不同界面劑對(duì)濕接縫混凝土黏結(jié)性能影響

喬建剛, 王琦森, 徐陽(yáng), 張雪

(1.河北工業(yè)大學(xué)土木與交通學(xué)院, 天津 300401; 2.天津市交通工程綠色材料技術(shù)工程中心, 天津 300401)

濕接縫是裝配式橋梁中混凝土梁銜接的關(guān)鍵部位,也是易發(fā)生損壞的脆弱部位,常因新舊混凝土界面黏結(jié)性能不足而產(chǎn)生破壞現(xiàn)象[1-3]。基于此,許多學(xué)者將界面劑應(yīng)用于濕接縫技術(shù)領(lǐng)域[4]。王洋超等[5]指出摻入環(huán)氧樹(shù)脂用作界面劑可提升混凝土之間的黏結(jié)強(qiáng)度。Hosseini等[6]和杜紅霞[7]研究表明采用聚氨酯和聚酰胺樹(shù)脂對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂改性后可增強(qiáng)涂層的黏結(jié)性能。張雷等[8]指出水泥凈漿用作界面劑時(shí)可減少黏結(jié)面的孔隙,使過(guò)渡區(qū)更加致密。Ding等[9]研究指出在水泥凈漿中摻入膨脹劑后可彌補(bǔ)界面收縮帶來(lái)的影響,增加水泥漿料與骨料間的咬合力從而改善界面黏結(jié)情況。張妍等[10]、Shi等[11]和戚順鑫等[12]分別在水泥凈漿中加入硅灰和高分子聚合物使水泥凈漿用作界面劑時(shí)的黏結(jié)性能得以提高。蔣瑤等[13]研究發(fā)現(xiàn)一種新型的水性無(wú)機(jī)滲透結(jié)晶型材料界面劑時(shí),可減少兩種混凝土之間的收縮差,使混凝土界面處變得更加密實(shí),進(jìn)而提升混凝土界面黏結(jié)性能。

綜上所述,中外學(xué)者對(duì)采用界面劑提高濕接縫黏結(jié)性能方面進(jìn)行了大量研究,大多是分析了同一類(lèi)型的界面劑對(duì)濕接縫黏結(jié)性能的提升效果,以及對(duì)一種界面劑材料的改性。但界面劑種類(lèi)繁多,鮮有研究對(duì)比分析聚合物類(lèi)界面劑、水泥材料類(lèi)界面劑以及無(wú)界面劑的使用效果。因此,現(xiàn)對(duì)比分析不同類(lèi)型的界面劑對(duì)濕接縫黏結(jié)性能的影響,在濕接縫界面劑的研究及應(yīng)用方面具有重要意義。

1 試驗(yàn)材料及濕接縫配合比

1.1 試驗(yàn)原材料

水泥采用河北唐山生產(chǎn)的42.5普通硅酸鹽水泥;集料選用河北保定生產(chǎn)的石灰?guī)r集料;硅灰采用河南鞏義生產(chǎn)的硅灰,具體性質(zhì)如表1所示。

表1 硅灰各項(xiàng)性質(zhì)表Table 1 Properties of silica fume

試驗(yàn)選用廣東廣州生產(chǎn)的環(huán)氧樹(shù)脂,環(huán)氧樹(shù)脂需要與固化劑1∶1復(fù)配后使用,具體性質(zhì)如表2所示。

表2 環(huán)氧樹(shù)脂各項(xiàng)性質(zhì)表Table 2 Properties of Epoxy Resin

試驗(yàn)中采用的輔助材料為止?jié){帶和高黏泡棉,如圖1所示。

圖1 輔助材料Fig.1 Auxiliary materials

1.2 濕接縫混凝土配合比

濕接縫采用C50混凝土,配合比如表3所示。

表3 濕接縫混凝土配合比Table 3 Mix proportion of wet joint concrete

2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)選用普通水泥凈漿、摻硅灰水泥凈漿、環(huán)氧樹(shù)脂三種界面劑研究對(duì)濕接縫黏結(jié)性能的影響。由于濕接縫界面劑需要優(yōu)良的力學(xué)性能,因此,首先通過(guò)力學(xué)性能試驗(yàn)對(duì)摻硅灰水泥凈漿界面劑中的硅灰摻量進(jìn)行優(yōu)選,確定摻硅灰水泥凈漿界面劑中硅灰的最佳摻量。而后通過(guò)劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)、三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)和抗剪強(qiáng)度試驗(yàn),研究普通水泥凈漿、摻硅灰水泥凈漿、環(huán)氧樹(shù)脂3種界面劑對(duì)濕接縫黏結(jié)性能的影響。

為便于敘述,對(duì)不同工況進(jìn)行編號(hào)如表4所示。

表4 界面劑試驗(yàn)編號(hào)Table 4 Interface agent test number

2.1 SC界面劑中硅灰摻量?jī)?yōu)選試驗(yàn)方案

采用《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(JTG 3420—2020)中的水泥膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)方法,將試驗(yàn)設(shè)置為1、7、28 d 3種齡期,水膠比為0.4,每組試件數(shù)目為3個(gè),得到不同硅灰摻量下(水泥質(zhì)量的0、4%、8%、12%)的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。

2.2 濕接縫劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)方案

2.2.1 試件制作

首先將預(yù)貼高黏泡棉和止?jié){帶的150 mm×75 mm×150 mm木塊置于150 mm×150 mm×150 mm的試模中,如圖2所示,之后澆筑混凝土振實(shí),養(yǎng)護(hù)24 h后拆模。對(duì)其進(jìn)行鑿毛處理,按表4預(yù)定的4種界面劑工況分別進(jìn)行界面處理,如圖3所示。最后澆筑另一半混凝土,得到濕接縫立方體劈裂抗拉試件,如圖4所示。

圖2 木塊置于試模中Fig.2 Wooden blocks placed in the trial mold

圖3 不同界面劑工況的濕接縫界面Fig.3 Wet joint interface under different working conditions of interface agent

2.2.2 試驗(yàn)方法

參考《規(guī)程》中的水泥混凝土立方體劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)方法,試件大小為150 mm×150 mm×150 mm,養(yǎng)護(hù)齡期為28 d,每種界面劑下試件個(gè)數(shù)為3個(gè)。

2.3 濕接縫抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)方案

2.3.1 試件制作

濕接縫混凝土抗剪試件設(shè)計(jì)尺寸為150 mm×150 mm×470 mm,其中兩側(cè)預(yù)制混凝土尺寸為150 mm×150 mm×150 mm,中間現(xiàn)澆的混凝土為150 mm×150 mm×170 mm。首先在150 mm×150 mm×150 mm的混凝土試模上粘貼止?jié){帶和高黏泡棉,如圖5(a)所示。隨后澆筑混凝土并振實(shí),在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)24 h后進(jìn)行拆模,得到兩側(cè)預(yù)制混凝土試件,如圖5(b)所示。再按照表4預(yù)定的4種界面劑工況分別進(jìn)行界面處理,隨后將界面處理后的兩側(cè)預(yù)制混凝土試件放入試模中固定位置,其間距控制為170 mm。為避免在澆筑混凝土振實(shí)時(shí)試塊發(fā)生偏移,使用夾具將試模及試件進(jìn)行固定,如圖5(c)所示,最后對(duì)中間部分進(jìn)行澆筑混凝土并振實(shí),養(yǎng)護(hù)24 h后拆模,得到抗剪試件如圖5(d)所示。

圖5 抗剪試件制件過(guò)程Fig.5 Manufacturing process of shear test piece

2.3.2 試驗(yàn)方法

養(yǎng)護(hù)齡期設(shè)置為28 d,不同界面劑工況下試件個(gè)數(shù)為3個(gè),將抗剪試件放入圖6所示的自主設(shè)計(jì)的抗剪儀器中,并采用WAW-1000型微機(jī)電液伺服萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)型進(jìn)行抗剪試驗(yàn),如圖7所示。得到不同界面劑工況下的濕接縫混凝土抗剪破壞荷載,最后按照式(1)計(jì)算得到濕接縫混凝土的抗剪強(qiáng)度。

圖6 抗剪儀器Fig.6 Shear resistance instrument

圖7 抗剪試驗(yàn)Fig.7 Shear test

τ=F/2A

(1)

式(1)中:τ為抗剪強(qiáng)度,MPa;F為抗剪荷載,N;A為剪切面積,mm2。

2.4 濕接縫三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)

2.4.1 試件制作

濕接縫混凝土三點(diǎn)彎曲試件設(shè)計(jì)尺寸為150 mm×150 mm×550 mm,其中三點(diǎn)彎曲試件兩側(cè)預(yù)制的混凝土為150 mm×150 mm×150 mm,其中預(yù)制混凝土和涂抹界面劑過(guò)程與抗剪試驗(yàn)相同,中間現(xiàn)澆混凝土為150 mm×150 mm×250 mm,將預(yù)制的混凝土試件置于150 mm×150 mm×550 mm試模的最左側(cè)和最右側(cè)位置,如圖8所示,再澆筑中間部分混凝土并振實(shí),養(yǎng)護(hù)24 h拆模后得到三點(diǎn)彎曲試件,如圖9所示。

圖8 預(yù)制部分置于試模中Fig.8 The prefabricated part is placed in the test mold

圖9 三點(diǎn)彎曲試件Fig.9 Three point bending test piece

2.4.2 試驗(yàn)方法

養(yǎng)護(hù)齡期設(shè)置為28 d,兩支座間的跨距設(shè)置為250 mm,使得支座中心與濕接縫兩側(cè)的黏結(jié)界面剛好對(duì)齊,采用WAW-100B微機(jī)電液伺服萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn),每種工況下試件個(gè)數(shù)為3個(gè),得到不同界面劑工況下的濕接縫混凝土抗彎拉極限破壞荷載,并按照式(2)進(jìn)行計(jì)算得到濕接縫混凝土的抗彎拉強(qiáng)度。

(2)

式(2)中:Ff為抗彎拉強(qiáng)度,MPa;P為極限破壞荷載,N;L為兩個(gè)支座間的跨距,mm;b為試件截面寬度,mm;h為試件截面高度,mm。

3 結(jié)果與討論

3.1 SC界面劑中硅灰摻量?jī)?yōu)選試驗(yàn)

3.1.1 抗折強(qiáng)度試驗(yàn)

隨不同硅灰摻量,SC界面劑的1、7、28 d抗折強(qiáng)度變化分別如圖10所示。

圖10 SC界面劑不同齡期的抗折強(qiáng)度變化Fig.10 Change of bending strength of SC interfacial agent at different ages

由圖10(a)可得,隨著硅灰摻量的增加,SC界面劑的1 d抗折強(qiáng)度先增加后減小,當(dāng)硅灰摻量為8%時(shí),1 d抗折強(qiáng)度達(dá)到最大,為3.8 MPa。當(dāng)硅灰摻量為0時(shí),抗折強(qiáng)度最小,為3.3 MPa。與硅灰摻量為0時(shí)相比,硅灰摻量為4%、8%和12%的抗折強(qiáng)度分別增加了6.06%、15.15%和12.12%。由圖10(b)和圖10(c)可得,隨著硅灰摻量的增加,水泥凈漿的7 d和28 d抗折強(qiáng)度變化規(guī)律與1 d相同,都是先增加后減小,在硅灰摻量為8%時(shí)達(dá)到最大。與不摻硅灰時(shí)相比,硅灰摻量為4%、8%和12%的7 d抗折強(qiáng)度分別增加了4.54%、13.6%和9.09%,28 d抗折強(qiáng)度分別增加了4.05%、10.81%和9.50%。

3.1.2 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

隨不同硅灰摻量,SC界面劑的1、7、28 d抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律,分別如圖11所示。

圖11 SC界面劑不同齡期的抗壓強(qiáng)度變化Fig.11 Compressive strength changes of SC interfacial agent at different ages

由圖11(a)可得,隨著硅灰摻量的增加,SC界面劑的抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律與抗折強(qiáng)度變化規(guī)律相同。其1 d抗壓強(qiáng)度先增加后減小,在硅灰摻量為8%時(shí)達(dá)到最大,為29.6 MPa。當(dāng)硅灰摻量為0時(shí),抗折強(qiáng)度最小,為20.8 MPa。與硅灰摻量為0時(shí)相比,硅灰摻量為4%、8%和12%的抗折強(qiáng)度分別增加了29.3%、42.3%和35.58%。由圖11(b)和圖11(c)可知,隨著硅灰摻量的增加,水泥凈漿的7 d和28 d抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律與1 d相同,皆為先增加后減小,在硅灰摻量為8%時(shí)達(dá)到最大,分別為42.7 MPa和57.9 MPa。當(dāng)硅灰摻量為0時(shí),抗壓強(qiáng)度最小,分別為34.0 MPa和52.3 MPa。與不摻硅灰相比,硅灰摻量為4%、8%和12%的7d抗壓強(qiáng)度分別增加了10%、25.59%和18.24%,28 d抗壓強(qiáng)度分別增加了4.05%、10.71%和6.50%。

綜合上述研究結(jié)果,發(fā)現(xiàn)隨著硅灰摻量的增加,水泥凈漿的早期力學(xué)性能和后期力學(xué)性能均是先增加后減小,這是因?yàn)楣杌蚁鄬?duì)水泥有較強(qiáng)的活性,以及較小粒徑和較大的比表面積,可以通過(guò)優(yōu)化膠凝材料體系的堆積密度和火山灰效應(yīng)對(duì)孔隙的填充作用,提高水泥凈漿試件的致密性,從而使得水泥凈漿的力學(xué)性能得到提升;但當(dāng)硅灰摻量大于8%時(shí),硅灰的高需水量使得水泥凈漿黏度過(guò)大,導(dǎo)致試件成型時(shí)氣泡不易排出,又造成了水泥凈漿的內(nèi)部缺陷增加,從而導(dǎo)致水泥凈漿力學(xué)性能下降,而界面劑需要優(yōu)良的力學(xué)性能,在硅灰摻量為8%時(shí),水泥凈漿力學(xué)性能最優(yōu)。因此,硅灰的最佳摻量確定為8%。

3.2 濕接縫劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果及分析

不同界面劑工況下濕接縫劈裂抗拉強(qiáng)度的變化規(guī)律,如圖12所示。

圖12 不同界面劑工況下的濕接縫劈裂抗拉強(qiáng)度Fig.12 Splitting tensile strength of wet joints under different interfacial agent conditions

由圖12可得,黏結(jié)界面經(jīng)過(guò)ER界面劑處理后,得到的濕接縫混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度最大,為2.81 MPa,其次是界面劑SC和界面劑CP,分別為2.60 MPa和2.43 MPa,最后是WJ工況,為2.31 MPa。相較于未經(jīng)過(guò)界面劑處理的濕接縫混凝土,CP、SC和ER作為界面劑,處理黏結(jié)界面后的濕接縫劈裂抗拉強(qiáng)度分別提高了5.19%、12.55%、21.64%,這說(shuō)明通過(guò)界面劑處理黏結(jié)界面可以有效提高濕接縫的劈裂抗拉性能,且界面劑ER提升效果最好。

3.3 濕接縫抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果及分析

不同界面劑工況下濕接縫抗剪強(qiáng)度的變化規(guī)律,如圖13所示。

圖13 不同界面劑工況下的濕接縫抗剪強(qiáng)度Fig.13 Shear strength of wet joint under different interfacial agent conditions

由圖13可得,與劈裂抗拉強(qiáng)度規(guī)律相似,黏結(jié)界面經(jīng)過(guò)ER處理后,得到的濕接縫混凝土的抗剪強(qiáng)度最大,為2.51 MPa,其次為界面劑SC和界面劑CP,分別為2.39 MPa和2.25 MPa,最后是WJ工況,為2.17 MPa。相較于未經(jīng)過(guò)界面劑處理的濕接縫混凝土,CP、SC和ER作為界面劑,處理黏結(jié)界面后的濕接縫劈裂抗拉強(qiáng)度分別提高了3.69%、10.14%、15.67%,這說(shuō)明通過(guò)界面劑處理黏結(jié)界面有效提高了濕接縫的抗剪性能。

3.4 濕接縫三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)濕接縫三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)方案,測(cè)定不同界面劑處理后的濕接縫三點(diǎn)彎曲極限破壞荷載,并計(jì)算出不同界面劑處理下的濕接縫抗彎拉強(qiáng)度,可得不同界面劑工況下濕接縫抗彎拉強(qiáng)度的變化規(guī)律,如圖14所示。

圖14 不同界面劑處理下的濕接縫抗彎拉強(qiáng)度Fig.14 Flexural tensile strength of wet joints treated with different interfacial agents

由圖14可得,黏結(jié)界面經(jīng)過(guò)3種界面劑處理后,其抗彎拉強(qiáng)度都得到了提升。且ER界面劑提升效果最好,其次是SC界面劑,最后是CP界面劑,其抗彎拉強(qiáng)度分別為9.49 MPa,8.91 MPa和8.21 MPa,抗彎拉強(qiáng)度最低的是未經(jīng)界面劑處理的WJ工況,其抗彎拉強(qiáng)度為7.75 MPa。相較于未經(jīng)過(guò)界面劑處理的濕接縫混凝土,CP、SC和ER作為界面劑處理后的濕接縫抗彎拉強(qiáng)度分別提高了5.93%、14.97%、22.45%,這說(shuō)明通過(guò)界面劑處理黏結(jié)界面可以有效提高濕接縫的抗彎拉性能。

綜合劈裂抗拉試驗(yàn)、三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)和抗剪切試驗(yàn)的結(jié)果,可以發(fā)現(xiàn)不同界面劑對(duì)濕接縫黏結(jié)性能的影響,由大到小排序均為:ER>SC>CP>WJ,這說(shuō)明黏結(jié)界面經(jīng)過(guò)合適的界面劑處理可以有效地提高濕接縫的界面黏結(jié)性能。其中CP對(duì)濕接縫的黏結(jié)性能提升效果較小,而ER和SC對(duì)濕接縫黏結(jié)性能提升效果較為明顯。

4 結(jié)論

(1)通過(guò)對(duì)不同硅灰摻量的水泥凈漿進(jìn)行抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)隨著硅灰摻量的增加,水泥凈漿的力學(xué)性能先增加后減小,硅灰摻量為8%時(shí),其力學(xué)性能最優(yōu),而濕接縫界面劑需要優(yōu)良的力學(xué)性能,因此,水泥凈漿中硅灰最佳摻量確定為8%。

(2)相較于無(wú)界面劑處理的濕接縫,經(jīng)過(guò)3種界面劑對(duì)濕接縫進(jìn)行界面處理后,其劈裂抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度和抗彎拉強(qiáng)度等黏結(jié)性能指標(biāo)都有了不同程度的提升。經(jīng)環(huán)氧樹(shù)脂界面劑處理后,其劈裂抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度和抗彎拉強(qiáng)度分別提高了21.64%、15.67%和22.45%,經(jīng)8%硅灰水泥凈漿界面劑處理后,分別提高了12.55%、10.14%和14.97%,經(jīng)普通水泥凈漿界面劑處理后,分別提高了5.19%、3.69%和5.93%。