凍融循環條件下再生混凝土新舊界面抗剪性能試驗研究

李政民

(山東省陽谷縣水利局，山東 陽谷 252300)

混凝土是水利工程建設中使用最廣泛、用量最大的人工材料，其質量對水利工程的安全性和耐久性存在直接影響。普通水工混凝土是由水泥、骨料、水以及摻和劑和添加劑拌合而成，在生產過程中需要大量的砂石材料。為了保證混凝土材料的供應和水利工程建設的順利進行，人們開山取石頭、挖河床取砂，對自然生態環境造成了明顯的破壞[1]。如此下去，不僅會造成骨料資源的枯竭，同時環境問題也將愈加嚴峻。另一方面，隨著大量建筑達到設計壽命，其拆除重建也產生大量的建筑垃圾，其資源化利用也逐漸提上議事日程。在這一背景下，再生骨料混凝土已經成為工程界關注的重點，并顯示出廣闊的發展前景[2]。

水利工程建設領域，不僅包括新建水利工程，也包括原有工程的加固維修。在水利工程除險加固工程施工過程中，往往會涉及到新老混凝土的粘結問題[3]。目前，關于再生骨料混凝土的研究，主要集中于其力學性能和耐久性研究，對新老混凝土界面粘結性能的研究，特別是寒區凍融循環條件下的界面粘結性能的研究不多[4]。基于此，此次研究通過室內試驗的方式，探討原混凝土強度、再生骨料取代率以及界面劑對凍融環境下新舊界面抗剪性能的影響，以便為再生骨料混凝土在水利工程除險加固工程中的應用提供必要的支持和借鑒。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

水泥是水工混凝土的主要膠凝材料，此次研究選用的是水工混凝土制備領域最常用的普通硅酸鹽水泥，其主要參數見表1。在水工混凝土中添加適量的粉煤灰可以有效改善其物理和力學性能，是目前水工混凝土配置中廣泛應用的材料。此次研究中選擇的是電廠一級粉煤灰。

表1 水泥樣品參數

試驗用骨料包括粗骨料和細骨料。試驗用細骨料為天然河沙，其細度模數為2.38，為中砂，其含泥量小于2.5%。試驗用粗骨料為人工碎石和再生骨料。其中，人工碎石的巖性為石灰巖，質地堅硬，壓碎率低，其粒徑范圍為5～20mm，級配良好。再生骨料為某水利工程除險加固過程中拆除重建的溢洪道底板混凝土塊經過破碎和篩分獲得，其初始強度等級為C30，其粒徑范圍亦為5～20mm。經測定，其吸水率為3.5%，壓碎率為5.5%。

試驗中使用的減水劑為聚羥酸高效減水劑，按照說明書，其摻加量為1.5%；試驗用水為普通自來水。

1.2 試驗方案

由于此次研究主要針對除險加固工程中新舊混凝土界面抗剪性能，試驗中的舊混凝土不適合現場澆筑[5]。因此，研究中選擇某水利工程除險加固施工現場的溢洪道底板和邊墻拆除的混凝土塊，利用切割機切割為100mm×100mm×100mm的立方體標準試件[6]。舊混凝土試件的初始設計強度等級為C30、C35和C40。為了研究再生骨料混凝土的強度和再生骨料取代率對界面抗剪性能的影響，研究中設計了C25、C30、C35、C40和C45等5種不同的再生骨料混凝土強度等級；設計了0%、20%、40%、60%、80%、100%等6種不同的再生骨料取代率進行試驗研究。為了研究界面劑對界面剪切性能的影響，研究中設計涂刷和不涂刷界面劑兩種工況進行對比實驗。為了減少試驗量，研究中固定其與參數，展開混凝土強度等級、再生骨料取代率以及界面劑對界面剪切性能影響的研究。

1.3 試件制作

試驗中首先對舊混凝土進行鑿毛處理，并用灌沙法測量界面的粗糙度，保證其粗糙度的基本一致[7]。結合工程應用的實際情況，試驗中對新舊混凝土接觸面進行植筋處理，植筋使用界面劑，植入直徑12mm，長120mm的HRB400鋼筋。在植筋完畢之后，進行再生混凝土的澆筑，最終獲得200mm×100mm×100mm的試件[8]。將制作完畢的試件在陰涼通風處靜置24h拆模編號，然后放入標準養護室養護至28d齡期。

1.4 試驗方法

試驗中采用的設備是Model E64型MTS萬能試驗機和快速凍融箱。在試驗開始前首先將試件放入20℃的清水中浸泡4h，待試件飽和之后擦拭干凈表面多余水分然后放入凍融箱，分別進行0、10、20、30、40和50次凍融循環。在試驗次數達到設定值后取出試件，然后利用MTS萬能試驗機進行剪切試驗，對其破壞荷載進行測量，并做好試驗數據的記錄和分析。

2 試驗結果與分析

2.1 混凝土強度

試驗中對不涂刷界面劑，再生骨料取代率為40%情況下不同再生混凝土等級試件的抗剪強度進行試驗，結果見表2。由試驗結果可以看出，隨著凍融循環次數的增加，不同混凝土等級組合方案的接觸面極限承載力呈現出先小幅下降后迅速下降的變化特點，說明凍融破壞會顯著降低接觸面的抗剪強度，且凍融循環次數越多影響越大。另一方面，在新混凝土等級相同時，舊混凝土等級越高，接觸面的極限承載力值越大，說明較高的舊混凝土強度有利于提高接觸面的抗剪強度值。在舊混凝土等級不變的情況下，不同凍融循環次數的接觸面極限承載力隨著新混凝土等級的增加呈現出先增加后減小的變化特點，當新混凝土等級比舊混凝土等級高一級時的極限承載力值達到最大。由此可見，在水利工程施工中，采用比舊混凝土等級高一級的再生骨料混凝土進行施工，可以獲得最佳工程效果。

表2 不同再生混凝土強度試件極限承載力試驗結果

2.2 再生骨料取代率

研究中對新混凝土等級比舊混凝土等級高一級，不涂刷界面劑條件下不同再生骨料取代率試件的界面抗剪強度進行試驗，結果見表3。由表3中的結果可以看出，再生骨料的取代率會對不同凍融循環次數下新舊混凝土接觸面的極限承載力產生顯著影響。具體來看，隨著再生骨料取代率的增加，接觸面的極限承載力呈現出不斷減小的變化特征。究其原因，主要是較低的再生骨料取代率下，混凝土的強度相對較高，新舊混凝土之間的粘結力較強。另一方面，當再生骨料取代率小于60%時，隨著再生骨料的取代率的增加，接觸面極限承載力下降幅度較小，當再生骨料取代率大于60%時，接觸面極限承載力的下降幅度較大。由此可見，再生骨料取代率為60%時不僅可以充分發揮再生骨料混凝土經濟和生態價值，同時也可以有效控制接觸面的抗剪強度。

表3 不同再生骨料取代率試件極限承載力試驗結果

2.3 界面劑

為了對比分析界面劑對新舊混凝土界面剪切強度的影響，試驗中保持新混凝土等級比舊混凝土等級高一級，再生骨料取代率為60%不變，對涂刷和不涂刷界面試件進行抗剪強度試驗，試驗結果見表4。由表中的計算結果可以看出，涂刷界面劑可以顯著提升凍融循環條件下再生混凝土新舊界面抗剪性能，同時，基礎混凝土的強度越高，凍融循環次數越多，其提升作用越顯著。基于此，建議在寒區水利工程除險加固施工過程中使用混凝土界面劑，以有效提升凍融循環作用下的新老混凝土界面的抗剪強度，提高工程質量和凍融循環作用下的耐久性。

表4 有無界面劑試件極限承載力試驗結果

3 結論

此次研究通過室內試驗的方式，探討了凍融循環下再生骨料混凝土新舊界面抗剪性能的影響因素和變化規律，并獲得如下主要結論：

(1)當新混凝土等級比舊混凝土等級高一級時的界面的極限承載力值最大，因此建議水利工程施工中，采用比舊混凝土等級高一級的再生骨料混凝土進行施工。

(2)隨著再生骨料取代率的增加，接觸面的極限承載力呈現出不斷減小的變化特征。綜合試驗結果和工程的生態和經濟價值，建議采用60%的再生骨料取代率。

(3)涂刷界面劑可以顯著提升凍融循環條件下再生混凝土新舊界面抗剪性能，建議在寒區水利工程除險加固施工過程中使用混凝土界面劑。