工程难题攻克!聚酯聚合物混凝土与UHPC粘结性能研究

文摘   2024-11-13 12:08   英国  

演讲者:Abass Okeola,特拉华大学和 Saber Larfi,特拉华大学


描述:超高性能混凝土 (UHPC) 具有卓越的机械和耐久性,可实现结构构件尺寸的减小和桥梁建设的加速。交通运输机构正在将 UHPC 用于连接板、梁对梁连接以及完全 UHPC 结构构件。在特拉华州,乳胶改性混凝土 (LMC)、聚酯聚合物混凝土 (PPC) 和改性混凝土 D 型覆盖层通常用作骑行表面。粘附在 UHPC 上的覆盖层的粘结性能尚不清楚,目前的文献并未解决这一知识空白。此外,还需要验证粘合到 UHPC 上的覆盖层的现有粘结测试方法(例如,拉脱粘结测试)。在这项工作中,我们研究了 ASTM C1583 粘结拉脱测试参数的灵敏度,例如取芯深度和覆盖层年龄,以确定最合适的测试条件。此外,我们评估了 UHPC 表面处理方法(具体来说,金刚石研磨、喷砂、水力破碎和表面缓凝剂)对拉脱粘结强度的影响。初步实验结果表明,在研磨的 UHPC 上应用 PPC 7 天后,粘结强度超过了推荐的最低粘结强度 250 psi(AASHTO T-34、ACI 548.5R-16)。主要失效模式从 14 天时的 PPC 覆盖层内聚失效转变为 28 天时的 UHPC 内聚失效。本研究的结果将作为优化覆盖层-UHPC 粘结强度的指导,从而提高 UHPC 组件桥梁的使用寿命。


https://www.youtube.com/watch?v=fOItuUJxkgk&t=20s

大家好,下午好!

我叫阿巴斯·凯勒,是特拉华大学土木与环境工程系博士候选人。我和我的同事萨巴·拉菲将与大家讨论聚酯聚合物混凝土与超高性能混凝土的粘结问题。

演示大纲

我将介绍我们的研究目标、现行指南和规范以及方法论;我的同事萨巴将介绍结果和结论。我们今天已经讨论了很多关于超高性能混凝土的内容,我将更多地关注Lynx Lab,因为在特拉华州,UHPC主要用于此。这是特拉华州交通部的一个项目。在诸如Lynx Lab之类的应用中,UHPC用于连接板或用于UHPC的贵重材料,也延伸到我们有试验性能混凝土的连接处。特拉华州常用的普通覆盖材料是聚酯聚合物混凝土、后浇混凝土和改性D型混凝土。本研究将重点关注聚酯聚合物混凝土。当聚酯聚合物混凝土与UHPC粘结时,PPC与UHPC的粘结性能尚不清楚。文献中已广泛研究了其他材料的粘结性能。因此,本研究的目标是:第一,我们需要了解拉拔粘结试验对诸如芯深、覆盖层龄期和表面处理等参数的敏感性。ASTM推荐的ASTM C1583规定,聚酯聚合物混凝土与超高性能混凝土界面以外的最小芯深为0.5英寸。但是,此建议适用于普通混凝土,不适用于超高性能混凝土。关于覆盖层龄期以及其他参数的超高性能混凝土表面处理,也没有任何指南。第二,使用的表面粗糙度测量方法大多适用于普通混凝土。对于超高性能混凝土,没有估算表面粗糙度的指南。

现行指南/规范

就现行指南而言,当超高性能混凝土覆盖在普通混凝土上时,AASHTO T34和ACR 548建议最小粘结强度为250 psi。还建议覆盖层具有至少5 ksi的最小抗压强度。交通部建议,在准备表面并涂覆覆盖材料之前,超高性能混凝土的抗压强度至少应达到10 ksi。

试件

考虑到这一点,我们制备的试件具有板基,以确保试件具有一定的强度;我们内部设置了钢筋,以控制热收缩;在其顶部是3英寸深的超高性能混凝土;在其顶部是1英寸厚的PPC材料;我们将板材分隔开,以便我们可以在两侧钻孔,以便我们可以在板材的两侧钻孔;每个芯的直径为2英寸,这是ASTM C1583推荐的。

为了准备每个表面,我们采用了三种表面处理方法:第一种是使用表面缓凝剂,在浇筑UHPC后,我们涂上一层薄薄的表面缓凝剂,以延迟UHPC的养护,然后将其冲洗掉以露出纤维;第二种是水力爆破,在确保UHPC达到交通部建议的最小10 ksi后,我们对UHPC表面进行高压冲洗;第三种是使用手磨机和喷砂进行研磨以准备表面。

对于每种表面处理方法,我们尝试使用三种方法来量化表面轮廓:第一种是使用ICRI CSP芯片,这是一种定量方法,您观察芯片的表面,并尝试重现UHPC表面的样子,并据此为表面轮廓分配一个数字;第二种是使用表面轮廓规,这是一种更定量的办法,它为制备的UHPC板的表面轮廓提供一个数字;第三种方法是砂粒法,您在UHPC表面撒上玻璃珠,根据进入孔隙的玻璃珠的直径和数量,您可以估计表面粗糙度。

拉拔试验 (ASTM C1583)

为了进行试验,我们使用一个这样的金属盘,在其表面粘上环氧树脂胶,然后将其粘在聚酯聚合物混凝土的表面上;然后我们使用程序控制的拉拔试验机以5 psi/秒的拉伸力进行试验。由于我们正在测试两种性能,因此我们可以根据粘结强度和破坏模式来评估我们的粘结性能。进行这些试验时,可能出现四种破坏模式:UHPC破坏、PPC破坏、UHPC与PPC界面破坏以及金属盘破坏。金属盘的破坏并没有真正告诉我们任何信息,它只是表明所使用的粘合剂没有正确地粘在表面上。PPC与UHPC界面破坏告诉我们,我们使用的表面处理方法不理想。因此,这两种破坏模式是最理想的破坏模式,因为它们表明表面处理充分。萨巴将带我们了解这项研究的结果和结论,谢谢。

表面粗糙度/纹理

在准备表面后,使用ACI芯片、砂粒法或轮廓规测量了不同方法的不同粗糙度。正如您所看到的,未经处理的表面看起来很光滑,砂粒法测得的平均粗糙度为0.7毫米,而轮廓规的结果表明,大约80%的表面粗糙度低于1毫米。接下来是研磨和喷砂,它显然比未经处理的表面粗糙得多,砂粒法测得的平均结果约为1.2毫米,经验累积概率图显示出更大的粗糙度,因为该图更向右倾斜。最后两种方法,表面缓凝剂和水力爆破,在暴露纤维方面具有可比性,值得一提的是,这些纤维会随着时间的推移而腐蚀,特别是我们让试件养护至少28天以限制自收缩的影响。还值得一提的是,由于使用了约34 ksi的高压水,水力爆破中的纤维较弱。这两种方法在暴露纤维方面具有可比性,这也阻碍了砂粒法的使用,因为……您可能注意到我没有提到ICRI芯片的任何结果,这是因为UHPC的性质不同于普通混凝土。我的意思是,UHPC没有集料,而这些方法中的一些方法要么暴露纤维,要么打开一些气泡,这与ICRI芯片所针对的普通混凝土不同。

芯深的影响

在我们对表面处理方法进行测试之前,我们需要确定芯深和覆盖层龄期。从芯深开始,我的意思是,我们深入UHPC多深,如图所示。我们测试了不同的芯深,从0英寸到1.5英寸不等,我们注意到粘结强度从0英寸的约820 psi下降到1.5英寸的约610 psi。这种强度下降可以用材料中出现弱点的概率增加来解释,因为芯越长。我们还可以看到,所有结果都高于AASHTO的要求,这是一个好兆头。因此,由于我们需要决定采用哪个芯深,我们想要显示更多界面破坏的芯,因为这就是我们正在测试的,而破坏模式分布显示,0.5英寸在界面处有更多的破坏模式。这里还有一个点,那就是现场的净保护层约为1到1.5英寸,介于两者之间,我们不希望在现场进行测试时碰到钢筋,所以我们最终选择了0.5英寸的芯深。

覆盖层龄期

第二件事是覆盖层龄期。由于聚酯聚合物混凝土是一种快硬材料,我们预计14天、28天和56天龄期之间的差异不会很大,其平均值在720到760 psi之间。然而,7天龄期的结果低于此值,约为630 psi,这是来自与其他实验不同的UHPC批次,这可能是这里的原因。我们看到的好处是,所有覆盖层龄期的实验结果都远高于AASHTO的要求,这是一件好事,我们可以采用任何这些龄期。然而,我们选择了14天,因为它允许我们在实验室中有足够的时间来准备我们的试件,特别是我们同时进行许多测试,而且芯取样也不是一件容易的事。

表面处理

现在是表面处理的结果。如果您还记得粗糙度测量结果,未经处理的表面看起来很光滑,我们可以在这里看到结果。平均破坏强度甚至低于AASHTO推荐的250 psi,只有少数结果在300到400 psi之间,这些结果来自我们条带的边缘,UHPC的固化方式在我们的放置方式上有一些褶皱。对于所有其他方法,我们看到它们具有良好的粘结强度,平均值从所有方法的约700 psi下降到650 psi。这种强度下降可能是由于所有这些实验都使用了不同的UHPC批次。我们可以看到,水力爆破的粘结强度较低,这可能是由于该方法中使用了高压水,可能削弱了试件。

破坏模式

水力爆破和表面缓凝剂的强度确实低于研磨和喷砂,但在破坏模式方面,这两种方法的界面破坏较少。对于界面破坏模式,所有破坏都记录在界面处,大多数是完全的界面破坏,那些在300到400 psi之间的破坏是混合破坏模式,但大多数表面在界面处破坏。我们还可以看到,水力爆破和表面缓凝剂暴露的纤维通过被嵌入PPC中而对界面做出了贡献,我们在这里看到了纤维,这是一件有趣的事情。我们可能可以看到,只有那些与芯方向一致的纤维才做出了贡献,这仍然是一件好事。

结论

总而言之,没有表面处理方法导致粘结强度低于AASHTO推荐的250 psi,而其他方法证明将强度提高到至少该值的2倍。我们还可以说,PPC覆盖层龄期为7天或更长对性能没有影响。最后,我们可以说,由于使用其他两种方法存在困难,因此使用界面轮廓规是测量粗糙度的最合适方法。展望未来,我们将对桥梁上使用PPC作为覆盖层的桥梁进行现场评估,并将测试其他覆盖层,例如改性D型混凝土和乳胶改性混凝土,以与聚酯聚合物混凝土进行比较。

致谢

我还想借此机会感谢为我们研究的进展做出贡献的专业人士,并感谢特拉华州交通部对该项目的资助。非常感谢!

谢谢萨巴,我们房间里有人有什么问题吗?在我们等待的同时,大卫……

我想我这里有一个问题,当你的粘结强度远高于AASHTO的最低要求时,破坏模式是否真的重要?

所以我们只关注粘结强度,因为对于所有方法,粘结强度或实际破坏都高于AASHTO的要求,所以这并不那么重要,但我们仍然想看看它在什么情况下会破坏。当UHPC或PPC破坏时,这意味着界面甚至比这两个部件或更具体地说是破坏的部件更强。当我们选择界面破坏的芯深时,我们想以此为基础,对界面进行更多的测试,而不是其他两个区域。对于其他覆盖层,如果我们在界面处经历更多的破坏,这将表达……对于聚酯聚合物混凝土来说,它们都很好,粘结强度也很好。是的,我想我们只能拭目以待,看看这些覆盖层的性能如何,并以某种方式将其关联起来。好的,让我们为今天的所有演讲者鼓掌,谢谢。

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