基體約束條件下路用復合材料粘接性能研究

董立強

(河北雄安京德高速公路有限公司,河北 雄安 071700)

水泥基復合材料是指以硅酸鹽水泥為基體，以通用合成纖維、各種陶瓷纖維、耐堿玻璃纖維、金屬絲以及天然植物纖維、碳和芳綸等高性能纖維和礦物纖維為增強體，加入填料、化學助劑和水經復合工藝構成的復合材料[1]，在現代化公路、土木建筑、橋梁等工程中有廣泛應用。然而，由于實際施工過程中外界環境因素差異性較大以及施工水平參差不齊，在新老混凝土界面以及新澆注修補混凝土中經常出現裂縫等缺陷[2-3]，在很大程度上影響了整體結構的穩定性，究其原因，這主要與修補材料的粘結性能較差，界面處的咬合力不夠或者修補混凝土的強度不足有關[4-5]。在考察公路水泥基復合材料的粘接強度等性能時，目前大多采用的試驗試件都較小，且基體對修補材料的約束程度較低，這種情況下無法做到對界面粘接性能的真實反映[6]，本文主要考察不同配比的磷酸鎂水泥基復合材料在基體約束條件下的粘接性能，結果可為高粘接性能的公路水泥基材料的開發與應用提供參考。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗原料

氧化鎂：密度3.26 g/cm3、比表面積228 m2/kg，河北鎂盛化工科技有限公司；磷酸二氫鉀：純度99.6%、相對密度1.914 g/cm3，河北鎂盛化工科技有限公司；磷酸二氫銨：純度99.6%、相對密度1.796 g/cm3，河北鎂盛化工科技有限公司；硼砂(緩凝劑)：純度大于99.2%，河南宏鉅化工產品有限公司；普通硅酸鹽水泥：PO42.5級、密度3.07 g/cm3、比表面積377 m2/kg，山東問渠新材料科技有限公司；碎石(粗集料)：級配5～10 mm、表觀密度2 730 kg/m3、含泥量0.5%，鄭州榮貝機械設備有限公司；河砂(細集料)：細度模數3.0、表觀密度2 660 kg/m3、含泥量0.4%，鄭州榮貝機械設備有限公司；PCA-7.5型聚羧酸減水劑：東莞市華杰建材有限公司；自來水：河南工業職業技術學院。

1.2 試驗儀器

MTS-810型萬能試驗機，美國MTS公司；S-4800型掃描電鏡，日本日立公司。

1.3 試驗制備

采用行星輪攪拌機將粉料攪拌均勻，然后加入拌合水繼續攪拌1 min后，再加入其他集料并繼續攪拌3 min；參照 GB/T 1346—2011《水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢驗方法》和 GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度試驗方法》分別對凈漿和砂漿進行攪拌[7]，并以一定配比制備水泥基復合材料，基體約束條件下水泥基復合材料的形貌和尺寸示意圖如圖1所示。

(a)形貌

1.4 測試與表征

(1)滲水時間：采用自然滲水法測試界面滲水性，在凹槽中注入50 mL飽和氫氧化鈣溶液并觀察貼有pH試紙的顏色變化，依次記錄滲水時間；

(2)抗剪粘接強度：在MTS-810型萬能試驗機上進行，加載速率為2 kN/s，計算公式[8]：

(1)

式中：P為破壞載荷,N;θ為粘接面與垂直方向的傾斜角度(30°)；a為底面邊長(40 mm)；

(3)界面形貌：采用S-4800型掃描電鏡對界面形貌進行觀察。

2 結果與討論

2.1 粘接界面

表1為磷酸鎂水泥基材料與普通硅酸鹽水泥基材料的界面裂紋寬度和界面滲水結果，其中，M/P表示氧化鎂與磷酸鹽質量比，w/b表示水膠比。可見，除在硼砂摻量為5%時，在2 h處存在小于2 μm的裂紋外，其余試樣在168 h范圍內都未出現界面裂紋；從滲透至界面的時間來看，M/P=5、w/b=0.16時滲透至界面的時間分別為1.2、0.6 h，硼砂摻量分別為5%、15%時滲透至界面的時間分別為24.8、47.0 h；從滲透72 h后的深度測試結果看，M/P=1、M/P=3、M/P=4、w/b=0.09試樣滲透72 h后的深度分別為14、15、13和4 mm。

表1 磷酸鎂水泥基材料與普通硅酸鹽水泥基材料的界面裂紋寬度和界面滲水結果Tab.1 Results of interface crack width and water seepagebetween magnesium phosphate cement-based materialsand ordinary Portland cement-based materials

圖2為磷酸鎂水泥基材料與普通硅酸鹽水泥基材料的粘接界面形貌。

圖2 磷酸鎂水泥基材料與普通硅酸鹽水泥基材料的粘接界面Fig.2 Bonding interface between magnesium phosphatecement-based materials and ordinary portlandcement-basedmaterials

從圖2可以看出，在滲水試驗過程中，磷酸鎂水泥基材料的界面處未見明顯裂紋存在，究其原因，這是因為磷酸鎂水泥基材料具有較好的體積穩定性所致；對于硼砂摻量5%和15%試樣，硼砂為5%時界面處的裂紋非常細小，裂紋寬度小于2 μm，究其原因，這主要是因為磷酸鎂水泥基材料在早期階段的體積收縮較大，在內部應力作用下發生了界面開裂。M/P=1、M/P=3、M/P=4時由于磷酸二氫銨用量較大，浸泡72 h后的界面處仍然未出現滲漏現象，表明此時材料具有較好的抗滲透性能；如果M/P比值較大，過量的水會造成整體結構疏松而使得界面處產生微裂紋。整體而言，水膠比和硼砂摻量都是影響磷酸鎂水泥基材料界面抗滲透性能的關鍵因素，在實際應用過程中應該選取較低的水膠比以及適量的硼砂摻量。

2.2 拉剪粘接強度的影響因素

圖3為不同類型的磷酸鎂水泥基材料(凈漿)的拉剪粘接強度測試結果，分別列出了磷酸二氫鉀(KDP)和磷酸二氫銨(ADP)配制的磷酸鎂水泥基材料(MPC)，在M/P分別為1、3和5時的拉剪粘接強度。對于磷酸二氫鉀配制的磷酸鎂水泥基材料，隨著齡期從2 h增至7 d，不同M/P的試樣的拉剪粘接強度都呈現逐漸增加的趨勢，M/P=3、齡期為7 d的試樣取得最大的拉剪粘接強度，這主要是因為磷酸二氫鉀配制的磷酸鎂水泥基材料在早期階段會出現收縮而發生界面開裂等現象，抗剪粘接強度會相對較弱；而齡期延長有助于水化反應的進行而使得界面咬合作用增強[9]，相應地抗剪粘接強度會增加；對于磷酸二氫銨配制的磷酸鎂水泥基材料，隨著齡期從2 h增加至7 d，不同M/P的試樣的拉剪粘接強度也都呈現逐漸增加的趨勢，M/P=5、齡期為7 d的試樣取得最大的拉剪粘接強度。此外，對比磷酸二氫鉀和磷酸二氫銨配制的磷酸鎂水泥基材料的拉剪粘接強度可知，相同齡期下磷酸二氫銨配制的磷酸鎂水泥基材料的拉剪粘接強度相對較大。

(a)KDP-MPC (b)ADP-MPC圖3 不同類型的磷酸鎂水泥基材料的拉剪粘接強度測試結果Fig.3 Test results of tensile shear bond strengthof different types of magnesium phosphatecement-based materials

圖4為不同硼砂摻量和水膠比的磷酸鎂水泥基材料(凈漿)的拉剪粘接強度測試結果。

(a)Borax (b)w/b圖4 不同硼砂摻量和水膠比的磷酸鎂水泥基材料的拉剪粘接強度測試結果Fig.4 Tensile and shear bond strength test results ofmagnesium phosphate cement-based materials withdifferent borax content and water binder ratio

從圖4可以看出，當齡期為2 h時，硼砂摻量從5%增至15%相應的拉剪粘接強度不斷降低；而當齡期增加為1、7 d時，磷酸鎂水泥基材料的拉剪粘接強度會隨著硼砂摻量增加而增大。從不同水膠比的磷酸鎂水泥基材料的拉剪粘接強度測試結果可知，當齡期為2 h時，水膠比從0.09增至0.16時相應的拉剪粘接強度不斷降低；而當齡期增加為1、7 d時，磷酸鎂水泥基材料的拉剪粘接強度會隨著水膠比增加而先增大后減小；不同齡期下水膠比為0.09的磷酸鎂水泥基材料的拉剪粘接強度最大。

圖5 不同M/P的磷酸鎂水泥基材料(砂漿)的拉剪粘接強度測試結果Fig.5 Test results of tensile shear bond strengthof magnesium phosphate cement-based materials(mortar) with different M/P

圖5為不同M/P的磷酸鎂水泥基材料(砂漿)的拉剪粘接強度測試結果。當齡期為2 h時，M/P分別為2、3、4和5時的拉剪粘接強度差異較小；而當齡期達到1 d及以上時，M/P分別為2、3、4和5時的拉剪粘接強度的差異逐漸增大，且表現為M/P為2時的拉剪粘接強度明顯高于其他試樣的特征，這主要是因為隨著M/P增大，磷酸鎂水泥基材料中水化反應生成的鳥糞石晶體生成量也會更多，試件的破壞形式從粘彈性破壞轉變為脆性破壞[10]，抗剪粘接強度會有所降低；但是，由于M/P=5時試件會出現一定程度的膨脹作用，界面處在膨脹壓應力作用下而使得界面結合力增加，相應的抗剪粘接強度會比M/P分別為3、4時更大。

圖6為不同噴砂摻量的磷酸鎂水泥基材料(砂漿)的拉剪粘接強度測試結果。

圖6 不同噴砂摻量的磷酸鎂水泥基材料(砂漿)的拉剪粘接強度測試結果Fig.6 Test results of tensile shear bond strengthof magnesium phosphate cement-based materials(mortar) with different sand blasting contents

從圖6可以看出，當齡期為2 h時，隨著硼砂摻量從6%增至18%，磷酸鎂水泥基材料的抗剪粘接強度呈現逐漸減小的趨勢。究其原因，這與較高的硼砂摻量會延緩材料的早期水化反應有關[11]，相應地界面結合強度會降低；隨著齡期的增加，不同摻量的磷酸鎂水泥基材料的抗剪粘接強度都呈現逐漸上升的趨勢，且硼砂摻量為15%時磷酸鎂水泥基材料具有最高的抗剪粘接強度。

圖7為不同水膠比的磷酸鎂水泥基材料(砂漿)的拉剪粘接強度測試結果。

圖7 不同水膠比的磷酸鎂水泥基材料(砂漿)的拉剪粘接強度測試結果Fig.7 Test results of tensile shear bond strength ofmagnesium phosphate cement-based materials (mortar)with different water binder ratio

從圖7可以看出，當齡期為2 h時，不同水膠比的磷酸鎂水泥基材料(砂漿)的拉剪粘接強度都較低；當齡期為1 d及以上時，不同水膠比的磷酸鎂水泥基材料(砂漿)的拉剪粘接強度都明顯高于齡期2 h的試樣，且水膠比為0.12時磷酸鎂水泥基材料(砂漿)的拉剪粘接強度最大。當齡期分別為2 h、1 d和3 d，水膠比為0.20時磷酸鎂水泥基材料(砂漿)的拉剪粘接強度要高于水膠比為0.14和0.16的試樣；而齡期為7 d、水膠比為0.20時，磷酸鎂水泥基材料(砂漿)的拉剪粘接強度要低于水膠比分別為0.14和0.16的試樣，造成這種現象的原因在于，水膠比較大時，磷酸鎂水泥基材料(砂漿)早期會發生明顯膨脹[12]，在基體約束條件下，齡期較短時更有利于提升抗剪粘接強度所致。

3結語

(1)相同齡期下磷酸二氫銨配制的磷酸鎂水泥基材料的拉剪粘接強度相對較大；當齡期為2 h時，隨著硼砂摻量從6%增至18%，磷酸鎂水泥基材料的抗剪粘接強度呈現逐漸減小的趨勢；隨著齡期的增加，不同摻量的磷酸鎂水泥基材料的抗剪粘接強度都呈現逐漸上升的趨勢，且硼砂摻量為15%時磷酸鎂水泥基材料具有相對最高的抗剪粘接強度；

(2)當齡期為2 h時，M/P分別為2、3、4和5時的拉剪粘接強度差異較小；而當齡期達到1 d及以上時，M/P分別為2、3、4和5時的拉剪粘接強度的差異逐漸增大，且表現為M/P為2時的拉剪粘接強度明顯高于其他試樣的特征；不同水膠比的磷酸鎂水泥基材料(砂漿)的拉剪粘接強度都明顯高于齡期2 h的試樣，且水膠比為0.12時磷酸鎂水泥基材料(砂漿)的拉剪粘接強度相對最大。