再生混凝土中粗骨料與基體間界面性能試驗研究

杜從銘， 蘇文洋， 洪 麗， 黃慎江

(合肥工業大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥 2￣30009)

0 引 言

隨著我國新時期城鎮化建設的進一步發展，老舊建筑逐步被拆除，從而產生了大量的建筑廢棄物，如果處理不當，會造成嚴重的環境污染[1]。另一方面，大量基礎設施建設消耗了巨大的自然資源，使其面臨枯竭。因此，國內外學者對廢棄混凝土的再利用開展了大量研究[2,3]，這對保護環境、節約資源、促進建筑工業可持續發展具有重要意義。

目前，將廢棄混凝土破碎篩分后制成再生粗骨料，進而制備再生混凝土是其主要的再利用途徑。然而，由于再生粗骨料吸水率高、強度低[4]，以及其與新、舊水泥砂漿間的界面黏結性能差[5]，導致再生混凝土強度低[6]、彈性模量低[7]、抗裂性差和耐久性差[8]，進而限制了再生粗骨料在實際工程中的應用。

研究表明[9]再生混凝土的宏觀破壞行為由再生粗骨料、水泥砂漿及二者間界面黏結等性能決定。近年來，關于再生粗骨料及水泥砂漿對再生混凝土宏觀力學性能的研究較多，而關于再生粗骨料與新水泥砂漿間界面黏結性能的研究較少。文獻[10]和[11]基于掃描電鏡試驗，發現再生粗骨料與新水泥砂漿間的界面是再生混凝土中最薄弱的部位，并且再生混凝土抗壓強度在一定程度上取決于該界面黏結性能。文獻[12]則基于試驗研究發現再生粗骨料的表面粗糙度也是影響其與新水泥砂漿間界面黏結性能的重要因素。而文獻[13]基于聲發射技術，從細觀層次研究再生混凝土破壞機制，發現水泥砂漿的強度對水泥砂漿與再生粗骨料間界面黏結性能有著顯著的影響。文獻[14]基于掃描電鏡微觀試驗，隨著正應力的增加，再生混凝土中的裂紋首先出現在再生粗骨料與水泥砂漿間的界面，隨后再生粗骨料開裂，這進一步驗證再生粗骨料與新水泥砂漿間界面是再生混凝土中最薄弱的部位。文獻[15]采用二次攪拌的方法強化再生粗骨料，改善再生粗骨料與水泥砂漿間界面結構來提高再生混凝土的宏觀力學性能。文獻[16]通過在水泥砂漿中添加聚合物膠乳的方法提高了再生混凝土的宏觀力學性能。

由上述文獻可知，再生混凝土中再生粗骨料與水泥砂漿間的界面黏結性能對再生混凝土的宏觀破壞行為具有重要影響。因此，本文設計了一系列界面黏結性能試驗，研究再生粗骨料與新水泥砂漿間界面黏結抗拉、抗剪強度及其影響因素，為再生混凝土的破壞分析提供理論支撐。

1 試驗過程

1.1 試驗材料

本次試驗所采用的再生粗骨料由安徽省某橋梁的鋼筋混凝土板拆除后，去除其中鋼筋的再生粗骨料塊體破碎而成。另外，所采用的水泥為海螺牌42.5普通硅酸鹽水泥，砂為中砂，水為市飲用自來水。本文設計了3種強度等級的水泥砂漿，其配合比見表1所列。

表1 水泥砂漿配合比

試驗所用的型號為MD216的苯乙烯/丙烯酸酯類聚合物膠乳(以下簡稱聚合物膠乳)由安徽蒙達交通科技有限公司提供，該膠乳為白色液體狀，具有刺激性氣味，固化后透明無氣味，具體性能指標見表2。

表2 聚合物膠乳性能指標

1.2 界面黏結強度試件制作

1.2.1 界面黏結抗拉強度試件的制作

本文制備了2種具有不同表面粗糙度的再生粗骨料，分別是切割表面(記作Q型)和切割后再經拋光處理的拋光表面(記作P型)，顯然Q型表面的粗糙程度比P型大。另外，為了研究聚合物膠乳對界面黏結抗拉性能的影響，設計在水泥砂漿(水灰比為0.40)中直接添加聚合物膠乳，其摻量為水泥質量的10%，如表2中的PM35。

最后，根據以下步驟制作界面黏結抗拉強度試件：① 首先將再生粗骨料塊體在水中浸泡1小時，待其達到吸水飽和后擦干表面水分；② 然后將PVC塑料套筒平穩置于再生粗骨料塊體的表面，如圖1a所示；③ 并在PVC塑料套筒內澆筑不同強度等級水泥砂漿后進行振搗，如圖1b所示；④ 最后將試件靜置24 h后，搬運至養護室進行養護。每組制作3個試件。

圖1 界面黏結抗拉試件

1.2.2 界面黏結抗剪強度試件的制作

本文將界面黏結抗剪強度試件設計成如圖2a所示，則再生粗骨料與水泥砂漿界面黏結抗剪試件所受壓力P與界面抗剪強度τ及界面法向應力σ之間關系如公式(1)和(2)所示。

τ=P/(Asinαcosα)

(1)

σ=P/(Asin2α)

(2)

式中：P為試件所受壓力，N；τ為平行于斜截面的剪應力，MPa；σ為垂直于斜面的正應力，MPa；A為試件橫截面積，mm2。

此外，界面黏結抗剪強度試驗中考慮的水泥砂漿強度和再生粗骨料表面粗糙2種因素，其制作方法和記法如1.2.1節所述。為了研究聚合物膠乳對界面黏結抗剪性能的影響，試驗設計在水泥砂漿(水灰比為0.40)中直接添加聚合物膠乳，其摻量為水泥質量的10%，記作D型試件，水泥砂漿中未添加聚合物膠乳的對比組記作C型試件。C型試件和D型試件中的再生粗骨料表面粗糙度均為Q型。為了研究界面法向正應力對界面抗剪強度的影響，制備了4種傾斜角度(30°、40°、50、60°)的再生粗骨料塊體。

圖2 界面黏結抗剪試件

界面黏結抗剪強度試件的制作方法如下：首先將再生粗骨料浸泡1 h，待其達到吸水飽和后擦干表面水分；在預制的木模板中放置好再生粗骨料，如圖2b所示；然后在另一側澆筑不同強度等級的水泥砂漿(M15、M25、M35)，如圖2c所示；試件靜置24 h待水泥砂漿硬化后，將試件搬運至養護室進行養護。每組制作三個試件。

1.3 試驗方法

界面黏結抗拉強度試驗的加載儀器為SHJ-40 飾面磚及混凝土黏結強度檢測儀，如圖3所示。界面黏結抗剪強度試驗采用合肥工業大學結構工程實驗室的YAW4306微機控制電液伺服壓力試驗機。設置試驗參數(控制方式為力控，加載速率為1500 N/S，)進行加載并記錄試驗結果。

圖3 界面黏結抗拉試驗加載儀器

2 試驗結果及分析

2.1 界面黏結抗拉強度

2.1.1 破壞形態

界面黏結受拉試件均因界面脫黏而破壞，破壞前無明顯預兆，屬脆性破壞。

2.1.2 界面黏結抗拉強度

水泥砂漿水灰比、再生粗骨料粗糙度和添加聚合物膠乳與否對再生粗骨料與水泥砂漿間界面黏結抗拉強度(記作fit)的影響，如圖4所示。

圖4 界面黏結抗拉試驗結果

由圖4還可發現，在水泥砂漿中添加聚合物膠乳后，界面黏結抗拉強度fit提高從1.02 MPa增加到1.13 MPa，提高了10.8%。這是因為聚合物膠乳的摻入，不僅提高了水泥砂漿的強度[21]，而且聚合物膠乳可以填充再生粗骨料表面裂紋，使再生粗骨料與水泥砂漿間界面的微觀結構更加致密[22]，進而提高了二者間界面的黏結抗拉性能。

2.2 界面黏結抗剪強度

2.2.1 破壞形態

界面黏結抗剪試件的破壞形態主要分為：① 界面破壞，即砂漿與再生粗骨料間界面滑移，水泥砂漿和再生粗骨料完整，如圖5a所示；② 材料破壞：即試件由于水泥砂漿或再生粗骨料被壓碎而破壞，如圖5b、c、d所示。另外，通過觀察發現，當傾角≤50°時，界面黏結抗剪試件以界面破壞為主；當傾角>50°時，以材料破壞為主。

圖5 界面黏結抗剪試驗試件破壞形態

2.2.2 界面黏結抗剪強度

當界面試件發生剪切破壞時，界面黏結抗剪強度會受到法向壓應力大小、水泥砂漿水灰比、再生粗骨料的表面粗糙度及聚合物膠乳的影響。

從圖6中可以看出，隨著水泥砂漿水灰比的降低，其與再生粗骨料間的界面黏結抗剪強度不斷增大。以界面傾角40°的Q型界面抗剪試件為例，當水泥砂漿的水灰比為0.65、0.49、 0.40 時，界面黏結抗剪強度分別為 5.79、7.66、8.30MPa。這也是由于水泥砂漿水灰比越低，其與再生粗骨料間界面的微觀結構越密實，界面黏結抗剪性能越強。另外，從圖6中還可以看出，隨著界面傾角的增加，界面法向壓應力越大，界面黏結抗剪強度越大。以水灰比為0.49的Q型界面抗剪試件為例，可以發現，當界面傾角為 30°、40°、 50°時，界面黏結抗剪強度分別為 4.73、7.66、11.06 MPa。這是因為界面法向壓應力越大，界面抵抗剪切滑移的能力越強。這與文獻[21]所得結論一致。

圖6 界面黏結抗剪試驗結果

同時，基于圖6還可以發現，再生骨料表面越粗糙，界面黏結抗剪強度越大。以水灰比 0.49 的界面抗剪試件為例，可以發現，當骨料表面粗糙度較小時(P型界面抗剪試件)，傾角為30°、40°、50°的界面黏結抗剪強度分別為2.07、3.74、9.13 MPa，而當骨料表面粗糙度較大時(Q型界面抗剪試件)，對應傾角的界面黏結抗剪強度為4.73，7.66、11.06 MPa，分別提高了128.5%、104.8%、21.1%。這是因為再生粗骨料表面越粗糙，其與新水泥砂漿間的機械咬合作用越強，進而抗剪強度越大。并且界面傾角越小，這種作用對界面抗剪的貢獻越明顯。

最后，通過試驗還發現，添加聚合物膠乳后，界面黏結抗剪強度也得到明顯增加。如圖7所示，以水泥砂漿水灰比為0.40的界面抗剪試件為例，當傾斜角度為30°、40°、50°時，未添加聚合物膠乳試件的抗剪強度為5.08、8.30、13.57 MPa，而添加了聚合物膠乳試件的抗剪強度分別為5.68、9.82、17.85 MPa，分別增長了12.0%、18.3%、31.5%。這仍是因為聚合膠乳的摻入一方面提高了水泥砂漿的強度，另一方面填充了再生粗骨料的表面裂隙，使得再生粗骨料與水泥砂漿間界面的微結構更加緊密。

圖7 聚合物膠乳對界面黏結抗剪強度的影響

3 結 論

本文基于再生粗骨料與新水泥砂漿間的界面黏結抗拉和抗剪性能試驗，得到以下結論：

(1)界面黏結抗拉試件均以界面脫黏而破壞，再生粗骨料與水泥砂漿間界面的黏結抗拉強度隨著水泥砂漿水灰比的增大而減小，但隨著再生粗骨料表面粗糙度的增加而增大，且在水泥砂漿中添加苯乙烯/丙烯酸酯類聚合物膠乳后，界面黏結抗拉強度得到明顯增強。

(2)界面黏結抗剪試件的傾角低于50°時，界面黏結抗剪試件發生沿界面的剪切破壞，屬于界面破壞；而當界面傾角超過50°時，界面黏結抗剪試件發生受壓破壞，屬于材料破壞。

(3)當界面黏結抗剪試件發生界面剪切破壞時，界面黏結抗剪強度隨著水泥砂漿水灰比的增加而降低，但隨著再生粗骨料表面粗糙程度或法向壓應力的增加而增大，且添加苯乙烯/丙烯酸酯類聚合物膠乳后，界面黏結抗剪強度得到提高。