时间:2024-12-27
刘杰, 奚家米,, 贾海梁, 王新刚
(1.西北大学地质学系大陆动力学国家重点实验室,西安 710069;2.西安科技大学建筑与土木工程学院,西安 710054)
在寒区冻融作用对岩石-混凝土界面的粘结性有显著影响。近年来,随着寒区基础工程的不断发展,人们越来越重视冻融作用对工程安全性与稳定性的影响。混凝土作为岩石工程(隧道工程,岩石边坡等)的重要支护手段之一,与围岩共同承载外力,依靠接触面传递应力与位移。由于岩石和混凝土的材料性能不同,它们之间的相互作用必然影响岩石-混凝土系统的稳定性,两者界面通常被认为是薄弱结构面,在实际工程中应加以重视。
岩体与混凝土内部存在着各种类型缺陷,在反复冻融作用下,冰水相变导致这些缺陷受反复冻胀荷载而不断扩展,岩石-混凝土之间的薄弱相互作用面也会脱粘、错动、甚至断裂,进而导致混凝土支护工程失效。因此,岩石-混凝土之间的粘结性能是支护结构能否很好发挥功能的关键。研究冻融作用下岩石-混凝土接触面的损伤劣化机制对寒区大量兴起的工程建设具有重要的理论意义和实际价值,文中通过查阅分析相关文献资料,主要针对冻融作用下岩石-混凝土界面损伤的研究进行综述,期望为以后此方面的研究提供一定的参考价值。
冻融作用会明显弱化岩石或混凝土的强度,并劣化岩石-混凝土的胶结性能,相关研究成果见表1。
表1 冻融作用对岩石-混凝土力学性质劣化方面
冻融循环作用会促进岩石或混凝土内部孔隙的扩展和贯通,提高孔隙度,加剧了材料内部的损伤破坏。周科平等[5]利用核磁共振技术研究了冻融循环前后岩石的孔隙特征,试验结果表明,随着冻融次数的不断增加,岩石内部孔隙度不断增大,造成了岩石强度的损失;田威等[6]利用CT扫描技术研究了混凝土的冻融损伤过程,结果表明在冻融损伤初期,由于水分逐渐渗入孔隙,CT数均值逐渐增加;随着冻融次数的增加,试件内部裂纹不断扩展,导致了CT数均值大幅降低。
冻融循环使岩石或混凝土的孔隙增加,导致其波速特征发生了衰减。郭长宝等[7]对花岗岩开展了冻融循环力学试验,并通过核磁共振法和波速法分析了其损伤发展趋势,试验结果表明,冻融循环作用使花岗岩内部产生了裂隙,加剧了岩石的内部损伤,岩石的波速随着冻融循环次数的增加而降低;岩石的峰值强度、残余强度以及弹性模量随着冻融循环次数的增加而降低。图1为不同冻融循环次数下花岗岩-混凝土界面宏观裂纹扩展情况。
图1 不同冻融次数下花岗岩-混凝土界面裂纹扩展情况
岩石-混凝土界面的粘结力对支护效果至关重要,因此众多学者对影响界面粘结性能的因素进行了充分的研究,主要研究成果见表2。
表2 岩石-混凝土界面粘结力影响因素方面主要研究成果
孔隙率是影响岩石或混凝土冻融损伤的重要因素。奚家米等[12]对经历冻融作用前后的粗粒砂岩和中粒砂岩的物理性质和力学性质进行了研究,发现冻融循环后两种砂岩的吸水率均增加,单轴抗压强度都有一定程度的降低,并且粗砾砂岩的强度折减最大,说明了砂岩的内部孔隙分布与含水率是控制冻融损伤的关键因素。
岩性对岩石-混凝土界面的强度和破坏模式也有一定的影响。谢和平等[13]在岩石-混凝土界面的抗剪强度方面进行了深入研究,发现界面剪切破坏模式和两介质的强度比密切相关,随着界面粗糙度的增加界面抗剪强度越来越依赖于界面两侧强度较弱材料的机械性能。
岩石-混凝土胶结面的抗剪强度主要由两部分组成,一部分是界面间凹凸体咬合产生的机械强度,另一部分是界面胶结力,岩石-混凝土界面剪切强度方面的主要研究成果见表3。
表3 岩石-混凝土界面剪切强度方面的主要研究
在界面状态方面,影响界面胶结性能的主要因素有含水量、亲疏水性质、清洁程度等。
在冻融循环作用下,含水量是冻融损伤发生的关键。Mainali[17]对冻融作用下花岗岩-混凝土进行了粘结性能试验研究,认为水是界面产生裂纹的根源;何鹏飞等[18]基于直剪试验,研究了冻融循环对冻土-混凝土界面强度的影响,发现冻融循环对峰值剪切强度的影响大于残余剪切强度的影响,冻融过程试件水分向界面迁移形成冰膜,导致不同的初始含水率和温度对界面峰值强度的影响明显。
岩石的亲疏水性质对界面的粘结强度有重要影响。Shen等[19]针对花岗岩-混凝土复合试件的界面进行了一系列的倾斜剪切试验,试验结果表明,对相同JRC,亲水性界面的粘结强度大于疏水界面;界面粗糙度越严重,亲水性对粘结性的影响越弱;沈承中[20]指出,由于疏水性岩石的岩面与喷射混凝土的浆液呈互斥状态,浆液不能充分进入岩面,因此喷射混凝土与疏水性围岩的粘结性更差。而亲水性岩石表面易吸收混凝土浆体水分,导致C-S-H基团可以较易浸入岩石内部,通过水化反应产生“树根状”效应,从而提高岩石-混凝土胶结力[21]。
外部环境对岩石-混凝土界面冻融损伤的发展同样有重要影响。马秋娟等[22]采用钻芯拉拔法研究了岩壁温度对岩石-喷射混凝土粘结强度的影响。结果表明,在空气相对湿度为90°C的养护条件下,岩壁温度越高,围岩-喷射混凝土之间的粘结性越低;王明年等[23]对岩石-混凝土界面进行了室内剪切试验,发现随着初始养护温度的不断升高,界面剪切破坏模式由沿胶结面破坏转变为混合剪切破坏,且峰值剪切应力不断降低;崔圣爱等[24]采用改进的钻芯拉拔法,测试了干热工况条件下龄期为7d和28d的围岩与喷射混凝土的粘结强度,发现相比20°C标准养护温度,干热养护条件下围岩与喷射混凝土的粘结强度发生严重倒缩,且干热环境对28d龄期的粘结强度影响更大;Tian等[25]研究了不同法向应力下具有光滑岩石表面的岩石-混凝土界面的剪切特性,指出在较小法向应力作用下,峰值剪切应力主要取决于界面的粘结强度,同时在法向应力增大的过程中,界面会发生突然破坏和逐渐破坏两种破坏过程;Tang等[26]研究了温度和湿度对围岩-喷射混凝土粘结强度的影响,研究人员认为温度的升高增加了界面孔隙的数量,从而降低了界面粘结强度,同时相对湿度的增加提高了界面的粘结强度。
综上所述,影响岩石-混凝土界面强度的因素有很多见图2,主要为材料自身性能、界面状态。此外,外部环境也对界面冻融损伤有一定程度影响
图2 影响岩石-混凝土界面强度的因素
混凝土界面过渡区(ITZ)是介于水泥浆体和集料之间的第三相,由于水泥浆体与集料的自身性质不同,因此在两者接触区会产生明显的界面效应,表现为ITZ的物理力学性能低于集料与水泥浆体。众多学者对ITZ的微观力学性质进行了深入研究,发现随着与集料距离的增加,ITZ的力学性质先降低后升高,呈现出典型的“U”字型特征,因此ITZ被认为是混凝土的薄弱带,也是混凝土最先损伤破坏的地方[27]见图3。
图3 不同冻融次数下砂岩-混凝土ITZ的微观结构变化
同样的,ITZ概念也被应用于其他复合材料,如Wall等[28]将旧混凝土认为“集料”,进行了新旧混凝土界面过渡区(ITZ)的研究。对于岩石-混凝土二元体,水泥浆体作为岩石和混凝土连接的“桥梁”,也具有明显的界面效应,因此可将岩石作为“集料”看待,研究岩石-混凝土界面过渡区(ITZ)。由于岩石-混凝土ITZ容易在外界条件下脱粘损伤,因此研究ITZ的冻融损伤机制是非常有必要的。
冻融作用对ITZ的微观结构和力学性质具有明显的劣化作用。ITZ由于自身特性,成为了水分迁移的快速通道,加速了冻融损伤的劣化。
谢瑞峰等[29]对超高性能混凝土界面过渡区ITZ的微观力学性能进行了研究,并且发现随着冻融次数的增加,ITZ微孔逐渐增多、弹性模量降低,并且在经历1500次冻融循环后,ITZ厚度从20um扩展到了65um;陈仁宏等[30]利用纳米压痕和扫描电镜对经历不同冻融循环次数的混凝土ITZ进行了试验研究,结果表明不同的尺度下,冻融作用对ITZ的影响不同。在纳米尺度下,水促进了高密度水凝胶的生长,而在微米尺度下,材料会出现微裂纹,导致混凝土性能退化;Yang等[31]对混凝土ITZ进行了显微硬度测试,发现随着冻融循环次数的增加,ITZ的硬度减小,同时ITZ结构逐渐松散,厚度增大,导致混凝土强度降低;Lei等[32]利用扫描电镜对混凝土试块进行了探究,认为ITZ在冻融后产生了空隙,削弱了结构性,导致了水泥浆的凝结能力下降,出现明显劣化。
水化硅酸钙(C-S-H)凝胶作为硅酸盐水泥的主要水化产物,是水泥粘结能力的主要来源,而C-S-H的凝结胶结能力主要来源于氢键。随着冻融循环次数的增加,分子结构中的氢键逐渐断裂,导致ITZ的微观力学性质不断降低,最终出现脱粘现象[33]。
综上所述,冻融循环通过破坏C-S-H的氢键,降低了ITZ的硬度和弹性模量、增加了ITZ的孔隙率和厚度,从而劣化了微观结构和力学性质。
(1)目前国内外学者对单一介质材料的冻融损伤或常温状态下一体两介质的损伤方面研究成果较多,而对如岩石-混凝土一体两介质的冻融损伤研究较少,随着寒区工程建设的不断发展,此方面的研究将是未来一体两介质研究的重点方向。
(2)ITZ是岩石-混凝土发挥粘结强度的关键,但是对ITZ微观结构的冻融损伤研究目前还主要停留在定性阶段,定量研究发展尚不充分;同时目前的ITZ模型大多是在常温环境下提出的,适用于冻融环境下的ITZ模型还需要进一步研究。
(3)由于岩石-混凝土界面的应力状态十分复杂,因此在研究时,多因素耦合下冻融损伤的全方位研究非常必要。
(4)岩体的损伤尺度与相应尺度的损伤识别是研究岩体多尺度冻融损伤的关键。微细观冻融损伤识别可直接反映损伤的扩展演化,而宏观冻融损伤识别可反映其力学性质的变化。因此,损伤识别技术在冻融损伤方面的研究还需不断深入,如:CT图像结果和SEM技术的定量化识别分析、基于NWR技术的系统化理论的建立。
(1)在季节性冻土区,岩石-混凝土系统的稳定性对工程的安全有着重大影响,岩石-混凝土界面作为薄弱环节最易受到冻融作用的影响,致使强度下降,从而导致支护工程失效。因此,岩石-混凝土界面的冻融损伤研究是十分重要的。
(2)总结了岩石-混凝土界面的冻融损伤演化过程和界面强度影响因素,同时对岩石-混凝土ITZ的冻融损伤机理进行了分析,较全面地归纳总结了岩石-混凝土界面冻融损伤方面的研究成果,可以为兴起的寒区工程发展提供参考依据。
(3)考虑到岩石-混凝土界面强度对工程的重要性,应采取一些措施来提高界面强度,如通过人工凿刻增加界面粗糙度、预先喷涂界面剂、添加矿物掺合料、优选骨料、改善试件制作养护工艺、降低水灰比等。目的是改善界面的力学性能,从而延长寒区混凝土支护工程的使用年限。
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