砂漿-骨料粘結界面力學性能

向祖超， 李 揚， 沈子豪

(湖北工業大學土木建筑與環境學院， 湖北 武漢 430068)

混凝土作為世界上應用最廣泛的一種建筑材料，其高強度及高性能的特點為世界所公認。鋼筋因其抗拉強度高，且熱膨脹系數與混凝土相近，可彌補混凝土抗拉強度上的不足，鋼筋混凝土構件也因此在結構工程中得到廣泛應用。但當鋼筋混凝土結構中的鋼筋局部布置較為擁擠以及鋼筋混凝土結構超載時，混凝土會因為抗拉強度低而產生若干不均勻裂縫，最終裂縫延伸，生成肉眼可見裂縫，直到混凝土斷裂，構件破壞[1-2]。對于混凝土構件的宏觀破壞，實則是由細觀角度不均勻裂縫的累積和延伸造成的，馬懷發等[3]提出從細觀角度看，混凝土構件在加載前，內部已存在微裂縫，即砂漿和骨料界面的初始粘結裂縫，這些裂縫是由于砂漿的干縮現象以及溫度變化導致而成。Lybimove等[4]認為界面過渡區(Interfacial Transition Zone，ITZ)的力學性能對混凝土的影響很大。

結合現有資料表明：ITZ的性能對混凝土材料性能的具體影響程度還尚未形成統一認識，有關ITZ力學性能的試驗研究及分析較少，據此，通過三點彎試驗和劈裂拉伸試驗來測得水泥-砂漿界面的抗拉壓強度、斷裂能及彈性模量等參數對混凝土材料力學性能的影響，并通過試驗數據建立了界面參數計算模型，對增強混凝土強度及混凝土細觀結構的研究有很大一定的參考和借鑒作用。

1 試驗

1.1 試驗方法

1.1.1抗拉強度Tn采用劈裂試驗來測得試件的抗拉強度，加載方式按照規范[11]通過設置加載速率為0.06 MPa/s的應力控制模式進行加載，可得到試驗的荷載-位移曲線。試驗測試試件分為三批次，分別測試了水泥砂漿、石材、水泥砂漿及石材各一半的復合試件的抗拉強度。加載示意圖見圖1。

圖 1 劈裂試驗加載示意圖

在得出荷載-位移曲線后，可按下式計算水泥砂漿-骨料粘結界面的抗拉強度：

(1)

式中：P表示最大荷載，kN；A表示試件的斷裂面積，mm2。

1.1.2斷裂能Gf參考RILEM的提議[12]，本研究采用三點彎曲試驗測得斷裂能，控制試驗的加載速率為0.4 mm/min，最終可獲得試件的荷載-撓度曲線。試驗共測試了水泥砂漿、骨料、砂漿及骨料各一半的復合試件的斷裂能,三種立方體試件見圖2。在測得這三批試件的斷裂能后，可得到水泥砂漿、骨料以及砂漿-骨料粘結界面的斷裂能[13],加載示意圖見圖3。

圖 2 立方體試件

圖 3 帶缺口梁的三點彎曲試驗加載示意圖

斷裂能指的是裂紋擴展單位面積所消耗的表面能，這一參數可通過試驗所得的荷載-撓度曲線計算得到，具體計算公式如下：

Gf=Wf/A=(W0+mgδ0)/A

(2)

式中：Gf為試件單位面積上的斷裂能，N·mm-1；Wf為試件的斷裂能，N·mm；A為試件的斷裂面積，A=b(h-a)，mm2;b為梁的寬度，mm;h為梁的高度，mm;a為開口深度，mm；W0為荷載-撓度曲線下的面積，mm2；mg為兩跨間梁的自重，N；δ0為試件破壞時的撓度，mm。

1.2 試驗裝置

兩個試驗均在湖北工業大學工程結構及數字化模擬實驗室完成，試件的拉壓強度及彈性模量在微機控制電液伺服壓力試驗機(YAW-3000G)測得，可施加的最大荷載為3000 kN，精確度等級為0.5級(圖4)；帶缺口梁的三點彎曲試驗在微機控制電子壓力試驗機(CBT1105-D)上完成，試驗機對試件可施加的最大荷載為100 kN，精確度等級為1級(圖5)。

圖 4 劈裂拉伸試驗 圖 5 三點彎曲試驗

在試驗準備階段，清除機器表面浮灰，將試件置于試驗機的指定位置加載，記錄荷載-位移曲線，可觀察到在試驗初期，曲線大致呈線性增長，隨著位移逐漸增加，荷載持續增大但增長速率變慢，且出現往復下降，最終試件破壞。

1.3 試件制備

已有研究表明，在測試斷裂能和抗拉強度的過程中均存在尺寸效應[14]，根據GB/T 50152《混凝土結構試驗方法標準》[15]規定，劈裂拉伸試驗應采用邊長為150 mm的立方體試件，對于非標準試件乘以對應的換算系數。三點彎曲試驗采用的是較小的梁試件，尺寸為30 mm×35 mm×250 mm，最終測得試件的荷載-撓度曲線，計算出斷裂能。

水泥砂漿的立方體試件澆筑按照程序在可拆卸的鋼模中完成即可，在制作砂漿-骨料復合材料試件時，需先將石材置于模具底部，再自上往下澆筑砂漿(圖6)。

圖 6 立方體模具

三點彎曲試驗中采用的較小梁試件在木模中完成澆筑，在澆筑前在模具中部放置一木條以預制裂縫，裂縫深、寬均為10 mm。在進行水泥砂漿試件的制作時，應從木模側邊進行澆筑(圖7)。

圖 7 帶缺口梁模具

粗骨料采用花崗巖和石灰巖兩種不同石材進行對比研究。正式澆筑前，石材需先進行精加工處理，使得石材滿足試驗精度要求，應用砂紙對石材表面打磨3 min(圖8)。

圖 8 石材表面

試驗采用三種砂漿配合比和兩種石材進行對比研究。水泥采用標號32.5的礦渣硅酸鹽水泥，砂采用中砂，配合比見表1，試件制作方案見表2。試驗制作22個帶缺口梁試件用作測試斷裂能，22個立方體試件用作測試抗拉壓強度，剩余10個立方體試件用作測試彈性模量，共計54個。

表1 水泥砂漿配合比 kg/m3

表2 試件設計方案

試驗對三種砂漿配合比、兩種石材及砂漿-石材界面的抗拉壓強度、彈性模量及斷裂能同時進行了測試。

2 試驗結果與分析

試驗主要測試了三種砂漿配合比、兩種石材以及砂漿-石材界面的斷裂能、抗拉壓強度、彈性模量。用測得的力學參數數據分析三批試件各項性能隨水灰比的變化規律，得出水泥砂漿、石材材料性能和水泥砂漿-石材界面性能間的函數關系，進而建立界面參數計算模型。

2.1 水泥砂漿和石材的性能

水泥砂漿和石材的抗壓強度和彈性模量均遵照GB/T 50081《普通混凝土力學性能試驗方法標準》[16]所給出的方法測得。材料的各項力學參數見表3。

表3 水泥砂漿及石材的力學參數

從上表中可看出水灰比對砂漿的力學性能有著重要影響，能夠得出在0.36～0.5范圍內的水灰比與砂漿性能變化的函數關系：

1)當水灰比降低時，水泥砂漿的抗拉強度先增后減。

如圖9所示，在水灰比大于0.44時，抗拉強度隨水灰比的減小而增大；當水灰比小于0.44時，抗拉強度隨水灰比的減小而減小，因此在抗拉強度和水灰比間的關系可用兩段線性函數關系式表達，如

(3)

式中：C/W表示水灰比；ft表示抗拉強度，MPa。

圖 9 水泥砂漿抗拉強度與水灰比關系

2)當水灰比降低時，水泥砂漿的抗壓強度不斷提高。

如圖10所示，抗壓強度與水灰比間的關系可用線性函數關系式表達，如

fc=-69.17C/W+62.46

(4)

式中：C/W表示水灰比；fc表示抗壓強度，MPa。

3)當水灰比減小時，水泥砂漿的彈性模量增大。

如圖11所示，彈性模量和水灰比間的關系可用線性函數關系式表達，如

E=-55.96C/W+42.23

(5)

式中，C/W表示水灰比;E表示彈性模量，GPa。

圖10 水泥砂漿抗壓強度與水灰比關系

圖11 水泥砂漿彈性模量與水灰比關系

2.2 水泥砂漿-石材粘結界面的性能

表4為試驗測得的三種水灰比以及兩種石材條件下的水泥砂漿-石材粘結界面的力學參數，由試驗數據可知，水泥砂漿-石材界面的斷裂能和抗拉強度均小于水泥砂漿和石材單一材料下的斷裂能和抗拉強度，這也解釋了水泥砂漿-骨料粘結界面是混凝土中的薄弱層的原因。同時，也有多位學者給出相似論證，粘結界面的斷裂能大致是水泥砂漿的1/10，抗拉強度大致是水泥砂漿的1/3[5]。

表4 水泥砂漿-石材粘結界面參數

2.3 砂漿-骨料粘結界面參數計算模型

從測得數據可看出，石材的抗拉強度最高，水泥砂漿其次，水泥砂漿-石材界面抗拉強度最低，此外，當石材種類為花崗巖時，試件的抗拉強度要高于石灰巖(圖12)。

從與石材的粘結強度看，砂漿配合比最小的試件M-3中，砂漿與石材的粘結強度最高，配合比居中的M-2試件其次，配合比最大的M-1試件最小，說明水灰比是影響界面粘結強度的重要因素。

如圖13，14所示，以水灰比作為自變量，擬合界面抗拉強度ft與水灰比C/W的線性函數關系式，關系式如下：

ft1=-4.7432C/W+4.8754

(6)

ft2=-1.7905C/W+2.6626

(7)

式中：C/W表示水灰比，ft1表示砂漿-石灰巖粘結界面的抗拉強度，MPa；ft2表示砂漿-花崗巖界面的抗拉強度，MPa。

Ⅰ-水泥砂漿； Ⅱ-水泥砂漿-花崗巖界面；Ⅲ-花崗巖 (a)砂漿、花崗巖及界面斷裂能

Ⅰ-水泥砂漿；Ⅱ-水泥砂漿-石灰巖界面；Ⅲ-石灰巖 (b)砂漿、石灰巖及界面斷裂能 圖12 水泥砂漿、石材和水泥砂漿-石材界面的抗拉強度

圖13 砂漿-石灰巖界面抗拉強度與水灰比關系

圖14 砂漿-花崗巖界面抗拉強度與水灰比關系

將式(3)代入式(6)、(7)可得水泥砂漿與界面兩者抗拉強度之間的關系，如

(8)

(9)

三批試件的斷裂能見圖15。可知，石材的斷裂能最大，水泥砂漿次之，水泥砂漿-石材界面的斷裂能最小。試件M-3的砂漿與石材間的粘結強度最大，M-2次之，M-1最小，由此可知，水泥砂漿的水灰比對其斷裂性能有至關重要的影響。

以水灰比作為自變量，擬合出水泥砂漿-石材界面的斷裂能的線性函數關系式，關系式如下：

G1=-0.0071C/W+0.0061，

(10)

G2=-0.0078C/W+0.0049

(11)

式中：G1表示水泥砂漿-石灰巖粘結界面的斷裂能，N·mm-1；G2表示水泥砂漿-花崗巖粘結界面的斷裂能，N·mm-1。

Ⅰ-水泥砂漿； Ⅱ-水泥砂漿-花崗巖界面；Ⅲ-花崗巖 (a)水泥砂漿、石材

Ⅰ-水泥砂漿；Ⅱ-水泥砂漿-石灰巖界面；Ⅲ-石灰巖 (b)水泥砂漿-石材界面 圖15 水泥砂漿、石材和水泥砂漿-石材界面的斷裂能

由試驗數據可知，水泥砂漿斷裂能G與水灰比C/W同為線性關系，并將其關系式代入(10)和(11)，可得水泥砂漿斷裂能G與水泥砂漿-骨料界面斷裂能G1、G2的關系式：

G1=0.83G+0.0011

(12)

G2=0.09G-0.0006

(13)

式中：G表示水泥砂漿的斷裂能，N·mm-1。

3 結論

通過劈裂拉伸和帶缺口梁的三點彎曲試驗測得的試驗參數建立了水泥砂漿-骨料粘結界面的參數計算模型，對改善界面的力學性能以及研究混凝土的開裂特征具有重要作用。在試驗研究中可得出：

1)水灰比對水泥砂漿-骨料界面的力學性能有重要影響，水泥砂漿-骨料粘結界面的斷裂能和抗拉強度隨著水灰比的增大而逐漸減小；

2)水泥砂漿-骨料界面的粘結強度還與石材種類相關。水泥砂漿-石灰巖的抗拉強度小于水泥砂漿-花崗巖，而石灰巖的彈性模量遠大于花崗巖；

3)通過試驗測得的數據得到了水泥砂漿與水泥砂漿-骨料界面兩者斷裂能的函數關系式，建立了水泥砂漿-骨料粘結界面的參數計算模型，對改善混凝土界面性能有重大意義。