砂漿-骨料粘結(jié)界面力學(xué)性能

向祖超， 李 揚(yáng)， 沈子豪

(湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院， 湖北 武漢 430068)

混凝土作為世界上應(yīng)用最廣泛的一種建筑材料，其高強(qiáng)度及高性能的特點(diǎn)為世界所公認(rèn)。鋼筋因其抗拉強(qiáng)度高，且熱膨脹系數(shù)與混凝土相近，可彌補(bǔ)混凝土抗拉強(qiáng)度上的不足，鋼筋混凝土構(gòu)件也因此在結(jié)構(gòu)工程中得到廣泛應(yīng)用。但當(dāng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋局部布置較為擁擠以及鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)超載時(shí)，混凝土?xí)驗(yàn)榭估瓘?qiáng)度低而產(chǎn)生若干不均勻裂縫，最終裂縫延伸，生成肉眼可見(jiàn)裂縫，直到混凝土斷裂，構(gòu)件破壞[1-2]。對(duì)于混凝土構(gòu)件的宏觀破壞，實(shí)則是由細(xì)觀角度不均勻裂縫的累積和延伸造成的，馬懷發(fā)等[3]提出從細(xì)觀角度看，混凝土構(gòu)件在加載前，內(nèi)部已存在微裂縫，即砂漿和骨料界面的初始粘結(jié)裂縫，這些裂縫是由于砂漿的干縮現(xiàn)象以及溫度變化導(dǎo)致而成。Lybimove等[4]認(rèn)為界面過(guò)渡區(qū)(Interfacial Transition Zone，ITZ)的力學(xué)性能對(duì)混凝土的影響很大。

結(jié)合現(xiàn)有資料表明：ITZ的性能對(duì)混凝土材料性能的具體影響程度還尚未形成統(tǒng)一認(rèn)識(shí)，有關(guān)ITZ力學(xué)性能的試驗(yàn)研究及分析較少，據(jù)此，通過(guò)三點(diǎn)彎試驗(yàn)和劈裂拉伸試驗(yàn)來(lái)測(cè)得水泥-砂漿界面的抗拉壓強(qiáng)度、斷裂能及彈性模量等參數(shù)對(duì)混凝土材料力學(xué)性能的影響，并通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了界面參數(shù)計(jì)算模型，對(duì)增強(qiáng)混凝土強(qiáng)度及混凝土細(xì)觀結(jié)構(gòu)的研究有很大一定的參考和借鑒作用。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)方法

1.1.1抗拉強(qiáng)度Tn采用劈裂試驗(yàn)來(lái)測(cè)得試件的抗拉強(qiáng)度，加載方式按照規(guī)范[11]通過(guò)設(shè)置加載速率為0.06 MPa/s的應(yīng)力控制模式進(jìn)行加載，可得到試驗(yàn)的荷載-位移曲線。試驗(yàn)測(cè)試試件分為三批次，分別測(cè)試了水泥砂漿、石材、水泥砂漿及石材各一半的復(fù)合試件的抗拉強(qiáng)度。加載示意圖見(jiàn)圖1。

圖 1 劈裂試驗(yàn)加載示意圖

在得出荷載-位移曲線后，可按下式計(jì)算水泥砂漿-骨料粘結(jié)界面的抗拉強(qiáng)度：

(1)

式中：P表示最大荷載，kN；A表示試件的斷裂面積，mm2。

1.1.2斷裂能Gf參考RILEM的提議[12]，本研究采用三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)測(cè)得斷裂能，控制試驗(yàn)的加載速率為0.4 mm/min，最終可獲得試件的荷載-撓度曲線。試驗(yàn)共測(cè)試了水泥砂漿、骨料、砂漿及骨料各一半的復(fù)合試件的斷裂能,三種立方體試件見(jiàn)圖2。在測(cè)得這三批試件的斷裂能后，可得到水泥砂漿、骨料以及砂漿-骨料粘結(jié)界面的斷裂能[13],加載示意圖見(jiàn)圖3。

圖 2 立方體試件

圖 3 帶缺口梁的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)加載示意圖

斷裂能指的是裂紋擴(kuò)展單位面積所消耗的表面能，這一參數(shù)可通過(guò)試驗(yàn)所得的荷載-撓度曲線計(jì)算得到，具體計(jì)算公式如下：

Gf=Wf/A=(W0+mgδ0)/A

(2)

式中：Gf為試件單位面積上的斷裂能，N·mm-1；Wf為試件的斷裂能，N·mm；A為試件的斷裂面積，A=b(h-a)，mm2;b為梁的寬度，mm;h為梁的高度，mm;a為開(kāi)口深度，mm；W0為荷載-撓度曲線下的面積，mm2；mg為兩跨間梁的自重，N；δ0為試件破壞時(shí)的撓度，mm。

1.2 試驗(yàn)裝置

兩個(gè)試驗(yàn)均在湖北工業(yè)大學(xué)工程結(jié)構(gòu)及數(shù)字化模擬實(shí)驗(yàn)室完成，試件的拉壓強(qiáng)度及彈性模量在微機(jī)控制電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)(YAW-3000G)測(cè)得，可施加的最大荷載為3000 kN，精確度等級(jí)為0.5級(jí)(圖4)；帶缺口梁的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)在微機(jī)控制電子壓力試驗(yàn)機(jī)(CBT1105-D)上完成，試驗(yàn)機(jī)對(duì)試件可施加的最大荷載為100 kN，精確度等級(jí)為1級(jí)(圖5)。

圖 4 劈裂拉伸試驗(yàn) 圖 5 三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)

在試驗(yàn)準(zhǔn)備階段，清除機(jī)器表面浮灰，將試件置于試驗(yàn)機(jī)的指定位置加載，記錄荷載-位移曲線，可觀察到在試驗(yàn)初期，曲線大致呈線性增長(zhǎng)，隨著位移逐漸增加，荷載持續(xù)增大但增長(zhǎng)速率變慢，且出現(xiàn)往復(fù)下降，最終試件破壞。

1.3 試件制備

已有研究表明，在測(cè)試斷裂能和抗拉強(qiáng)度的過(guò)程中均存在尺寸效應(yīng)[14]，根據(jù)GB/T 50152《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[15]規(guī)定，劈裂拉伸試驗(yàn)應(yīng)采用邊長(zhǎng)為150 mm的立方體試件，對(duì)于非標(biāo)準(zhǔn)試件乘以對(duì)應(yīng)的換算系數(shù)。三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)采用的是較小的梁試件，尺寸為30 mm×35 mm×250 mm，最終測(cè)得試件的荷載-撓度曲線，計(jì)算出斷裂能。

水泥砂漿的立方體試件澆筑按照程序在可拆卸的鋼模中完成即可，在制作砂漿-骨料復(fù)合材料試件時(shí)，需先將石材置于模具底部，再自上往下澆筑砂漿(圖6)。

圖 6 立方體模具

三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)中采用的較小梁試件在木模中完成澆筑，在澆筑前在模具中部放置一木條以預(yù)制裂縫，裂縫深、寬均為10 mm。在進(jìn)行水泥砂漿試件的制作時(shí)，應(yīng)從木模側(cè)邊進(jìn)行澆筑(圖7)。

圖 7 帶缺口梁模具

粗骨料采用花崗巖和石灰?guī)r兩種不同石材進(jìn)行對(duì)比研究。正式澆筑前，石材需先進(jìn)行精加工處理，使得石材滿(mǎn)足試驗(yàn)精度要求，應(yīng)用砂紙對(duì)石材表面打磨3 min(圖8)。

圖 8 石材表面

試驗(yàn)采用三種砂漿配合比和兩種石材進(jìn)行對(duì)比研究。水泥采用標(biāo)號(hào)32.5的礦渣硅酸鹽水泥，砂采用中砂，配合比見(jiàn)表1，試件制作方案見(jiàn)表2。試驗(yàn)制作22個(gè)帶缺口梁試件用作測(cè)試斷裂能，22個(gè)立方體試件用作測(cè)試抗拉壓強(qiáng)度，剩余10個(gè)立方體試件用作測(cè)試彈性模量，共計(jì)54個(gè)。

表1 水泥砂漿配合比 kg/m3

表2 試件設(shè)計(jì)方案

試驗(yàn)對(duì)三種砂漿配合比、兩種石材及砂漿-石材界面的抗拉壓強(qiáng)度、彈性模量及斷裂能同時(shí)進(jìn)行了測(cè)試。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)主要測(cè)試了三種砂漿配合比、兩種石材以及砂漿-石材界面的斷裂能、抗拉壓強(qiáng)度、彈性模量。用測(cè)得的力學(xué)參數(shù)數(shù)據(jù)分析三批試件各項(xiàng)性能隨水灰比的變化規(guī)律，得出水泥砂漿、石材材料性能和水泥砂漿-石材界面性能間的函數(shù)關(guān)系，進(jìn)而建立界面參數(shù)計(jì)算模型。

2.1 水泥砂漿和石材的性能

水泥砂漿和石材的抗壓強(qiáng)度和彈性模量均遵照GB/T 50081《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[16]所給出的方法測(cè)得。材料的各項(xiàng)力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 水泥砂漿及石材的力學(xué)參數(shù)

從上表中可看出水灰比對(duì)砂漿的力學(xué)性能有著重要影響，能夠得出在0.36～0.5范圍內(nèi)的水灰比與砂漿性能變化的函數(shù)關(guān)系：

1)當(dāng)水灰比降低時(shí)，水泥砂漿的抗拉強(qiáng)度先增后減。

如圖9所示，在水灰比大于0.44時(shí)，抗拉強(qiáng)度隨水灰比的減小而增大；當(dāng)水灰比小于0.44時(shí)，抗拉強(qiáng)度隨水灰比的減小而減小，因此在抗拉強(qiáng)度和水灰比間的關(guān)系可用兩段線性函數(shù)關(guān)系式表達(dá)，如

(3)

式中：C/W表示水灰比；ft表示抗拉強(qiáng)度，MPa。

圖 9 水泥砂漿抗拉強(qiáng)度與水灰比關(guān)系

2)當(dāng)水灰比降低時(shí)，水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度不斷提高。

如圖10所示，抗壓強(qiáng)度與水灰比間的關(guān)系可用線性函數(shù)關(guān)系式表達(dá)，如

fc=-69.17C/W+62.46

(4)

式中：C/W表示水灰比；fc表示抗壓強(qiáng)度，MPa。

3)當(dāng)水灰比減小時(shí)，水泥砂漿的彈性模量增大。

如圖11所示，彈性模量和水灰比間的關(guān)系可用線性函數(shù)關(guān)系式表達(dá)，如

E=-55.96C/W+42.23

(5)

式中，C/W表示水灰比;E表示彈性模量，GPa。

圖10 水泥砂漿抗壓強(qiáng)度與水灰比關(guān)系

圖11 水泥砂漿彈性模量與水灰比關(guān)系

2.2 水泥砂漿-石材粘結(jié)界面的性能

表4為試驗(yàn)測(cè)得的三種水灰比以及兩種石材條件下的水泥砂漿-石材粘結(jié)界面的力學(xué)參數(shù)，由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，水泥砂漿-石材界面的斷裂能和抗拉強(qiáng)度均小于水泥砂漿和石材單一材料下的斷裂能和抗拉強(qiáng)度，這也解釋了水泥砂漿-骨料粘結(jié)界面是混凝土中的薄弱層的原因。同時(shí)，也有多位學(xué)者給出相似論證，粘結(jié)界面的斷裂能大致是水泥砂漿的1/10，抗拉強(qiáng)度大致是水泥砂漿的1/3[5]。

表4 水泥砂漿-石材粘結(jié)界面參數(shù)

2.3 砂漿-骨料粘結(jié)界面參數(shù)計(jì)算模型

從測(cè)得數(shù)據(jù)可看出，石材的抗拉強(qiáng)度最高，水泥砂漿其次，水泥砂漿-石材界面抗拉強(qiáng)度最低，此外，當(dāng)石材種類(lèi)為花崗巖時(shí)，試件的抗拉強(qiáng)度要高于石灰?guī)r(圖12)。

從與石材的粘結(jié)強(qiáng)度看，砂漿配合比最小的試件M-3中，砂漿與石材的粘結(jié)強(qiáng)度最高，配合比居中的M-2試件其次，配合比最大的M-1試件最小，說(shuō)明水灰比是影響界面粘結(jié)強(qiáng)度的重要因素。

如圖13，14所示，以水灰比作為自變量，擬合界面抗拉強(qiáng)度f(wàn)t與水灰比C/W的線性函數(shù)關(guān)系式，關(guān)系式如下：

ft1=-4.7432C/W+4.8754

(6)

ft2=-1.7905C/W+2.6626

(7)

式中：C/W表示水灰比，ft1表示砂漿-石灰?guī)r粘結(jié)界面的抗拉強(qiáng)度，MPa；ft2表示砂漿-花崗巖界面的抗拉強(qiáng)度，MPa。

Ⅰ-水泥砂漿； Ⅱ-水泥砂漿-花崗巖界面；Ⅲ-花崗巖 (a)砂漿、花崗巖及界面斷裂能

Ⅰ-水泥砂漿；Ⅱ-水泥砂漿-石灰?guī)r界面；Ⅲ-石灰?guī)r (b)砂漿、石灰?guī)r及界面斷裂能 圖12 水泥砂漿、石材和水泥砂漿-石材界面的抗拉強(qiáng)度

圖13 砂漿-石灰?guī)r界面抗拉強(qiáng)度與水灰比關(guān)系

圖14 砂漿-花崗巖界面抗拉強(qiáng)度與水灰比關(guān)系

將式(3)代入式(6)、(7)可得水泥砂漿與界面兩者抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)系，如

(8)

(9)

三批試件的斷裂能見(jiàn)圖15。可知，石材的斷裂能最大，水泥砂漿次之，水泥砂漿-石材界面的斷裂能最小。試件M-3的砂漿與石材間的粘結(jié)強(qiáng)度最大，M-2次之，M-1最小，由此可知，水泥砂漿的水灰比對(duì)其斷裂性能有至關(guān)重要的影響。

以水灰比作為自變量，擬合出水泥砂漿-石材界面的斷裂能的線性函數(shù)關(guān)系式，關(guān)系式如下：

G1=-0.0071C/W+0.0061，

(10)

G2=-0.0078C/W+0.0049

(11)

式中：G1表示水泥砂漿-石灰?guī)r粘結(jié)界面的斷裂能，N·mm-1；G2表示水泥砂漿-花崗巖粘結(jié)界面的斷裂能，N·mm-1。

Ⅰ-水泥砂漿； Ⅱ-水泥砂漿-花崗巖界面；Ⅲ-花崗巖 (a)水泥砂漿、石材

Ⅰ-水泥砂漿；Ⅱ-水泥砂漿-石灰?guī)r界面；Ⅲ-石灰?guī)r (b)水泥砂漿-石材界面 圖15 水泥砂漿、石材和水泥砂漿-石材界面的斷裂能

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，水泥砂漿斷裂能G與水灰比C/W同為線性關(guān)系，并將其關(guān)系式代入(10)和(11)，可得水泥砂漿斷裂能G與水泥砂漿-骨料界面斷裂能G1、G2的關(guān)系式：

G1=0.83G+0.0011

(12)

G2=0.09G-0.0006

(13)

式中：G表示水泥砂漿的斷裂能，N·mm-1。

3 結(jié)論

通過(guò)劈裂拉伸和帶缺口梁的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)測(cè)得的試驗(yàn)參數(shù)建立了水泥砂漿-骨料粘結(jié)界面的參數(shù)計(jì)算模型，對(duì)改善界面的力學(xué)性能以及研究混凝土的開(kāi)裂特征具有重要作用。在試驗(yàn)研究中可得出：

1)水灰比對(duì)水泥砂漿-骨料界面的力學(xué)性能有重要影響，水泥砂漿-骨料粘結(jié)界面的斷裂能和抗拉強(qiáng)度隨著水灰比的增大而逐漸減?。?/p>

2)水泥砂漿-骨料界面的粘結(jié)強(qiáng)度還與石材種類(lèi)相關(guān)。水泥砂漿-石灰?guī)r的抗拉強(qiáng)度小于水泥砂漿-花崗巖，而石灰?guī)r的彈性模量遠(yuǎn)大于花崗巖；

3)通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)得到了水泥砂漿與水泥砂漿-骨料界面兩者斷裂能的函數(shù)關(guān)系式，建立了水泥砂漿-骨料粘結(jié)界面的參數(shù)計(jì)算模型，對(duì)改善混凝土界面性能有重大意義。