徐廣舒 張遠(yuǎn)淼

(1. 東南大學(xué)土木工程學(xué)院，南京 210009； 2. 南通職業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，南通 226007；3. 同濟(jì)大學(xué)結(jié)構(gòu)工程與防災(zāi)研究所,上海 200092)

混凝土裂縫修復(fù)的斷裂試驗(yàn)研究

徐廣舒1,2,*張遠(yuǎn)淼3

(1. 東南大學(xué)土木工程學(xué)院，南京 210009； 2. 南通職業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，南通 226007；3. 同濟(jì)大學(xué)結(jié)構(gòu)工程與防災(zāi)研究所,上海 200092)

采用楔入劈拉法對(duì)比了有機(jī)材料環(huán)氧樹脂與無機(jī)材料氯氧鎂水泥漿兩種材料修復(fù)混凝土裂縫的有效性。先對(duì)混凝土試件進(jìn)行楔入劈拉試驗(yàn)，獲得混凝土的斷裂參數(shù)，然后采用環(huán)氧樹脂灌縫膠、氯氧鎂水泥漿對(duì)試件進(jìn)行修復(fù)，再進(jìn)行第二次楔入劈拉試驗(yàn)，測(cè)定注膠修復(fù)后的試件的相應(yīng)斷裂參數(shù)，并與初始混凝土試件的相應(yīng)值進(jìn)行對(duì)比分析，以此來考察并評(píng)估環(huán)氧樹脂、氯氧鎂水泥漿與混凝土粘結(jié)界面的性能以及兩者的修復(fù)效果。試驗(yàn)結(jié)果表明：試件經(jīng)過環(huán)氧樹脂加固后，起裂斷裂韌度與失穩(wěn)斷裂韌度得到不同幅度的提高，而氯氧鎂水泥漿修復(fù)試件則有所下降。說明環(huán)氧樹脂有效修復(fù)裂縫，抑制裂縫的重新開展，達(dá)到修復(fù)混凝土的效果；而采用氯氧鎂水泥漿材料的修復(fù)效果沒有環(huán)氧樹脂修復(fù)效果好，為工程實(shí)際應(yīng)用提供一些參考。

楔入劈拉法, 環(huán)氧樹脂, 氯氧鎂水泥漿, 雙K斷裂參數(shù)

1 引 言

鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)是房屋建筑中最常見的，同時(shí)也是地震中最易受損的結(jié)構(gòu)形式之一。從震后的調(diào)查來看，歷次大地震中，鋼筋混凝土框架房屋，除了少數(shù)坍塌或破壞嚴(yán)重外，大部分都為輕度或中度損傷，屬“可修”的范疇[1]。多數(shù)混凝土結(jié)構(gòu)在地震作用下多出現(xiàn)混凝土開裂、壓潰等破壞形式，通過合理的加固修復(fù)方法可以使結(jié)構(gòu)的抗震能力恢復(fù)到一定程度，滿足繼續(xù)使用的要求。

對(duì)于震損混凝土框架結(jié)構(gòu)來說，首先主要評(píng)定震損程度，以確認(rèn)待加固結(jié)構(gòu)的抗震能力與設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)之間的差異，然后是對(duì)震損部位進(jìn)行修復(fù)設(shè)計(jì)，保證結(jié)構(gòu)性能有所恢復(fù)，至少是不會(huì)繼續(xù)下降，最后采用其他的加固方法進(jìn)行加固。對(duì)于混凝土開裂或壓碎的震損混凝土構(gòu)件，按照上述步驟，研究者多采用高強(qiáng)聚合物材料進(jìn)行灌縫或填補(bǔ)，然后再采用加大截面法[2]、外包鋼套法[3-4]或高性能增強(qiáng)材料進(jìn)行加固[5-8]。通過適當(dāng)?shù)募庸淘O(shè)計(jì)和施工，被加固構(gòu)件(包括預(yù)震損構(gòu)件)的抗震性能均能恢復(fù)，甚至大幅度提高。從修復(fù)與加固的試驗(yàn)效果來看，以上方法無疑是成功的，但從研究的角度來看，目前針對(duì)震損混凝土結(jié)構(gòu)的修復(fù)與加固試驗(yàn)研究存在兩個(gè)方面的問題：其一，多數(shù)試驗(yàn)采用預(yù)震損的方法對(duì)試驗(yàn)構(gòu)件施加損傷，損傷等級(jí)多為輕微破壞或者中等破壞，而嚴(yán)重震損修復(fù)試驗(yàn)很少涉及[9]；其二，“高強(qiáng)聚合物的灌縫和填補(bǔ)”與“增強(qiáng)材料或加大截面”兩者的貢獻(xiàn)難以明確區(qū)分，往往外包的增強(qiáng)材料或者加大截面法掩蓋了高強(qiáng)聚合物的灌縫和填補(bǔ)作用，讓大家忽視了其對(duì)混凝土本身裂縫的修復(fù)處理，而且大量的試驗(yàn)現(xiàn)象證明混凝土本身的完整性、受力性能會(huì)極大地影響增強(qiáng)材料的加固效果。因此，加強(qiáng)對(duì)震損混凝土本身的修復(fù)、提高混凝土的完整性，使受損開裂、壓碎的混凝土性能能夠恢復(fù)到未受損的水平，應(yīng)該是其他加固方法發(fā)揮作用的前提。

環(huán)氧樹脂注膠修復(fù)的目的是使震損混凝土結(jié)構(gòu)的混凝土保持完整性，達(dá)到修復(fù)混凝土的目的，同樣，氯氧鎂水泥漿也可以作為粘接劑用來加固混凝土構(gòu)件[10-11]。而加固材料與混凝土的粘結(jié)界面容易發(fā)生失效，對(duì)加固效果有重大的影響，因此，混凝土-加固材料結(jié)合界面是研究加固技術(shù)的基礎(chǔ)[12-15]。

對(duì)于環(huán)氧樹脂與混凝土黏結(jié)界面，一些學(xué)者從斷裂力學(xué)角度進(jìn)行了研究。Coronado[16]采用劈拉試驗(yàn)和夾心三點(diǎn)彎曲梁試驗(yàn)獲得軟化曲線來表征混凝土-環(huán)氧樹脂界面的斷裂性能。通過試驗(yàn)比較發(fā)現(xiàn)，素混凝土試件得到的抗拉強(qiáng)度、黏聚斷裂能與黏結(jié)界面的相應(yīng)參數(shù)值處于同一數(shù)量級(jí)，可比性不大，反而尺寸效應(yīng)斷裂能相差較大，最大達(dá)64%，可以作為表征混凝土-環(huán)氧樹脂界面斷裂性能的主要參數(shù)。Lau和Büyük?ztürk[17]利用夾心四點(diǎn)彎曲梁試件研究了混凝土與環(huán)氧樹脂膠的黏結(jié)界面Ⅰ型及復(fù)合型斷裂韌度在不同濕度與溫度環(huán)境下的變化規(guī)律。文章先得到混凝土、環(huán)氧樹脂膠試件隨濕度和溫度變化的泊松比、彈性模量及Ⅰ、Ⅱ型斷裂韌度，然后根據(jù)線彈性界面斷裂力學(xué)計(jì)算Ⅰ型斷裂韌度與混合型斷裂韌度，并根據(jù)界面裂縫偏折判斷條件分析界面破壞模式，并與試驗(yàn)結(jié)果相比較。以上文獻(xiàn)采用單參數(shù)值來表征混凝土-環(huán)氧樹脂界面的斷裂性能，但是不能夠完整反映界面裂縫的發(fā)展全過程。徐世烺[18-20]提出的混凝土雙K及雙G斷裂模型采用起裂斷裂韌度與失穩(wěn)斷裂韌度來判定裂縫的起裂和失穩(wěn)，描述混凝土材料中裂縫發(fā)展經(jīng)歷的起裂、穩(wěn)定擴(kuò)展和失穩(wěn)擴(kuò)展的斷裂破壞過程，而界面裂縫同樣也存在起裂、穩(wěn)定擴(kuò)展和失穩(wěn)擴(kuò)展的破壞過程，那么是否可以采用起裂斷裂韌度與失穩(wěn)斷裂韌度來表征界面裂縫的斷裂性能，是值得探究的。

本文采用楔入劈拉法對(duì)比了有機(jī)材料環(huán)氧樹脂與無機(jī)材料氯氧鎂水泥漿兩種材料加固混凝土的有效性。先對(duì)楔入劈拉試件進(jìn)行楔入劈拉試驗(yàn)，獲得混凝土的斷裂參數(shù)，然后采用環(huán)氧樹脂灌縫膠對(duì)已劈裂的試件(已完全開裂)進(jìn)行修復(fù)，經(jīng)過一定養(yǎng)護(hù)期后再進(jìn)行楔入劈拉試驗(yàn)，測(cè)定注膠修復(fù)后的試件的相應(yīng)斷裂參數(shù)，并與初始混凝土試件的相應(yīng)值進(jìn)行對(duì)比分析，以此來考察并評(píng)估采用環(huán)氧樹脂膠修復(fù)混凝土的效果，然后再次對(duì)斷裂面進(jìn)行氯氧鎂水泥漿加固，進(jìn)行第三次的楔入劈拉試驗(yàn)，測(cè)定修復(fù)后相應(yīng)的斷裂參數(shù)，比較三次楔入劈拉試驗(yàn)的斷裂參數(shù)值，研究環(huán)氧樹脂與氯氧鎂水泥漿與混凝土粘結(jié)界面的性能以及兩者的修復(fù)效果。

2 混凝土試件與修復(fù)材料

楔入劈拉試件采用的混凝土的等級(jí)為C50，試件相關(guān)的信息見表1。采用的修復(fù)材料為環(huán)氧樹脂裂縫修補(bǔ)膠及氯氧鎂水泥漿。環(huán)氧樹脂裂縫修補(bǔ)膠為雙組份冷固化無溶劑環(huán)氧樹脂灌注劑，其應(yīng)用為混凝土結(jié)構(gòu)的填縫注劑、多孔地臺(tái)和墻壁的滲透劑、格構(gòu)式及封閉式濕法外包鋼填注膠，相關(guān)力學(xué)性能參數(shù)見表2。氯氧鎂水泥漿(MOC)可以用來代替有機(jī)膠材與連續(xù)碳纖維織布組合來加固混凝土結(jié)構(gòu)[10]，是由輕燒MgO、MgCl2·6H2O，水和KH2PO4混合制成，按照700 g輕燒MgO，328 g MgCl2·6H2O，200 g水和7 g KH2PO4的配方制作。制作氯氧鎂水泥漿時(shí)，首先將一定比例的MgCl2·6H2O，水和KH2PO4混合起來，放置在容器中進(jìn)行攪拌，等到溶液呈透明無沉淀時(shí)，再將溶液倒入輕燒MgO中，攪拌至漿體均勻無結(jié)塊，攪拌均勻的漿體具有較高的流動(dòng)性[11]。

表1 楔入劈拉試件

Table 1 Specimens used in wedge splitting test

注：t為試件厚度，h為試件高度，a0位試件預(yù)制裂縫長(zhǎng)度；h0為試件上刀口厚度。

表2 環(huán)氧樹脂力學(xué)性能參數(shù)

Table 2 Mechnical property of epoxy

相關(guān)試驗(yàn)在同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)室完成。楔入劈拉試件經(jīng)過一定養(yǎng)護(hù)期后進(jìn)行首次楔入劈拉試驗(yàn)，測(cè)得相關(guān)的斷裂參數(shù)，然后進(jìn)行環(huán)氧樹脂修復(fù)，進(jìn)行第二次楔入劈拉試驗(yàn)，再進(jìn)行氯氧鎂水泥漿的修復(fù)，進(jìn)行第三次的楔入劈拉試驗(yàn)。獲得混凝土試件在三次楔入劈拉試驗(yàn)時(shí)的斷裂參數(shù)。采用電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行上述楔入劈拉試驗(yàn)，并利用動(dòng)靜態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集。在試驗(yàn)中，采用量程為10 mm的夾式引伸計(jì)測(cè)得裂縫口開口位移，并記錄豎向荷載，得到荷載-裂縫開口位移曲線。

圖1 原試件和夾心楔入劈拉試件示意圖

3 破壞模式

試件在經(jīng)過環(huán)氧樹脂修復(fù)后進(jìn)行第二次的楔入劈拉試驗(yàn)時(shí)，裂縫并沒有從原來的位置開展，而是從新的位置開展，在氯氧鎂水泥漿修復(fù)后進(jìn)行第三次的楔入劈拉試驗(yàn)，裂縫完全從第二次試驗(yàn)的裂縫處開展(即第二次的斷裂面)。因篇幅關(guān)系，圖2列舉出了試件C50-1在環(huán)氧樹脂與氯氧鎂水泥漿修復(fù)后的裂縫開展路徑及斷面圖。

圖2 試件C50-1環(huán)氧樹脂與氯氧鎂水泥修復(fù)后裂縫開展路徑及斷面

4 楔入劈拉法試驗(yàn)結(jié)果分析[16]

在三次楔入劈拉試驗(yàn)時(shí)，記錄豎向荷載與裂縫開口位移，將豎向荷載換算得到水平荷載，可得到水平荷載與裂縫開口位移的關(guān)系，得到P-CMOD曲線。試件在三次楔入劈拉試驗(yàn)時(shí)P-CMOD曲線見圖3。結(jié)合試件的破壞模式，混凝土試件在達(dá)到極限荷載后，荷載值急劇下降，曲線較陡，說明混凝土明顯具有脆性，在經(jīng)過環(huán)氧樹脂修復(fù)后，極限荷載值有所提高，極限荷載后曲線也較陡，說明試件開裂也具有較大的脆性，而在經(jīng)過氯氧鎂水泥漿修復(fù)后，相比于原混凝土試件，極限荷載值有提高也有降低，也表現(xiàn)出較大的脆性特征。

5 斷裂參數(shù)比較與分析

根據(jù)試驗(yàn)獲得的P-CMOD曲線可以計(jì)算得到試件的起裂荷載、極限荷載、起裂斷裂韌度、失穩(wěn)斷裂韌度。根據(jù)線彈性漸進(jìn)疊加假定，雙K斷裂韌度的計(jì)算公式(式(1)、式(2))。計(jì)算結(jié)果列于表3及圖4、圖5。

(1)

f(α)=3.675×[1-0.12(α-0.45)]

/(1-α)3/2

(2)

式中，相對(duì)縫長(zhǎng)α=ac/D，ac為臨界有效裂縫長(zhǎng)度；B，D分別為試件厚度和高度。

圖3 三次楔入劈拉試驗(yàn)荷載-裂縫開口曲線

(3)

圖4為各個(gè)試件修復(fù)前后起裂荷載與極限荷載變化圖。可以發(fā)現(xiàn)，試件在環(huán)氧樹脂注膠修復(fù)后，起裂荷載與極限荷載都得到一定程度的提高，平均增幅分別為28.30%及24.30%，由此認(rèn)為注膠修復(fù)推遲了裂縫的開展；相比于氯氧鎂水泥漿修復(fù)后的試件，試件的起裂荷載與極限荷載都稍微下降，平均降幅分別為6.80%及9.60%。圖5為各個(gè)試件修復(fù)前后起裂斷裂韌度與失穩(wěn)斷裂韌度變化圖?？梢园l(fā)現(xiàn)，試件在環(huán)氧樹脂注膠修復(fù)后，起裂斷裂韌度與失穩(wěn)斷裂韌度都得到一定程度的提高，平均增幅分別為28.80%及18.60%，而氯氧鎂水泥漿修復(fù)后的試件，試件的起裂斷裂韌度與失穩(wěn)斷裂韌度都稍微下降，平均降幅分別為5.80%及6.20%。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，可以得出：經(jīng)過環(huán)氧樹脂修復(fù)后，試件的起裂荷載值、極限荷載值、起裂斷裂韌度與失穩(wěn)斷裂韌度得到不同幅度的提高，說明環(huán)氧樹脂加固技術(shù)能夠有效推遲試件裂縫的再開展，具有良好的修復(fù)裂縫的效果；而氯氧鎂水泥漿修復(fù)試件后，裂縫從粘結(jié)面重新開裂，相應(yīng)的起裂荷載值、極限荷載值、起裂斷裂韌度與失穩(wěn)斷裂韌度都有不同程度的下降，說明采用氯氧鎂水泥漿材料的修復(fù)效果沒有環(huán)氧樹脂修復(fù)效果好。

圖4 試件起裂荷載與最大荷載值比較

圖5 試件斷裂韌度比較

表3 楔入劈拉法試驗(yàn)結(jié)果

Table 3 Test results from wedge splitting test

試件Pini/kNPmax/kNKkini/(MPa·m1/2)Klcun/(MPa·m1/2)C50-14.868.140.431.21C50-26.8211.180.611.49C50-35.489.090.491.07C50-46.4710.760.581.30C50-55.5010.480.491.36C50-66.019.980.531.33平均值5.869.940.521.29RC50-17.5912.480.671.54RC50-27.5112.470.671.55RC50-47.2411.330.641.41RC50-57.6912.820.681.52RC50-67.5812.680.671.62平均值7.5212.360.671.53增幅/%28.3024.3028.8018.60RRC50-15.619.440.501.20RRC50-25.679.460.501.25RRC50-35.6810.180.501.06RRC50-44.606.660.410.93RRC50-55.098.210.451.49RRC50-66.109.980.541.32平均值5.468.990.491.21增幅/%-6.80-9.60-5.80-6.20

注：Pini為起裂荷載；Pmax為最大荷載；Kkini為起裂斷裂韌度；Klun為失穩(wěn)斷裂韌度。

6 結(jié) 論

通過研究上述環(huán)氧樹脂、氯氧鎂水泥漿兩種材料修復(fù)混凝土裂縫的楔入劈拉試驗(yàn)，可以得到以下結(jié)論：

(1) 楔入劈拉法可以作為研究加固材料與混凝土粘結(jié)面粘結(jié)性能試驗(yàn)方法，初次楔入劈拉試驗(yàn)與修復(fù)材料加固后的再次楔入劈拉試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，可以直觀反映加固材料對(duì)混凝土的加固效果。

(2) 通過楔入劈拉法試驗(yàn)結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，試件經(jīng)過環(huán)氧樹脂加固后，起裂荷載值、極限荷載值、起裂斷裂韌度與失穩(wěn)斷裂韌度得到不同幅度的提高，說明環(huán)氧樹脂有效修復(fù)裂縫，抑制裂縫的重新開展，達(dá)到修復(fù)混凝土的效果；而氯氧鎂水泥漿修復(fù)試件后，相應(yīng)的起裂荷載值、極限荷載值、起裂斷裂韌度與失穩(wěn)斷裂韌度都有不同程度的下降，說明采用氯氧鎂水泥漿材料的修復(fù)效果沒有環(huán)氧樹脂修復(fù)效果好。

(3) 相比于原混凝土試件的裂縫開展，可以將試件的起裂斷裂韌度作為表征混凝土-修復(fù)材料黏結(jié)界面的斷裂性的參數(shù)，直接反映修復(fù)效果的好壞。

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Zhao Yanhua, Xu Shilang, Wu Zhimin. A dual-G criterion for crack propagation in concrete structures [J]. China Civil Engineering Journal, 2004, 37(10): 13-18. (in Chinese)

Experimental Study of Repairing Concrete Cracks with Different Materials

XU Guangshu1,2,*ZHANG Yuanmiao3

(1. College of Civil Engineering, Southeast University, Nanjing 210009, China;

2. Department of Architecture, Nantong Vocational College, Nantong 226007, China;

3. Research Institute of Stnutural Engineering and Disaster Reduetion, Tongji University, Shanghai 200092, China)

Based on the wedge-splitting tests of concrete specimens repaired with epoxy and MOC, the fracture energy, double-K fracture parameters and destroyed mode of prototype specimens and repaired specimens are analyzed and contrasted. The results of the experiments indicate that the fracture capability and carrying capacity of the repaired specimens are remarkably improved which show that epoxy injection is an adequate method for repairing cracked concrete.Instead, the test values of fracture parameters from concrete specimens repaired by MOC are decreased. The results can be provided for references of the engineering application of epoxy and MOC in repairing concrete．

wedge splitting method, epoxy, MOC, double K fracture parameters

2013-12-23

江蘇省高等職業(yè)院校國(guó)內(nèi)高級(jí)訪問學(xué)者計(jì)劃資助項(xiàng)目(編號(hào)FX073)

*聯(lián)系作者，Email：495004469@qq.com