杜從銘， 蘇文洋， 洪 麗， 黃慎江

(合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 2￣30009)

0 引 言

隨著我國(guó)新時(shí)期城鎮(zhèn)化建設(shè)的進(jìn)一步發(fā)展，老舊建筑逐步被拆除，從而產(chǎn)生了大量的建筑廢棄物，如果處理不當(dāng)，會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染[1]。另一方面，大量基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)消耗了巨大的自然資源，使其面臨枯竭。因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)廢棄混凝土的再利用開(kāi)展了大量研究[2,3]，這對(duì)保護(hù)環(huán)境、節(jié)約資源、促進(jìn)建筑工業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

目前，將廢棄混凝土破碎篩分后制成再生粗骨料，進(jìn)而制備再生混凝土是其主要的再利用途徑。然而，由于再生粗骨料吸水率高、強(qiáng)度低[4]，以及其與新、舊水泥砂漿間的界面黏結(jié)性能差[5]，導(dǎo)致再生混凝土強(qiáng)度低[6]、彈性模量低[7]、抗裂性差和耐久性差[8]，進(jìn)而限制了再生粗骨料在實(shí)際工程中的應(yīng)用。

研究表明[9]再生混凝土的宏觀破壞行為由再生粗骨料、水泥砂漿及二者間界面黏結(jié)等性能決定。近年來(lái)，關(guān)于再生粗骨料及水泥砂漿對(duì)再生混凝土宏觀力學(xué)性能的研究較多，而關(guān)于再生粗骨料與新水泥砂漿間界面黏結(jié)性能的研究較少。文獻(xiàn)[10]和[11]基于掃描電鏡試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)再生粗骨料與新水泥砂漿間的界面是再生混凝土中最薄弱的部位，并且再生混凝土抗壓強(qiáng)度在一定程度上取決于該界面黏結(jié)性能。文獻(xiàn)[12]則基于試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)再生粗骨料的表面粗糙度也是影響其與新水泥砂漿間界面黏結(jié)性能的重要因素。而文獻(xiàn)[13]基于聲發(fā)射技術(shù)，從細(xì)觀層次研究再生混凝土破壞機(jī)制，發(fā)現(xiàn)水泥砂漿的強(qiáng)度對(duì)水泥砂漿與再生粗骨料間界面黏結(jié)性能有著顯著的影響。文獻(xiàn)[14]基于掃描電鏡微觀試驗(yàn)，隨著正應(yīng)力的增加，再生混凝土中的裂紋首先出現(xiàn)在再生粗骨料與水泥砂漿間的界面，隨后再生粗骨料開(kāi)裂，這進(jìn)一步驗(yàn)證再生粗骨料與新水泥砂漿間界面是再生混凝土中最薄弱的部位。文獻(xiàn)[15]采用二次攪拌的方法強(qiáng)化再生粗骨料，改善再生粗骨料與水泥砂漿間界面結(jié)構(gòu)來(lái)提高再生混凝土的宏觀力學(xué)性能。文獻(xiàn)[16]通過(guò)在水泥砂漿中添加聚合物膠乳的方法提高了再生混凝土的宏觀力學(xué)性能。

由上述文獻(xiàn)可知，再生混凝土中再生粗骨料與水泥砂漿間的界面黏結(jié)性能對(duì)再生混凝土的宏觀破壞行為具有重要影響。因此，本文設(shè)計(jì)了一系列界面黏結(jié)性能試驗(yàn)，研究再生粗骨料與新水泥砂漿間界面黏結(jié)抗拉、抗剪強(qiáng)度及其影響因素，為再生混凝土的破壞分析提供理論支撐。

1 試驗(yàn)過(guò)程

1.1 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)所采用的再生粗骨料由安徽省某橋梁的鋼筋混凝土板拆除后，去除其中鋼筋的再生粗骨料塊體破碎而成。另外，所采用的水泥為海螺牌42.5普通硅酸鹽水泥，砂為中砂，水為市飲用自來(lái)水。本文設(shè)計(jì)了3種強(qiáng)度等級(jí)的水泥砂漿，其配合比見(jiàn)表1所列。

表1 水泥砂漿配合比

試驗(yàn)所用的型號(hào)為MD216的苯乙烯/丙烯酸酯類(lèi)聚合物膠乳(以下簡(jiǎn)稱(chēng)聚合物膠乳)由安徽蒙達(dá)交通科技有限公司提供，該膠乳為白色液體狀，具有刺激性氣味，固化后透明無(wú)氣味，具體性能指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 聚合物膠乳性能指標(biāo)

1.2 界面黏結(jié)強(qiáng)度試件制作

1.2.1 界面黏結(jié)抗拉強(qiáng)度試件的制作

本文制備了2種具有不同表面粗糙度的再生粗骨料，分別是切割表面(記作Q型)和切割后再經(jīng)拋光處理的拋光表面(記作P型)，顯然Q型表面的粗糙程度比P型大。另外，為了研究聚合物膠乳對(duì)界面黏結(jié)抗拉性能的影響，設(shè)計(jì)在水泥砂漿(水灰比為0.40)中直接添加聚合物膠乳，其摻量為水泥質(zhì)量的10%，如表2中的PM35。

最后，根據(jù)以下步驟制作界面黏結(jié)抗拉強(qiáng)度試件：① 首先將再生粗骨料塊體在水中浸泡1小時(shí)，待其達(dá)到吸水飽和后擦干表面水分；② 然后將PVC塑料套筒平穩(wěn)置于再生粗骨料塊體的表面，如圖1a所示；③ 并在PVC塑料套筒內(nèi)澆筑不同強(qiáng)度等級(jí)水泥砂漿后進(jìn)行振搗，如圖1b所示；④ 最后將試件靜置24 h后，搬運(yùn)至養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。每組制作3個(gè)試件。

圖1 界面黏結(jié)抗拉試件

1.2.2 界面黏結(jié)抗剪強(qiáng)度試件的制作

本文將界面黏結(jié)抗剪強(qiáng)度試件設(shè)計(jì)成如圖2a所示，則再生粗骨料與水泥砂漿界面黏結(jié)抗剪試件所受壓力P與界面抗剪強(qiáng)度τ及界面法向應(yīng)力σ之間關(guān)系如公式(1)和(2)所示。

τ=P/(Asinαcosα)

(1)

σ=P/(Asin2α)

(2)

式中：P為試件所受壓力，N；τ為平行于斜截面的剪應(yīng)力，MPa；σ為垂直于斜面的正應(yīng)力，MPa；A為試件橫截面積，mm2。

此外，界面黏結(jié)抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)中考慮的水泥砂漿強(qiáng)度和再生粗骨料表面粗糙2種因素，其制作方法和記法如1.2.1節(jié)所述。為了研究聚合物膠乳對(duì)界面黏結(jié)抗剪性能的影響，試驗(yàn)設(shè)計(jì)在水泥砂漿(水灰比為0.40)中直接添加聚合物膠乳，其摻量為水泥質(zhì)量的10%，記作D型試件，水泥砂漿中未添加聚合物膠乳的對(duì)比組記作C型試件。C型試件和D型試件中的再生粗骨料表面粗糙度均為Q型。為了研究界面法向正應(yīng)力對(duì)界面抗剪強(qiáng)度的影響，制備了4種傾斜角度(30°、40°、50、60°)的再生粗骨料塊體。

圖2 界面黏結(jié)抗剪試件

界面黏結(jié)抗剪強(qiáng)度試件的制作方法如下：首先將再生粗骨料浸泡1 h，待其達(dá)到吸水飽和后擦干表面水分；在預(yù)制的木模板中放置好再生粗骨料，如圖2b所示；然后在另一側(cè)澆筑不同強(qiáng)度等級(jí)的水泥砂漿(M15、M25、M35)，如圖2c所示；試件靜置24 h待水泥砂漿硬化后，將試件搬運(yùn)至養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。每組制作三個(gè)試件。

1.3 試驗(yàn)方法

界面黏結(jié)抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)的加載儀器為SHJ-40 飾面磚及混凝土黏結(jié)強(qiáng)度檢測(cè)儀，如圖3所示。界面黏結(jié)抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)采用合肥工業(yè)大學(xué)結(jié)構(gòu)工程實(shí)驗(yàn)室的YAW4306微機(jī)控制電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)。設(shè)置試驗(yàn)參數(shù)(控制方式為力控，加載速率為1500 N/S，)進(jìn)行加載并記錄試驗(yàn)結(jié)果。

圖3 界面黏結(jié)抗拉試驗(yàn)加載儀器

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 界面黏結(jié)抗拉強(qiáng)度

2.1.1 破壞形態(tài)

界面黏結(jié)受拉試件均因界面脫黏而破壞，破壞前無(wú)明顯預(yù)兆，屬脆性破壞。

2.1.2 界面黏結(jié)抗拉強(qiáng)度

水泥砂漿水灰比、再生粗骨料粗糙度和添加聚合物膠乳與否對(duì)再生粗骨料與水泥砂漿間界面黏結(jié)抗拉強(qiáng)度(記作fit)的影響，如圖4所示。

圖4 界面黏結(jié)抗拉試驗(yàn)結(jié)果

由圖4還可發(fā)現(xiàn)，在水泥砂漿中添加聚合物膠乳后，界面黏結(jié)抗拉強(qiáng)度f(wàn)it提高從1.02 MPa增加到1.13 MPa，提高了10.8%。這是因?yàn)榫酆衔锬z乳的摻入，不僅提高了水泥砂漿的強(qiáng)度[21]，而且聚合物膠乳可以填充再生粗骨料表面裂紋，使再生粗骨料與水泥砂漿間界面的微觀結(jié)構(gòu)更加致密[22]，進(jìn)而提高了二者間界面的黏結(jié)抗拉性能。

2.2 界面黏結(jié)抗剪強(qiáng)度

2.2.1 破壞形態(tài)

界面黏結(jié)抗剪試件的破壞形態(tài)主要分為：① 界面破壞，即砂漿與再生粗骨料間界面滑移，水泥砂漿和再生粗骨料完整，如圖5a所示；② 材料破壞：即試件由于水泥砂漿或再生粗骨料被壓碎而破壞，如圖5b、c、d所示。另外，通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)，當(dāng)傾角≤50°時(shí)，界面黏結(jié)抗剪試件以界面破壞為主；當(dāng)傾角>50°時(shí)，以材料破壞為主。

圖5 界面黏結(jié)抗剪試驗(yàn)試件破壞形態(tài)

2.2.2 界面黏結(jié)抗剪強(qiáng)度

當(dāng)界面試件發(fā)生剪切破壞時(shí)，界面黏結(jié)抗剪強(qiáng)度會(huì)受到法向壓應(yīng)力大小、水泥砂漿水灰比、再生粗骨料的表面粗糙度及聚合物膠乳的影響。

從圖6中可以看出，隨著水泥砂漿水灰比的降低，其與再生粗骨料間的界面黏結(jié)抗剪強(qiáng)度不斷增大。以界面傾角40°的Q型界面抗剪試件為例，當(dāng)水泥砂漿的水灰比為0.65、0.49、 0.40 時(shí)，界面黏結(jié)抗剪強(qiáng)度分別為 5.79、7.66、8.30MPa。這也是由于水泥砂漿水灰比越低，其與再生粗骨料間界面的微觀結(jié)構(gòu)越密實(shí)，界面黏結(jié)抗剪性能越強(qiáng)。另外，從圖6中還可以看出，隨著界面傾角的增加，界面法向壓應(yīng)力越大，界面黏結(jié)抗剪強(qiáng)度越大。以水灰比為0.49的Q型界面抗剪試件為例，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)界面傾角為 30°、40°、 50°時(shí)，界面黏結(jié)抗剪強(qiáng)度分別為 4.73、7.66、11.06 MPa。這是因?yàn)榻缑娣ㄏ驂簯?yīng)力越大，界面抵抗剪切滑移的能力越強(qiáng)。這與文獻(xiàn)[21]所得結(jié)論一致。

圖6 界面黏結(jié)抗剪試驗(yàn)結(jié)果

同時(shí)，基于圖6還可以發(fā)現(xiàn)，再生骨料表面越粗糙，界面黏結(jié)抗剪強(qiáng)度越大。以水灰比 0.49 的界面抗剪試件為例，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)骨料表面粗糙度較小時(shí)(P型界面抗剪試件)，傾角為30°、40°、50°的界面黏結(jié)抗剪強(qiáng)度分別為2.07、3.74、9.13 MPa，而當(dāng)骨料表面粗糙度較大時(shí)(Q型界面抗剪試件)，對(duì)應(yīng)傾角的界面黏結(jié)抗剪強(qiáng)度為4.73，7.66、11.06 MPa，分別提高了128.5%、104.8%、21.1%。這是因?yàn)樵偕止橇媳砻嬖酱植?，其與新水泥砂漿間的機(jī)械咬合作用越強(qiáng)，進(jìn)而抗剪強(qiáng)度越大。并且界面傾角越小，這種作用對(duì)界面抗剪的貢獻(xiàn)越明顯。

最后，通過(guò)試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，添加聚合物膠乳后，界面黏結(jié)抗剪強(qiáng)度也得到明顯增加。如圖7所示，以水泥砂漿水灰比為0.40的界面抗剪試件為例，當(dāng)傾斜角度為30°、40°、50°時(shí)，未添加聚合物膠乳試件的抗剪強(qiáng)度為5.08、8.30、13.57 MPa，而添加了聚合物膠乳試件的抗剪強(qiáng)度分別為5.68、9.82、17.85 MPa，分別增長(zhǎng)了12.0%、18.3%、31.5%。這仍是因?yàn)榫酆夏z乳的摻入一方面提高了水泥砂漿的強(qiáng)度，另一方面填充了再生粗骨料的表面裂隙，使得再生粗骨料與水泥砂漿間界面的微結(jié)構(gòu)更加緊密。

圖7 聚合物膠乳對(duì)界面黏結(jié)抗剪強(qiáng)度的影響

3 結(jié) 論

本文基于再生粗骨料與新水泥砂漿間的界面黏結(jié)抗拉和抗剪性能試驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

(1)界面黏結(jié)抗拉試件均以界面脫黏而破壞，再生粗骨料與水泥砂漿間界面的黏結(jié)抗拉強(qiáng)度隨著水泥砂漿水灰比的增大而減小，但隨著再生粗骨料表面粗糙度的增加而增大，且在水泥砂漿中添加苯乙烯/丙烯酸酯類(lèi)聚合物膠乳后，界面黏結(jié)抗拉強(qiáng)度得到明顯增強(qiáng)。

(2)界面黏結(jié)抗剪試件的傾角低于50°時(shí)，界面黏結(jié)抗剪試件發(fā)生沿界面的剪切破壞，屬于界面破壞；而當(dāng)界面傾角超過(guò)50°時(shí)，界面黏結(jié)抗剪試件發(fā)生受壓破壞，屬于材料破壞。

(3)當(dāng)界面黏結(jié)抗剪試件發(fā)生界面剪切破壞時(shí)，界面黏結(jié)抗剪強(qiáng)度隨著水泥砂漿水灰比的增加而降低，但隨著再生粗骨料表面粗糙程度或法向壓應(yīng)力的增加而增大，且添加苯乙烯/丙烯酸酯類(lèi)聚合物膠乳后，界面黏結(jié)抗剪強(qiáng)度得到提高。