基体约束条件下路用复合材料粘接性能研究

董立强

(河北雄安京德高速公路有限公司,河北 雄安 071700)

水泥基复合材料是指以硅酸盐水泥为基体，以通用合成纤维、各种陶瓷纤维、耐碱玻璃纤维、金属丝以及天然植物纤维、碳和芳纶等高性能纤维和矿物纤维为增强体，加入填料、化学助剂和水经复合工艺构成的复合材料[1]，在现代化公路、土木建筑、桥梁等工程中有广泛应用。然而，由于实际施工过程中外界环境因素差异性较大以及施工水平参差不齐，在新老混凝土界面以及新浇注修补混凝土中经常出现裂缝等缺陷[2-3]，在很大程度上影响了整体结构的稳定性，究其原因，这主要与修补材料的粘结性能较差，界面处的咬合力不够或者修补混凝土的强度不足有关[4-5]。在考察公路水泥基复合材料的粘接强度等性能时，目前大多采用的试验试件都较小，且基体对修补材料的约束程度较低，这种情况下无法做到对界面粘接性能的真实反映[6]，本文主要考察不同配比的磷酸镁水泥基复合材料在基体约束条件下的粘接性能，结果可为高粘接性能的公路水泥基材料的开发与应用提供参考。

1 实验材料与方法

1.1 实验原料

氧化镁：密度3.26 g/cm3、比表面积228 m2/kg，河北镁盛化工科技有限公司；磷酸二氢钾：纯度99.6%、相对密度1.914 g/cm3，河北镁盛化工科技有限公司；磷酸二氢铵：纯度99.6%、相对密度1.796 g/cm3，河北镁盛化工科技有限公司；硼砂(缓凝剂)：纯度大于99.2%，河南宏钜化工产品有限公司；普通硅酸盐水泥：PO42.5级、密度3.07 g/cm3、比表面积377 m2/kg，山东问渠新材料科技有限公司；碎石(粗集料)：级配5～10 mm、表观密度2 730 kg/m3、含泥量0.5%，郑州荣贝机械设备有限公司；河砂(细集料)：细度模数3.0、表观密度2 660 kg/m3、含泥量0.4%，郑州荣贝机械设备有限公司；PCA-7.5型聚羧酸减水剂：东莞市华杰建材有限公司；自来水：河南工业职业技术学院。

1.2 试验仪器

MTS-810型万能试验机，美国MTS公司；S-4800型扫描电镜，日本日立公司。

1.3 试验制备

采用行星轮搅拌机将粉料搅拌均匀，然后加入拌合水继续搅拌1 min后，再加入其他集料并继续搅拌3 min；参照 GB/T 1346—2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》和 GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度试验方法》分别对净浆和砂浆进行搅拌[7]，并以一定配比制备水泥基复合材料，基体约束条件下水泥基复合材料的形貌和尺寸示意图如图1所示。

(a)形貌

1.4 测试与表征

(1)渗水时间：采用自然渗水法测试界面渗水性，在凹槽中注入50 mL饱和氢氧化钙溶液并观察贴有pH试纸的颜色变化，依次记录渗水时间；

(2)抗剪粘接强度：在MTS-810型万能试验机上进行，加载速率为2 kN/s，计算公式[8]：

(1)

式中：P为破坏载荷,N;θ为粘接面与垂直方向的倾斜角度(30°)；a为底面边长(40 mm)；

(3)界面形貌：采用S-4800型扫描电镜对界面形貌进行观察。

2 结果与讨论

2.1 粘接界面

表1为磷酸镁水泥基材料与普通硅酸盐水泥基材料的界面裂纹宽度和界面渗水结果，其中，M/P表示氧化镁与磷酸盐质量比，w/b表示水胶比。可见，除在硼砂掺量为5%时，在2 h处存在小于2 μm的裂纹外，其余试样在168 h范围内都未出现界面裂纹；从渗透至界面的时间来看，M/P=5、w/b=0.16时渗透至界面的时间分别为1.2、0.6 h，硼砂掺量分别为5%、15%时渗透至界面的时间分别为24.8、47.0 h；从渗透72 h后的深度测试结果看，M/P=1、M/P=3、M/P=4、w/b=0.09试样渗透72 h后的深度分别为14、15、13和4 mm。

表1 磷酸镁水泥基材料与普通硅酸盐水泥基材料的界面裂纹宽度和界面渗水结果Tab.1 Results of interface crack width and water seepagebetween magnesium phosphate cement-based materialsand ordinary Portland cement-based materials

图2为磷酸镁水泥基材料与普通硅酸盐水泥基材料的粘接界面形貌。

图2 磷酸镁水泥基材料与普通硅酸盐水泥基材料的粘接界面Fig.2 Bonding interface between magnesium phosphatecement-based materials and ordinary portlandcement-basedmaterials

从图2可以看出，在渗水试验过程中，磷酸镁水泥基材料的界面处未见明显裂纹存在，究其原因，这是因为磷酸镁水泥基材料具有较好的体积稳定性所致；对于硼砂掺量5%和15%试样，硼砂为5%时界面处的裂纹非常细小，裂纹宽度小于2 μm，究其原因，这主要是因为磷酸镁水泥基材料在早期阶段的体积收缩较大，在内部应力作用下发生了界面开裂。M/P=1、M/P=3、M/P=4时由于磷酸二氢铵用量较大，浸泡72 h后的界面处仍然未出现渗漏现象，表明此时材料具有较好的抗渗透性能；如果M/P比值较大，过量的水会造成整体结构疏松而使得界面处产生微裂纹。整体而言，水胶比和硼砂掺量都是影响磷酸镁水泥基材料界面抗渗透性能的关键因素，在实际应用过程中应该选取较低的水胶比以及适量的硼砂掺量。

2.2 拉剪粘接强度的影响因素

图3为不同类型的磷酸镁水泥基材料(净浆)的拉剪粘接强度测试结果，分别列出了磷酸二氢钾(KDP)和磷酸二氢铵(ADP)配制的磷酸镁水泥基材料(MPC)，在M/P分别为1、3和5时的拉剪粘接强度。对于磷酸二氢钾配制的磷酸镁水泥基材料，随着龄期从2 h增至7 d，不同M/P的试样的拉剪粘接强度都呈现逐渐增加的趋势，M/P=3、龄期为7 d的试样取得最大的拉剪粘接强度，这主要是因为磷酸二氢钾配制的磷酸镁水泥基材料在早期阶段会出现收缩而发生界面开裂等现象，抗剪粘接强度会相对较弱；而龄期延长有助于水化反应的进行而使得界面咬合作用增强[9]，相应地抗剪粘接强度会增加；对于磷酸二氢铵配制的磷酸镁水泥基材料，随着龄期从2 h增加至7 d，不同M/P的试样的拉剪粘接强度也都呈现逐渐增加的趋势，M/P=5、龄期为7 d的试样取得最大的拉剪粘接强度。此外，对比磷酸二氢钾和磷酸二氢铵配制的磷酸镁水泥基材料的拉剪粘接强度可知，相同龄期下磷酸二氢铵配制的磷酸镁水泥基材料的拉剪粘接强度相对较大。

(a)KDP-MPC (b)ADP-MPC图3 不同类型的磷酸镁水泥基材料的拉剪粘接强度测试结果Fig.3 Test results of tensile shear bond strengthof different types of magnesium phosphatecement-based materials

图4为不同硼砂掺量和水胶比的磷酸镁水泥基材料(净浆)的拉剪粘接强度测试结果。

(a)Borax (b)w/b图4 不同硼砂掺量和水胶比的磷酸镁水泥基材料的拉剪粘接强度测试结果Fig.4 Tensile and shear bond strength test results ofmagnesium phosphate cement-based materials withdifferent borax content and water binder ratio

从图4可以看出，当龄期为2 h时，硼砂掺量从5%增至15%相应的拉剪粘接强度不断降低；而当龄期增加为1、7 d时，磷酸镁水泥基材料的拉剪粘接强度会随着硼砂掺量增加而增大。从不同水胶比的磷酸镁水泥基材料的拉剪粘接强度测试结果可知，当龄期为2 h时，水胶比从0.09增至0.16时相应的拉剪粘接强度不断降低；而当龄期增加为1、7 d时，磷酸镁水泥基材料的拉剪粘接强度会随着水胶比增加而先增大后减小；不同龄期下水胶比为0.09的磷酸镁水泥基材料的拉剪粘接强度最大。

图5 不同M/P的磷酸镁水泥基材料(砂浆)的拉剪粘接强度测试结果Fig.5 Test results of tensile shear bond strengthof magnesium phosphate cement-based materials(mortar) with different M/P

图5为不同M/P的磷酸镁水泥基材料(砂浆)的拉剪粘接强度测试结果。当龄期为2 h时，M/P分别为2、3、4和5时的拉剪粘接强度差异较小；而当龄期达到1 d及以上时，M/P分别为2、3、4和5时的拉剪粘接强度的差异逐渐增大，且表现为M/P为2时的拉剪粘接强度明显高于其他试样的特征，这主要是因为随着M/P增大，磷酸镁水泥基材料中水化反应生成的鸟粪石晶体生成量也会更多，试件的破坏形式从粘弹性破坏转变为脆性破坏[10]，抗剪粘接强度会有所降低；但是，由于M/P=5时试件会出现一定程度的膨胀作用，界面处在膨胀压应力作用下而使得界面结合力增加，相应的抗剪粘接强度会比M/P分别为3、4时更大。

图6为不同喷砂掺量的磷酸镁水泥基材料(砂浆)的拉剪粘接强度测试结果。

图6 不同喷砂掺量的磷酸镁水泥基材料(砂浆)的拉剪粘接强度测试结果Fig.6 Test results of tensile shear bond strengthof magnesium phosphate cement-based materials(mortar) with different sand blasting contents

从图6可以看出，当龄期为2 h时，随着硼砂掺量从6%增至18%，磷酸镁水泥基材料的抗剪粘接强度呈现逐渐减小的趋势。究其原因，这与较高的硼砂掺量会延缓材料的早期水化反应有关[11]，相应地界面结合强度会降低；随着龄期的增加，不同掺量的磷酸镁水泥基材料的抗剪粘接强度都呈现逐渐上升的趋势，且硼砂掺量为15%时磷酸镁水泥基材料具有最高的抗剪粘接强度。

图7为不同水胶比的磷酸镁水泥基材料(砂浆)的拉剪粘接强度测试结果。

图7 不同水胶比的磷酸镁水泥基材料(砂浆)的拉剪粘接强度测试结果Fig.7 Test results of tensile shear bond strength ofmagnesium phosphate cement-based materials (mortar)with different water binder ratio

从图7可以看出，当龄期为2 h时，不同水胶比的磷酸镁水泥基材料(砂浆)的拉剪粘接强度都较低；当龄期为1 d及以上时，不同水胶比的磷酸镁水泥基材料(砂浆)的拉剪粘接强度都明显高于龄期2 h的试样，且水胶比为0.12时磷酸镁水泥基材料(砂浆)的拉剪粘接强度最大。当龄期分别为2 h、1 d和3 d，水胶比为0.20时磷酸镁水泥基材料(砂浆)的拉剪粘接强度要高于水胶比为0.14和0.16的试样；而龄期为7 d、水胶比为0.20时，磷酸镁水泥基材料(砂浆)的拉剪粘接强度要低于水胶比分别为0.14和0.16的试样，造成这种现象的原因在于，水胶比较大时，磷酸镁水泥基材料(砂浆)早期会发生明显膨胀[12]，在基体约束条件下，龄期较短时更有利于提升抗剪粘接强度所致。

3结语

(1)相同龄期下磷酸二氢铵配制的磷酸镁水泥基材料的拉剪粘接强度相对较大；当龄期为2 h时，随着硼砂掺量从6%增至18%，磷酸镁水泥基材料的抗剪粘接强度呈现逐渐减小的趋势；随着龄期的增加，不同掺量的磷酸镁水泥基材料的抗剪粘接强度都呈现逐渐上升的趋势，且硼砂掺量为15%时磷酸镁水泥基材料具有相对最高的抗剪粘接强度；

(2)当龄期为2 h时，M/P分别为2、3、4和5时的拉剪粘接强度差异较小；而当龄期达到1 d及以上时，M/P分别为2、3、4和5时的拉剪粘接强度的差异逐渐增大，且表现为M/P为2时的拉剪粘接强度明显高于其他试样的特征；不同水胶比的磷酸镁水泥基材料(砂浆)的拉剪粘接强度都明显高于龄期2 h的试样，且水胶比为0.12时磷酸镁水泥基材料(砂浆)的拉剪粘接强度相对最大。