粗糙度对丙乳净浆-混凝土粘结特性影响研究

2023-09-25崔德浩,唐建辉,张伟,陈炫地,白银

人民长江 2023年9期

崔德浩,唐建辉,张伟,陈炫地,白银

(1.深圳市东江水源工程管理处,广东深圳 518036; 2.南京水利科学研究院材料结构研究所,江苏南京 210029)

0 引言

随着中国基础设施建设的发展,已建的混凝土类结构在长期服役之后,其表面出现不同程度的剥落、磨损等病害问题[1-2],严重的甚至对整体结构安全产生影响,必须对原有混凝土进行必要的修复加固。聚合物水泥类材料以其优异的粘结性能、良好的力学性能而被广泛应用于该领域,成为混凝土表面病害治理工程中常用的修复材料之一[3-4]。

修复材料与混凝土基底之间的粘结强度是评价修复效果的一个重要指标,而基体的表面状态对粘结强度有很大的影响,包括基体潮湿程度、洁净度、粗糙度等。相关研究表明,混凝土基体处于潮湿状态下会降低粘结强度,如张骏等[5]研究发现潮湿环境下丙乳改性和环氧改性水泥基材料与混凝土的粘结强度均较干燥环境要低。若基体表面存在灰尘或其他杂质,粘结强度通常会显著降低[6]。但截至目前学术界关于粗糙度对修复材料与混凝土间的粘结性能影响作用并没有统一的结论,主要原因在于基面的处理方式(喷砂、切槽、凿毛、钻孔等)和试验方法(剪切、拉伸、劈拉等)多种多样[7]。Sadowski等[8]证实了不同的混凝土基面处理方式对拉拔强度有显著影响,发现采用喷砂处理时可获得最高附着力;Tayeh等[9]研究发现切槽可以显著提高界面的抗剪能力,这主要是因为增加了界面间的机械咬合力;孟繁强等[10]也获得了相同的结论;Lpez等[11]采用直接拉伸方法进行试验,发现界面粗糙度对获得的粘结强度影响很小或没有影响。有学者认为凿毛处理的混凝土基面会产生微裂纹,进而影响粘结强度[12];相反,有人认为经过凿毛处理以后,混凝土表面产生的气孔和微裂缝可使修复材料的浆体更容易地渗入既有混凝土中,继而增加两者之间的机械咬合力[13]。综上可见,不同处理方式获得的基体粗糙度对粘结强度的影响机理并不统一,这需要从微观角度做进一步研究。

为此,本文以丙烯酸脂共聚乳液改性水泥基材料(丙乳净浆)作为混凝土修复材料,采用切割和凿毛的方式制备4种粗糙度的混凝土基体,通过直接拉拔试验获得丙乳净浆-混凝土的粘结强度和破坏模式,并应用偏光显微镜和显微硬度计研究界面微观形貌和微观力学性能,进而揭示不同处理方式获得的基体粗糙度对粘结强度影响机理。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

试验所用试样由混凝土基体和丙乳净浆组成。混凝土的配合比如表1所列,水灰比为0.4,砂率为45%。其中采用的水泥为普通硅酸盐P·O 42.5海螺水泥,化学成分如表2所列;细骨料为河砂,细度模数2.3,表观密度为2 628 kg/m3;粗骨料为5～20 mm连续级配的碎石,表观密度为2 860 kg/m3;减水剂为粉体聚羧酸减水剂,掺入比例为0.15%。混凝土设计等级C35,塌落度在150～160 mm之间,含气量为3.7%,表观密度为2 370 kg/m3。混凝土28 d抗压强度为45.6 MPa。

表1 混凝土配合比Tab.1 Concrete mix proportion kg/m3

表2 水泥的化学成分Tab.2 Chemical composition of cement %

丙乳净浆由聚合物-丙烯酸酯共聚乳液(丙乳)和P·O 42.5海螺水泥组成,丙乳与水泥的质量比为1∶2.5,其中采用的丙乳固体含量为40%±1%,pH值在2.0～4.0之间。丙乳净浆在28 d时的抗压强度为7.4 MPa,抗拉强度为4.5 MPa。

1.2 混凝土表面处理及表征

试验设计4种粗糙度的混凝土基面,如图1所示。基面Ⅰ采用机械切割的方式,切割后的混凝土基面平整;基面Ⅱ采用气动凿毛机锤击I的表面形成,表面呈凹凸的特征,所用气动凿毛机产品型号为QH-6、工作压力为6 kg/m2、冲击次数为2 100次/min,耗气量为0.2 m3/min;基面Ⅲ是在I表面切割条状沟槽,沟槽深2～3 mm,间距10 mm;基面Ⅳ是在Ⅲ的基础上再次切割竖向条纹沟槽,形成“网格”型切割面。

图1 4种粗糙度的混凝土基面Fig.1 Concrete base surfaces of four roughnesses

基体表面处理后,采用三维扫描仪对表面形貌进行扫描,扫描精度高达0.05 mm。通过三维表面形貌分析软件Mountainsmap,并依据ISO-25178标准[14],计算获得了两个表征基面粗糙度的参数:算术平均高度Sa和界面扩展面积比Sdr。Sa表示相对于基准面,各点高度差绝对值的平均值;Sdr表示定义区域的扩展面积(表面积)相对于定义区域的面积增大了多少,完全平坦表面的Sdr为0;若表面存在倾斜,Sdr将变大。基面Ⅰ～Ⅳ的Sa和Sdr如表3所列,两个参数均呈现增大的特征。

表3 混凝土基面粗糙度参数Tab.3 Roughness parameters of concrete base surface

1.3 直接拉拔试验

在如图1混凝土基面四周粘贴海绵胶带,预留1.5 mm高度用于浇筑制备好的丙乳净浆,并在整个表面涂抹均匀,如图2(a)所示。将制作好的试样放入标准养护室分别养护3,7,14,28 d。之后取出试样在表面钻孔并粘贴直径50 mm的拉拔头,如图2(b)所示。然后采用图2(c)的直接拉拔仪测试丙乳净浆与混凝土的粘结强度,加载速率为5 mm/min。拉拔试验一组6块,去除表面未被粘住面积超过20%的试件,粘结强度以剩下的不少于3个试件的算术平均值表示。

图2 试样制备及粘结强度测试Fig.2 Sample preparation and bonding strength test

1.4 界面微观粘结形貌及力学特征

首先选取养护28 d后的试样,通过切割、打磨、抛光等工序,制备丙乳净浆-混凝土微观分析薄片,然后将薄片置于偏光显微镜下,拍摄丙乳净浆与基体砂浆的界面粘结形貌特征。之后将薄片置于HVS-1000数显显微硬度计下,沿丙乳净浆-混凝土方向,测试显微硬度,测试点间距100 μm,分析粘结界面区的微观力学演变特征。

2 试验结果

2.1 粘结强度及破坏模式

图3为丙乳净浆与不同粗糙度混凝土基体的粘结强度随龄期的发展特征,整体上看,4种粗糙度基面下的粘结强度随龄期的增加而增加,这主要是水泥水化程度增加使得粘结界面化学键及丙乳净浆强度提高所致。观察不同粗糙度基面可知,基面Ⅱ下的粘结强度相比其余界面是最低的,其28 d粘结强度为2.73 MPa,而其余界面均超过了3.0 MPa。通过图4(b)的粘结破坏模式发现,基面Ⅱ表现为混凝土基体内聚破坏或基体与丙乳净浆的复合破坏模式,但该基体的破坏仅发生在表层凿毛处理的深度内,破坏断面形态规则,这与图4(a)的28 d混凝土基体不规则的破坏面不同。这说明气动凿毛处理方式虽然增加了基面的粗糙度,但对基体表面产生了损伤,导致了粘结强度的下降,这在后续的界面形貌分析中也可以得到证实。

图3 不同粗糙度基面下丙乳净浆-混凝土粘结强度随龄期的发展Fig.3 Development of the bonding strength between acrylic emulsion paste and concrete with age under different roughnesses base surfaces

在基面Ⅰ下,14 d以内粘结强度低于基面Ⅲ和Ⅳ的,但28 d粘结强度是4种工况下最高的,达到3.60 MPa。相应的观察图4(a)的粘结破坏形态发现,14 d以内均为丙乳净浆的内聚破坏,而在28 d时为混凝土基体的失效破坏,破坏面骨料和砂浆呈不规则分布。这种破坏模式的演变原因在于早期丙乳净浆水化程度低,抗拉强度发展不充分,低于混凝土基体抗拉强度,以丙乳净浆的内聚破坏为主。水化至后期,丙乳净浆抗拉强度和界面处粘结力超过了混凝土基体抗拉强度,破坏模式转变混凝土内聚破坏。对于基面Ⅲ和Ⅳ,两者在各龄期的粘结强度十分接近。相比基面Ⅰ而言,基面Ⅲ和Ⅳ的粘结强度更高。事实上,粘结强度的形成主要由化学键、机械咬合力和范德华力组成[15]。基面I的表面平滑,粘结强度主要由丙乳净浆与基体的化学键提供;而基面Ⅲ和Ⅳ的Sdr更大,丙乳净浆与混凝土表面沟槽可以形成很强的机械咬合力,因此,在宏观上也具有更高的粘结强度。

针对切割形成的基面Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ,绘制了如图5所示的基面粗糙度参数Sa和Sdr分别与粘结强度的关系,可以看到这两个参数与粘结强度的变化趋势一致。以图5(b)为例,在早期(14 d以内),粘结强度随基面Sdr的增加呈现先升高后平稳的特征,这表明基面粗糙度的增加(基面Ⅲ)对粘结强度的提升有利,但过高的粗糙度(基面Ⅳ)对粘结强度的提升并无作用。在28 d时,Sdr为0.91%(基面Ⅰ)的粘结强度大于高Sdr基面的粘结强度。但从图4(c)和(d)破坏模式上看,界面Ⅲ和Ⅳ均表现为界面处丙乳净浆的内聚破坏,这些特征说明基面切槽的方式会在后期略微降低粘结强度。

图5 切割形成的基面粗糙度参数与粘结强度的关系Fig.5 Relationship between roughness parameters of base surface formed by incising and bonding strength

2.2 微观粘结形貌

图6为丙乳净浆与4种粗糙度混凝土基体砂浆的界面粘结形貌,放大倍数为50倍和200倍。在基面Ⅰ下,可以看到丙乳净浆与混凝土基体砂浆胶结密实,无裂隙存在。在基面Ⅱ中,可以看到50倍的视野里两者的界面胶结状态良好,但在界面下方的基体砂浆内部存在一条明显的裂隙。放大200倍的视野里,这条裂隙的形貌更加清晰,基体砂浆层由这条裂隙一分为二。这个微观特征也证实了图3中基面Ⅱ下的粘结强度最低的原因,即丙乳净浆仅与混凝土基体表层存在有效粘结,因此其粘结破坏模式均表现出混凝土表层的脱粘。观察基面Ⅲ和Ⅳ,丙乳净浆与混凝土基体砂浆和粗骨料均呈现良好的胶结效果,因此在宏观上表现出较优异的粘结强度。

图6 丙乳净浆与4种粗糙度混凝土基体砂浆的界面粘结形貌Fig.6 Interface bonding morphology between acrylic emulsion paste and concrete matrix mortar of four roughnesses

2.3 微观力学特征

显微硬度是反映微观力学性能的重要指标之一,可以间接表征材料对局部塑性变形的抵抗能力,通过显微硬度值的变化可获得丙乳净浆与混凝土的微观界面过渡区特征[16]。根据显微硬度测试结果,分别得到不同粗糙度下丙乳净浆与混凝土基体砂浆、丙乳净浆与混凝土基体粗骨料的显微硬度变化曲线如图7所示。在图7(a)中可以看到,0～800 μm范围内为丙乳净浆,硬度基本在70～80 MPa之间,趋势平缓;0～-1 000 μm范围内为基体砂浆,其硬度呈现先增大后平稳的特征,但不同粗糙度基体下的变化特征有所不同。基面Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ在0～-300 μm内的硬度是上升的,在-300～-1 000 μm内的硬度基本保持平稳。硬度上升的区域为微观界面区,是丙乳净浆与混凝土基体胶结力形成的主要区域;而后面的平稳段为基体砂浆的硬度,平均在450 MPa左右,明显的高于丙乳净浆。反观基面Ⅱ的显微硬度,在0～-700 μm内的硬度有较大的波动,并且数值明显低于其余3个界面。事实上,这个范围是凿毛产生的基体损伤区域,其在微观力学性能上的下降直接影响到宏观粘结强度。同理,观察图7(b)丙乳净浆与基体粗骨料的界面区显微硬度特征发现,4种工况下的丙乳净浆的硬度十分平稳。基面Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ在0～-200 μm内的硬度是上升的,之后的硬度基本保持平稳。也就是说在这些界面下丙乳净浆与粗骨料的界面厚约200 μm,低于图7(a)的砂浆界面区。此外,基体粗骨料的硬度约600 MPa,高于基体砂浆。观察基面Ⅱ,与粗骨料的界面区厚度约600 μm,并且界面区硬度有较大的波动。这与该界面下基体砂浆界面区变化特征一致,这是采用气锤凿毛引起的基体粗骨料破碎导致的。

图7 丙乳净浆与基体界面区显微硬度Fig.7 Micro-hardness of interface area between acrylic emulsion paste and matrix

总的来看,采用丙乳净浆进行混凝土结构表面修补时,不建议采用气锤凿毛或者类似的机械方式对基体表面进行处理。虽然该方法可以增加修复材料与基体的接触面积,但基体容易产生不可逆的损伤,引起微观力学性能的下降,不利于宏观粘结强度的发展。而通过机械切割沟槽的方式可以为丙乳净浆与基体间提供机械咬合力,从而有效提高粘结强度。但过高的界面粗糙度对粘结强度提升无益,建议实际工程中采用单向条纹的沟槽形式处理混凝土基体表面。