花崗巖-砂漿界面過渡區(qū)斷裂特性試驗

鄒相國， 姬和力， 楊新華， 羅祖赟， 白 凡

(1. 湖北省電力勘察設(shè)計院有限公司，湖北 武漢 430040；2. 華中科技大學(xué) 航空航天學(xué)院，湖北 武漢 430074；3. 武漢科技大學(xué) 理學(xué)院，湖北 武漢 430065)

混凝土是由骨料、砂漿以及兩者之間的界面過渡區(qū)(Interfacial Transition Zone, ITZ)構(gòu)成的多相復(fù)合材料，與砂漿基質(zhì)相比，ITZ通常具有較大的孔隙率[1]，較高的水灰比和滲透性[2]，較低的強度[3]、韌性[4]和彈性模量[5]。ITZ的產(chǎn)生是因為在骨料-砂漿接觸區(qū)域存在“邊界效應(yīng)(wall effect)”，即在混凝土澆筑過程中，細小的水泥顆粒不均勻的堆積在較大且較平坦的骨料表面，進而導(dǎo)致局部孔隙率增大[1]。顯微研究表明[6]：ITZ較高的水灰比會導(dǎo)致鈣礬石和Ca(OH)2晶體垂直于骨料表面生長，形成多孔結(jié)構(gòu)，從而有助于初始微裂紋的萌生和擴展。作為連接砂漿和骨料的薄弱環(huán)節(jié)，ITZ的性能往往對混凝土的宏觀力學(xué)性能有很大影響，且一定程度上決定了混凝土受載時的破壞形態(tài)[7～10]。

一般來說，ITZ的粘結(jié)作用主要有兩種形式[1]。一種是物理粘結(jié)，粘結(jié)力的大小主要與骨料和基質(zhì)的機械互鎖有關(guān)，取決于骨料的礦物特質(zhì)、表面紋理特征[7,11]以及形狀和尺寸[12]；另一種是當骨料對砂漿有化學(xué)活性而產(chǎn)生的兩者之間的化學(xué)鍵連接[11,13]。骨料表面粗糙度是影響ITZ力學(xué)行為的重要參數(shù)。相關(guān)研究表明[7,14,15]：骨料表面越粗糙，骨料和基質(zhì)間的機械互鎖能力越強，ITZ的抗拉、抗剪強度也越大。因此，有必要建立ITZ力學(xué)性能與骨料表面粗糙度之間的定量關(guān)系，表面粗糙度可以采用三維(3D)表面形態(tài)儀[7]和表面粗糙度儀[16]等精確測量。另一方面，在基質(zhì)中摻加偏高嶺土[17]、粉煤灰[18]和稻殼灰[19]等細密的膠結(jié)材料，也可以改善ITZ的性能。此外，硅灰[13,20～23]也是一種改善ITZ性能的高效摻合料，極細的硅灰顆粒能夠充當水泥水化產(chǎn)物結(jié)晶的微填料和成核位點，可以促進Ca(OH)2小晶體的形成，降低晶體優(yōu)選取向的趨勢和ITZ的孔隙率[24]，而且硅灰中存在的大量不定型SiO2會和Ca(OH)2發(fā)生火山灰反應(yīng)，提高ITZ的密實度。

由于界面過渡區(qū)位于混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部，形狀不規(guī)則且厚度較小，直接研究其力學(xué)性能非常困難。作為一種替代方法，近年來人們通過制作一種骨料-砂漿的復(fù)合試件研究了界面粗糙度、礦物摻合料以及聚合物乳液對界面過渡區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)和顯微硬度的影響[11,25,26]。測量混凝土抗拉強度的最直接方法是直接拉伸試驗。然而，直接拉伸試驗在荷載、夾具和試件精確對中，夾具和試件之間可靠傳力，以及試驗過程控制方面，都存在一些困難[3]。作為一種替代，劈裂拉伸試驗在混凝土、巖石等脆性材料的抗拉強度測量中獲得廣泛應(yīng)用[23,27,28]，其方法的合理性也在大量應(yīng)用中得到檢驗。因此，本文通過開展花崗巖-砂漿復(fù)合試件的劈裂試驗，研究了砂漿水灰比、粘結(jié)面粗糙度和界面劑中硅灰含量對ITZ斷裂性能的影響。這對于優(yōu)化混凝土界面力學(xué)性能，提高混凝土結(jié)構(gòu)的抗裂性能等具有重要意義，同時也可以為基于細觀力學(xué)的混凝土設(shè)計計算提供必需的界面性能參數(shù)。

1 試驗概況

1.1 試驗材料

花崗巖-砂漿復(fù)合試件由一半砂漿和一半石頭組成。石頭取材于武漢中閩石材廠生產(chǎn)的天然花崗巖石材。水泥為P.I.42.5型硅酸鹽基準水泥。細骨料為中砂。水為普通自來水。硅灰是由河南鉑潤新材料有限公司生產(chǎn)的微硅粉，其SiO2含量約為98%，產(chǎn)品參數(shù)如表1所示。砂漿配合比和力學(xué)性能如表2所示。界面劑配合比如表3所示。

表1 硅灰成分 %

表2 砂漿配合比和力學(xué)性能

表3 界面劑配合比

1.2 試件制作

復(fù)合試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，其中砂漿和花崗巖的尺寸均為150 mm×150 mm×75 mm，如圖1所示。為了保證試件澆筑時花崗巖表面有足夠的濕度，將花崗巖完全浸泡在水中24 h，澆筑砂漿前0.5 h取出備用，澆筑時保持粘結(jié)面濕潤且無明水。

圖1 砂漿-花崗巖復(fù)合試件/mm

復(fù)合試件的制作可分為兩組：一組是研究水灰比和粘結(jié)面粗糙度對ITZ劈裂抗拉強度的影響，試件制作時，先把表面濕潤的花崗巖水平放置在模具的一側(cè)，然后在另一側(cè)直接澆筑砂漿；另一組是研究界面劑類型對ITZ劈裂抗拉強度的影響，試件制作時，先在潤濕的花崗巖表面涂抹1～3 mm厚的界面劑，把其水平放置在模具一側(cè)，然后在另一側(cè)澆筑砂漿。為保證脫模后試件的完整性，所有復(fù)合試件均采用可拆卸鋼模澆鑄而成。經(jīng)振動臺振搗密實后，室內(nèi)放置24 h后脫模，并且在標準混凝土養(yǎng)護室養(yǎng)護7 d后開展試驗。

為了定量研究粘結(jié)面粗糙度對ITZ劈裂強度的影響，設(shè)計了五種不同處理方式的粘結(jié)面。除了自然切割面外，其他四種都經(jīng)人工刻槽而得，如圖2所示。采用人工刻槽法，可以獲取較大范圍的粗糙度，且有利于控制加工質(zhì)量[29]。在巖石與混凝土粘結(jié)面力學(xué)性能的研究中，人工刻槽法已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用[15,30]。用深度和寬度均為3 mm的凹槽將花崗巖表面等分，通過改變凹槽的數(shù)量來改變粗糙度，根據(jù)每個方向的凹槽數(shù)n將試件進行編號，每種刻槽情況均制作3個試件。

圖2 五種表面處理方式

花崗巖表面粗糙度采用灌砂法測量[31]，灌砂平均深度即粗糙度Ra用式(1)計算。

Ra=V/A

(1)

式中：V為灌砂體積；A為粘結(jié)面面積，A=150 mm×150 mm=22500 mm2。灌砂為粒徑0.25～0.50 mm、密度1376 kg/m3的細沙。灌砂平均深度可以定量地表征粘結(jié)面粗糙度，不同刻槽情況下花崗巖表面粗糙度如表4所示。

表4 花崗巖表面粗糙度

1.3 試驗過程

所有試件均采用TYE-2000A型壓力試驗機進行。試驗時，先將試件放在試驗機下壓板的中心位置，在上下壓板與試件之間墊鋼制弧形墊塊及三合板墊條，墊條寬20 mm，厚3 mm，長度為170 mm，如圖3所示。開動試驗機，先手動控制，當上壓板與上部弧形墊塊接觸時，調(diào)整壓板，使接觸均衡，以0.05～0.08 MPa/s速率持續(xù)加載直至試件破壞[32]，記錄峰值荷載。

圖3 試驗加載裝置

2 試驗結(jié)果分析

劈裂抗拉強度fst可采用普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標準GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標準》[32]中相關(guān)公式計算。

fst=2P/(πA)=0.637P/A

(2)

式中：P為試件斷裂峰值荷載。

2.1 水灰比影響

在混凝土中，由于微滲流效應(yīng)，振搗時砂漿內(nèi)部的游離水會移動到骨料表面，形成許多水囊和毛細孔，從而增加了局部的孔隙率，減小了二者有效接觸面面積并降低其粘結(jié)強度[33]。因此砂漿水灰比對ITZ斷裂特性有重要的影響。

為了評估砂漿水灰比的影響，本試驗在保證花崗巖表面為自然切割面的同時，設(shè)計了砂漿水灰比為0.33，0.39，0.44，0.50的試件。試驗結(jié)果如表5所示。

表5 不同水灰比復(fù)合試件和砂漿試件的試驗結(jié)果

砂漿試件和復(fù)合試件的平均劈裂抗拉強度隨水灰比的變化如圖4所示。可以看出，隨著砂漿水灰比的增大，砂漿試件和復(fù)合試件的劈裂抗拉強度均呈下降趨勢。當水灰比從0.33增加到0.50時，砂漿試件和復(fù)合試件的劈裂抗拉強度分別降低23.3%和55.7%。這主要是因為較高的水灰比會增加砂漿和ITZ的局部孔隙率[34]。此外，較高的水灰比也會增加ITZ的厚度[33]，從而使復(fù)合試件比純砂漿試件對水灰比的變化更加敏感。

圖4 復(fù)合試件和砂漿試件劈裂抗拉強度隨水灰比變化曲線

通過線性回歸分析，建立了兩種試件劈裂抗拉強度與水灰比之間的關(guān)系。在下面的所有公式中，若無特殊說明，劈裂抗拉強度單位為MPa，對于復(fù)合試件：

fst=-9.347w/c+5.892

(3)

式中：w/c為水灰比，相關(guān)系數(shù)為0.992。對于砂漿試件有：

fst=-5.433w/c+5.735

(4)

其相關(guān)系數(shù)為0.982。

此外，從圖4還可以看出，在水灰比相同的情況下，復(fù)合試件的劈裂抗拉強度均遠低于砂漿試件。在工程中，為了衡量ITZ相比砂漿力學(xué)性能的削弱程度，引入復(fù)合試件與同水灰比砂漿試件的劈裂抗拉強度比α，其隨水灰比的變化如圖5所示。

圖5 劈裂抗拉強度比隨水灰比的變化曲線

可以看出，隨著水灰比的增大，劈裂抗拉強度比減小。通過線性回歸分析，建立兩者之間的關(guān)系如下：

α=-1.806w/c+1.317

(5)

其相關(guān)系數(shù)為0.951，表明兩者之間存在較好的線性相關(guān)關(guān)系。

圖6所示為不同水灰比復(fù)合試件的斷裂截面。在下文復(fù)合試件的斷裂形貌圖中，如無特別說明，左側(cè)均為花崗巖，右側(cè)均為砂漿。可以看出，水灰比為0.50的試件基本沿界面斷裂，斷面較為平坦。但是，水灰比為0.33情況下，試件斷裂后花崗巖表面粘結(jié)了較多的砂漿。而且隨著水灰比從0.33增加到0.50，花崗巖表面的砂漿粘結(jié)越來越少。這可能是因為水灰比越高，界面過渡區(qū)的力學(xué)性能越弱，越容易在界面處發(fā)生斷裂。

圖6 不同水灰比情況下復(fù)合試件的斷裂形貌

2.2 花崗巖表面粗糙度影響

一般情況下，在混凝土中，骨料表面越粗糙，漿體與骨料接觸面積越大，兩者之間的機械咬合作用也越大[7]。此外，增加骨料的表面粗糙度也可以顯著降低ITZ的孔隙率和顯微硬度[2,35]。因此，隨著骨料表面粗糙度的增加，粘結(jié)強度通常會增加。

為了研究花崗巖表面粗糙度對界面斷裂性能的影響，將砂漿水灰比固定為0.50。對不同表面處理的復(fù)合試件進行了劈裂試驗。試驗結(jié)果如表6所示。

表6 不同粗糙度復(fù)合試件的試驗結(jié)果

圖7展示了復(fù)合試件的劈裂抗拉強度隨粘結(jié)面粗糙度的變化情況。顯然，花崗巖表面越粗糙，復(fù)合試件的劈裂抗拉強度越大。這說明提高骨料的表面粗糙度可以提高基體與骨料之間的粘結(jié)強度[7]。榮華等[14,15]開展了不同粗糙度下花崗巖-混凝土的直接拉伸試驗，其抗拉強度隨粗糙度的變化曲線與本文結(jié)果較為一致。

圖7 復(fù)合試件劈裂抗拉強度隨界面粗糙度的變化曲線

一般而言，表面較為粗糙的骨料與砂漿形成較強的物理相互作用和機械互鎖[36]。本文的試驗結(jié)果表明：與自然切割面相比，當界面粗糙度從0.659 mm增加到1.615 mm時，復(fù)合試件的劈裂抗拉強度提高率由31.1%增加到91.9%。

通過線性回歸分析，得到復(fù)合試件劈裂抗拉強度與粘結(jié)面粗糙度之間的關(guān)系為：

fst=0.849Ra+1.234

(6)

其相關(guān)關(guān)系為0.805，表明兩者之間存在較好的相關(guān)性。

劈裂抗拉強度比α隨粘結(jié)面粗糙度的變化如圖8所示。它們之間的關(guān)系也可以通過線性擬合得到。

圖8 劈裂抗拉強度比隨界面粗糙度的變化曲線

α=0.278Ra+0.404

(7)

圖9所示為砂漿水灰比為0.50時不同界面粗糙度的復(fù)合試件斷裂截面。可以看出，雖然粘結(jié)面粗糙度不同，但5種試樣均沿界面斷裂。對于有凹槽的試件，砂漿部分從凹槽中拉出。而對于自然切割面的試件，花崗巖表面幾乎沒有砂漿粘結(jié)。這是因為在復(fù)合試件中，骨料主要通過機械咬合作用與砂漿粘結(jié)。在澆筑階段，砂漿在骨料粗糙表面振動夯實，滲透到相鄰骨料之間的空隙中，硬化后，它們會緊緊相擁，形成聯(lián)鎖效果。

圖9 不同界面粗糙度下的裂縫斷面形貌

2.3 界面劑中硅灰摻量的影響

由于火山灰效應(yīng)[13]，當用硅灰替代部分水泥時，硅灰中大量無定形的SiO2與水泥水化時析出游離的Ca(OH)2水化物，減小了Ca(OH)2晶體的取向，生成低孔隙率高強度的低堿C-S-H凝膠水化物[24]，從而增加ITZ的硬度并減小其厚度。此外，細小的硅灰顆粒會填充基體與集料之間的間隙，使得ITZ變得更致密，微裂紋減少，基體與集料之間的連接增強。但當硅灰摻量增加到一定范圍后，參與水化的水泥含量不斷減少，水化反應(yīng)中堿的含量不足，從而影響硅灰與Ca(OH)2的第一次水化反應(yīng)，進而影響Ca(OH)2的第二次水化，這便導(dǎo)致了ITZ的力學(xué)性能下降[37]。

為了定量研究界面劑中硅灰含量對界面斷裂特性的影響，將水膠比保持在0.45，分別用硅灰替代界面劑中0，3%，6%，9%，12%質(zhì)量比的水泥。試驗結(jié)果如表7所示。

表7 涂抹不同界面劑復(fù)合試件的試驗結(jié)果

圖10顯示了界面劑中硅灰含量對復(fù)合試件劈裂抗拉強度的影響。

圖10 復(fù)合試件劈裂抗拉強度隨硅灰含量的變化

可以看出，包裹一定量的水泥凈漿或摻加硅灰界面劑均可提高劈裂抗拉強度。當界面劑中硅灰含量由0增加到3%，6%，9%，12%時，相比于無界面劑狀況，劈裂抗拉強度分別提高了35.1%，53.8%，34.0%，28.7%，16.1%。然而，卻仍只有砂漿劈裂抗拉強度的54.1%，61.6%，53.7%，51.5%，46.5%。可以看出界面劑中硅灰含量對劈裂抗拉強度的影響較為復(fù)雜，它以3%為分界點大致分為兩個部分。界面劑中硅灰含量小于3%時，隨著硅灰摻量的增加，劈裂抗拉強度以減小的速率單調(diào)增加。但當硅灰含量為3%～12%時，隨著硅灰摻量的增加，劈裂抗拉強度以遞增的速度單調(diào)減小。因此，硅灰摻量在3%左右時，劈裂抗拉強度最大。這與花崗巖-砂漿復(fù)合梁試件在三點彎曲作用下峰值荷載和斷裂能的最佳硅灰摻量(6%左右)不同[20]。王洪[21]的研究結(jié)果表明，在混凝土中摻人適量的硅灰，對提高混凝土的劈裂抗拉強度有非常明顯的效果，最佳摻量范圍為3%～6%。本文和文獻[20]得到的最佳硅灰摻量都處于該范圍以內(nèi)。考慮到試驗誤差，3%和6%的最佳硅灰摻量應(yīng)該都是合理的。

可以采用二次拋物線函數(shù)擬合硅灰摻量與劈裂抗拉強度的關(guān)系。

fst=-0.005f2+0.031f+1.706

(8)

式中：f為硅灰摻量。其相關(guān)系數(shù)為0.761。

圖11為界面劑中硅灰摻量對劈裂抗拉強度比的影響。與劈裂抗拉強度相似，比值系數(shù)α與硅灰含量的關(guān)系也符合如下二次拋物線曲線。

圖11 劈裂抗拉強度比隨硅灰含量的變化

α=-0.0015f2+0.01f+0.558

(9)

圖12展示了未涂抹界面劑和涂抹摻加不同硅灰界面劑復(fù)合試件的斷裂截面。可以看到，破壞后的截面形貌有較大差異。對于沒有界面劑的試件，斷裂后花崗巖表面幾乎沒有粘結(jié)砂漿。而涂抹界面劑的試件斷裂后花崗巖表面砂漿粘結(jié)量隨硅灰摻量的增加先增加后減少。當硅灰摻量約為3%時，表面粘結(jié)砂漿量最大，在這種情況下，對應(yīng)的粘結(jié)強度也達到峰值。

圖12 不同界面劑的斷裂截面形貌

3 結(jié) 論

本文對花崗巖-砂漿復(fù)合試件進行了劈裂試驗，研究了砂漿水灰比、粘結(jié)面粗糙度和界面劑中硅灰含量對ITZ斷裂性能的影響。主要得出以下結(jié)論：

(1)在水灰比相同的情況下，復(fù)合試件的劈裂抗拉強度明顯低于砂漿基質(zhì)試件，且與砂漿水灰比呈負線性相關(guān)關(guān)系。當砂漿水灰比由0.33提高到0.50時，復(fù)合試件與砂漿試件的劈裂抗拉強度比由0.694降低到0.401；

(2)由于砂漿與花崗巖之間的機械互鎖作用，增加花崗巖表面粗糙度可以提高復(fù)合試件的劈裂抗拉強度。當粘結(jié)面粗糙度由0.659 mm增加至1.615 mm時，與自然切割面相比，劈裂抗拉強度提高率由31.3%提高到91.9%，且與界面粗糙度呈近似線性關(guān)系。

(3)由于火山灰效應(yīng)和微集料效應(yīng)，界面劑中加入硅灰可以提高復(fù)合試件的劈裂抗拉強度，然而過多的硅灰摻量會適得其反，劈裂抗拉強度與硅灰含量的關(guān)系可以用二次拋物線擬合，當硅灰含量為3%左右時，花崗巖與砂漿的粘結(jié)性能達到最佳。