陶粒混凝土-普通混凝土环氧树脂界面冻融后抗剪性能试验研究.pdf

第55卷第4期2023年8 月DOI:10.15986/j.1006-7930.2023.04.013西安建筑科技大学学报（自然科学版）J.Xian Univ.of Arch.&Tech.(Natural Science Edition)Vol.55No.4Aug.2023陶粒混凝土-普通混凝土环氧树脂界面冻融后抗剪性能试验研究朱红兵1.2.3，郭正发，韩蓓1，段亦雪1（1武汉科技大学城市建设学院，湖北武汉430 0 0 6 5；2.城市更新湖北省工程研究中心，湖北武汉430 0 6 5；3.武汉科技大学高性能工程结构研究院，湖北武汉430 0 6 5）摘要：采用全轻陶粒混凝土加固普通混凝土构件，可在实现既有结构性能提升的同时降低加固体自重，改善加固结构承载特性。为研究新老混凝土环氧树脂粘结界面冻融损伤后抗剪性能退化规律，开展了7 组新老混凝土试件和2 组整浇试件的冻融试验，测试各组试件分别在经历0、5、10、15、2 0、2 5及30 次冻融后的界面抗剪强度，分析试件外观损伤、抗剪破坏形态及抗剪强度退化规律，研究结果表明：冻融次数低于15时试件剪切破坏均发生在普通混凝土与环氧树脂界面剂之间，冻融次数超过2 5时发生在全轻陶粒混凝土与环氧树脂界面剂之间，152 5次时为过渡状态；冻融后试件界面抗剪强度出现明显退化，经历5、10、15、2 0、2 5、30 次冻融循环后，界面抗剪强度较冻融前的下降率分别为7.8 3%、2 0.91%、25.54%、31.11%、36.54%、45.2 7%建立了环氧树脂界面的抗剪强度退化计算公式，可较准确地预测出冻融后环氧树脂界面抗剪强度研究结论可为工程结构加固及类似新老混凝土连接界面研究与设计提供参考.关键词：全轻陶粒混凝土；混凝土结构加固；冻融；环氧树脂界面；抗剪性能；试验；计算公式中图分类号：TU37；U 445.7+2Experimental study on shear resistance properties of epoxy resin interface ofordinary concrete members-lightweight ceramsite concrete after freeze-thaw(1.School of Urban Construction,Wuhan University of Science and Technology,Wuhan 430065,China;2.Hubei Provincial Engineering Research Center of Urban Regeneration,Wuhan 430065,China;3.Institute of High Performance Engineering Structure,Wuhan University of Science and Technology,Wuhan 430065,China)Abstract:Using lightweight ceramsite concrete to strengthen ordinary concrete members can improve theperformance of existing structures,reduce the dead weight of added solids,and improve the bearing characteristicsof strengthened structures.In order to study the degradation law of shear performance of epoxy resin bondinginterface of new and old concrete after freeze-thaw damage,the freeze-thaw tests of 7 groups of new and oldconcrete specimens and 2 groups of cast-in-place specimens were carried out.The interfacial shear strength of eachgroup of strengthened specimens after 0,5,10,15,20,25 and 30 freze-thaw cycles was tested,and theappearance damage,shear failure morphology and degradation law of shear strength of specimens were analyzed.The results show that when the freeze-thaw times are less than 15,the shear failure occurs between ordinaryconcrete and epoxy resin interface agent,and when the freeze-thaw times are more than 25,the shear failure occursbetween all lightweight ceramsite concrete and epoxy resin interface agent,and it is in a transitional state when thefreeze-thaw times are 15-25.After freezing and thawing,the shear strength of the interface of the specimen showssignificant degradation.After 5,10,15,20,25,and 30 freezing and thawing cycles,the shear strength of theinterface decreases by 7.83%,20.91%,25.54%,31.11%,36.54%,and 45.27%,respectively,compared withthat before freezing and thawing.The shear strength degradation formula of epoxy resin interface is established,收稿日期：2 0 2 2-11-11基金项目：国家自然科学基金项目（52 17 8 18 2）；湖北省高等学校优秀中青年科技创新团队计划基金项目（T2022002）；武汉科技大学湖北省“十四五 优势特色学科（群）基金项目（2 0 2 3D0501)第一作者：朱红兵（197 7 一），男，博士，教授，博士生导师，主要研究方向为混凝土结构耐久性E-mail：z h u h o n g b i n g w u s t.e d u.c n文献标志码：AZHU Hongbing.2.3,GUO Zheng fa,HAN Bei,DUAN Yiauel修回日期：2 0 2 3-0 7-16文章编号：10 0 6-7 930（2 0 2 3)0 4-0 57 8-0 7第4期which can accurately predict the shear strength of epoxy resin interface after freezing and thawing.The researchconclusions can provide reference for the research and design of engineering structure reinforcement and similar newand old concrete connection interface.Key words:lightweight ceramsite concrete;concrete structure reinforcement;freezing and thawing;epoxy resin in-terface;shear resistance;experiment;calculation formula增大截面法是混凝土墩柱构件加固的一种常用方法，该法能增加构件的承载力和刚度，明显改善结构的力学性能1由于增大截面会在一定程度上增加构件自重，增加下部结构和地基基础的荷载，在不少工程中面临较大困难，制约了增大截面法的应用范围2 本文提出采用全轻陶粒混凝土(新混凝土)作为加固用混凝土，充分利用其轻质高强的物理力学特性，实现既能满足加固结构的力学性能要求，又能有效控制因加固引起的结构自重增量增大截面法加固时，新老混凝土之间协同工作的关键在于连接界面的粘结性能，界面粘结形式比较常见的有三种方式：在新老混凝土粘结界面涂抹界面剂、界面植筋、施作切槽或凿毛等构造1,3-4 对于施工便捷性和减少对既有结构的损伤角度，涂抹界面剂具有很大的优势，而环氧树脂界面剂相比于其他界面剂具有更好的力学性能，发展空间更大3,5.剪力传递是新老混凝土之间传力的主要形式，界面抗剪强度是衡量新老混凝土协同工作性能的关键指标6-7 在经历冻融循环后，新老混凝土界面的粘结性能会出现劣化，其劣化规律需要通过试验及分析予以明确8-9 对涂刷环氧树脂界面剂的新老混凝土连接界面的试验研究表明：新老混凝土结合面的粘结性能直接决定了修补后的新老混凝土的粘结强度，新混凝土强度对新老混凝土界面的粘结性能的影响有限，过分追求新混凝土强度不经济7 ；新老混凝土粘结的力学性能较新、老混凝土本身更弱10-1；冻融后新老混凝土抗折试件的破坏模式有粘结面处破坏和强度较低的混凝土破坏12-13 可见，现有研究对环氧树脂加固界面的力学性能进行了积极探索，但是采用全轻陶粒混凝土作为加固用的新混凝土则缺少相关研究报道尤其是在经历冻融循环后，环氧树脂界面剂与新老混凝土的粘结性能会出现退化，界面抗剪强度随着冻融循环次数的增加而降低14-16 ，但对受冻融影响的界面抗剪强度退化规律还不明晰对经受冻融循环后全轻陶粒混凝土与普通混凝土间环氧树脂连接界面及周边混凝土的抗剪性能退化开展试验研究，并建立冻融循环后环氧树脂界面抗剪强度的退化规律，对工程实践非常有朱红兵，等：陶粒混凝土-普通混凝土环氧树脂界面冻融后抗剪性能试验研究1.1新老混凝土共用原材料（1）水泥采用湖北华新水泥股份有限公司生产的P.O.42.5普通硅酸盐水泥，技术指标如表1；表1水泥性能指标Tab.1Cement performance indexes初凝时丝终凝时抗压强度/MPa抗折强度/MPa安定性间/min1间/min3d28d3 d合格110（2）拌和水采用武汉市自来水；（3）环氧树脂界面剂：水性环氧树脂乳液，性能见表2.表2 环氧树脂乳液性能指标Tab.2IPerformance index of epoxy resin emulsion状态外观易刷性强度/MPa强度/MPa间/d液体乳黄易刷1.2音普通混凝土材料及配合比（1）粗骨料为连续级配碎石，表面粗糙，最大粒径 2 5 mm;（2）细骨料采用普通河砂（中砂），表观密度为2.54g/cm，细度模数为2.91；（3）配合比参考普通混凝土配合比设计规程(JGJ552011)经过试配得到，如表3实测2 8 d立方体抗压强度、抗拉强度平均值分别为35.4MPa、2.472MPa，2 8 d 弹性模量值为30.44GPa.579意义17-18 ,为探讨全轻陶粒混凝土加固普通混凝土构件环氧树脂粘结界面在冻融损伤后的抗剪性能退化规律，本文开展了7 组新老混凝土试件和2 组整浇试件的冻融试验，测试了各组试件分别在经历0、5次、10、15、2 0、2 5及30 次冻融后的界面抗剪强度，分析了各组试件的外观损伤、抗剪破坏形态及抗剪强度退化规律，最终建立环氧树脂界面的抗剪强度退化计算公式，以达到可较准确地预测出冻融后环氧树脂界面抗剪强度的目标。1混凝土配合比及试件制作老混凝土采用普通混凝土，新混凝土采用全轻陶粒混凝土.28 d35022.547.3剪切粘结拉伸粘结固化时1.60.84.87.62580Tab.3 Mix proportion of ordinary concrete(Unit:kg/m)强度等级C301.3全全轻陶粒混凝土材料及配合比（1）粗骨料选用宜昌光大陶粒制品有限公司生产的90 0 级碎石型页岩陶粒，试验前将陶粒在水中浸湿2 h，取出沥干12 h后使用参数见表4；表4页岩陶粒性能指标Tab.4Performance indexes of shale ceramsite粒径堆积密度/mm/(kg m-3)/(kg:m-3)520814（2）细骨料采用陶砂，直径小于5mm.见表5；表5陶砂物理性能指标Tab.5Physical performance indexes of ceramic sand表观密度/(kg:m3)/(kg m-3)1823890（3）减水剂采用HSC 聚羧酸高性能减水剂,减水效率为2 5%；(4）配合比参考轻骨料混凝土技术规程(JGJ/T12一2 0 19)和预研成果并经多次试配，全轻陶粒混凝土LC50的配合比如表6 所示实测2 8 d立方体抗压强度、抗拉强度平均值分别为52.1MPa、2.660MPa，2 8 d 弹性模量值为33.56 GPa.表6 全轻陶粒混凝土配合比（单位：kg/m）Tab.6Mix proportion of full lightweightceramsite concrete(Unit:kg/m)强度等级陶粒陶砂水泥LC505501.4全轻陶粒混凝土-老混凝土试件（1）老混凝土试件制作与养护根据混凝土配合比，浇筑好10 0 mmX100mmX200mm的老混凝土试块，待2 0 环境养护2 4h成型后拆模脱模后试件放在温度为2 0 土2，相对湿度9 5%的混凝土养护箱内养护至2 8 d；（2）老混凝土试件界面处理老混凝土试块养护2 8 d后，清除表面浮浆，选择10 0 mm100mm的自然面作为与陶粒混凝土连接的粘结面，在老混凝土粘结面均匀涂抹环氧树脂界面剂，厚度按1.5 mm控制;西安建筑科技大学学报(自然科学版)表3普通混凝土配合比（单位：kg/m）碎石砂1251512表观密度筒压强度1h吸水/MPa率/%15176.8堆积密度含泥量/%细度模数23.5水减水剂620600第55卷（3）全轻陶粒混凝土浇筑.按表6 配合比制作全轻陶粒混凝土将已涂抹界面剂的老混凝土试块放回10 0 mm100mmX400mm的试模，涂抹水泥水4611752.431545.1界面剂的粘结面临空并与后浇全轻陶粒混凝土连接将拌和好的陶粒混凝土倒入装有老混凝土的模具的剩余10 0 mm100mmX200mm空间将浇筑成型的新老混凝土试件放在2 0 环境下48 h，待成型后脱模脱模后试件在混凝土养护箱内标准养护 2 8 d.图1为试件示意图，浇筑后试件照片见图2.全轻陶粒混凝土粘结界面普通混凝土001001K200图1环氧树脂界面试件整体示意（单位：mm)Fig.1 Overall schematic diagram of epoxy resin interfacespecimen(Unit:mm)图2 浇筑陶粒混凝土后试件照片Fig.2 Photos of test pieces after ceramsite concrete pouring2冻融后试件界面抗剪性能退化试验2.1冻融试验制作33个全轻陶粒混凝土-老混凝土的环氧树脂界面试件，分别在试件冻融0、5、10、15、2 0、25、30 次后，观察或测试试件外观损伤、界面损伤，界面抗剪强度性能指标为便于对比分析，另制作了1组普通混凝土整浇试件和1组全轻陶粒混凝土试件试验分组见表7.冻融试验在国产TDRI型混凝土自动快速冻融机上进行，温控试件的温度控制在一1515之间，由棱柱体试验中心的温度探头和冷冻液中的温度探头通过控制柜自动控制，一个冻融循环时间3h左右，试件在冻融过程中始终处于水饱和状态冻融试验前，将试件放置在2 0 士3的清水中浸泡4d，然后放入冻融机内正式试验.*200第4期试验过程中，分别对试件在清水中进行5、10、15、2 0、2 5、30 次冻融循环，达到预定次数Tab.7 Test groups and interface shear strength after freezing and thawing界面抗剪强度/MPa试件编组界面类型NC-T普通混凝土整体浇筑LC-T全轻陶粒混凝土整体浇筑W-0-EW-5-EW-10-EW-15-EW-20-EW-25-EW-30-E注：“W-5-E表示环氧树脂界面试件在清水冻融循环5次，以此类推。2.2冻融后试件外观损伤图3为涂抹环氧树脂界面剂的试件(W-30-E组试件1)在清水冻融0、5、10、15、2 0、2 5、30 次的外观形态.朱红兵，等：陶粒混凝土-普通混凝土环氧树脂界面冻融后抗剪性能试验研究究界面损伤规律和抗剪强度.表7 试验分组及冻融后界面抗剪强度冻融次数/次000510环氧树脂界面15202530(a)冻融0 次(b)冻融5次(c)冻融10 次(d)冻融15次(e)冻融2 0 次(f)冻融2 5次581后取出，对外观进行观察，并进行剪切试验，研试件1试件2试件37.5807.3405.3005.8103.3403.2242.9102.9922.3502.6652.4352.1352.2252.2752.1252.1701.7551.745图3冻融后试件外观损伤（W-30-E组试件1)Fig.3Appearance damage of specimen afterfreezing and thawing图3可见，试件外观主要表现为麻面和骨料外露，普通混凝土与全轻陶粒混凝土在清水冻融环境下表现出的外观损伤破坏程度有一定差异缺陷情况统计如表8.表8 冻融后环氧树脂界面试件表面缺陷Tab.8Surface defects of epoxy resin interface specimenafter freezing and thawing冻融试件编号次数普通混凝土W-O-E0W-5-E5W-10-E10麻面,S=10%W-15-E15麻面,S=16%W-20-E20麻面,S=27%W-25-E25W-30-E30注：S表示麻面面积率，即麻面面积与试件表面面积比值.由表8 和图3可知，随着冻融次数的增长，普通混凝土和全轻陶粒混凝土麻面现象逐渐增多.冻融15次后试件破坏较轻；经过2 0 次冻融后表面试件47.5205.6903.0953.0012.6652.3952.0252.1001.783基本完好麻面,S=6%麻面,S=39%麻面,S=42%试件52.9932.9342.5002.5452.4452.5702.2132.3472.0101.8051.8631.660(g)冻融30 次清水冻融循环作用阶段全轻陶粒混凝土基本完好基本完好麻面,S=5%麻面,S=18%麻面,S=25%麻面、骨料外露，S=34%麻面、骨料外露，S=45%平均值7.4805.6003.2182.9662.5452.3962.2172.0421.761全轻陶粒混凝土582缺陷明显增多，全轻陶粒混凝土出现明显骨料外露现象；麻面面积率最高可为42%全轻陶粒混凝土在早期的冻融后外观缺陷较普通混凝土轻微，但后期发展速度快，冻融30 次后外观缺陷更严重.冻融2 0 次后粘结面出现了不连通的裂纹，且随着冻融次数的增加，粘结面产生的裂纹逐渐增多.2.3冻融后试件界面抗剪性能退化试验2.3.1抗剪试验加载装置采用万能试验机和剪切夹具，试验参照普通混凝土力学性能试验方法标准（GB50081一2 0 19）的规定来进行加载装置如图4试验加荷速率为O.5MPa/s，连续均匀加荷，当试件破坏时，立即停止加载，记录峰值荷载剪切夹具参考文献19并进一步改进.压力机加载(10 F/9)19171粘结界面全轻陶粒混凝土171图4试件加载示意（单位：mm）Fig.4 Loading diagram of specimen(Unit:mm)2.3.2剪切试验破坏特征涂抹环氧树脂界面剂的新老混凝土试件，经历冻融损伤后的剪切破坏形态如图5所示试验过程中观察到，加载到一定荷载时，界面粘结面出现竖向裂缝，当荷载持续增加至破坏荷载时，试件沿新老混凝土粘结面处瞬间断裂，并伴有响声，具有明显的脆性破坏特征.观察试件破坏界面发现，冻融次数不超过15次时，剪切破坏发生在普通混凝土与环氧树脂界面剂之间，普通混凝土和全轻陶粒混凝土沿粘结面完全分离，粘结面无骨料拉扯现象，如图5（a)；冻融循环2 0 次，剪切破坏形式为新老混凝土粘结面处破坏，剪切破坏从环氧树脂界面剂处破坏，全轻陶粒混凝土侧和普通混凝土侧粘结界面上均局部粘附有界面剂，如图5（b)；冻融循环2 530次后，环氧树脂界面试件剪切加载至破坏前，界面处出现一条肉眼可见竖向裂缝，裂缝的产生和破坏几乎同时出现，粘结面存在骨料拉扯现象，界面剪切破坏发生在全轻陶粒混凝土与环氧树脂界面剂之间，如图5（c)由此可见，冻融次数低于15次时，普通混凝土侧的粘结强度低于全轻陶西安建筑科技大学学报(自然科学版)粒混凝土侧；但随着冻融次数增加，全轻陶粒混凝土侧的粘结强度衰减较快，逐渐成为制约界面粘结的薄弱处.普通混凝土环氧树脂界面剂(a)冻融10 次口全轻陶粒混凝土分载钢梁上压条普通混凝土下压条19分载钢梁第55卷全轻陶粒混凝土普通混凝土环氧树脂界面剂被剪断(b)冻融2 0 次普通混凝土环氧树脂界面剂(c)冻融循环30 次图5环氧树脂界面试件剪切破坏形态Fig.5Shear failure pattern of epoxy resin interface specimen2.3.3抗剪强度冻融后环氧树脂界面抗剪强度实测值见表7.采用环氧树脂连接的新老混凝土界面抗剪强度，能够达到普通混凝土抗剪强度值的43.0%、全轻陶粒混凝土抗剪强度值的57.5%随着冻融次数的增加，界面抗剪强度逐渐退化.3冻融后试件界面抗剪性能3.1界面抗剪强度退化根据表7 试验数据绘制折线图形，分析冻融后环氧树脂界面试件抗剪强度退化规律，如图6.根据表7 和图6 可以看出，试件的界面抗剪强度自开始冻融后就随冻融次数增加而快速下降；未经过冻融的环氧树脂界面试件界面抗剪强度为3.218MPa，分别为普通混凝土、全轻陶粒混凝土整体强度的43.0 2%和57.46%；冻融循环5、10、第4期15、2 0、2 5、30 次后，界面抗剪强度较未冻融时的下降率分别为7.8 3%、2 0.9 1%、2 5.54%、31.11%、36.54%、45.2 7%.3.4卜3.23.02.82.62.42.22.01.81.6图6 冻融后环氧树脂界面抗剪强度Fig.6Shear strength of epoxy resin interface afterfreezing and thawing3.2界面抗剪强度退化计算公式由界面剪切破坏形态和试验数据分析可知，界面抗剪强度与冻融循环次数基本呈直线下降规律，因此，假设冻融后试件界面的抗剪强度退化计算公式为TwE=(1-awEn)towE式中：TwE、T o w e 分别为冻融n次后、未冻融环氧树脂界面试件的抗剪强度，MPa；n 为试件经历的冻融循环次数，次；wE为与冻融循环次数有关的抗剪强度衰减系数.根据表7 数据进行拟合，可得待定系数wE=0.0155因此，采用环氧树脂连接的全轻陶粒混凝土与普通混凝土界面在冻融后抗剪强度退化计算公式为：twE=(1-0.015 5n)towE将式(2)计算结果与试验实测数据绘制成图7.可见各试件的实测值与公式计算值较接近，离散程度较低表9将实测平均值与公式计算值进行对比，可见误差在3.6%以内，吻合度较高.3.4试件1抗剪强度3.2F试件2 抗剪强度试件3抗剪强度3.0试件4抗剪强度2.8试件5抗剪强度2.6公式计算值2.42.22.01.81.6图7 环氧树脂界面抗剪强度拟合曲线Fig.7Fitting curve of epoxy resin interface shear strength朱红兵，等：陶粒混凝土-普通混凝土环氧树脂界面冻融后抗剪性能试验研究试件1抗剪强度抗剪强度抗剪强度实测值/试件2 抗剪强度编号试件3抗剪强度数/次实测值/MPa计算值/MPa计算值试件4抗剪强度W-O-E试件5抗剪强度一抗剪强度平均值05105583表9环氧树脂界面试件界面抗剪强度计算公式验证Tab.9Verification of calculation formula for interface shearstrength of epoxy resin interface specimen冻融次03.218W-5-E5W-10-E10W-15-E15W-20-E20W-25-E25W-30-E301015冻融次数1015冻融次数3.2182.9662.9692.5452.7192.3962.4702.2172.2202.0421.9711.7611.721202520251.000.00.998.90.936.00.970.00.998.61.036.01.023.2304结论(1)混凝土麻面面积随冻融次数逐渐增多，2 0次冻融后陶粒混凝土出现明显骨料外露，粘结面出现不连通裂纹；冻融早期陶粒混凝土外观缺陷较老混凝土轻微，但后期相反；(2)试件均从粘结面处剪切破坏，有明显脆性特征冻融低于15次时剪切破坏在老混凝土与界面剂之间，超过2 5次时在陶粒混凝土与界面剂之(1)间，152 5次时为过渡状态；(3)冻融后界面抗剪强度明显退化，经历5、10、15、2 0、2 5、30 次冻融后，界面抗剪强度较冻融前下降率分别为7.8 3%、2 0.91%、2 5.54%、31.11%、36.54%、45.2 7%；具有较明显的线性退化规律；(4)建立了冻融过程中环氧树脂界面抗剪强度退化计算公式，可作为冻融后环氧树脂粘结普通混凝土与全轻陶粒混凝土界面的抗剪强度计算。(2)参考文献References【1中华人民共和国住房和城乡建设部混凝土结构加固设计规范：GB50367一2 0 13S.北京：中国建筑工业出版社，2 0 13.Housing and Urban-Rural Development of P.R.Chi-na.Code for design of strengthening of concrete struc-ture:GB503672013S.Beijing:China Building In-dustry Press,2013.2邓明科，李彤，樊鑫淼高延性混凝土加固砖柱轴压性能试验研究J：工程力学，2 0 19,36（5）：92-99.DENG Mingke,LI Tong,FAN Xinmiao.Experimen-tal investigation on axial compression of brick columnsstrengthened with HDCJ.Engineering Mechanics,302019,36(5)：9 2-9 9.3陈建国，吴光军，孙桂山，等硅灰和聚丙烯纤维净浆界面剂对新老混凝土粘结力学性能的影响研究J.新型建筑材料，2 0 18，45（4）：52-55.584CHEN Jianguo,WU Guangjun,SUN Guishan,et al.Effect study of silica fume and polymer fiber interfaceagent on bond mechanics behavior of new and old con-creteJ.New Building Materials,2018,45（4):52-55.4刘博研，薛伟辰，孙哲界面构造对预制混凝土柱接缝抗剪性能的影响研究J.西安建筑科技大学学报（自然科学版），2 0 2 2,54（2）：16 4-17 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