再生粗骨料与水泥砂浆间界面黏结抗拉性能试验研究

苏文洋, 洪 丽, 李他单, 张 鹏

(合肥工业大学 木与水利工程学院,安徽 合肥 230009)

随着我国新时期城镇化建设的进一步发展,老旧建筑逐步被拆除,产生了大量的建筑废弃物,其中主要成分为废弃混凝土。这些废弃混凝土如果处理不当,会造成严重的环境污染[1]。另一方面,由于大力发展的基础建设消耗了大量的自然资源,使得自然资源面临着枯竭。因此,国内外学者对废弃混凝土的回收再利用开展了众多研究[2-3],这对保护环境、节约资源、促进建筑工业可持续发展具有重要意义。

目前,将废弃混凝土进行破碎筛分后制作成再生粗骨料,进而制备再生混凝土是其主要的回收利用途径。然而,再生混凝土具有强度低[4]、弹性模量低[5]、抗裂性差和耐久性差[6]等缺点,导致其在实际工程中的应用受到限制。这主要是由于再生粗骨料吸水率高、强度低[7],以及其与新、旧水泥砂浆间的界面黏结性能差[8]。

混凝土材料的细观力学研究表明，混凝土的宏观力学性能与其组成、细观结构密切相关[9],因此,再生混凝土的宏观破坏行为由再生粗骨料、水泥砂浆及两者间界面黏结等性能决定。近年来,关于再生粗骨料及水泥砂浆对再生混凝土宏观力学性能的研究较多,如文献[10]、文献[11];而关于再生粗骨料与新水泥砂浆间界面的黏结抗拉性能的研究尚有不足。文献[12-13]基于扫描电镜试验,发现再生粗骨料与新水泥砂浆间的界面是再生混凝土中最薄弱的部位,并且再生混凝土抗压强度取决于再生粗骨料与水泥砂浆间界面黏结性能；文献[14]基于试验研究发现再生粗骨料的表面粗糙度也是影响其与新水泥砂浆间界面黏结性能的重要因素;文献[15]基于声发射技术,从细观层次研究再生混凝土破坏机理,发现水泥砂浆的强度对水泥砂浆与再生粗骨料间界面黏结性能有着显著的影响；文献[16]基于扫描电镜微观试验发现,随着正应力的增加,再生混凝土中的裂纹首先出现在再生粗骨料与水泥砂浆间的界面,随后再生粗骨料开裂,这进一步验证再生粗骨料与新水泥砂浆间界面是再生混凝土中最薄弱的部位；文献[17]采用二次搅拌的方法强化再生粗骨料,改善再生粗骨料与水泥砂浆间界面结构来提高再生混凝土的宏观力学性能；文献[18]通过在水泥砂浆中添加聚合物胶乳的方法提高了再生粗骨料和水泥砂浆间界面黏结性能。

由上述文献可知,再生粗骨料与新水泥砂浆间的界面是再生混凝土的薄弱部位,对该界面进行黏结力学性能试验研究是分析再生混凝土宏观破坏行为的关键。然而,关于该界面的黏结抗拉性能的分析研究较少。因此,本文设计了界面黏结抗拉性能试验,并考虑了水泥砂浆强度、再生粗骨料表面粗糙度和苯乙烯/丙烯酸酯类聚合物胶乳添加与否3种因素。

1 试验过程

1.1 试验准备

本次试验所采用的再生粗骨料由安徽省某桥梁桥面板拆除后,去除其中钢筋并经机械切割而形成的表面平整的再生粗骨料块体,记作Q型表面,如图1a所示。同时为了研究再生粗骨料表面粗糙度的影响,本文对切割型表面进行打磨抛光,形成了如图1b所示的抛光型表面,记作P型表面。

界面黏结抗拉试件的制作步骤如下:① 将再生粗骨料块体在水中浸泡1 h,待其达到吸水饱和后擦干表面水分;② 将PVC塑料套筒(内径为57 mm,高为50 mm)平稳置于再生粗骨料块体的表面,如图1c所示;③ 在PVC塑料套筒内浇筑不同强度等级水泥砂浆后进行振捣,如图1d所示;④ 将试件静置24 h后,搬运至养护室进行养护。

图1 界面黏结抗拉试件的制作

这些试件中,制作水泥砂浆所采用的水泥为海螺牌42.5普通硅酸盐水泥,砂为标准中砂,水为饮用自来水。为了分析水泥砂浆强度对界面黏结性能的影响,本文共设计了3种强度等级的水泥砂浆,其配合比见表1所列。

表1 水泥砂浆配合比

通过试验[19]得到,强度等级为M15、M25、M35的水泥砂浆的立方体抗压强度f分别为27.67、40.19、49.94 Pa。

试验所用的型号为MD216的苯乙烯/丙烯酸酯类聚合物胶乳(以下简称聚合物胶乳)由安徽蒙达交通科技有限公司提供,该胶乳为白色液体状,具有刺激性气味,固化后透明无气味,具体性能指标见表2所列。为分析聚合物胶乳对界面黏结抗拉性能的影响,本文还对M35的水泥砂浆添加了聚合物胶乳,其掺量为水泥质量的1%,并与Q型再生粗骨料制作了相应的界面黏结抗拉试件,记作QB-35。

表2 聚合物胶乳性能指标

本次试验所制作的试件类型及编号汇总见表3所列。

表3 试件类型及编号

1.2 试验方法

界面黏结抗拉强度试验的加载仪器为SHJ-40 饰面砖及混凝土黏结强度检测仪,如图2所示。

图2 界面黏结抗拉试验

具体试验步骤如下:

(1) 根据使用说明书调整、校核仪器,将3个支脚安装于底盘上,如图2a所示。

(2) 将拉杆与带有螺栓孔的金属块(需要说明的是,加载试验前用环氧树脂将金属块与水泥砂浆柱体黏结牢固)连接,安装仪器,如图2b所示。

(3) 接通压力表电源开关并将示数清零,顺时针匀速转动手柄直至试块破坏,记录压力表的峰值,第1个试件加载完成,取下已破坏的试件,依次重复上述步骤测试下一个试件。

2 试验结果及分析

2.1 试件破坏形态

通过试验发现,界面黏结抗拉试件的破坏均发生在再生粗骨料与水泥砂浆界面处,且再生粗骨料或水泥砂浆本身未出现破坏,如图3所示。试验过程中,界面破坏前无预兆,为典型的脆性破坏。

2.2 界面黏结抗拉强度

根据试验获得界面黏结受拉时的破坏荷载P以及界面的面积A(即PVC塑料套筒的内面积),通过下式计算得到界面黏结抗拉强度fit，即

fit=P/A

(1)

水泥砂浆抗压强度对界面黏结抗拉性能的影响如图4所示。其中,fitQ、fitP分别为切割型、光滑型表面的再生粗骨料与水泥砂浆间界面黏结抗拉强度,且数值均为3个界面抗拉试件的平均值。由图4可知,随着水泥砂浆强度f的增加,界面黏结抗拉强度不断增大。

图4 水泥砂浆强度对界面黏结抗拉强度的影响

当f分别为27.67、40.19、49.94 MPa时,fitP分别为0.21、0.56、0.71 MPa,fitQ分别为0.92、0.93、1.02 MPa;当f从27.67 MPa提高到40.19 MPa时,fitP、fitQ分别提高了166.7%和1.1%;当f从27.67 MPa提高到49.94 MPa时,fitP、fitQ分别提高了238.1%和10.9%。这是由于随着水泥砂浆强度的提高,水泥砂浆与再生粗骨料间界面的微观结构更加致密,胶结力更大[13-21]。这与文献[22]研究结论一致。

再生粗骨料的表面粗糙度对界面黏结抗拉性能的影响如图5所示。其中：P型试件中的再生粗骨料为光滑型表面；Q型试件中的再生粗骨料为切割型表面；图5中的数值均为3个试件的平均值。

图5 再生粗骨料表面粗糙度对界面黏结抗拉强度的影响

由图5可知,随着骨料表面粗糙度的增加,界面黏结抗拉强度增大。在水泥砂浆强度f分别为27.67、40.19、49.94 MPa时,再生粗骨料表面为P型(表面粗糙程度较低)的fitP分别为0.21、0.56、0.71 MPa,再生粗粗骨料表面为Q型(表面粗糙程度较高)的fitQ分别为0.92、0.93、1.02 MPa,相较于fitP,fitQ分别提高了338.1%、66.1%、43.7%。 这是由于再生粗骨料的表面越粗糙,其与水泥砂的咬合力越大,进而黏结更强。这与文献[20]得出的结论相似。值得说明的是,本文因没有制作更加粗糙的再生粗骨料表面,因此无法确定随着再生粗骨料表面的继续增加,界面黏结强度的变化规律。文献[20]的试验结果表明,普通骨料的表面粗糙度增加到一定程度后,界面黏结强度不再增大。

聚合物胶乳对再生粗骨料与水泥砂浆间界面黏结性能的影响如图6所示。其中：Q-35表示未加聚合物胶乳的界面；QB-35表示添加聚合物胶乳的界面；图6中数值为每个试件的强度。

试件图6 聚合物胶乳对界面黏结抗拉强度的影响

由图6可知,在保持其他条件相同时,添加了聚合物胶乳的QB-35试件的界面黏结抗拉强度平均值为1.13 MPa,而未添加聚合物胶乳的Q-35试件的界面黏结抗拉强度为1.02 MPa,前者比后者提高了11%,说明添加聚合物胶乳对界面黏结性能有明显的改善作用。这是由于聚合物胶乳的掺入不仅提高了水泥砂浆的强度[18],而且聚合物胶乳形成网状结构可以将再生粗骨料、细骨料和水泥颗粒黏结在一起,使再生粗骨料与水泥砂浆间界面的微观结构更加致密[23],进而提高了再生粗骨料与水泥砂浆间界面的黏结性能。

3 结 论

再生粗骨料与新浇筑的水泥砂浆间界面是再生混凝土中的薄弱部位,因此本文对其界面抗拉性能进行了试验研究,得到了以下结论:

(1) 界面黏结受拉试件的破坏均为界面破坏,即水泥砂浆基体与再生粗骨料从界面处脱开,而材料未发生破坏的现象。

(2) 再生粗骨料与水泥砂浆间界面的黏结抗拉强度随着水泥砂浆水灰比的增大而降低，且随着再生粗骨料表面粗糙程度的增加而增大。

(3) 在水泥砂浆中添加苯乙烯/丙烯酸酯类聚合物胶乳对其与再生粗骨料间的界面黏结性能具有明显的改善作用。

后期将结合实际工程应用,对本文所制备的再生混凝土中再生粗骨料与水泥砂浆界面的黏结性能开展进一步研究。