UHPC结构界面处理方法研究综述

作者:王宁 王晨源 黄辰瑞 殷惠光 朱炯
单位:徐州工程学院土木工程学院
摘要:针对分段浇筑超高性能混凝土(UHPC)结构的界面黏结性能较差的问题,根据国内外已有研究与应用介绍界面处理方法,包括传统界面剂涂刷法、界面凿毛法及新型钢丝网格界面预处理法。基于不同方法的关键技术对比,研究各类界面处理方法对UHPC界面黏结性能的影响,其中钢丝网格预处理法(SWM)在保证钢纤维桥联作用效果最佳,也是最经济与最易操作的方法。
关键词:超高性能混凝土(UHPC) 黏结性能 纤维桥联 SWM法
作者简介: 王宁,本科在读,E-mail:1039695905@qq.com;
基金: 超薄UHPC桥面板基本力学性能研究(201911998058Y);

 

0 引言

超高性能混凝土(UHPC)是一种超高强、超高韧、高耐久的高性能水泥基复合材料[1]。UHPC基体的抗拉强度可达7MPa以上,由于掺加微细钢纤维,受拉开裂时纤维在开裂处起桥联作用,出现应变硬化现象[2]。UHPC因其优异的力学性能,在国内外被广泛应用于新建与加固工程,如装配式结构中的湿接缝及梁截面加大维修及后浇带等工程中[3]。湿接缝界面若不进行处理,则界面黏结性能差,受拉易开裂。此外,UHPC浇筑时温度较高,产生的水化热会导致UHPC开裂,一般通过分段浇筑解决此类问题,然而分段浇筑各段UHPC界面黏结力弱,结构整体性较差,界面薄弱主要因钢纤维在界面处难以起到桥联作用,同时接缝处的新旧混凝土存在收缩徐变不一致[4,5]

国内外学者对普通新旧混凝土界面黏结性能已进行大量研究,普遍认为新旧混凝土界面黏结力主要由范德华力、机械咬合力及化学作用力等构成,界面性能与界面的粗糙程度相关性较大[6]。对于UHPC,纤维的桥联对界面黏结的作用不可忽略,因此为提高分段浇筑UHPC界面黏结性能,目前在工程实践和科学研究中多采用界面剂涂刷法、凿毛法及新型界面钢丝网格预处理法等对界面进行粗糙处理。界面剂涂刷处理仅能提高界面的黏结度,不能使界面处钢纤维连续。凿毛法与新型界面钢丝网格预处理法在提高界粗糙读的同时能保证界面纤维露出,从而形成新旧混凝土间的桥联作用[7]

因此,UHPC界面黏结性能对结构的整体性能非常重要,不同界面处理方法对界面黏结性能的影响同样关键。

1 界面处理方法

1.1 界面剂涂刷法

使用界面剂涂刷法可在一定程度上保证新旧混凝土界面的黏结性能[8,9]。工程常见界面剂可分为水泥浆类、环氧类和聚合物类[10,11]。UHPC结构使用界面剂涂刷法难以发挥钢纤维的界面桥联作用,结构受力无法产生多缝开裂,其界面黏结特点与普通混凝土相似。

陈德宝等对不设缝的桥面板与通过涂刷环氧树脂的湿接缝进行轴心受拉试验发现,涂刷环氧树脂的接缝试件的开裂强度能达到不设缝试件的53.7%。李文超等对UHPC湿接缝进行正弯矩受弯试验,研究界面涂刷环氧树脂对接缝初裂的影响,由于界面均进行过钢丝网格预处理,因此涂刷环氧树脂仅提高初裂强度0.48%。

影响界面剂涂刷法效果的因素有以下几点。

1)界面剂涂刷方向侧面黏结强度明显低于顶面黏结强度。

2)界面剂厚度尚未有针对UHPC合理界面剂厚度的研究,参考普通混凝土相关研究,界面剂最大涂刷厚度不要超过3mm,最好以0.5~1.5mm为宜。

3)界面剂特性先浇混凝土的亲水性导致修补时会在其表面形成水膜,因此界面剂应具有高渗透、高抗拉等特性。

1.2 界面凿毛法

界面凿毛一般包括人工凿毛、机械刻痕、喷砂法与高压水枪凿毛等。由于UHPC基体强度高,人工凿毛与机器刻痕难度较大。

陈德宝等对钢-UHPC组合结构进行轴心受拉试验,研究高压水枪凿毛对结构抗裂性能的影响,试验通过不同水枪压力分别凿除粗骨料和细骨料,结果表明凿除细骨料和凿除粗骨料的开裂荷载分别为不设湿接缝试件的92.2%和81.9%。

影响界面凿毛法效果的因素有以下几点:(1)凿毛深度保证界面粗糙度的同时应考虑外力凿除对结构的损伤;(2)UH-PC养护时间由于UHPC基体强度大,在适宜强度下进行凿毛效果好、难度小。

1.3 新型钢丝网格预处理法

陆凯卫[12]提出新型钢丝网格预处理法(SWM),适用于分段浇筑的UHPC结构中,通过气钉枪将钢丝网格固定于先浇UHPC界面处木模板内侧。拆模时,UHPC表面被钢丝网带出部分混凝土,裸露出骨料及钢纤维,完成表面粗糙度预处理(见图1,2)。该方法可达到简单有效露出骨料与纤维的效果,后浇UHPC与露出的骨料、钢纤维进行有效界面黏结,从而保证界面连续。

李文超[13]进行UHPC接缝正弯矩试验,发现SWM法可对UHPC结构的界面粗糙度进行有效定量控制,与未进行界面处理的试件相比,初裂应力提高1.5MPa。

图1 SWM法工艺

图1 SWM法工艺

 

图2 SWM法处理效果

图2 SWM法处理效果

 

戚家南等[14]进行UHPC接缝负弯矩试验发现,采用SWM法处理的试件比不进行界面处理的试件开裂荷载和极限荷载分别提高42.9%和7.2%,截面弯曲开裂强度提高2.4MPa。

影响SWM法效果的因素有以下2点:(1)钢丝网格形状及间距可采用菱形网格、矩形网格、圆形网格等形状,网格间距宜控制在10~20mm,钢丝直径宜控制在2~4mm;(2)网格与模板间距网格需浅埋于混凝土内,拆模时方可在界面带出适量的混凝土,获得一定的粗糙度及保证纤维露出。

2 界面处理方法对比

2.1 纤维连续性

界面剂涂刷法不能使钢纤维在界面处连续,凿毛法及SWM法均能实现钢纤维在界面处连续,SWM法处理后的界面纤维取向优于凿毛法。

2.2 粗糙度可控性

凿毛法难以精确控制界面粗糙度,界面剂涂刷法根据界面剂的材料特性可较精确地控制界面的黏结性能,而SWM法介于二者之间,因为采用钢丝网格,其界面效果呈现标准的网格化刻槽效果。

2.3 可操作性

凿毛法对UHPC结构界面而言对机械等要求较高,经济性较低,耗时较长。界面剂涂刷法实施最简易,但由于界面剂的自身凝固特性,所以对于施工时间把控要求较高。SWM法不能对已有结构进行界面处理,仅可作为浇筑前的预处理,但简单经济、效果最佳。

3 结语

1)对于UHPC材料应保证界面纤维的连续性,因此不建议单独使用界面剂涂刷法。

2)根据不同施工条件选择合适的处理方法,对新建结构推荐采用SWM法进行界面预处理,简单高效;对于加固结构,推荐采用高压水枪凿除细骨料的方法。

3)既有试验未对结构界面的粗糙程度进行定量分析,粗糙度对界面黏结性能的影响还有待进一步研究。

 

 

参考文献[1]黄祥,刘天舒,丁庆军.超高性能混凝土研究综述[J].混凝土,2019(9):36-38.

[2]陈宝春,季韬,黄卿维,等.超高性能混凝土研究综述[J].建筑科学与工程学报,2014,31(3):1-24.

[3]张涟英,袁明,颜东煌,等.带竖向接缝的混凝土箱梁桥抗剪性能试验研究[J].桥梁建设,2017,47(4):66-71.

[4]邱柏初.预制桥面板在组合梁桥中的应用研究[J].世界桥梁,2011(6):30-33.

[5]邵旭东,李召辉,吴佳佳,等.钢-UHPC轻型组合桥面板局部修补技术试验[J].中国公路学报,2017,30(7):58-64.

[6]刘艳萌.新旧混凝土粘结技术研究[D].重庆:重庆大学,2006.

[7]陈德宝,曾明根,苏庆田,等.钢-UHPC组合桥面板湿接缝界面处理方式[J].中国公路学报,2018,31(12):154-162.

[8]陈峰,郑建岚.自密实混凝土与老混凝土粘结强度的直剪试验研究[J].建筑结构学报,2007,28(1):59-63.

[9] R C K WONG,S K Y MA,R H C WONG,et al.Shear strength components of concrete under direct shearing[J].Cement and concrete research,2007,37(8):1248-1256.

[10]王少波,郭进军,张雷顺,等.界面剂对新老混凝土粘结的剪切性能的影响[J].工业建筑,2001,31(11):35-38.

[11] A J GILLUM,B M SHAHROOZ,J R COLE.Bond strength between sealed bridge decks and concrete overlays[J].ACI structural journal,2001,98(6):872-879.

[12]陆凯卫.含粗骨料UHPC桥面板疲劳性能研究[D].南京:东南大学,2018.

[13]李文超.钢混组合结构装配式UHPC桥面板接缝构造与力学性能研究[D].南京:东南大学,2018.

[14] QI J N,BAO Y,WANG J Q,et al.Flexural behavior of an innovative dovetail UHPC joint in composite bridges under negative bending moment[J].Engineering structures,2019,200(1):49-57.
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