混凝土-环氧砂浆界面Ⅰ-Ⅱ型断裂性能试验研究_杭振园.pdf

Industrial Construction Vol.53，No.2，2023工业建筑2023 年第 53 卷第 2 期29混凝土环氧砂浆界面型断裂性能试验研究*杭振园1，2喻莹2(1浙江交通职业技术学院 路桥学院，杭州311112;2汕头大学土木与环境工程系，广东汕头515000)摘要:为研究混凝土强度和界面粗糙度对混凝土环氧砂浆界面型复合裂缝扩展和断裂性能的影响，对 15 个试件进行四点剪切试验，采用数字图像相关(DIC)技术获得试件表面位移场和应变场。基于线弹性断裂理论和试验测得的型裂缝起裂韧度，计算断裂能、变形系数和裂缝尖端型和型应力强度因子。研究结果表明:试件均沿着界面发生典型的准脆性破坏;通过提高混凝土强度可以显著增强界面的断裂性能，但对裂缝尖端处型和型应力强度因子比重的影响较小;试件断裂性能、裂缝尖端应力场和破坏角与界面粗糙度有较大的相关性，当灌砂平均深度?h 从 0 mm 增大到 0.31 mm 和 0.97 mm 时，断裂能 Gu分别提高了 16.1%和 66.9%，变形系数 Nu分别提高了 5.4%和 27.6%，型、型应力强度因子比值分别下降了11.96%和 39.7%，破坏角分别增大了 11.9%和 37.8%。关键词:混凝土;环氧砂浆;粗糙度;断裂性能;应力强度因子DOI:10.13204/jgyjzG22113007Experimental esearch on Fracture Properties of Mixed Mode-Concrete-Epoxy Mortar InterfaceHANG Zhenyuan1，2YU Ying2(1College of oad Bridge，Zhejiang Institute of Communication，Hangzhou 311112，China;2Department of Civil and Environment Engineering，Shantou University，Shantou 515000，China)Abstract:In order to analyze the effects of concrete strength and interface roughness on the crack propagation andfracture properties of mixed mode-concrete-epoxy mortar interface，four-point shear tests were conducted on 15specimens，and the displacement and strain fields of the specimens were obtained by digital image correlation(DIC)technology The fracture energy，ductility index and the stress intensity factors of mode and mode at the cracktip were calculated based on the linear-elastic fracture mechanics theory and fracture initiation toughness of mode measured by tests The test results showed that the crack propagated along the interface，which belonged typicalquasi-brittle failure The fracture performance of the interface could be significantly enhanced through increasing theconcrete strength，however，there was little effect of the concrete strength on the ratio of the stress intensity factors ofmode and mode The fracture performance，stress field at the crack tip，and failure angle of the specimen wasrelevant to the interface roughness?h As?h increased from 0 mm to 0.31 mm，0.97 mm，fracture energy Guincreasedby 16.1%and 66.9%，ductility index Guincreased by 5.4%and 27.6%respectively，the ratio of the stress intensityfactors of mode and mode decreased by 11.96%and 39.7%，and the failure angle increased by 11.9%and37.8%，respectivelyKeywords:concrete;epoxy mortar;roughness;fracture performance;stress intensity factors*浙江省科技计划项目(LGG21E80001);浙江省交通运输厅计划项目(2021008);浙江省教育厅一般科研项目(Y202250046)。第一作者:杭振园，男，1987 年出生，讲师，博士研究生，hzy1414126com。通信作者:喻莹，女，1983 年出生，教授，yuying stueducn。收稿日期:202211300引言在组合结构建造过程中，常采用环氧砂浆实现结构部件之间的紧密接触，起到良好的密封和防脱空作用1，并可以有效提高混凝土组合构件的承载力24、延性2 和刚度4。在复杂应力场作用下，由于混凝土表面存在大量的初始缺陷，薄弱的混凝土环氧砂浆界面处极易发生开裂。在断裂力学理论中，通常根据结构的受力特性将裂纹分为张开型裂纹(型)、滑移型裂纹(型)、撕开型裂纹(型)，如图 1 所示。在实际工程中，较为常见的是30工业建筑2023 年第 53 卷第 2 期型复合裂纹，该种裂纹的起裂荷载、断裂荷载和断裂能等断裂参数以及相关影响因素仍是当前学者们关注的主要问题56。为改善薄弱界面的力学性能，通常采用提高材料强度、粗糙工艺和预涂层技术等方法对界面进行增韧。胡少伟等7、张新慧8 通过试验研究了材料强度对混凝土梁断裂性能的影响，试验结果表明断裂韧度、抗裂承载力与混凝土强度的增加呈线性关系。Dong 等9 和荣华等10 对材料表面进行刻槽处理，获得了不同粗糙度的界面，并通过试验研究了粗糙度对型界面断裂性能的影响，结果表明粗糙处理工艺可以大幅提高界面的断裂性能。王晓伟等11 通过试验研究了定向和乱向钢纤维水泥基试件的型断裂性能，研究结果表明，较乱向钢纤维水泥材料，定向纤维水泥材料可以大幅提高试件界面的抗裂性能。Zhao 等12 采用环氧树脂丙酮溶液对混凝土表面进行预处理，修复混凝土表面缺陷，通过四点弯曲试验研究了预涂层技术对混凝土环氧砂浆复合界面型断裂性能的影响，试验结果表明预涂层技术可有效改善混凝土表面缺陷，增强界面变形能力和断裂性能。a型;b型;c型。图 1三种类型的断裂裂纹Fig1Three types of fracture cracks目前，针对混凝土环氧砂浆界面断裂性能的研究较少，主要集中在型裂缝断裂性能及影响因素方面1213。蒋宇翔13 通过对混凝土环氧砂浆界面进行型断裂试验，仅从试验层面简单分析了加载方式、缝高比对界面抗裂承载力的影响。目前，尚未见与混凝土强度、界面粗糙工艺等增韧方法对混凝土环氧砂浆组合界面断裂性能影响的理论研究相关的报道。本文在混凝土模具内设置止浆带，以获得两种粗糙度的界面;采用 20%环氧丙酮溶液对混凝土表面进行预处理，修复混凝土表面上的初始缺陷;根据9 个四点弯曲试件的结果，计算型裂缝起裂韧度KiniIC试验值。采用四点剪切试验(FPS)和数字图像相关(DIC)技术获得了荷载位移曲线、各试件的起裂荷载、极限荷载、断裂角以及界面处的位移场和应变场。根据试验结果计算了试件初始刚度、断裂能和变形系数等参数;基于断裂力学理论和 KiniIC，计算和分析了各型强度因子及其比重，揭示了混凝土强度和粗糙度对界面处断裂性能的影响规律。1试验1.1试验材料制作试件的材料包括混凝土和环氧砂浆。根据JGJ 552011 普通混凝土配合比设计规程14 要求设计了 C45、C55 和 C65 三种混凝土的配合比，每立方米混凝土的配合比如表 1 所示。混凝土的材料力学性能如表 2 所示。黏结材料采用西卡(中国)有限公司生产的 Sikadur-31 双组分触变性环氧砂浆，由 A 部分和 B 部分组成，质量配合比为 21。根据 DL/T 51932021环氧树脂砂浆技术规程15 进行环氧树脂砂浆的材料试验，试验结果如表 2所示。表 1混凝土配合比Table 1Mix proportions of concrete牌号水泥/kg粉煤灰/kg矿粉/kg砂子/kg石子/kg水/kg添加剂/kg水胶比C4528060607161 1191484.000.38C5530065646891 1241464.290.35C6528394947661 0571464.710.32表 2材料学性能参数Table 2Mechanical properties of materials材料抗压强度/MPa抗拉强度/MPa弹性模量/GPaC4550.302.6334.60C5562.022.8936.24C6570.253.0437.12Sikadur-3170.1412.194.801.2试件制备试件制备过程如图 2 所示，包括四个步骤:1)准备 48 个 300 mm100 mm100 mm 模具，在其中 6个模具内的一端设置止浆带(粗糙处理)，浇筑混凝土，标准养护 28 d;2)采用酒精溶液清洗混凝土黏结面，消除脱模剂对混凝土与环氧砂浆之间黏结性能的影响，通过在混凝土表面设置泡沫胶和硅胶垫，获得精确尺寸的预制切口和砂浆厚度;3)采用 20%环氧丙酮溶液对混凝土黏结面进行预处理13，再采用环氧砂浆将两块混凝土长方体粘结成整体，人工振动 15 min，常温下养护 7 d;4)在试件表面计算区域(AOI)上涂刷白色哑光漆，随后喷涂墨水，获得均匀、随机的黑色散斑。如图 3 所示，试件尺寸均为 600 mm100 mm混凝土环氧砂浆界面型断裂性能试验研究 杭振园，等31图 2试件制备过程Fig2Preparation process of the specimen100 mm(l h t，l为试件的长度，h为试件截面高度，t 为试件截面的宽度)。环氧砂浆层厚度 tp为2 mm，预制切口高度 a 为 20 mm。根据加载方式、混 凝 土 强 度 和 表 面 粗 糙 度，分 为 PB45、PB55、PB65、PS45、PS55、PS65、PS65D 和 PS65S 八组试件，每组包含 3 个试件。试件的命名原则:PB 表示四点弯曲试验，PS 表示四点剪切试验，数字表示混凝土牌号，S 和 D 表示混凝土黏结表面不同的粗糙度。图 3试件尺寸Fig3Specimen sizes本文采用灌砂平均深度?h 对粗糙度进行度量16，并按式(1)计算。PS65D、PS65S 组试件的灌砂平均深度分别为 0.31 mm，0.97 mm。?h=V/As(1)式中:V 为灌砂体积，mm3;As为试件横截面面积，mm2。1.3试验装置图4 为试验装置具体布置情况和试件内力分布状态。图中，以荷载 P 作用线为对称轴，通过 1 000 kN电液伺服万能试