活性粉末混凝土與普通混凝土黏結(jié)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(xué) 土木建筑工程學(xué)院， 北京 100044；2. 北京建工集團(tuán)有限責(zé)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(shù)研究中心 北京市建筑工程研究院有限責(zé)任公司，北京 100039)

新型水泥基復(fù)合材料活性粉末混凝土通過合理選取顆粒級(jí)配、最緊密堆積理論制備及高溫?zé)岷戏绞金B(yǎng)護(hù)，具有超高的強(qiáng)度和耐久性，抗壓強(qiáng)度達(dá)200～800 MPa，摻入大量短細(xì)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(yùn)專線中應(yīng)用。若結(jié)構(gòu)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(duì)于高速鐵路箱梁，造成豎向剛度較低，影響列車運(yùn)行。將活性粉末混凝土用于構(gòu)件的受拉區(qū)或?qū)⑵渥鳛橛谰眯阅０澹蛊渑c普通混凝土共同受力，2種材料共同承擔(dān)外界荷載，同時(shí)利用活性粉末混凝土高耐久性和高韌性特點(diǎn)，可用于嚴(yán)酷環(huán)境中的混凝土結(jié)構(gòu)。

國內(nèi)外對(duì)活性粉末混凝土用于修補(bǔ)加固、永久性模板及活性粉末混凝土-普通混凝土疊合梁進(jìn)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(yàn)研究表明用活性粉末混凝土作永久柱模可提高框架結(jié)構(gòu)的抗震性能[3]。北京交通大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)對(duì)活性粉末混凝土-普通混凝土疊合梁進(jìn)行了理論及試驗(yàn)研究[4-6]，Lee等研究了其作為修補(bǔ)材料的基本性能[7-8]。研究結(jié)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(jié)性能是影響疊合梁或其在修補(bǔ)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(jié)性能具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。黏結(jié)劈拉試驗(yàn)是研究2種混凝土之間黏結(jié)性能的測(cè)試方法之一[10]。本文通過黏結(jié)劈拉試驗(yàn)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(jié)形式和普通混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)活性粉末混凝土-普通混凝土黏結(jié)性能的影響，分析其黏結(jié)機(jī)理。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)用原材料及配合比

試驗(yàn)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(qiáng)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(gè)強(qiáng)度等級(jí)。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(xì)度模數(shù)2.6)、級(jí)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(qiáng)度分別為43.95、56.25、62.54 MPa，28 d劈拉強(qiáng)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(hù)方式

試驗(yàn)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(jié)試件時(shí)，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(hù)箱中75 ℃養(yǎng)護(hù)72 h，自然冷卻至室溫。將養(yǎng)護(hù)完成的試件放入水箱中浸泡24 h，再放到通風(fēng)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(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室，養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行黏結(jié)劈拉試驗(yàn)。

制作劈裂面黏結(jié)試件時(shí)，澆筑100 mm×100 mm×100 mm的活性粉末混凝土試件，養(yǎng)護(hù)方式同上，養(yǎng)護(hù)完成后冷卻至室溫，在萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行劈拉試驗(yàn)，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(fēng)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(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行黏結(jié)劈拉試驗(yàn)。

為研究2種界面形式對(duì)活性粉末混凝土與普通混凝土界面間黏結(jié)性能的影響，在澆筑普通混凝土前，采用灌砂法測(cè)定活性粉末混凝土自然面和劈裂面的灌砂深度[11]。活性粉末混凝土自然面試件表面平整，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(jié)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(yàn)方法

活性粉末混凝土與普通混凝土黏結(jié)劈拉試驗(yàn)在1 000 kN的萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。試驗(yàn)按照文獻(xiàn)[12]進(jìn)行，加載方式見圖2。

2 試驗(yàn)結(jié)果

試件破壞后記錄破壞荷載，計(jì)算黏結(jié)劈拉強(qiáng)度

( 1 )

為與普通混凝土整體劈拉強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比分析，引入相對(duì)指標(biāo)β，β為活性粉末混凝土與普通混凝土黏結(jié)試件的劈拉強(qiáng)度值與普通混凝土整體劈拉強(qiáng)度值之比，計(jì)算式為

( 2 )

本試驗(yàn)主要考查活性粉末混凝土中鋼纖維體積摻量、黏結(jié)試件澆筑形式、界面黏結(jié)形式及普通混凝土強(qiáng)度等級(jí)4個(gè)因素對(duì)黏結(jié)劈拉性能的影響。試驗(yàn)共15組，每組3個(gè)試件，共45個(gè)試件。

3 試驗(yàn)結(jié)果及黏結(jié)機(jī)理分析

3.1 試件破壞形式

本試驗(yàn)所有試件的破壞形式分為3種，見圖3。

(1) 黏結(jié)面破壞(A型)：黏結(jié)試件在黏結(jié)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(jié)面破壞+普通混凝土開裂(B型)：黏結(jié)試件在黏結(jié)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(cè)可看到鋼纖維。

(3) 普通混凝土破裂(C型)：黏結(jié)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(jié)劈拉強(qiáng)度平均值及對(duì)應(yīng)的相對(duì)指標(biāo)β見表3，表3中還列出了黏結(jié)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(jié)形式有關(guān)。

表3 黏結(jié)劈拉試驗(yàn)結(jié)果及試件破壞形式

3.2 鋼纖維摻量及界面黏結(jié)形式對(duì)黏結(jié)劈拉強(qiáng)度的影響

普通混凝土為C50混凝土?xí)r，劈裂面和自然面2種黏結(jié)界面下黏結(jié)劈拉強(qiáng)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(jié)劈拉強(qiáng)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(jié)試件的劈拉強(qiáng)度值大于自然面。以劈裂面黏結(jié)試件為例，活性粉末混凝土中不摻鋼纖維時(shí)(PRA51)，界面黏結(jié)劈拉強(qiáng)度僅為普通混凝土整體劈拉強(qiáng)度的66.79%，鋼纖維摻量為2.0%時(shí)(PRE51)，界面黏結(jié)劈拉強(qiáng)度為4.45 MPa，大于C50混凝土整體劈拉強(qiáng)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(jié)力主要由二者界面上的化學(xué)作用力、范德華力和機(jī)械咬合力組成[13-14]。鋼纖維的摻入能夠提高界面黏結(jié)強(qiáng)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(jié)的試件，由于表面未進(jìn)行抹平處理，在振動(dòng)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(jié)面越粗糙，相應(yīng)的黏結(jié)強(qiáng)度越高。對(duì)于以劈裂面黏結(jié)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(jié)界面)上的纖維數(shù)量越多，界面粗糙度增加，黏結(jié)強(qiáng)度提高。(2)提高機(jī)械咬合力。活性粉末混凝土表面的鋼纖維伸入到普通混凝土內(nèi)部，與普通混凝土咬合在一起，提高二者之間的機(jī)械咬合力。黏結(jié)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(jìn)而提高黏結(jié)劈拉強(qiáng)度，同時(shí)改變黏結(jié)試件的破壞形式，使其由A型破壞，轉(zhuǎn)變?yōu)锽型或C型破壞。根據(jù)試件斷面結(jié)果可知，黏結(jié)試件發(fā)生破壞時(shí)，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(cè)。因?yàn)楸驹囼?yàn)中采用的鋼纖維抗拉強(qiáng)度較高(高達(dá)2 800 MPa)，黏結(jié)界面上的鋼纖維一般是橫貫在黏結(jié)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(duì)疏松，鋼纖維與普通混凝土基體間的黏結(jié)強(qiáng)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(jié)的劈拉強(qiáng)度大于以自然面黏結(jié)的劈拉強(qiáng)度。鋼纖維摻量為2.0%時(shí)，以自然面和劈裂面黏結(jié)的劈拉強(qiáng)度值分別為3.39、4.45 MPa，劈裂面黏結(jié)強(qiáng)度高出31.27%。因?yàn)榇植诙仁怯绊?種混凝土界面黏結(jié)性能的一個(gè)重要因素[15]，以自然面黏結(jié)的活性粉末混凝土試件表面未進(jìn)行粗糙度處理，黏結(jié)面平整，界面上的粗糙度小，黏結(jié)性能相對(duì)較差，相應(yīng)的其相對(duì)指標(biāo)β小于100，即界面黏結(jié)強(qiáng)度值小于普通混凝土劈拉強(qiáng)度。以劈裂面黏結(jié)的試件表面相對(duì)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(cuò)的鋼纖維，大大提高黏結(jié)面的粗糙度，同時(shí)由于鋼纖維提高了其阻裂抗裂能力，進(jìn)而提高了界面間的黏結(jié)劈拉強(qiáng)度。鋼纖維摻量較小時(shí)(0%～1.0%)，劈裂面上的鋼纖維數(shù)量較少，試件破壞時(shí)拔出鋼纖維所需應(yīng)力較小，相應(yīng)的界面劈裂黏結(jié)強(qiáng)度較小，相對(duì)指標(biāo)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(jié)面粗糙度主要由鋼纖維摻量決定。

3.3 澆筑方位對(duì)黏結(jié)劈拉強(qiáng)度的影響

普通混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50，活性粉末混凝土中鋼纖維摻量為0%～2%時(shí)，不同澆筑方位黏結(jié)試件的劈拉強(qiáng)度值見圖5。從表2及圖5可以看出，水平澆筑的黏結(jié)劈拉強(qiáng)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?xí)r，采用振動(dòng)成型。水平澆筑的試件在振動(dòng)成型過程中，普通混凝土中的粗骨料下沉，導(dǎo)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(jié)強(qiáng)度較高；采用豎向澆筑時(shí)，在2種混凝土黏結(jié)面的凸出部位容易形成孔洞和離析，同時(shí)黏結(jié)強(qiáng)度沿試件底面到成型面整個(gè)高度范圍內(nèi)的黏結(jié)強(qiáng)度分布不均勻，試件受力時(shí)，黏結(jié)強(qiáng)度較弱的地方發(fā)生破壞，導(dǎo)致黏結(jié)強(qiáng)度較低。

3.4 普通混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)黏結(jié)劈拉強(qiáng)度的影響

普通混凝土強(qiáng)度等級(jí)分別為C40、C50、C60時(shí),不同澆筑方位的黏結(jié)劈拉強(qiáng)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(jié)。從表3及圖6可以看出，隨普通混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高，其與活性粉末混凝土之間的黏結(jié)劈拉強(qiáng)度提高，且黏結(jié)劈拉強(qiáng)度都達(dá)到普通混凝土整體劈拉強(qiáng)度的99.83%～122.90%，試件破壞時(shí)都發(fā)生在普通混凝土一側(cè)，說明兩者之間界面黏結(jié)性能較好。隨著普通混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高，其整體劈拉強(qiáng)度提高，加上活性粉末混凝土中鋼纖維的作用，黏結(jié)劈拉強(qiáng)度提高。由于隨強(qiáng)度等級(jí)的提高其劈裂強(qiáng)度提高幅度不大，所以普通混凝土強(qiáng)度等級(jí)由C40提高到C50和C60，與活性粉末混凝土之間的黏結(jié)劈拉強(qiáng)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(jié)論

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

(1) 由于活性粉末混凝土鋼纖維摻量及界面黏結(jié)形式不同，其與普通混凝土之間的劈裂黏結(jié)破壞形式有黏結(jié)面破壞、黏結(jié)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(jī)械咬合力，同時(shí)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(jié)劈拉強(qiáng)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(jié)強(qiáng)度增大，鋼纖維摻量為2.0%時(shí)，黏結(jié)劈拉強(qiáng)度可達(dá)普通混凝土自身劈拉強(qiáng)度的92.12%～122.90%，二者黏結(jié)性能較好。

藻細(xì)胞周邊的水分由于受到藻細(xì)胞的束縛，其性質(zhì)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(xì)胞固體物質(zhì)的存在導(dǎo)致其性質(zhì)發(fā)生變化的束縛水和性質(zhì)不受固體物質(zhì)影響的自由水［12］。含水物質(zhì)（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(jié)面能夠提高活性粉末混凝土與普通混凝土黏結(jié)界面的粗糙度，有鋼纖維時(shí)可有效控制裂縫的出現(xiàn)及發(fā)展，黏結(jié)劈拉強(qiáng)度高于以自然面黏結(jié)的試件。

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

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

參考文獻(xiàn)：

[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(xué)，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(yàn)[J].沈陽建筑大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)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(xué)報(bào)，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(yàn)研究[J].結(jié)構(gòu)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(duì)梁體性能的影響分析[D].北京：北京交通大學(xué)，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(jié)機(jī)理和測(cè)試方法研究綜述[J]. 河北理工學(xué)院學(xué)報(bào)，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(cè)量新老混凝土粘結(jié)面粗糙度的方法[J]．建筑結(jié)構(gòu),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(shè)部，中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局. GB/T 50081—2002 普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[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(fù)合材料與既有混凝土粘結(jié)工作性能試驗(yàn)研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2010.

[14] 謝慧才，李庚英，熊光晶.新老混凝土界面黏結(jié)力形成機(jī)理[J].硅酸鹽通報(bào)，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(duì)新老混凝土黏結(jié)性能的影響[J].鄭州工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，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.