凍融條件下新老混凝土粘結(jié)后抗折性能

黃 偉，方張平

(淮南聯(lián)合大學(xué) 建筑與藝術(shù)學(xué)院，安徽 淮南 232001)

1 前 言

水泥混凝土路面擴(kuò)建工程、結(jié)構(gòu)修補(bǔ)及裝配式混凝土結(jié)構(gòu)中存在很多新老混凝土黏結(jié)問題，在環(huán)境和外荷載的作用下這些問題將會(huì)影響混凝土結(jié)構(gòu)的正常使用，因此新老混凝土連接后的性能指標(biāo)值得研究和關(guān)注。目前許多學(xué)者已開展新老混凝土粘結(jié)性能、力學(xué)性能和耐久性等方面研究，如田穩(wěn)苓等[1]對(duì)新老混凝土粘結(jié)性影響因素和結(jié)合面處理方法開展試驗(yàn)分析；馬芹永等[2]、程紅強(qiáng)等[3]對(duì)粘結(jié)面的粗糙度、新老混凝土強(qiáng)度等因素進(jìn)行了試驗(yàn)研究；趙志方等[4]選擇接口處理方法、接口劑種類和混凝土類型為分析因子，研究新老混凝土粘結(jié)抗折性能和粘結(jié)機(jī)理；袁群等[5]對(duì)新混凝土與碳化混凝土之間添加不同接口粘結(jié)劑，試驗(yàn)分析其粘結(jié)抗折性能，得出水泥凈漿接口劑可以有效提高混凝土粘結(jié)后抗折性能。韓霄峰[6]在凍融條件下，研究了玄武巖摻量變化對(duì)混凝土進(jìn)行抗折和抗沖擊性能的影響，分析了混凝土各項(xiàng)凍融性能指標(biāo)；HANJARI等[7]利用混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量和抗壓強(qiáng)度來(lái)定量分析混凝土凍害；盧夢(mèng)婷等[8]采用快凍法測(cè)定混凝土質(zhì)量損失率和相對(duì)動(dòng)彈性模量等凍融指標(biāo)，利用環(huán)境掃描電鏡分析混凝土結(jié)構(gòu)微觀形貌和損傷情況；PENTTALA[9]建立凍融條件下混凝土的水灰比、含氣體積和養(yǎng)護(hù)時(shí)間與損傷變量之間線性回歸關(guān)系；朱紅光等[10]利用無(wú)損測(cè)試提出了粘結(jié)面凍融損傷指針和抗凍融性能表征方法；秦?fù)碥姷萚11]研究?jī)鋈跅l件下鋰渣再生混凝土抗壓強(qiáng)度與動(dòng)彈性模量之間劣化關(guān)系。但上述都只集中常態(tài)下或高溫條件下新老混凝土粘結(jié)后的抗折強(qiáng)度以及整體狀態(tài)下混凝土凍融試驗(yàn)研究，對(duì)凍融環(huán)境下新老混凝土的抗折性能沒有系統(tǒng)研究。本研究選擇四種不同粗糙度的粘結(jié)面制作新老混凝土試件，對(duì)不同凍融循環(huán)次數(shù)下試件的抗折強(qiáng)度、質(zhì)量損失率和動(dòng)彈性模量等進(jìn)行系統(tǒng)試驗(yàn)研究。

2 材料與方法

2.1 原材料及配合比

水泥采用八公山牌P.O 42.5普通硅酸鹽水泥；粗骨料采用連續(xù)級(jí)配碎石，最大粒徑不超過(guò)15 mm；細(xì)骨料為河砂，細(xì)度模數(shù)2.1；采用自來(lái)水?dāng)嚢?；新老混凝土接口處理劑采用硅酸鹽膨脹水泥，比表面積為350 m2/kg，3 d和28 d膠砂強(qiáng)度分別為23和52.5 MPa，初凝時(shí)間大于40 min、終凝時(shí)間小于300 min，采用標(biāo)準(zhǔn)稠度水泥凈漿試件試驗(yàn)時(shí)，其限制膨脹率水中7 d不小于0.025%、空氣中28 d不小于0.02%。新老混凝土試件采用的配合比如表1所示。

表1 混凝土配合比

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

新老混凝土粘結(jié)后抗折試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm，預(yù)先制作100 mm×100 mm×200 mm老混凝土半體，在混凝土漿體硬化前對(duì)接口粘結(jié)面進(jìn)行處理，得到Ⅰ(木模板面)、Ⅱ(鋼絲球打毛法)、Ⅲ(刻槽法)和Ⅳ(斷裂面)等四種不同效果的粘結(jié)面，如圖1所示。采用灌砂法[12]測(cè)定試件粘結(jié)面的平均灌砂深度h(即表面粗糙度)。

圖1 不同粘結(jié)面效果圖 (a) Ⅰ型粘結(jié)面h=0.21～0.54 mm; (b) Ⅱ型粘結(jié)面h=1.15～1.82 mm; (c) Ⅲ型粘結(jié)面h=2.67～4.16 mm和(d) Ⅳ型粘結(jié)面h=4.23～6.95 mm

預(yù)制老混凝土半體養(yǎng)護(hù)28 d后放入模具中，再澆筑新混凝土得到新老混凝土試件，澆筑前對(duì)所有類型老混凝土粘結(jié)面涂刷高強(qiáng)膨脹水泥漿(水泥漿水灰比為0.47，涂刷量要求4 kg/m2)。所有試件采用帶模濕養(yǎng)7d，確保新老混凝土接口處理劑中膨脹劑充分水化。每組3個(gè)混凝土試件，根據(jù)凍融循環(huán)方案設(shè)計(jì)測(cè)定6次，每一種粘結(jié)面制作18個(gè)試件，養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行凍融試驗(yàn)，凍融次數(shù)設(shè)定為0、10、20、30、40、50次，凍融循環(huán)結(jié)束后進(jìn)行動(dòng)彈性模量、質(zhì)量和抗折強(qiáng)度測(cè)試，抗折強(qiáng)度按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081-2002)中三分點(diǎn)法進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)裝置如圖2所示。

圖2 混凝土粘結(jié)抗折試驗(yàn)裝置

2.3 試驗(yàn)

根據(jù)《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》(GB/T 50082-2009)中的快凍法，采用KDR-2型混凝土快速凍融試驗(yàn)機(jī)對(duì)所有混凝土試件進(jìn)行試驗(yàn)，分別設(shè)置混凝土試件凍結(jié)和融化終了時(shí)的中心溫度為(-18±2) ℃和(+5±2) ℃，2～4 h完成一次凍融循環(huán)，確保融化的時(shí)間達(dá)到整個(gè)凍融周期的1/4以上。測(cè)試前所有試件用溫度為20～25 ℃水浸泡4 d，試件放置在凍融箱盒中始終保持水面高度超過(guò)試件表面5 mm左右。采用DT-20W測(cè)定儀對(duì)混凝土試件的動(dòng)彈性模量進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試時(shí)在試件中部位置放置聲波發(fā)射端，在其平行表面距離端部5 mm處放置接收端來(lái)測(cè)試混凝土橫向自振頻率和動(dòng)彈性模量。

3 結(jié)果及分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

表2為新老混凝土凍融循環(huán)后抗折強(qiáng)度平均值試驗(yàn)結(jié)果。為了分析新老混凝土與整體混凝土強(qiáng)度之間的關(guān)系，定義α為凍融作用下新老混凝土抗折強(qiáng)度f(wàn)Z與整體老混凝土抗折強(qiáng)度平均值fcz,m的比值。

表2 新老混凝土凍融循環(huán)后抗折試驗(yàn)結(jié)果

3.2 凍融次數(shù)和粗糙度對(duì)抗折強(qiáng)度的影響

從圖3可以看出，凍融試驗(yàn)前，隨粘結(jié)面粗糙度的增加，抗折強(qiáng)度顯著提高，四種截面類型的α值分別為49.6%、52.8%、60.0%和69.6%，Ⅳ型截面新老混凝土抗折強(qiáng)度明顯高于其他三種，表明新老混凝土接口粗糙程度對(duì)混凝土抗折強(qiáng)度影響顯著。當(dāng)接口粗糙度增大，接口接觸的表面積增大，宏觀上有效地增加了接口咬合力，從而提高抗折強(qiáng)度，特別是Ⅳ型截面，表面粗糙度較大，涂抹高強(qiáng)膨脹水泥漿接口處理劑到截面后，因早齡期試模的約束作用以及膨脹水泥水化反應(yīng)產(chǎn)生鈣礬石的連接作用，使得新老混凝土試件之間的粘結(jié)力良好，文獻(xiàn)[13]中采用掃描電鏡發(fā)現(xiàn)鈣礬石輻射生長(zhǎng)到老混凝土界面的孔穴中，正好加以驗(yàn)證；隨著凍融次數(shù)的增加，四種粘結(jié)面類型的新老混凝土抗折強(qiáng)度都呈現(xiàn)逐漸減小趨勢(shì)。

圖3 新老混凝土抗折強(qiáng)度與凍融次數(shù)之間關(guān)系

考慮到新老混凝土抗折強(qiáng)度、老混凝土抗折強(qiáng)度和凍融循環(huán)次數(shù)特征參數(shù)影響，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，分別得到四種不同粗糙度截面的計(jì)算公式，所擬合的方程見表3。

表3 不同截面fz/fcz，m與凍融次數(shù)n擬合方程

隨凍融次數(shù)的增加，Ⅰ型和Ⅱ型粘結(jié)面新老混凝土凍融循環(huán)后抗折破壞裂縫基本沿粘結(jié)面展開，表明這兩種類型混凝土試件由于接口粗糙度較小，粘結(jié)面為試件受力薄弱面。從圖4可以看出，當(dāng)凍融10次至30次時(shí)，新老混凝土試件的破壞主要集中在粘結(jié)面處，試件直接斷裂，斷裂面呈部分凸凹；當(dāng)凍融40次及以后，新老混凝土試件的抗折破壞主要集中在老混凝土一側(cè)，試件破壞面呈壓剪斜截面破壞。表明凍融初期，新老混凝土強(qiáng)度高于粘結(jié)面水泥漿的強(qiáng)度，試件破壞直接沿粘結(jié)面發(fā)生斷裂破壞，隨著凍融次數(shù)增加，可以從圖5中看出40次后老混凝土結(jié)構(gòu)表層發(fā)生疏松剝落，試件端部出現(xiàn)許多微裂縫，凍脹破壞比較嚴(yán)重，導(dǎo)致抗折承載力的降低，而粘結(jié)面處由于早期模具約束力以及界面劑水化反應(yīng)產(chǎn)生膨脹力和化學(xué)粘結(jié)力，再加上粘結(jié)面粗糙度的增加，使得新老混凝土試件之間的咬合力顯著增強(qiáng)，導(dǎo)致試件受力薄弱面慢慢向老混凝土一側(cè)轉(zhuǎn)移。

圖4 Ⅲ型和Ⅳ型混凝土試件抗折破壞圖

3.3 凍融試件表觀與性能參數(shù)分析

混凝土耐久性評(píng)價(jià)指標(biāo)常用動(dòng)彈性模量和質(zhì)量損失率來(lái)評(píng)價(jià)。本研究采用DT-20W試驗(yàn)機(jī)對(duì)凍融循環(huán)后新老混凝土兩側(cè)分別進(jìn)行動(dòng)彈性模量測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表4所示。

表4 新老混凝土動(dòng)彈性模量試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)表4中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，可以得出不同凍融次數(shù)下新老混凝土動(dòng)彈性模量的回歸曲線如下式，

Eo=31.389-0.334n-0.0029n2(R2=0.991)

(1)

En=32.006-0.324n-0.0032n2(R2=0.993)

(2)

式中：En、Eo表示新、老混凝土動(dòng)彈性模量，GPa；n為凍融次數(shù)。

從表4試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，增加凍融循環(huán)次數(shù)，新老混凝土的動(dòng)彈性模量降低明顯，當(dāng)凍融循環(huán)到達(dá)30次時(shí)，新、老混凝土實(shí)測(cè)動(dòng)彈性模量與初始動(dòng)彈性模量之比分別為0.582和0.602，動(dòng)彈性模量降幅較大，表明新老混凝土耐久性下降較快，與其抗折強(qiáng)度相比，混凝土抗折強(qiáng)度變化比動(dòng)彈性模量降幅明顯，主要是因?yàn)榛炷两Y(jié)構(gòu)破壞是由外及里慢慢發(fā)展的，抗折強(qiáng)度降幅較快是混凝土表層結(jié)構(gòu)的破壞最直接反映，相比對(duì)混凝土的動(dòng)彈性模量的影響則較小[14]，結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合。

圖5顯示隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土試件初始表面由光滑逐漸變得粗糙，有少量的水泥漿剝蝕，出現(xiàn)了很多微小的孔洞。新老混凝土試件兩端的表觀也出現(xiàn)顯著對(duì)比，老混凝土一端，由于強(qiáng)度低于新混凝土，經(jīng)過(guò)多次凍融循環(huán)破壞，試件一側(cè)表現(xiàn)為粗骨料外露較多，孔洞較大，局部有碎石的剝落，混凝土表面砂漿剝離程度相對(duì)比新混凝土嚴(yán)重，說(shuō)明此時(shí)老混凝土的凍融損傷程度比新混凝土嚴(yán)重，根據(jù)試件質(zhì)量測(cè)試可知，混凝土試樣的質(zhì)量損失率呈現(xiàn)初期略有降低、后期快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)，主要因?yàn)樾吕匣炷猎趦鋈谶^(guò)程中隨著外層水泥漿光滑面的破壞，內(nèi)部孔洞生長(zhǎng)、擴(kuò)展反映較為敏感，混凝土初期的吸水率增加較為明顯，質(zhì)量損失率呈現(xiàn)負(fù)值；隨凍融次數(shù)增加，混凝土內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)在凍脹力與孔隙水壓力雙重作用下，引發(fā)混凝土結(jié)構(gòu)空隙貫穿成微裂縫，造成混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷積累、擴(kuò)展和加劇，從而導(dǎo)致混凝土外觀侵蝕剝落嚴(yán)重、材料內(nèi)部的微裂縫不斷擴(kuò)展，后期質(zhì)量損失率的快速增長(zhǎng)。

圖5 Ⅲ型試件凍融循環(huán)后表觀特征(上部為老混凝土，下部為新混凝土)

3.4 凍融作用下的損傷和耐久性指標(biāo)分析

根據(jù)損傷力學(xué)理論，混凝土凍融損傷劣化程度可以采用抗折強(qiáng)度和動(dòng)彈性模量?jī)蓚€(gè)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)[15]。定義凍融作用下新老混凝土抗折強(qiáng)度損傷變量DZ和動(dòng)彈性模量損傷變量DE，公式如下：

DZ=1-fzi/fz0

(3)

DE=1-Ei/E0

(4)

式中：fzi、Ei為第i次凍融循環(huán)后新老混凝土抗折強(qiáng)度和動(dòng)彈性模量；fz0、E0為凍融試驗(yàn)前所測(cè)得新老混凝土抗折強(qiáng)度和動(dòng)彈性模量。

利用式(3)、(4)計(jì)算可以得出DZ和DE與凍融次數(shù)之間的關(guān)系，如圖6所示。

圖6 損傷變量與凍融次數(shù)之間關(guān)系

DZ和DE與凍融次數(shù)之間函數(shù)表達(dá)式為：

DZ=0.0001n2+0.0111n-0.0132

(5)

DE=0.0001n2+0.0106n-0.0169

(6)

式中：n為凍融循環(huán)次數(shù)。

圖6為新老混凝土損傷變量與凍融次數(shù)散點(diǎn)回歸關(guān)系。從圖可見，隨著凍融次數(shù)的增加，新老混凝土凍融損傷變量DZ和DE逐漸增加；凍融循環(huán)10次時(shí)，DZ和DE損傷變量?jī)H為0.085和0.081，30次時(shí)DZ和DE損傷變數(shù)達(dá)到0.423和0.407，抗折強(qiáng)度損傷變量和動(dòng)彈性模量損傷變量變化規(guī)律表現(xiàn)出良好的相關(guān)性。此外，從圖中曲線變化規(guī)律和走勢(shì)看出，前20次凍融循環(huán)造成混凝土損傷變量增加較緩，30次后損傷變量增速較快，抗折強(qiáng)度損傷略高于動(dòng)彈性模量損傷，表明此時(shí)新老混凝土結(jié)構(gòu)從初始的表面破壞已經(jīng)慢慢向結(jié)構(gòu)內(nèi)部演化，混凝土內(nèi)部損傷逐步加劇。

4 結(jié) 論

凍融初期新老混凝土尚未產(chǎn)生嚴(yán)重剝蝕，僅表觀光滑面被破壞，造成吸水率增加，質(zhì)量損失率處于負(fù)值，隨凍融循環(huán)的不斷深入，混凝土試件外觀出現(xiàn)明顯剝落與破壞，質(zhì)量損失率逐漸增大，新、老混凝土動(dòng)彈性模量也快速衰減。

新老混凝土黏結(jié)后抗折強(qiáng)度與混凝土粘結(jié)面粗糙度成正比，凍融初始階段四種不同粘結(jié)界面新老混凝土抗折強(qiáng)度分別為整體抗折強(qiáng)度的49.6%、52.8%、60.0%和69.6%；凍融次數(shù)增加時(shí)，新老混凝土抗折強(qiáng)度比動(dòng)彈模量衰減較快，從抗折試件破壞特征可以發(fā)現(xiàn)，Ⅰ型和Ⅱ型粘結(jié)面新老混凝土試件抗折破壞面主要集中粘結(jié)面處，Ⅲ型和Ⅳ型粘結(jié)面混凝土試件，由于粗糙度和高強(qiáng)微膨脹粘結(jié)劑的雙重因素影響下，新老混凝土抗折試件的破壞面從粘結(jié)面處逐漸向老混凝土一側(cè)轉(zhuǎn)移。