CN102680484B - 一种构筑物修复新旧界面粘结质量评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种构筑物修复新旧界面粘结质量评价方法，本方法中设计了一种新约束试件，此类试件是在一定形状的基体材料上制出具有一定形状的孔形，将新浇筑材料按要求浇筑在孔洞中，通过测试粘结界面各项性能指标，评价新旧界面粘结质量。此试件能对新浇筑材料产生约束作用，能反映新浇筑材料的膨胀收缩性对界面粘结质量的影响，此方法更接近于实际新浇筑材料受约束的情况。

Description

一种构筑物修复新旧界面粘结质量评价方法

技术领域

本发明涉及一种新旧材料界面粘结质量的评价方法，尤其是混凝土修补工程中新旧材料界面粘结质量的评价。

背景技术

国内外对结构的修复性能的研究和评价方法很大程度上都是基于新旧混凝土界面粘结质量，粘结强度是直接反映界面粘结质量的重要指标。目前各种评价界面粘结强度的方法只注重于粘结界面的不同受力情况，根据粘结界面的不同受力情况，粘结强度可分为：剪切、拉伸、拉（压）-剪三大类，主要有：Z型剪切型、斜剪切型、两端直接拉伸型、劈裂抗拉型、弯曲抗拉型等；在试件的构型上，采用一半是基体，另一半是修补材料，修补材料可自由收缩膨胀，修补材料膨胀收缩不会对界面粘结强度带来影响。

在实际混凝土结构缺陷修补中，如水泥混凝土路面坑槽、裂缝等的修复，旧混凝土基是稳固的，修补材料受到旧混凝土基体的约束作用，这使修补材料不能自由膨胀和自由收缩。在早期，当修补材料自身体积稳定性不良，特别是修补材料具有明显收缩性，由于旧基体的约束作用将会使粘结界面开裂，粘结力下降甚至失去粘结能力，修复失效；硬化后，修补材料与旧混凝土结构在各种环境因素（如荷载、温度、湿度等）的作用下，修补材料和基体都会产生体积变形，当修补材料与旧混凝土结构的协同变形性差，反复的荷载、温度、湿度等荷载就会使界面粘结质量迅速变差，使得修复失效。

上述常用几种界面粘结质量评价方法侧重于粘结界面的不同受力情况，而未反映修补材料或新混凝土的膨胀收缩性对界面粘结质量的影响，其难以精确地反应修补实际情况，评价结果对于实际应用时如何选择修补材料仅仅能够具有一定程度参考价值。

发明内容

针对上述现有技术不足，本发明要解决的技术问题是：怎样提供一种能够更加精确地反应实际修补情况，实际应用参考价值更高的构筑物修复新旧界面粘结质量评价方法；本方法能够反映出修补材料膨胀收缩性对界面粘结质量的影响，能够更加准确地评价出实际适用的混凝土修补材料。

为了解决上述技术问题，本发明中采用了如下的技术方案：

一种构筑物修复新旧界面粘结质量评价方法，其特点在于，设计了一种新约束试件，以待修复构筑物的材料制得试件基体（基体外形优选采用立方体形或者圆柱体形），基体上制出圆锥台形状的孔洞，锥面的倾斜角为θ变化范围0°～30°（包括0°和30°），将新浇筑材料浇筑到圆锥台孔洞内上、中或下三个部位形成试件，然后进行质量评价。其中，所述新浇筑材料浇筑的厚度优选为孔洞高度的1/5～1/2（该高度可以更加利于后续评价测试结果的显示）。

本方法，具体包括以下步骤：a、在待修复的构筑物上取下样品，制备试件基体，或者当待修复构筑物材料为钢材时，采用相同型号钢材制备试件基体，所述试件基体中部具有一圆锥台形状的贯穿的孔洞；b、将修补用的新浇筑材料浇筑到试件基体中的孔洞内形成圆锥台形并养护完毕，浇筑时在孔洞的至少一端留有余地；c、采用显微镜观察修补材料的粘结界面并采集裂纹宽度数值，得出表观质量；d、在试件基体的孔洞内留有余地的一端注满水，测试水面下降高度与时间的关系，得出渗水性能质量；e、将渗水测试后的试件采用50℃烘干（该温度能够有效地烘干试件，又避免温度过高对后续试验的影响），然后采用压力设备，用平整的压头从圆锥台形状的孔洞的小直径端竖直向下压浇筑的修补材料，测得修补材料与基体脱落时的压力值P，根据式（一）计算界面粘结强度，

     （式一）

其中：τ _θ  —— 粘结面倾斜角为θ时的粘结强度，单位：MPa；

          S —— 新浇筑材料与基体之间的粘结面积，单位：mm²；

          D —— 新浇筑材料上表面直径，单位：mm；

P ——  破坏荷载，单位：N；

H ——  浇筑厚度，单位：mm；

θ ——  粘结面与垂直方向的倾斜角度；

π——  圆周率。

上述技术方案中，公式一的推导过程为： 

界面粘结强度τ _θ 等于脱落时的破坏荷载P除以粘结面积S，破坏荷载P直接从仪器读取获得。新浇筑材料形状为圆锥台形状，锥面的倾斜角为θ，锥台高度为H，圆锥台上表面直径为D，圆锥台下底面直径D _底（易得

），粘结面积S就是圆锥台的侧面积。圆锥台是一个圆锥体截去一个小圆锥体剩下的部分，粘结面积S等于两个圆锥体侧面展开后的两个同心扇形面积之差（即粘结面积S等于大扇形面积S _扇大减去小扇形面积S _扇小）。扇形的面积公式为

，其中L为扇形的弧长、R为扇形的半径，小扇形的弧长等于圆锥台上表面的周长（即

），小扇形的半径等于截去小圆锥体的母线长（即

）；大扇形的弧长等于圆锥台下底面的周长（即

），大扇形的母线长等于圆锥体的母线长（即

）。

（式二）

（式三）

（式四）

 （式五）

将

、、、、

带入式五、式四、式三、式二可得界面粘结强度的表达式：

 （式一）

本发明中，直接采用待修复的混凝土构筑物取下样品制备试件基体（当测试修补材料与钢材之间的粘结性能时，基体就选用钢材），然后在基体中部开圆锥台孔后浇筑修复材料。

本发明的创新之处在于：新浇筑材料的四周为基体材料，基体材料将对新浇筑材料产生约束作用。这类试件能有效反映实际情况，当新浇筑材料具有明显收缩性时，由于基体约束作用，新浇筑材料不能自由收缩，将会在粘结界面产生拉应力，甚至在粘结面产生裂纹，沿着粘结界面出现一圈裂缝；当新浇筑材料具有明显膨胀性时，由于基体约束作用，新浇筑材料不能自由膨胀，将会在粘结界面产生压应力，有利于界面粘结质量，这样最大程度地模拟了实际修复状况。

本方法中，先对浇筑试件的表观质量进行评价，观测裂纹的大小及有无，然后进行渗水试验评估，最后进行粘结强度测试评估。这样对修复材料进行表观质量、渗水性能，粘结强度三方面的评价后再相互比较，即可得出最适合采用的修复材料（即选择表观质量裂纹最小，渗水性最小，粘结强度最高的修复材料）。由于本方法中，试件基体为采用实际待修复的混凝土构筑物取得，采用基体中部打孔的方式进行浇筑，即最大程度模拟了实际修复浇筑的情况，能够有效地反应出修补材料膨胀收缩性对界面粘结质量的影响，能够更加准确地评估选择出最适合实际应用的混凝土修复材料。

综上所述，相比于现有技术，本方法能够更加准确地反应实际修补情况，能够从多方面评估出修补材料膨胀收缩性对界面粘结质量的影响，进而能够更加准确地评价出实际适用的混凝土修补材料；实际应用参考价值更高。

附图说明

图1是本发明试件基体的一种结构示意图。

图2是本发明试件基体的另一种结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式、附图和具体实验对本发明的过程、原理、效果作进一步的详细说明。

本方法实施时，包括以下步骤：a、在待修复的构筑物上取下样品（当测试修补材料与钢材之间的粘结性能时，基体就选用钢材），制备试件基体，所述试件基体中部具有一圆锥台形状的孔洞，锥面的倾斜角为θ变化范围0°～30°（包括0°和30°）；b、将修补材料浇筑到试件基体中的孔洞内形成圆锥台形并养护完毕，浇筑时在孔洞的至少一端留有余地，所述新浇筑材料浇筑的厚度优选为孔洞高度的1/5～1/2；c、采用显微镜观察修补材料的粘结界面并采集裂纹宽度数值，得出表观质量；d、在试件基体的孔洞内留有余地的一端注满水，测试水面下降高度与时间的关系，得出渗水性能质量；e、将渗水测试后的试件采用50℃烘干（该温度能够有效地烘干试件，又避免温度过高对后续试验的影响），然后采用压力设备，用平整的压头从圆锥台形状的孔洞的小直径端竖直向下压浇筑的修补材料，测得修补材料与基体脱落时的压力值P，根据式（一）计算界面粘结强度，

     （式一）

其中：τ _θ  —— 粘结面倾斜角为θ时的拉-剪粘结强度，单位：MPa；

          S —— 新浇筑材料与基体之间的粘结面积，单位：mm²；

D —— 新浇筑材料上表面直径，单位mm；

P ——  破坏荷载，单位N；

H ——  浇筑厚度，单位：mm；

θ ——  粘结面与垂直方向的倾斜角度；

π——  圆周率。

本方法实施时，本方法中的试件基体，可以做为图1或图2所示的立方体或圆柱体等规则的几何体，这样可以方便后续的粘结强度测试的步骤，但具体实施时做为其他结构的几何体也应视为本技术方案的保护范围。在基体中部开的圆锥台形状的贯穿孔洞；基体外形和圆锥台上表面孔洞直径D ₁ （单位mm）和底面直径D ₂ （单位mm）的尺寸值无限制，以便于后续操作为准；圆锥台孔洞的锥面的倾斜角为θ，θ的可以优选取值范围0°～30°（包括0°和30°），大于30°后不利于粘结强度的测试，最佳θ取值可根据实验确定；当倾斜角θ为0°即D ₁ =D ₂ ，圆锥台孔洞的形状变成等直径的圆孔。实施时，浇筑修补材料时，新浇筑材料可浇筑于圆锥台孔洞的上、中、下三个部位。新材料可浇筑在上、中、下三个不同部位；新材料浇筑高度为H（单位mm），新材料浇筑上表面直径为D（单位mm），H和D无具体规定的尺寸值，只受到孔洞尺寸的限制。

为了进一步验证本发明中采用的新型试件基体对测试结果影响的效果，申请人采用本方法和旧抗折型试件进行了对比实验。在本实验中，新约束型试件的基体外形直径为150mm高度为30mm的圆柱体，选用大孔试件（D ₁ =70mm、θ=5°、D ₂ =75mm）和小孔试件（D ₁ =50mm、θ=5°、D ₂ =55mm）两种，修补位置选取上部（D=D ₁ ），高度H=10mm，二者区别是新材料浇筑的体积大小不同。旧抗折型试件的基体外形选取长×宽×高=60mm×40mm×40mm；选用修补长为100mm和50mm两种，二者区别是新材料浇筑的体积大小不同。实验中的基体选用抗压强度为50MPa的碎石混凝土，新浇筑的材料选取了磷酸盐水泥砂浆、普通硅酸水泥砂浆和硫铝酸盐水泥砂浆这3种，如表1和表2所示。磷酸盐水泥砂浆的配比（HN₄H₂PO₄:MgO:四硼酸钠:中砂:水=1:4:0.6:5:1）其中MgO 颗粒大小为过200目的重烧氧化镁，其余为市售工业级原料。普通酸盐水泥砂浆配比（水泥:中砂:减水剂:水=1:1:0.03:0.25），其中水泥等级P·O42.5，聚羧酸减水剂。硫铝酸盐水泥砂浆的配比（水泥:中砂:水=1:1:0.33），其中水泥为R.SAC42.5。本实验中所制备的磷酸水泥砂浆表现为膨胀性，普通硅酸盐水泥砂浆和硫铝酸盐水泥砂浆表现为收缩性。 

表1 新约束型试件的修补尺寸参数和浇筑材料的种类

M1

P1

S1

M2

P2

S2

修补材料

磷酸盐水泥砂浆

普通硅酸盐水泥砂浆

硫铝酸盐水泥砂浆

磷酸盐水泥砂浆

普通硅酸盐水泥砂浆

硫铝酸盐水泥砂浆

修补尺寸参数（D×H）

Ф70mm×10mm

Ф70mm×10mm

Ф70mm×10mm

Ф50mm×10mm

Ф50mm×10mm

Ф50mm×10mm

表2 旧抗折型试件的修补尺寸参数和和浇筑材料的种类

M1

P1

S1

M2

P2

S2

修补材料

磷酸盐水泥砂浆

普通硅酸盐水泥砂浆

硫铝酸盐水泥砂浆

磷酸盐水泥砂浆

普通硅酸盐水泥砂浆

硫铝酸盐水泥砂浆

修补尺寸参数（长×宽×高）

100mm×40mm×40mm

100mm×40mm×40mm

100mm×40mm×40mm

50mm×40mm×40mm

50mm×40mm×40mm

50mm×40mm×40mm

室温搅拌浇筑，放置温度20±1℃，相对湿度50%±4环境养护7天，采用表观质量、渗水性、界面粘结强度三个指标，对比了新约束型试件与旧抗折型试件对三种修补材料界面粘结质量的评价效果，展示了新约束型试件的有效性、先进性。

（1）表观质量

 将养护7天的试件，采用分辨率为5μm的显微镜观察粘结界面并采集裂纹宽度数值，进行对比。

旧抗折型试件：三种修补材料粘结界面都未明显的裂纹，粘结面宏观质量差别很小；未能有效地反映出修补材料收缩性的影响。

新约束型试件：①磷酸盐水泥砂浆Ф70mm组和Ф50mm组的粘结界面粘结紧密。②普通水泥砂浆Ф70mm组和Ф50mm粘结界面都出现裂纹，且裂纹大小分别为150μm和70μm。③硫铝酸盐水泥砂浆Ф70mm组和Ф50mm组粘结界面都出现裂纹，且裂纹大小分别为125μm和100μm。

不同膨胀收缩性能的修补材料在约束下，界面将会呈现不同表观质量，当修补材料有收缩性，粘结界面会出现裂纹，且修补尺寸越大，裂纹越宽。而旧抗折粘结方法则不能反映表观质量的差别，而本发明的新约束试件能反映这种差别。

（2）渗水实验

 将（1）中采集完表观质量的新约束型试件，在预留圆孔里注满水，测试水面下降高度与时间的关系，如表3所示。

表3新约束型试件水面下降高度与时间关系

M1

P1

S1

M2

P2

S2

20min

0

3.7mm

13.3mm

0

2.5mm

4.9mm

60min

0

4.5mm

17.3mm

0

2.9mm

5.3mm

磷酸盐水泥砂浆：Ф70mm组和Ф50mm组两种不同大小修补面积都未渗水，粘结好。普通硅酸盐水泥砂浆：Ф70mm组和Ф50mm组都渗水，且Ф70mm组的渗水性明显高于Ф50mm组。硫铝酸盐水泥砂浆：Ф70mm组和Ф50mm组都渗水，且Ф70mm组的渗水性明显高于Ф50mm组。

三者之间的比较：磷酸盐水泥砂浆组未渗水，硫铝酸盐水泥砂浆组渗水性最大，普通水泥砂浆组次之。渗水实验表明新约束型试件能有效反映不同修补材料之间的差异。

（3）界面粘结强度

   将（2）中渗水试验后的新约束型试件，放置50℃烘箱烘干后，按本发明的方法测试界面粘结强度。抗折粘结强度测试参照《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》GB/T17671—1999。 表4展示了旧抗折型方法所得的界面粘结强度，表.5展示了新约束型试件所得的界面粘结强度。

表4旧抗折型试件的界面粘结强度

单位MPa	磷酸盐水泥砂浆	普通硅酸盐水泥砂浆	硫铝酸盐水泥砂浆
				L=100mm组	10.9	5.6	2.2
L=50mm组	8.5	4.6	2.4

表5新约束型试件的界面粘结强度

单位MPa	磷酸盐水泥砂浆	普通硅酸盐水泥砂浆	硫铝酸盐水泥砂浆
				D=70mm组	9.8	0.5	0.2
D=50mm组	5.0	0.7	0.2

在约束下，修补材料膨胀将有利于提高界面粘结强度，修补尺寸增大，界面粘结强度会提高；而修补材料收缩将不利于界面粘结强度，且修补尺寸增大，界面粘结强度会降低。本实验中，表现膨胀性的磷酸盐水泥砂浆在旧抗折型和新约束型两种试件，都表现出尺寸愈大，粘结效果愈好。而表现收缩性的普通水泥砂浆和硫铝酸盐水泥砂浆在旧抗折型和新约束型中却正好相反；在旧抗折型试件中大尺寸并没有比小尺寸的强度低，而在新约束型试件中大尺寸比小尺寸的强度低；说明旧抗折型试件不能反映材料收缩对界面粘结质量的影响，而新约束型试件能够反映出这种影响。

由上述实验结果可知，本发明方法能实际、有效评价新旧界面粘结质量。

Claims (2)

1.一种构筑物修复新旧界面粘结质量评价方法，其特征在于，设计了一种新约束试件，以待修复构筑物的材料制得试件基体，基体上制出圆锥台形状的孔洞，锥面的倾斜角为θ变化范围0°～30°，将新浇筑材料浇筑到圆锥台孔洞内上、中或下三个部位形成试件，然后进行质量评价；具体包括以下步骤：a、在待修复的构筑物上取下样品，制备试件基体，或者当待修复构筑物材料为钢材时，采用相同型号钢材制备试件基体，所述试件基体中部具有一圆锥台形状的贯穿的孔洞；b、将修补用的新浇筑材料浇筑到试件基体中的孔洞内形成圆锥台形并养护完毕，浇筑时在孔洞的至少一端留有余地；c、采用显微镜观察修补材料的粘结界面并采集裂纹宽度数值，得出表观质量；d、在试件基体的孔洞内留有余地的一端注满水，测试水面下降高度与时间的关系，得出渗水性能质量；e、将渗水测试后的试件采用50℃烘干，然后采用压力设备，用平整的压头从圆锥台形状的孔洞的小直径端竖直向下压浇筑的修补材料，测得修补材料与基体脱落时的压力值P，根据（式一）计算界面粘结强度，

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{\θ}}=\frac{P}{S}=\frac{P\cos \mathrm{\θ}}{\mathrm{\πDH}+\mathrm{\π}{H}^2\tan \mathrm{\θ}}$ （式一）

其中：τ_θ——粘结面倾斜角为θ时的粘结强度，单位：MPa；

S——新浇筑材料与基体之间的粘结面积，单位：mm²；

D——新浇筑材料上表面直径，单位：mm；

P——破坏荷载，单位：N；

H——浇筑厚度，单位：mm；

θ——粘结面与垂直方向的倾斜角度；

π——圆周率。

2.如权利要求1所述的构筑物修复新旧界面粘结质量评价方法，其特征在于，所述新浇筑材料浇筑的厚度为孔洞高度的1/5～1/2。

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