采用20%环氧丙酮溶液对混凝土黏结面进行预处理[13],再采用环氧砂浆将两块混凝土长方体粘结成整体,人工振动15 min,常温下养护7 d;4)在试件表面计算区域(AOI)上涂刷白色哑光漆,随后喷涂墨水,获得均匀、随机的黑色散斑。

如图3所示,试件尺寸均为600 mm×100 mm×100 mm (l×h×t,l为试件的长度,h为试件截面高度,t为试件截面的宽度)。环氧砂浆层厚度tp为2 mm,预制切口高度a为20 mm。根据加载方式、混凝土强度和表面粗糙度,分为PB45、PB55、PB65、PS45、PS55、PS65、PS65D和PS65S八组试件,每组包含3个试件。试件的命名原则:PB表示四点弯曲试验,PS表示四点剪切试验,数字表示混凝土牌号,S和D表示混凝土黏结表面不同的粗糙度。

图2 试件制备过程Fig.2 Preparation process of the specimen

图3 试件尺寸Fig.3 Specimen sizes

(1)

式中:V为灌砂体积,mm3;As为试件横截面面积,mm2。

1.3 试验装置

图4为试验装置具体布置情况和试件内力分布状态。图中,以荷载P作用线为对称轴,通过1 000 kN电液伺服万能试验机(MTS)对试件梁施加反对称荷载,采用位移加载,加载速度为0.3 mm/min,直至试件失效。加载支座之间和约束支座之间的间距均为240 mm;荷载P作用线距离较近的加载支座和约束支座均为20 mm,距环氧砂浆层竖向中心线20 mm。在距离试件表面1.0 m处,垂直放置分辨率为2 440×1 720像素的高速数码相机,快门速度设为1/30 s,用于捕获和记录AOI的图像。在试件的两侧设置2盏LED灯,以提供足够的光源。

a—试验装置实物; b—试件内力分布。图4 试验装置布置和试件内力分布Fig.4 Test set-up arrangement and internal force distribution

1.4 位移和应变的测量方法

采用数字图像相关技术(DIC)对试件AOI的位移场和应变场进行评价,可以精确获得试件的挠度(D)、预制切口尖端的张开位移(DCTOD)和滑移位移(DCTSD)。

如图5所示,在荷载P正下方,试件表面上部确定B1点,采用DIC技术获得B1点的竖向挠度D;在预制切口尖端的两侧标记A1点和A2点,用于跟踪和计算DCTOD和DCTSD。

图5 DIC测量的测点布置Fig.5 Arrangements of measuring points for DIC

2 试验结果与分析

2.1 试件破坏形态

图6为各试件的破坏形态,图7为试件裂缝开展包络图,图中X表示距离预制切口的水平长度(左为负,右为正),Y表示距离试件底面的高度。如图6和图7所示,试件发生Ⅰ-Ⅱ复合型破坏,即在预制切口尖端形成一条延伸至较近加载点附近的贯通裂缝,裂缝发展方向逐渐平行于荷载方向,呈半抛物线状。

a—PS45; b—PS55; c—PS65; d—PS65D; e—PS65S。图6 试件的破坏形态Fig.6 Failure modes of specimens

裂缝起裂角是分析界面Ⅰ-Ⅱ复合型断裂的重要指标之一,但由于测量方法不尽相同,各学者所测得的起裂角差异较大。因此,本文采用Jeng等[17]提出的最终破坏角测试方式,即测量预制切口尖端起裂点和裂缝扩展终点之间连线与垂线的夹角。各试件的测量结果如图7所示,PS45、PS55、PS65组试件的平均破坏角分别为14.3°、14.7°和14.3°,说明混凝土强度对试件破坏角影响较小。然而,PS65D和PS65S组试件的平均破坏角分别为16.0°和19.7°,较PS65组试件,破坏角分别增大了11.9%和37.8%。这说明粗糙处理会改变试件界面的破坏形态,粗糙度越大,断裂角越饱满,裂缝中Ⅱ型应力(剪切型)的比重越大。

图7 试件裂缝开展包络图Fig.7 Crack envelope diagram for specimens

2.2 荷载-位移曲线

图8为各试件的荷载-位移曲线,包括P-D、P-DCTOD和P-DCTSD曲线。可知:各荷载-位移曲线的变化趋势一致,没有明显的下降段,这是由于界面处剪力较大,弯矩较小(图4),裂缝张开的过程很快,属于明显的准脆性破坏模式。P-D曲线上的软化段并不明显,然而,预制切口尖端处的DCTOD和DCTSD增长迅速,直至试件断裂。

图8 荷载-位移曲线Fig.8 Load-displacement curves

图9为典型的P-DCTOD曲线,曲线可分为弹性阶段(OA段)、软化阶段(AB段)、稳定损伤阶段(BC段)和破坏阶段(C点之后),A、B、C和D点分别表示为起裂点、荷载极值点、破坏点以及AB段荷载增幅中点。

图9 典型荷载-张开位移曲线Fig.9 Typical load-opening displacement curve

表3列出了四点剪切试验的主要结果。表中,kini为试件的初始刚度,即P-D曲线弹性段的斜率。图10描绘了混凝土强度、黏结面粗糙度对主要试验结果的影响规律。

如表3和图10所示,混凝土强度和黏结面粗糙度对试件的初始刚度、起裂荷载、极限荷载以及预制切口尖端的位移影响较大,分析结果如下:

表3 试验主要结果Table 3 Main test results

3)kini、DCTODini、DCTSDini随混凝土强度的提高呈增长趋势。这是由于混凝土弹性模量与混凝土强度成正比,而环氧砂浆层厚度不变,因此,随着混凝土强度的增加,试件的刚度和预制切口尖端的位移均会增大。kini、DCTODini随粗糙度的增大呈下降趋势,但DCTSDini呈爆炸式增长趋势。较PS65组的DCTODini/DCTSDini,PS65D和PS65S组分别下降了52.2%和71.2%。这说明粗糙处理工艺会改变界面预制切口尖端处的张开位移和滑移的比重。

2.3 应变场分析

以PS65-3和PS65S-2试件为例,采用数字图像相关(DIC)技术对两个试件AOI区域进行计算和分析,并绘制应变场图像。图11描绘了PS65-3和PS65S-2试件界面处应变场的演变过程。如图9和图11所示:在弹性阶段(OA段),试件预制切口尖端处均未出现明显的裂缝;在软化阶段(AB段),裂纹开始稳定发展,外荷载增长幅度减缓,但裂缝和DCTOD发展速度逐渐加快,PS65S-2试件界面处的裂缝与水平线之间的夹角(起裂角)明显大于PS65-3试件。在损伤累积阶段(BC段),裂纹进入不稳定发展阶段,裂缝发展方向基本不变,外荷载开始缓慢下降,但裂缝和DCTOD的发展速度进一步加快。荷载达到破坏点(C点)时,试件突然发生断裂,裂缝发展方向逐渐平行于荷载方向。

a—试验荷载变化; b—试验位移变化。图10 混凝土强度和粗糙度对试验结果的影响Fig.10 Effects of the concrete strength and roughness on test results

a—A点; b—B点; c—C点; d—D点。图11 在不同阶段PS65-3(右图)和PS65S-2(左图)试件的水平应变场Fig.11 Horizontal strain fields of specimen PS65-3 and PS65S-2 at different loading points

3 混凝土强度和粗糙度的影响

3.1 断裂应力强度因子计算与分析

复合型裂纹的各型应力强度因子是把内力分解后各型裂纹问题的应力强度因子[19]。本文中,试件界面出现的裂缝属于复合型裂缝,包含Ⅰ型和Ⅱ型应力强度因子。其中,单边裂缝四点剪切试件裂缝起裂时,Ⅱ型强度因子KII按式(2)计算[20]。

(2)

F1(α)=[1.442-5.08(α-0.507)2]×

(3)

(4)

(5)

F2(a/h)=1.22-1.40α+7.33α2-

13.08α3+14.0α4

(6)

根据式(2)～(6)和试验结果,计算得到各组试件的断裂应力强度因子,如表4所示。图12为各组试件平均断裂应力强度因子的柱状图。分析表4和图12可知:

表4 断裂应力强度因子和断裂能量Table 4 Fracture stress intensity factors and fracture energy

a—各组试件应力强度因子情况; b—混凝土fc和与应力强度因子的关系。图12 四点剪切试件的断裂应力强度因子Fig.12 Initiation stress intensity factors of specimens in four-point shear tests

3.2 断裂能量与变形系数

为研究混凝土强度、粗糙度对Ⅰ-Ⅱ复合型裂缝扩展的影响,对各组试件的断裂能和变形系数[23]进行了对比分析。

断裂能主要用于抵抗裂缝黏聚力的作用[12],可以按式(7)计算。

Gu=W/A

(7)

其中W=W1+W2

A=t(h-a)

式中:W为荷载断裂时的总耗能;W1为P-D曲线(图8)与坐标轴所围成的面积;W2为试件自重所做的功,因其远小于W1,可以忽略;A为试件韧带长度;t为试件截面宽度;h为试件截面高度;a为预制切口高度。

变形系数反映了试件抵抗变形的能力,可按式(8)计算。

(8)

各组试件的平均W、Gu和Nu计算结果如表4所示。图13为各组试件平均总耗能、断裂能、抗变形系数的柱状图。如表4和图13所示:混凝土强度越大,黏结面越粗糙,试件断裂能Gu越大,说明组合界面抵抗黏聚裂缝开展的能力越强,抗裂性能越好;较PS45组试件,PS55和PS65试件的Gu分别提高了27.2%、44.7%;较PS65组试件,PS65D和PS65S试件的Gu分别提高了16.1%、66.9%;对混凝土粘结表面进行粗糙处理可以大幅提高试件的变形系数Nu,增强组合界面抵抗变形的能力;较PS65组试件,PS65D和PS65S试件的Nu分别提高了5.4%、27.6%。然而,混凝土强度对试件的变形能力影响很小。

a—各组试件断裂能量和变形能力情况; b—混凝土fc和对断裂能量和变形能力的影响。图13 各组试件断裂能量和变形能力参数Fig.13 Fracture energy and deformation capacity of specimens

4 结 论

本文通过对混凝土-环氧砂浆组合试件进行四点剪切试验,采用DIC技术和线弹性断裂力学研究了混凝土强度、粗糙度对界面裂缝断裂形态和Ⅰ-Ⅱ型复合断裂性能的影响,得到了以下结论:

1)试件均在界面处发生Ⅰ-Ⅱ复合型断裂破坏,试件的起裂荷载和极限荷载较为接近,两者比值达到了80%以上,属于准脆性破坏。混凝土强度对裂缝形态影响较小;对界面粗糙处理会改变裂缝扩展方向,粗糙度越大,裂缝的饱满度和断裂角越大。

2)试件的断裂能与混凝土强度呈线性增长关系,提高混凝土强度可以有效增强界面抵抗黏聚性裂缝开展的能力。混凝土强度对裂缝尖端处各型应力强度因子比重的影响较小。

3)在粗糙界面处,环氧砂浆和混凝土之间存在较强的机械咬合作用,增大了预制切口尖端处Ⅱ型强度因子的比重、试件的断裂能和变形系数等断裂参数,有效提高了界面抵抗黏聚性裂缝开展和变形的能力。断裂参数与界面粗糙度呈线性增长关系。