活性粉末混凝土與普通混凝土黏結劈拉性能

賈方方， 賀 奎， 王萬金， 安明喆， 路振寶

(1. 北京交通大學 土木建筑工程學院， 北京 100044；2. 北京建工集團有限責任公司 博士后科研工作站，北京 100055；3. 北京市功能性高分子建筑材料工程技術研究中心 北京市建筑工程研究院有限責任公司，北京 100039)

新型水泥基復合材料活性粉末混凝土通過合理選取顆粒級配、最緊密堆積理論制備及高溫熱合方式養(yǎng)護，具有超高的強度和耐久性，抗壓強度達200～800 MPa，摻入大量短細鋼纖維提高基體韌性和吸收能量的能力[1]。用活性粉末混凝土制作的人行道蓋板已在高速鐵路、客運專線中應用。若結構中全部使用活性粉末混凝土，處于梁體上部的材料不能完全發(fā)揮其性能，對于高速鐵路箱梁，造成豎向剛度較低，影響列車運行。將活性粉末混凝土用于構件的受拉區(qū)或將其作為永久性模板，使其與普通混凝土共同受力，2種材料共同承擔外界荷載，同時利用活性粉末混凝土高耐久性和高韌性特點，可用于嚴酷環(huán)境中的混凝土結構。

國內外對活性粉末混凝土用于修補加固、永久性模板及活性粉末混凝土-普通混凝土疊合梁進行了初步研究。鐘詠梅從理論角度指出活性粉末混凝土可作為永久性模板[2]，王鈞通過試驗研究表明用活性粉末混凝土作永久柱?？商岣呖蚣芙Y構的抗震性能[3]。北京交通大學、同濟大學對活性粉末混凝土-普通混凝土疊合梁進行了理論及試驗研究[4-6]，Lee等研究了其作為修補材料的基本性能[7-8]。研究結果顯示，由于活性粉末混凝土與普通混凝土材料性能的差異，兩者界面之間的黏結性能是影響疊合梁或其在修補加固工程中的重要因素[9]，研究活性粉末混凝土與普通混凝土之間的黏結性能具有重要的理論和現(xiàn)實意義。黏結劈拉試驗是研究2種混凝土之間黏結性能的測試方法之一[10]。本文通過黏結劈拉試驗探討活性粉末混凝土中鋼纖維摻量、試件澆筑方位、界面黏結形式和普通混凝土強度等級對活性粉末混凝土-普通混凝土黏結性能的影響，分析其黏結機理。

1 試驗概況

1.1 試驗用原材料及配合比

試驗中制備活性粉末混凝土所用的原材料有：P.O42.5普通硅酸鹽水泥、微硅粉、石英砂(粒徑0.625～1 mm)、高性能減水劑(減水率30%)、鋼纖維(直徑0.22 mm，長13～15 mm，密度7.8 kg/m3，抗拉強度2 850 MPa，表面鍍銅)和水。配合比見表1，其中鋼纖維體積摻量有0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%等5種。

表1 活性粉末混凝土配合比

普通混凝土選取C40、C50和C60等3個強度等級。制備普通混凝土所用的原材料主要有： PO42.5普通硅酸鹽水泥、河砂(細度模數(shù)2.6)、級配碎石(粒徑5～25 mm)、礦物摻合料(粉煤灰和礦粉)、高性能減水劑含固量10%。具體配合比見表2。C40、C50和C60混凝土的28 d抗壓強度分別為43.95、56.25、62.54 MPa，28 d劈拉強度分別為3.46、3.68、3.76 MPa。

表2 普通混凝土配合比

注：B=C+FA+SP。

1.2 試件成型及養(yǎng)護方式

試驗中選取活性粉末混凝土自然成型面和劈裂面2種界面形式。

制作自然面黏結試件時，澆筑100 mm×100 mm×50 mm的活性粉末混凝土試件，澆筑完成后24 h拆模，放入蒸汽養(yǎng)護箱中75 ℃養(yǎng)護72 h，自然冷卻至室溫。將養(yǎng)護完成的試件放入水箱中浸泡24 h，再放到通風處干燥至表面無明水狀態(tài)，放入模具中，澆筑普通混凝土試件。澆筑完成后48 h拆模，放入標準養(yǎng)護室，養(yǎng)護28 d后進行黏結劈拉試驗。

制作劈裂面黏結試件時，澆筑100 mm×100 mm×100 mm的活性粉末混凝土試件，養(yǎng)護方式同上，養(yǎng)護完成后冷卻至室溫，在萬能試驗機上進行劈拉試驗，將試件劈成兩半。將劈裂后的試件放入水箱中浸泡24 h，再放到通風處干燥至表面無明水狀態(tài)，放入模具中，澆筑普通混凝土試件，48 h后拆模，在標準養(yǎng)護室養(yǎng)護28 d后進行黏結劈拉試驗。

為研究2種界面形式對活性粉末混凝土與普通混凝土界面間黏結性能的影響，在澆筑普通混凝土前，采用灌砂法測定活性粉末混凝土自然面和劈裂面的灌砂深度[11]?；钚苑勰┗炷磷匀幻嬖嚰砻嫫秸?，取灌砂深度為0，鋼纖維摻量0%、0.5%、1.0%、1.5%和2.0%的活性粉末混凝土劈裂面的灌砂深度分別為0.09～0.11、0.21～0.30、0.32～0.40、0.45～0.54、0.57～0.65 mm。黏結劈拉試件在澆筑過程中，采用水平澆筑和豎向澆筑2種澆筑形式，見圖1。

1.3 試驗方法

活性粉末混凝土與普通混凝土黏結劈拉試驗在1 000 kN的萬能試驗機上進行。試驗按照文獻[12]進行，加載方式見圖2。

2 試驗結果

試件破壞后記錄破壞荷載，計算黏結劈拉強度

( 1 )

為與普通混凝土整體劈拉強度進行對比分析，引入相對指標β，β為活性粉末混凝土與普通混凝土黏結試件的劈拉強度值與普通混凝土整體劈拉強度值之比，計算式為

( 2 )

本試驗主要考查活性粉末混凝土中鋼纖維體積摻量、黏結試件澆筑形式、界面黏結形式及普通混凝土強度等級4個因素對黏結劈拉性能的影響。試驗共15組，每組3個試件，共45個試件。

3 試驗結果及黏結機理分析

3.1 試件破壞形式

本試驗所有試件的破壞形式分為3種，見圖3。

(1) 黏結面破壞(A型)：黏結試件在黏結面處被劈成兩半；普通混凝土部分未出現(xiàn)裂縫或任何破壞現(xiàn)象。

(2) 黏結面破壞+普通混凝土開裂(B型)：黏結試件在黏結面處被劈成兩半；破壞面上可看到大塊的普通混凝土剝落，黏附在活性粉末混凝土上；在普通混凝土一側可看到鋼纖維。

(3) 普通混凝土破裂(C型)：黏結試件界面相鄰的普通混凝土部分發(fā)生破裂；凸出的骨料被拉斷；部分骨料被拔出，黏附在活性粉末混凝土基體上。

所有試件的黏結劈拉強度平均值及對應的相對指標β見表3，表3中還列出了黏結劈拉試件的破壞形式。從表3可以看出，試件的破壞形式與活性粉末混凝土中鋼纖維體積摻量和界面黏結形式有關。

表3 黏結劈拉試驗結果及試件破壞形式

3.2 鋼纖維摻量及界面黏結形式對黏結劈拉強度的影響

普通混凝土為C50混凝土時，劈裂面和自然面2種黏結界面下黏結劈拉強度隨活性粉末混凝土中鋼纖維摻量變化曲線見圖4。從圖4可以看出，黏結劈拉強度隨活性粉末混凝土中鋼纖維摻量的增加而增大，劈裂面黏結試件的劈拉強度值大于自然面。以劈裂面黏結試件為例，活性粉末混凝土中不摻鋼纖維時(PRA51)，界面黏結劈拉強度僅為普通混凝土整體劈拉強度的66.79%，鋼纖維摻量為2.0%時(PRE51)，界面黏結劈拉強度為4.45 MPa，大于C50混凝土整體劈拉強度3.68 MPa，約為其1.2倍，為不摻纖維試件(PRA51)的1.8倍。

2種混凝土界面上的黏結力主要由二者界面上的化學作用力、范德華力和機械咬合力組成[13-14]。鋼纖維的摻入能夠提高界面黏結強度，主要原因有:(1) 增加界面摩擦力。活性粉末混凝土中摻入鋼纖維后，以自然面黏結的試件，由于表面未進行抹平處理，在振動成型過程中，亂向分布的鋼纖維在試件表面形成了自然粗糙面。鋼纖維摻量越大，試件表面的纖維數(shù)量越多，與普通混凝土黏結面越粗糙，相應的黏結強度越高。對于以劈裂面黏結的試件，鋼纖維摻量越大，活性粉末混凝土試件劈裂后劈裂面(黏結界面)上的纖維數(shù)量越多，界面粗糙度增加，黏結強度提高。(2)提高機械咬合力?；钚苑勰┗炷帘砻娴匿摾w維伸入到普通混凝土內部，與普通混凝土咬合在一起，提高二者之間的機械咬合力。黏結試件在劈拉過程中，鋼纖維能夠起到阻裂抗裂的作用，保持2種混凝土之間的咬合力，進而提高黏結劈拉強度，同時改變黏結試件的破壞形式，使其由A型破壞，轉變?yōu)锽型或C型破壞。根據(jù)試件斷面結果可知，黏結試件發(fā)生破壞時，鋼纖維均為被拔出而未見拔斷，且鋼纖維拔出破壞均發(fā)生在普通混凝土一側。因為本試驗中采用的鋼纖維抗拉強度較高(高達2 800 MPa)，黏結界面上的鋼纖維一般是橫貫在黏結面上(一端位于活性粉末混凝土基體中，一端位于普通混凝土基體中)，由于鋼纖維直徑較小，僅為0.22 mm，普通混凝土基體相對疏松，鋼纖維與普通混凝土基體間的黏結強度較低。所以，破壞試件中發(fā)生鋼纖維從普通混凝土基體中拔出的破壞形式。

從圖4還可以看出，以劈裂面黏結的劈拉強度大于以自然面黏結的劈拉強度。鋼纖維摻量為2.0%時，以自然面和劈裂面黏結的劈拉強度值分別為3.39、4.45 MPa，劈裂面黏結強度高出31.27%。因為粗糙度是影響2種混凝土界面黏結性能的一個重要因素[15]，以自然面黏結的活性粉末混凝土試件表面未進行粗糙度處理，黏結面平整，界面上的粗糙度小，黏結性能相對較差，相應的其相對指標β小于100，即界面黏結強度值小于普通混凝土劈拉強度。以劈裂面黏結的試件表面相對粗糙，特別是摻有鋼纖維的試件劈開后，斷開面上布滿犬牙交錯的鋼纖維，大大提高黏結面的粗糙度，同時由于鋼纖維提高了其阻裂抗裂能力，進而提高了界面間的黏結劈拉強度。鋼纖維摻量較小時(0%～1.0%)，劈裂面上的鋼纖維數(shù)量較少，試件破壞時拔出鋼纖維所需應力較小，相應的界面劈裂黏結強度較小，相對指標β小于100。由于活性粉末混凝土制備過程中未摻入粗骨料，2種界面與普通混凝土的黏結面粗糙度主要由鋼纖維摻量決定。

3.3 澆筑方位對黏結劈拉強度的影響

普通混凝土強度等級為C50，活性粉末混凝土中鋼纖維摻量為0%～2%時，不同澆筑方位黏結試件的劈拉強度值見圖5。從表2及圖5可以看出，水平澆筑的黏結劈拉強度值大于豎向澆筑，約為豎向澆筑的1.1～1.3倍。在澆筑普通混凝土時，采用振動成型。水平澆筑的試件在振動成型過程中，普通混凝土中的粗骨料下沉，導致普通混凝土與活性粉末混凝土界面處的氣泡上升，使2種混凝土接觸更加緊密，界面黏結強度較高；采用豎向澆筑時，在2種混凝土黏結面的凸出部位容易形成孔洞和離析，同時黏結強度沿試件底面到成型面整個高度范圍內的黏結強度分布不均勻，試件受力時，黏結強度較弱的地方發(fā)生破壞，導致黏結強度較低。

3.4 普通混凝土強度等級對黏結劈拉強度的影響

普通混凝土強度等級分別為C40、C50、C60時,不同澆筑方位的黏結劈拉強度見圖6，其中活性粉末混凝土鋼纖維摻量為2.0%，劈裂面黏結。從表3及圖6可以看出，隨普通混凝土強度等級的提高，其與活性粉末混凝土之間的黏結劈拉強度提高，且黏結劈拉強度都達到普通混凝土整體劈拉強度的99.83%～122.90%，試件破壞時都發(fā)生在普通混凝土一側，說明兩者之間界面黏結性能較好。隨著普通混凝土強度等級的提高，其整體劈拉強度提高，加上活性粉末混凝土中鋼纖維的作用，黏結劈拉強度提高。由于隨強度等級的提高其劈裂強度提高幅度不大，所以普通混凝土強度等級由C40提高到C50和C60，與活性粉末混凝土之間的黏結劈拉強度分別提高10.15%、14.36%(水平澆筑)和11.17%、12.34%(豎向澆筑)，提高幅度不大。

4 結論

本文通過立方體黏結劈拉試驗，研究了活性粉末混凝土中鋼纖維摻量、界面黏結形式、澆筑方位、普通混凝土強度等級等因素變化下活性粉末混凝土-普通混凝土界面黏結性能，主要結論如下：

(1) 由于活性粉末混凝土鋼纖維摻量及界面黏結形式不同，其與普通混凝土之間的劈裂黏結破壞形式有黏結面破壞、黏結面破壞+普通混凝土開裂和普通混凝土破裂3種。

(2) 活性粉末混凝土中的鋼纖維可提高界面粗糙度機械咬合力，同時鋼纖維的阻裂抗裂作用可抑制界面區(qū)裂縫的發(fā)展，摻入后可提高其與普通混凝土之間的黏結劈拉強度；隨鋼纖維摻量的增加，活性粉末混凝土與普通混凝土之間的劈裂黏結強度增大，鋼纖維摻量為2.0%時，黏結劈拉強度可達普通混凝土自身劈拉強度的92.12%～122.90%，二者黏結性能較好。

藻細胞周邊的水分由于受到藻細胞的束縛，其性質和未受到束縛作用的自由水有差別。藻泥中的水可被分為2種：由于藻細胞固體物質的存在導致其性質發(fā)生變化的束縛水和性質不受固體物質影響的自由水［12］。含水物質（如市政污泥）中的束縛水不能通過傳統(tǒng)的脫水方法（如離心、絮凝或過濾）被脫除。

(3) 以劈裂面作為黏結面能夠提高活性粉末混凝土與普通混凝土黏結界面的粗糙度，有鋼纖維時可有效控制裂縫的出現(xiàn)及發(fā)展，黏結劈拉強度高于以自然面黏結的試件。

(4) 豎向澆筑時容易在黏結面處形成離析層，使兩種混凝土界面黏結連續(xù)性變差；水平澆筑時由于普通混凝土在振動時粗骨料下沉，黏結界面處氣泡上升，使兩者結合緊密，水平澆筑黏結劈拉強度值都大于豎向澆筑，約為豎向澆筑的1.1～1.3倍。

(5) 隨強度等級的提高，普通混凝土自身劈拉強度提高，加上活性粉末混凝土中鋼纖維的增強作用，黏結劈拉強度隨普通混凝土強度的提高而增大，混凝土提高2個強度等級，黏結劈拉強度值提高10%左右。

參考文獻：

[1] RICHARD P, CHEYREZY M. Composition of Reactive Powder Concrete[J].Cement and Concrete Research,1995,25(7):1 501-1 511.

[2] 鐘詠梅.活性粉末混凝土做永久性模板研究[D].北京：北京交通大學，2005.

[3] 王鈞，李行，陳旭，等.配鋼纖維RPC永久柱模的RC框架抗震性能試驗[J].沈陽建筑大學學報(自然科學版)，2014，30(2)：220-226.

[4] 肖國梁，高日，李承根.活性粉末混凝土與普通混凝土組合箱梁的受力性能[J].鐵道學報，2004，26(4)：116-119.

XIAO Guoliang, GAO Ri, LI Chenggen.The Static and Dynamic Properties of Combination Box Girders Composed of Reactive Powder Concrete and Conventional Concrete[J]. Journal of the China Railway Society, 2004,26(4):116-119.

[5] 屈文俊，顧俊頡，秦宇航.RPC-NC組合截面梁的耐久性試驗研究[J].結構工程師，2009，25(1)：106-108.

QU Wenjun, GU Junjie ,QIN Yuhang.Experimental Study on the Durability of RPC-NC Combined Section Beams[J]. Structural Engineers, 2009,25(1):106-108.

[6] 鄭潤國.RPC-NC組合截面梁收縮徐變變形差對梁體性能的影響分析[D].北京：北京交通大學，2014.

[7] LEE MG, KAN YC, CHEN KC.A Preliminary Study of RPC for Repair and Retrofitting Materials[J].Journal of Chinese Institute of Engineers,2006,29(6):1 099-1 103.

[8] LEE MG, WANG YC, CHIU CT.A Preliminary Study of Reactive Powder Concrete as a New Repair Material[J]. Construction and Building Materials, 2007, 21(1): 182-189.

[9] TAYEH BA， ABU BAKAR BH，JOHARI MAM，et al. Mechanical and Permeability Properties of the Interface between Normal Concrete Substrate and Ultra High Performance Fiber Concrete Overlay[J]. Construction and Building Materials, 2012(36):538-548.

[10] 田穩(wěn)苓，趙志方，趙國藩，等.新老混凝土的黏結機理和測試方法研究綜述[J]. 河北理工學院學報，1998(1)：84-94.

TIAN Wenling, ZHAO Zhifang, ZHAO Guofan, et al.The Research Summarization on the Mechanism of Adherence of Young Concrete to the Old and Its Test Method[J]. Journal of Hebei Institute of Technology, 1998(1):84-94.

[11] 趙志方，于躍海，趙國藩．測量新老混凝土粘結面粗糙度的方法[J]．建筑結構,2000，30(1):26-29.

ZHAO Zhifang,YU Yuehai,ZHAO Guofan.Methods to Measure the Interfacial Roughness of Young on Old Concrete[J].Building Structure, 2000,30(1):26-29.

[12] 中華人民共和國建設部，中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局. GB/T 50081—2002 普通混凝土力學性能試驗方法標準[S]． 北京：中國建筑工業(yè)出版社,2003.

[13] 王楠.超高韌性水泥基復合材料與既有混凝土粘結工作性能試驗研究[D].大連：大連理工大學，2010.

[14] 謝慧才，李庚英，熊光晶.新老混凝土界面黏結力形成機理[J].硅酸鹽通報，2003(3)：7-10.

XIE Huicai, LI Gengying, XIONG Guangjing. The Mechanism Formed the Bonding Force between New and Old Concrete[J]. Bulletin of the Chinese Ceramic Society, 2003(3):7-10.

[15] 韓菊紅，畢蘇萍，張啟明，等.粗糙度對新老混凝土黏結性能的影響[J].鄭州工業(yè)大學學報，2001，22(3)：22-24.

HAN Juhong, BI Suping, ZHANG Qiming, et al.Influence of the Roughness on the Bonding Properties of New and Old Concrete[J]. Journal of Zhengzhou University of Technology, 2001,22(3):22-24.