冻融循环条件下再生混凝土新旧界面抗剪性能试验研究

2022-03-24李政民

水利技术监督 2022年3期

李政民

(山东省阳谷县水利局，山东阳谷 252300)

混凝土是水利工程建设中使用最广泛、用量最大的人工材料，其质量对水利工程的安全性和耐久性存在直接影响。普通水工混凝土是由水泥、骨料、水以及掺和剂和添加剂拌合而成，在生产过程中需要大量的砂石材料。为了保证混凝土材料的供应和水利工程建设的顺利进行，人们开山取石头、挖河床取砂，对自然生态环境造成了明显的破坏[1]。如此下去，不仅会造成骨料资源的枯竭，同时环境问题也将愈加严峻。另一方面，随着大量建筑达到设计寿命，其拆除重建也产生大量的建筑垃圾，其资源化利用也逐渐提上议事日程。在这一背景下，再生骨料混凝土已经成为工程界关注的重点，并显示出广阔的发展前景[2]。

水利工程建设领域，不仅包括新建水利工程，也包括原有工程的加固维修。在水利工程除险加固工程施工过程中，往往会涉及到新老混凝土的粘结问题[3]。目前，关于再生骨料混凝土的研究，主要集中于其力学性能和耐久性研究，对新老混凝土界面粘结性能的研究，特别是寒区冻融循环条件下的界面粘结性能的研究不多[4]。基于此，此次研究通过室内试验的方式，探讨原混凝土强度、再生骨料取代率以及界面剂对冻融环境下新旧界面抗剪性能的影响，以便为再生骨料混凝土在水利工程除险加固工程中的应用提供必要的支持和借鉴。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

水泥是水工混凝土的主要胶凝材料，此次研究选用的是水工混凝土制备领域最常用的普通硅酸盐水泥，其主要参数见表1。在水工混凝土中添加适量的粉煤灰可以有效改善其物理和力学性能，是目前水工混凝土配置中广泛应用的材料。此次研究中选择的是电厂一级粉煤灰。

表1 水泥样品参数

试验用骨料包括粗骨料和细骨料。试验用细骨料为天然河沙，其细度模数为2.38，为中砂，其含泥量小于2.5%。试验用粗骨料为人工碎石和再生骨料。其中，人工碎石的岩性为石灰岩，质地坚硬，压碎率低，其粒径范围为5～20mm，级配良好。再生骨料为某水利工程除险加固过程中拆除重建的溢洪道底板混凝土块经过破碎和筛分获得，其初始强度等级为C30，其粒径范围亦为5～20mm。经测定，其吸水率为3.5%，压碎率为5.5%。

试验中使用的减水剂为聚羟酸高效减水剂，按照说明书，其掺加量为1.5%；试验用水为普通自来水。

1.2 试验方案

由于此次研究主要针对除险加固工程中新旧混凝土界面抗剪性能，试验中的旧混凝土不适合现场浇筑[5]。因此，研究中选择某水利工程除险加固施工现场的溢洪道底板和边墙拆除的混凝土块，利用切割机切割为100mm×100mm×100mm的立方体标准试件[6]。旧混凝土试件的初始设计强度等级为C30、C35和C40。为了研究再生骨料混凝土的强度和再生骨料取代率对界面抗剪性能的影响，研究中设计了C25、C30、C35、C40和C45等5种不同的再生骨料混凝土强度等级；设计了0%、20%、40%、60%、80%、100%等6种不同的再生骨料取代率进行试验研究。为了研究界面剂对界面剪切性能的影响，研究中设计涂刷和不涂刷界面剂两种工况进行对比实验。为了减少试验量，研究中固定其与参数，展开混凝土强度等级、再生骨料取代率以及界面剂对界面剪切性能影响的研究。

1.3 试件制作

试验中首先对旧混凝土进行凿毛处理，并用灌沙法测量界面的粗糙度，保证其粗糙度的基本一致[7]。结合工程应用的实际情况，试验中对新旧混凝土接触面进行植筋处理，植筋使用界面剂，植入直径12mm，长120mm的HRB400钢筋。在植筋完毕之后，进行再生混凝土的浇筑，最终获得200mm×100mm×100mm的试件[8]。将制作完毕的试件在阴凉通风处静置24h拆模编号，然后放入标准养护室养护至28d龄期。

1.4 试验方法

试验中采用的设备是Model E64型MTS万能试验机和快速冻融箱。在试验开始前首先将试件放入20℃的清水中浸泡4h，待试件饱和之后擦拭干净表面多余水分然后放入冻融箱，分别进行0、10、20、30、40和50次冻融循环。在试验次数达到设定值后取出试件，然后利用MTS万能试验机进行剪切试验，对其破坏荷载进行测量，并做好试验数据的记录和分析。

2 试验结果与分析

2.1 混凝土强度

试验中对不涂刷界面剂，再生骨料取代率为40%情况下不同再生混凝土等级试件的抗剪强度进行试验，结果见表2。由试验结果可以看出，随着冻融循环次数的增加，不同混凝土等级组合方案的接触面极限承载力呈现出先小幅下降后迅速下降的变化特点，说明冻融破坏会显著降低接触面的抗剪强度，且冻融循环次数越多影响越大。另一方面，在新混凝土等级相同时，旧混凝土等级越高，接触面的极限承载力值越大，说明较高的旧混凝土强度有利于提高接触面的抗剪强度值。在旧混凝土等级不变的情况下，不同冻融循环次数的接触面极限承载力随着新混凝土等级的增加呈现出先增加后减小的变化特点，当新混凝土等级比旧混凝土等级高一级时的极限承载力值达到最大。由此可见，在水利工程施工中，采用比旧混凝土等级高一级的再生骨料混凝土进行施工，可以获得最佳工程效果。

表2 不同再生混凝土强度试件极限承载力试验结果

2.2 再生骨料取代率

研究中对新混凝土等级比旧混凝土等级高一级，不涂刷界面剂条件下不同再生骨料取代率试件的界面抗剪强度进行试验，结果见表3。由表3中的结果可以看出，再生骨料的取代率会对不同冻融循环次数下新旧混凝土接触面的极限承载力产生显著影响。具体来看，随着再生骨料取代率的增加，接触面的极限承载力呈现出不断减小的变化特征。究其原因，主要是较低的再生骨料取代率下，混凝土的强度相对较高，新旧混凝土之间的粘结力较强。另一方面，当再生骨料取代率小于60%时，随着再生骨料的取代率的增加，接触面极限承载力下降幅度较小，当再生骨料取代率大于60%时，接触面极限承载力的下降幅度较大。由此可见，再生骨料取代率为60%时不仅可以充分发挥再生骨料混凝土经济和生态价值，同时也可以有效控制接触面的抗剪强度。

表3 不同再生骨料取代率试件极限承载力试验结果

2.3 界面剂

为了对比分析界面剂对新旧混凝土界面剪切强度的影响，试验中保持新混凝土等级比旧混凝土等级高一级，再生骨料取代率为60%不变，对涂刷和不涂刷界面试件进行抗剪强度试验，试验结果见表4。由表中的计算结果可以看出，涂刷界面剂可以显著提升冻融循环条件下再生混凝土新旧界面抗剪性能，同时，基础混凝土的强度越高，冻融循环次数越多，其提升作用越显著。基于此，建议在寒区水利工程除险加固施工过程中使用混凝土界面剂，以有效提升冻融循环作用下的新老混凝土界面的抗剪强度，提高工程质量和冻融循环作用下的耐久性。