蔣雅君, 趙菊梅, *, 劉基泰, 何雨帝, 王虎群

(1. 西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院 交通隧道工程教育部重點實驗室, 四川 成都 610031; 2. 北京東方雨虹防水技術(shù)股份有限公司 特種功能防水材料國家重點實驗室, 北京 101309)

0 引言

目前,隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)由噴射混凝土初期支護(hù)、防水層和噴射或現(xiàn)澆混凝土二次襯砌組成[1-3],而其中的防水層在實際應(yīng)用中有2種形式。第1種是傳統(tǒng)的防水層形式,是在初期支護(hù)表面鋪設(shè)1層防水板和土工布,被定義為double shell lining (DSL)[4]。其缺點包括: 1)初期支護(hù)和防水板之間不粘結(jié),地下水很容易在防水板后面流動; 2)盡管有土工布保護(hù),但初期支護(hù)的不平整或機(jī)械穿孔也會對防水板造成破壞; 3)防水板的邊緣和接縫等不連續(xù)處也可能成為滲漏通道。第2種形式是基于噴膜防水的隧道支護(hù)結(jié)構(gòu),被稱為composite shell lining(CSL),該方式可以提高隧道防水質(zhì)量[5-6]。防水膜噴涂在初期支護(hù)表面,并與初期支護(hù)和二次襯砌粘結(jié)在一起,其優(yōu)點是整體性好、基面適應(yīng)性強(qiáng)、施工速度快。在過去的20年中,CSL這種方法已被應(yīng)用于世界各地的地下空間工程,如交通隧道、市政隧道、硐室和沉管隧道[4,7]。CSL與DSL的主要區(qū)別在于CSL的界面可在初期支護(hù)和二次襯砌之間形成拉伸和剪切粘結(jié)作用,從而提高隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)各層構(gòu)件的分擔(dān)荷載效果[5-6]。

由于對CSL結(jié)構(gòu)特別是在雙面粘結(jié)型防水層帶來的初期支護(hù)和二次襯砌的復(fù)合作用方面研究的不足,目前CSL的設(shè)計仍參照DSL的方法,未考慮界面分擔(dān)荷載的能力[8]。近年來,人們開始關(guān)注CSL的復(fù)合作用所帶來的益處,對CSL結(jié)構(gòu)和界面進(jìn)行了一系列研究。例如: Nakashima等[9]對復(fù)合噴射混凝土試樣進(jìn)行了4點彎曲和偏心壓縮試驗,以模擬典型的大彎矩和小彎矩壓縮軸力(箍筋應(yīng)力),結(jié)果表明,CSL試樣表現(xiàn)為復(fù)合截面,界面滑移極小;Johnson等[10]對復(fù)合試樣進(jìn)行了拉伸和剪切試驗,結(jié)果表明,在充分粘結(jié)的情況下,初期支護(hù)和二次襯砌之間剪切傳遞的復(fù)合作用有利于結(jié)構(gòu)受力;Vogel等[11]研究了噴涂在復(fù)合梁上的防水層的荷載分擔(dān)能力,結(jié)果表明,防水層可以傳遞剪力和彎矩,與數(shù)值模擬結(jié)果一致; Su等[12]通過對從噴射混凝土板上切割下來的復(fù)合試樣進(jìn)行室內(nèi)實驗,研究了軟土地基中CSL的界面參數(shù),結(jié)果表明,防水層厚度和基面粗糙度對界面剛度和強(qiáng)度沒有顯著影響;Su等[13]基于對CSL梁的研究和一系列實驗室測試,開發(fā)了一種數(shù)值分析方法,用于預(yù)測橫截面的應(yīng)變分布,并探索了防水層位置對復(fù)合作用程度的影響。

盡管上述研究在了解CSL結(jié)構(gòu)力學(xué)特性方面取得了長足進(jìn)步,但也存在一定的局限性。首先,研究假設(shè)防水層在受力達(dá)到力-位移曲線的峰值時失效,而實際上在短期荷載作用下,界面在達(dá)到峰值力之后仍需要一定的過程才會完全破壞,因此界面在進(jìn)入破壞階段后仍具有一定的承載能力。其次,關(guān)于界面力學(xué)行為的影響因素,以往的研究主要集中在基面粗糙度和防水層厚度上(結(jié)果表明界面參數(shù)對這2個因素并不敏感),但防水層的粘結(jié)強(qiáng)度對CSL的影響以及法向壓應(yīng)力的影響尚未得到系統(tǒng)研究。此外,防水層的剪切強(qiáng)度明顯低于襯砌混凝土的剪切強(qiáng)度。界面剪切滑移特性取決于防水層的剛度,而剛度則由防水層材料決定。因此,應(yīng)通過試驗獲得不同防水層特性的參數(shù),并通過調(diào)整界面的模量和剛度且與試驗結(jié)果進(jìn)行對比,以驗證數(shù)值模擬中模型的準(zhǔn)確性。

針對上述問題,本研究采用CSL復(fù)合試塊進(jìn)行粘結(jié)強(qiáng)度和壓剪試驗,深入探討CSL形式的防水層界面的剪切-滑移特性。研究中對試塊從開始到完全破壞整個過程中的應(yīng)力和位移值進(jìn)行記錄,并對界面的破壞行為進(jìn)行分析,獲得剪切-滑移過程中的界面力學(xué)參數(shù),以討論防水層材料類型和法向壓應(yīng)力對這些參數(shù)的影響。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

試驗材料包括防水材料和混凝土襯砌材料。防水材料選用聚合物水泥防水材料,襯砌材料按照GB/T 16777—2008《建筑防水涂料試驗方法》中的粘結(jié)強(qiáng)度測試要求,采用強(qiáng)度等級為42.5的硅酸鹽水泥和中砂制成的砂漿塊進(jìn)行模擬。

聚合物水泥防水涂料是由液料(包括合成聚合物膠乳、各種添加劑)和粉料(包括特種水泥、石英粉、各種添加劑)組成的雙成分防水材料(見圖1)。它具有聚合物材料的高彈性和無機(jī)材料的良好耐久性,其柔韌的力學(xué)性能、耐水性和耐候性以及無毒無污染的特點適合在實驗室試驗中模擬噴涂防水膜[14]。此外,防水層的粘結(jié)強(qiáng)度、伸長率和拉伸強(qiáng)度等性能可根據(jù)2種組分的不同混合比例進(jìn)行調(diào)整[15]。

(a) 粉料

為了探索防水層性能對粘結(jié)和壓剪條件下測試結(jié)果的影響,按照液料和粉料的不同質(zhì)量比制備3種聚合物水泥復(fù)合材料。通過單軸拉伸試驗測定的不同配比防水層試樣的力學(xué)性能指標(biāo)如表1所示。試驗結(jié)果表明,從Ⅰ型到Ⅲ型,防水層的柔韌性隨著粉末比例的增加而降低。

表1 不同混合配比防水層的力學(xué)性能

1.2 試樣制備

分別制備2種不同類型的復(fù)合試塊進(jìn)行粘結(jié)和壓剪試驗,其中防水膜的厚度控制在3 mm。

1.2.1 粘結(jié)試驗試塊

形狀為“8”字形、厚度為22.5 mm的復(fù)合試塊(見圖2(a))是用水泥砂漿在金屬模具(見圖2(b))中成型的。待砂漿塊固化成型后,用砂紙將每個砂漿塊的粘合表面擦拭干凈。將不同質(zhì)量比的混合聚合物水泥防水涂料的液體和粉末材料攪拌5 min,消除混合物中明顯的顆粒; 然后,將混合物均勻涂刷在砂漿塊的粘合面上,粘合密實; 最后,在標(biāo)準(zhǔn)條件(溫度25 ℃,相對濕度55%)下固化7 d后,用橡膠帶固定試塊。

(a) 試塊(單位: mm)

1.2.2 壓剪試驗試塊

壓剪試驗的復(fù)合試塊制備如圖3所示。壓剪試驗采用由1層聚合物水泥防水膜和2塊砂漿塊組成的復(fù)合試塊,單塊尺寸為70 mm×70 mm×35 mm(長×寬×高)。將水泥砂漿倒入模具高度的1/2(模具中間有一個刻度線),形成砂漿塊。防水膜材料的制備與粘結(jié)強(qiáng)度試樣制備相同,之后將混合料在兩側(cè)粘合面上各涂抹2次,形成防水層。2次涂抹的間隔時間為4～12 h,第2次涂抹后粘接2個砂漿塊。隨后,在標(biāo)準(zhǔn)條件下固化7 d,用橡膠帶固定試塊?？偣仓苽淞?7個試塊,用于不同配比防水材料和法向壓應(yīng)力組合的壓剪試驗。

(a) 試件組成示意

1.3 試驗方法和過程

1.3.1 粘結(jié)強(qiáng)度試驗

測試使用了配備1 kN和10 kN傳感器的電子萬能試驗機(jī),其精度等級為0.5(即相對誤差在± 0.5%以內(nèi))。由計算機(jī)控制的電子萬能試驗機(jī)如圖4(a)所示。安裝在夾具中的試塊如圖4(b)所示?！?”字形復(fù)合試塊被安裝在直接拉伸夾具中。拉伸速度為1 mm/min,試驗過程中記錄拉伸力和位移數(shù)據(jù)。

(a) 萬能試驗機(jī)

每批復(fù)合試塊測試5次,粘結(jié)強(qiáng)度根據(jù)該批試塊的算術(shù)平均值確定。拉伸粘結(jié)應(yīng)力

σb=F/(a×b)。

(1)

式中:F為拉力,N;a和b分別為粘結(jié)面的長度和寬度,mm。

1.3.2 壓剪試驗

采用自行設(shè)計的試驗裝置進(jìn)行壓剪試驗。壓剪試驗裝置如圖5所示,由壓剪夾具、常壓傳感系統(tǒng)(包括止推螺栓和膠囊傳感器)和剪切加載系統(tǒng)組成。剪切力由電子萬能試驗機(jī)的匹配上壓頭提供,法向壓應(yīng)力由水平推力螺栓施加。最大剪切力為10 kN,剪切位移為0～20 mm,剪切位移速率設(shè)定為1 mm/min。試塊界面的法向壓應(yīng)力分別為0.1、0.3、0.5 MPa,相應(yīng)的壓力值分別為490、1 470、2 450 N。

(a) 試驗裝置實物

將試塊安裝在夾鉗中,并用預(yù)緊螺栓固定。旋轉(zhuǎn)推力螺栓推動夾具,直到達(dá)到目標(biāo)法向壓應(yīng)力。剪切應(yīng)力數(shù)據(jù)由連接到上壓頭的高精度力傳感器采集。法向壓應(yīng)力數(shù)據(jù)由膠囊傳感器采集,并由數(shù)字指示器顯示(采集范圍為0～10 kN,單位為10 N)。剪切位移數(shù)據(jù)相當(dāng)于試驗機(jī)橫梁的位移。測試時,首先施加法向壓應(yīng)力,然后控制試驗機(jī)橫梁剪切移動。當(dāng)剪切應(yīng)力-位移曲線達(dá)到峰值時,界面被視為失效。

為了評估界面的粘結(jié)性能參數(shù),從剪切應(yīng)力-位移曲線中獲得以下參數(shù): 剪切強(qiáng)度、殘余剪切強(qiáng)度、剪切模量、剪切滑移能量和剪切失效位移。根據(jù)峰值剪切力和剪切面積,利用式(2)得出剪切強(qiáng)度。根據(jù)殘余剪切應(yīng)力,殘余剪切強(qiáng)度由式(3)得出。應(yīng)力和位移增量分別為Δτ和ΔS,剪切模量G由式(4)得出。界面剪切-滑移能量是剪切應(yīng)力-位移曲線下方和橫向軸線上方的面積。剪切失效位移是界面完全破壞并開始滑移時的位移值。

τm=Sm/A。

(2)

τr=Sr/A。

(3)

G=Δτ/ΔS。

(4)

式(2)—(4)中:τm為剪切強(qiáng)度,MPa;Sm為峰值剪切力,N;A為剪切面積,150 mm×150 mm;τr為殘余剪切強(qiáng)度,MPa;Sr為殘余剪切力,N;G為剪切模量,MPa/mm; Δτ為應(yīng)力增量,MPa; ΔS為位移增量,mm。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 試驗結(jié)果

2.1.1 粘結(jié)強(qiáng)度試驗結(jié)果

3種試件的拉伸應(yīng)力-位移曲線如圖6所示。由圖可知: 1)從Ⅰ型到Ⅲ型,拉伸應(yīng)力峰值增大,拉伸破壞位移減小。2)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型的峰值應(yīng)力(即粘結(jié)強(qiáng)度)分別為1.06、1.13、1.35 MPa。這一趨勢與防水膜的拉伸強(qiáng)度相似,即隨著粉料用量比率的提高,防水膜的柔韌性降低,而粘結(jié)作用增強(qiáng)。

(a) Ⅰ型

在粘結(jié)強(qiáng)度試驗中,有2種可能的失效形式。

1)剝離失效。砂漿塊表面與防水層之間的粘結(jié)強(qiáng)度低于防水層的內(nèi)聚強(qiáng)度,導(dǎo)致防水層在粘結(jié)面剝離。

2)內(nèi)聚失效。粘結(jié)強(qiáng)度超過防水層的內(nèi)聚強(qiáng)度,使防水層在拉伸過程中失效。在本文的粘結(jié)強(qiáng)度試驗中的典型破壞形式是剝離破壞,即防水層與砂漿表面完全分離(見圖7),這表明3種防水膜的粘結(jié)強(qiáng)度都低于其內(nèi)聚強(qiáng)度。

圖7 粘結(jié)強(qiáng)度試驗的界面破壞形式

2.1.2 壓剪試驗結(jié)果

壓剪試驗觀察到2種形式的剪切破壞。

1)由于粘結(jié)強(qiáng)度不足造成的剝離破壞,即防水層整體發(fā)生剪切剝離(見圖8(a))。

(a) 剝離破壞

2)剝離-內(nèi)聚破壞,即部分防水層在剪切應(yīng)力作用下受損(見圖8(b))。

不同類型試塊的剪切應(yīng)力-位移曲線如圖9所示。由圖可以看出: 1)法向壓應(yīng)力對峰值剪切應(yīng)力的影響小于防水層材料特性的影響。2)對于Ⅰ型,不同法向壓應(yīng)力下的平均峰值剪切應(yīng)力分別為0.600、0.616、0.628 MPa。3)在相同的0.1 MPa法向壓應(yīng)力下,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型的平均峰值剪切應(yīng)力分別為0.600、0.773、0.893 MPa。4)在相同防水層材料的條件下,發(fā)生峰值剪切應(yīng)力時的位移非常接近,僅受法向壓應(yīng)力變化的輕微影響,這表明防水層的粘結(jié)強(qiáng)度和內(nèi)聚強(qiáng)度對界面剪切滑移特性更為重要。5)法向壓應(yīng)力對殘余剪切強(qiáng)度和剪切失效位移的影響更大。對于同一類型的防水層材料,隨著法向壓應(yīng)力的增加,曲線呈現(xiàn)出向上和向右偏離的趨勢。這表明剪切持續(xù)時間更長,即破壞時的剪切位移和殘余剪切強(qiáng)度更大。

(a) Ⅰ型,0.1 MPa

在工程應(yīng)用中,通常更關(guān)注CSL的峰值剪切應(yīng)力,而不是殘余剪切強(qiáng)度。結(jié)合第2.1.1節(jié)的討論,可以推斷出界面的粘結(jié)強(qiáng)度和防水層材料的力學(xué)特性對CSL界面的剪切-滑移特性非常重要。

2.2 界面剪切-滑移特性

在粘結(jié)強(qiáng)度試驗中,不同類型的防水層材料會導(dǎo)致不同的結(jié)果(如圖6所示的拉伸峰值應(yīng)力和拉伸破壞位移的差異)。因此,有必要探討不同類型的防水層材料對這些界面參數(shù)的影響,為防水膜材料的應(yīng)用提供指導(dǎo)。此外,也有必要分析法向壓應(yīng)力對剪切參數(shù)的影響。防水層材料類型和法向壓應(yīng)力對界面力學(xué)參數(shù)的影響結(jié)果如圖10所示。

(a) 剪切強(qiáng)度

由圖10可知,防水層材料特性與法向壓應(yīng)力對界面力學(xué)特性參數(shù)的影響如下。

1)界面剪切強(qiáng)度。界面剪切強(qiáng)度表示軟化前的最大抗剪能力。CSL結(jié)構(gòu)中的壓剪作用主要由圍巖壓力和變形引起,并通過隧道襯砌傳遞影響到防水層。一旦作用力超過界面剪切強(qiáng)度,界面(防水層或粘結(jié)面)就會受到不可修復(fù)的破壞,從而削弱防水層的功能。2個因素對界面剪切強(qiáng)度的影響如圖10(a)所示。其中防水層材料特性對剪切強(qiáng)度的影響更大,這再次證明了材料特性的重要性。

2)界面殘余剪切強(qiáng)度。試塊剪切破壞后仍有一定的應(yīng)力;此外,隨著剪切位移的進(jìn)一步增加,應(yīng)力值的變化范圍很小。剩余的剪切應(yīng)力稱為界面殘余剪切強(qiáng)度,代表CSL界面在破壞后所能承受的最大剪切應(yīng)力。2個因素對界面殘余剪切強(qiáng)度的影響如圖10(b)所示。從Ⅰ型到Ⅲ型,殘余剪切強(qiáng)度呈上升趨勢,隨著法向壓應(yīng)力的增加,上升趨勢變得不那么明顯。隨著法向壓應(yīng)力從0.1 MPa增加到0.5 MPa,殘余剪切強(qiáng)度顯著增加。由此可以得出結(jié)論,殘余剪切強(qiáng)度受法向壓應(yīng)力的影響更大。這是因為界面破壞后,殘余剪切應(yīng)力主要由與法向壓應(yīng)力正相關(guān)的摩擦力提供。

3)界面剪切模量。界面剪切模量與防水層的力學(xué)性能以及與砂漿塊之間的粘結(jié)力有關(guān)。同時,法向壓應(yīng)力也會影響剪切模量。2個因素對界面剪切模量的影響如圖10(c)所示。從Ⅰ型到Ⅲ型,在0.1 MPa的法向壓應(yīng)力下,剪切模量增加了120.2%,在0.3 MPa的法向壓應(yīng)力下剪切模量增加了153.3%,在0.5 MPa的法向壓應(yīng)力下剪切模量增加了162.4%。隨著法向壓應(yīng)力從0.1 MPa增加到0.5 MPa,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型試塊的剪切模量分別增加了15.5%、48.1%、37.6%。由此可以得出結(jié)論,界面剪切模量受防水層材料類型的影響較大,因為在剪切彈性階段,剪切應(yīng)力主要由防水層提供。

4)界面剪切-滑移能量。將應(yīng)力-位移曲線積分乘以接觸面積,即可得到界面剪切-滑移能量,這反映了界面從彈性階段過渡到破壞所需的能量。界面從開始到破壞需要經(jīng)歷一個剪切過程,所需的界面剪切滑移能量越大,破壞的脆性就越小。2個因素對界面剪切滑移能量的影響如圖10(d)所示。可以看出,界面剪切滑移能量受法向壓應(yīng)力的影響更大,因為當(dāng)法向壓應(yīng)力增大時,摩擦起主導(dǎo)作用。

5)界面剪切失效位移。界面剪切失效位移表示界面承受剪切變形所施加位移的能力。2個因素對破壞時界面剪切位移的影響如圖10(e)所示?？梢钥闯?隨著防水層的柔韌性增加,界面剪切失效位移也在增加。同時,法向壓應(yīng)力對界面剪切失效位移也有不可忽略的影響。

結(jié)合第2.1.2節(jié)的討論,可以看出防水層的材料特性,尤其是與混凝土表面的粘結(jié)能力,對CSL的界面剪切-滑移特性更為重要。此外,防水層的內(nèi)聚強(qiáng)度決定了剪切滑移過程中的破壞形式和完整性,這對保持防水層的防水功能非常重要。

3 結(jié)論與探討

本研究根據(jù)粘結(jié)強(qiáng)度和壓剪試驗對CSL復(fù)合試塊的剪切-滑移特性進(jìn)行分析,獲得3種類型防水層材料的拉伸應(yīng)力-位移曲線以及界面剪切應(yīng)力-位移曲線。此外,還討論了防水層材料類型和法向壓應(yīng)力對界面參數(shù)的影響。主要結(jié)論如下:

1)防水層的粘結(jié)強(qiáng)度隨著其力學(xué)性能的提高而增加。由粘結(jié)強(qiáng)度試驗中觀察到的破壞形式可知,粘結(jié)強(qiáng)度低于防水層內(nèi)聚強(qiáng)度。這表明, 當(dāng)防水層從混凝土表面剝離時依然保持其完整性而不被破壞,力學(xué)性能(尤其是內(nèi)聚強(qiáng)度) 非常重要。

2)防水層材料特性和法向壓應(yīng)力是影響界面剪切滑移特性的2個重要因素。其中,防水層材料特性對界面剪切強(qiáng)度和剪切模量的影響較大,而殘余剪切強(qiáng)度、剪切滑移能量和剪切失效位移受法向壓應(yīng)力的影響較大。

本文暫時還未研究基面粗糙度、防水層與初期支護(hù)及二次襯砌不同粘結(jié)強(qiáng)度對界面力學(xué)特性的影響,以及地下水作用對防水層性能的影響等問題,這些將在后續(xù)的研究工作中進(jìn)一步進(jìn)行探討。