粗糙度對丙乳凈漿-混凝土粘結(jié)特性影響研究

崔 德 浩,唐 建 輝,張 偉,陳 炫 地,白 銀

(1.深圳市東江水源工程管理處,廣東 深圳 518036; 2.南京水利科學(xué)研究院 材料結(jié)構(gòu)研究所,江蘇 南京 210029)

0 引 言

隨著中國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的發(fā)展,已建的混凝土類結(jié)構(gòu)在長期服役之后,其表面出現(xiàn)不同程度的剝落、磨損等病害問題[1-2],嚴(yán)重的甚至對整體結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生影響,必須對原有混凝土進(jìn)行必要的修復(fù)加固。聚合物水泥類材料以其優(yōu)異的粘結(jié)性能、良好的力學(xué)性能而被廣泛應(yīng)用于該領(lǐng)域,成為混凝土表面病害治理工程中常用的修復(fù)材料之一[3-4]。

修復(fù)材料與混凝土基底之間的粘結(jié)強(qiáng)度是評價(jià)修復(fù)效果的一個(gè)重要指標(biāo),而基體的表面狀態(tài)對粘結(jié)強(qiáng)度有很大的影響,包括基體潮濕程度、潔凈度、粗糙度等。相關(guān)研究表明,混凝土基體處于潮濕狀態(tài)下會降低粘結(jié)強(qiáng)度,如張駿等[5]研究發(fā)現(xiàn)潮濕環(huán)境下丙乳改性和環(huán)氧改性水泥基材料與混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度均較干燥環(huán)境要低。若基體表面存在灰塵或其他雜質(zhì),粘結(jié)強(qiáng)度通常會顯著降低[6]。但截至目前學(xué)術(shù)界關(guān)于粗糙度對修復(fù)材料與混凝土間的粘結(jié)性能影響作用并沒有統(tǒng)一的結(jié)論,主要原因在于基面的處理方式(噴砂、切槽、鑿毛、鉆孔等)和試驗(yàn)方法(剪切、拉伸、劈拉等)多種多樣[7]。Sadowski等[8]證實(shí)了不同的混凝土基面處理方式對拉拔強(qiáng)度有顯著影響,發(fā)現(xiàn)采用噴砂處理時(shí)可獲得最高附著力;Tayeh等[9]研究發(fā)現(xiàn)切槽可以顯著提高界面的抗剪能力,這主要是因?yàn)樵黾恿私缑骈g的機(jī)械咬合力;孟繁強(qiáng)等[10]也獲得了相同的結(jié)論;Lpez等[11]采用直接拉伸方法進(jìn)行試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)界面粗糙度對獲得的粘結(jié)強(qiáng)度影響很小或沒有影響。有學(xué)者認(rèn)為鑿毛處理的混凝土基面會產(chǎn)生微裂紋,進(jìn)而影響粘結(jié)強(qiáng)度[12];相反,有人認(rèn)為經(jīng)過鑿毛處理以后,混凝土表面產(chǎn)生的氣孔和微裂縫可使修復(fù)材料的漿體更容易地滲入既有混凝土中,繼而增加兩者之間的機(jī)械咬合力[13]。綜上可見,不同處理方式獲得的基體粗糙度對粘結(jié)強(qiáng)度的影響機(jī)理并不統(tǒng)一,這需要從微觀角度做進(jìn)一步研究。

為此,本文以丙烯酸脂共聚乳液改性水泥基材料(丙乳凈漿)作為混凝土修復(fù)材料,采用切割和鑿毛的方式制備4種粗糙度的混凝土基體,通過直接拉拔試驗(yàn)獲得丙乳凈漿-混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度和破壞模式,并應(yīng)用偏光顯微鏡和顯微硬度計(jì)研究界面微觀形貌和微觀力學(xué)性能,進(jìn)而揭示不同處理方式獲得的基體粗糙度對粘結(jié)強(qiáng)度影響機(jī)理。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

試驗(yàn)所用試樣由混凝土基體和丙乳凈漿組成。混凝土的配合比如表1所列,水灰比為0.4,砂率為45%。其中采用的水泥為普通硅酸鹽P·O 42.5海螺水泥,化學(xué)成分如表2所列;細(xì)骨料為河砂,細(xì)度模數(shù)2.3,表觀密度為2 628 kg/m3;粗骨料為5～20 mm連續(xù)級配的碎石,表觀密度為2 860 kg/m3;減水劑為粉體聚羧酸減水劑,摻入比例為0.15%。混凝土設(shè)計(jì)等級C35,塌落度在150～160 mm之間,含氣量為3.7%,表觀密度為2 370 kg/m3。混凝土28 d抗壓強(qiáng)度為45.6 MPa。

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

表2 水泥的化學(xué)成分Tab.2 Chemical composition of cement %

丙乳凈漿由聚合物-丙烯酸酯共聚乳液(丙乳)和P·O 42.5海螺水泥組成,丙乳與水泥的質(zhì)量比為1∶2.5,其中采用的丙乳固體含量為40%±1%,pH值在2.0～4.0之間。丙乳凈漿在28 d時(shí)的抗壓強(qiáng)度為7.4 MPa,抗拉強(qiáng)度為4.5 MPa。

1.2 混凝土表面處理及表征

試驗(yàn)設(shè)計(jì)4種粗糙度的混凝土基面,如圖1所示。基面Ⅰ采用機(jī)械切割的方式,切割后的混凝土基面平整;基面Ⅱ采用氣動鑿毛機(jī)錘擊I的表面形成,表面呈凹凸的特征,所用氣動鑿毛機(jī)產(chǎn)品型號為QH-6、工作壓力為6 kg/m2、沖擊次數(shù)為2 100次/min,耗氣量為0.2 m3/min;基面Ⅲ是在I表面切割條狀溝槽,溝槽深2～3 mm,間距10 mm;基面Ⅳ是在Ⅲ的基礎(chǔ)上再次切割豎向條紋溝槽,形成“網(wǎng)格”型切割面。

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

基體表面處理后,采用三維掃描儀對表面形貌進(jìn)行掃描,掃描精度高達(dá)0.05 mm。通過三維表面形貌分析軟件Mountainsmap,并依據(jù)ISO-25178標(biāo)準(zhǔn)[14],計(jì)算獲得了兩個(gè)表征基面粗糙度的參數(shù):算術(shù)平均高度Sa和界面擴(kuò)展面積比Sdr。Sa表示相對于基準(zhǔn)面,各點(diǎn)高度差絕對值的平均值;Sdr表示定義區(qū)域的擴(kuò)展面積(表面積)相對于定義區(qū)域的面積增大了多少,完全平坦表面的Sdr為0;若表面存在傾斜,Sdr將變大。基面Ⅰ～Ⅳ的Sa和Sdr如表3所列,兩個(gè)參數(shù)均呈現(xiàn)增大的特征。

表3 混凝土基面粗糙度參數(shù)Tab.3 Roughness parameters of concrete base surface

1.3 直接拉拔試驗(yàn)

在如圖1混凝土基面四周粘貼海綿膠帶,預(yù)留1.5 mm高度用于澆筑制備好的丙乳凈漿,并在整個(gè)表面涂抹均勻,如圖2(a)所示。將制作好的試樣放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室分別養(yǎng)護(hù)3,7,14,28 d。之后取出試樣在表面鉆孔并粘貼直徑50 mm的拉拔頭,如圖2(b)所示。然后采用圖2(c)的直接拉拔儀測試丙乳凈漿與混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度,加載速率為5 mm/min。拉拔試驗(yàn)一組6塊,去除表面未被粘住面積超過20%的試件,粘結(jié)強(qiáng)度以剩下的不少于3個(gè)試件的算術(shù)平均值表示。

圖2 試樣制備及粘結(jié)強(qiáng)度測試Fig.2 Sample preparation and bonding strength test

1.4 界面微觀粘結(jié)形貌及力學(xué)特征

首先選取養(yǎng)護(hù)28 d后的試樣,通過切割、打磨、拋光等工序,制備丙乳凈漿-混凝土微觀分析薄片,然后將薄片置于偏光顯微鏡下,拍攝丙乳凈漿與基體砂漿的界面粘結(jié)形貌特征。之后將薄片置于HVS-1000數(shù)顯顯微硬度計(jì)下,沿丙乳凈漿-混凝土方向,測試顯微硬度,測試點(diǎn)間距100 μm,分析粘結(jié)界面區(qū)的微觀力學(xué)演變特征。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 粘結(jié)強(qiáng)度及破壞模式

圖3為丙乳凈漿與不同粗糙度混凝土基體的粘結(jié)強(qiáng)度隨齡期的發(fā)展特征,整體上看,4種粗糙度基面下的粘結(jié)強(qiáng)度隨齡期的增加而增加,這主要是水泥水化程度增加使得粘結(jié)界面化學(xué)鍵及丙乳凈漿強(qiáng)度提高所致。觀察不同粗糙度基面可知,基面Ⅱ下的粘結(jié)強(qiáng)度相比其余界面是最低的,其28 d粘結(jié)強(qiáng)度為2.73 MPa,而其余界面均超過了3.0 MPa。通過圖4(b)的粘結(jié)破壞模式發(fā)現(xiàn),基面Ⅱ表現(xiàn)為混凝土基體內(nèi)聚破壞或基體與丙乳凈漿的復(fù)合破壞模式,但該基體的破壞僅發(fā)生在表層鑿毛處理的深度內(nèi),破壞斷面形態(tài)規(guī)則,這與圖4(a)的28 d混凝土基體不規(guī)則的破壞面不同。這說明氣動鑿毛處理方式雖然增加了基面的粗糙度,但對基體表面產(chǎn)生了損傷,導(dǎo)致了粘結(jié)強(qiáng)度的下降,這在后續(xù)的界面形貌分析中也可以得到證實(shí)。

圖3 不同粗糙度基面下丙乳凈漿-混凝土粘結(jié)強(qiáng)度隨齡期的發(fā)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以內(nèi)粘結(jié)強(qiáng)度低于基面Ⅲ和Ⅳ的,但28 d粘結(jié)強(qiáng)度是4種工況下最高的,達(dá)到3.60 MPa。相應(yīng)的觀察圖4(a)的粘結(jié)破壞形態(tài)發(fā)現(xiàn),14 d以內(nèi)均為丙乳凈漿的內(nèi)聚破壞,而在28 d時(shí)為混凝土基體的失效破壞,破壞面骨料和砂漿呈不規(guī)則分布。這種破壞模式的演變原因在于早期丙乳凈漿水化程度低,抗拉強(qiáng)度發(fā)展不充分,低于混凝土基體抗拉強(qiáng)度,以丙乳凈漿的內(nèi)聚破壞為主。水化至后期,丙乳凈漿抗拉強(qiáng)度和界面處粘結(jié)力超過了混凝土基體抗拉強(qiáng)度,破壞模式轉(zhuǎn)變混凝土內(nèi)聚破壞。對于基面Ⅲ和Ⅳ,兩者在各齡期的粘結(jié)強(qiáng)度十分接近。相比基面Ⅰ而言,基面Ⅲ和Ⅳ的粘結(jié)強(qiáng)度更高。事實(shí)上,粘結(jié)強(qiáng)度的形成主要由化學(xué)鍵、機(jī)械咬合力和范德華力組成[15]。基面I的表面平滑,粘結(jié)強(qiáng)度主要由丙乳凈漿與基體的化學(xué)鍵提供;而基面Ⅲ和Ⅳ的Sdr更大,丙乳凈漿與混凝土表面溝槽可以形成很強(qiáng)的機(jī)械咬合力,因此,在宏觀上也具有更高的粘結(jié)強(qiáng)度。

針對切割形成的基面Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ,繪制了如圖5所示的基面粗糙度參數(shù)Sa和Sdr分別與粘結(jié)強(qiáng)度的關(guān)系,可以看到這兩個(gè)參數(shù)與粘結(jié)強(qiáng)度的變化趨勢一致。以圖5(b)為例,在早期(14 d以內(nèi)),粘結(jié)強(qiáng)度隨基面Sdr的增加呈現(xiàn)先升高后平穩(wěn)的特征,這表明基面粗糙度的增加(基面Ⅲ)對粘結(jié)強(qiáng)度的提升有利,但過高的粗糙度(基面Ⅳ)對粘結(jié)強(qiáng)度的提升并無作用。在28 d時(shí),Sdr為0.91%(基面Ⅰ)的粘結(jié)強(qiáng)度大于高Sdr基面的粘結(jié)強(qiáng)度。但從圖4(c)和(d)破壞模式上看,界面Ⅲ和Ⅳ均表現(xiàn)為界面處丙乳凈漿的內(nèi)聚破壞,這些特征說明基面切槽的方式會在后期略微降低粘結(jié)強(qiáng)度。

圖5 切割形成的基面粗糙度參數(shù)與粘結(jié)強(qiáng)度的關(guān)系Fig.5 Relationship between roughness parameters of base surface formed by incising and bonding strength

2.2 微觀粘結(jié)形貌

圖6為丙乳凈漿與4種粗糙度混凝土基體砂漿的界面粘結(jié)形貌,放大倍數(shù)為50倍和200倍。在基面Ⅰ下,可以看到丙乳凈漿與混凝土基體砂漿膠結(jié)密實(shí),無裂隙存在。在基面Ⅱ中,可以看到50倍的視野里兩者的界面膠結(jié)狀態(tài)良好,但在界面下方的基體砂漿內(nèi)部存在一條明顯的裂隙。放大200倍的視野里,這條裂隙的形貌更加清晰,基體砂漿層由這條裂隙一分為二。這個(gè)微觀特征也證實(shí)了圖3中基面Ⅱ下的粘結(jié)強(qiáng)度最低的原因,即丙乳凈漿僅與混凝土基體表層存在有效粘結(jié),因此其粘結(jié)破壞模式均表現(xiàn)出混凝土表層的脫粘。觀察基面Ⅲ和Ⅳ,丙乳凈漿與混凝土基體砂漿和粗骨料均呈現(xiàn)良好的膠結(jié)效果,因此在宏觀上表現(xiàn)出較優(yōu)異的粘結(jié)強(qiáng)度。

圖6 丙乳凈漿與4種粗糙度混凝土基體砂漿的界面粘結(jié)形貌Fig.6 Interface bonding morphology between acrylic emulsion paste and concrete matrix mortar of four roughnesses

2.3 微觀力學(xué)特征

顯微硬度是反映微觀力學(xué)性能的重要指標(biāo)之一,可以間接表征材料對局部塑性變形的抵抗能力,通過顯微硬度值的變化可獲得丙乳凈漿與混凝土的微觀界面過渡區(qū)特征[16]。根據(jù)顯微硬度測試結(jié)果,分別得到不同粗糙度下丙乳凈漿與混凝土基體砂漿、丙乳凈漿與混凝土基體粗骨料的顯微硬度變化曲線如圖7所示。在圖7(a)中可以看到,0～800 μm范圍內(nèi)為丙乳凈漿,硬度基本在70～80 MPa之間,趨勢平緩;0～-1 000 μm范圍內(nèi)為基體砂漿,其硬度呈現(xiàn)先增大后平穩(wěn)的特征,但不同粗糙度基體下的變化特征有所不同。基面Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ在0～-300 μm內(nèi)的硬度是上升的,在-300～-1 000 μm內(nèi)的硬度基本保持平穩(wěn)。硬度上升的區(qū)域?yàn)槲⒂^界面區(qū),是丙乳凈漿與混凝土基體膠結(jié)力形成的主要區(qū)域;而后面的平穩(wěn)段為基體砂漿的硬度,平均在450 MPa左右,明顯的高于丙乳凈漿。反觀基面Ⅱ的顯微硬度,在0～-700 μm內(nèi)的硬度有較大的波動,并且數(shù)值明顯低于其余3個(gè)界面。事實(shí)上,這個(gè)范圍是鑿毛產(chǎn)生的基體損傷區(qū)域,其在微觀力學(xué)性能上的下降直接影響到宏觀粘結(jié)強(qiáng)度。同理,觀察圖7(b)丙乳凈漿與基體粗骨料的界面區(qū)顯微硬度特征發(fā)現(xiàn),4種工況下的丙乳凈漿的硬度十分平穩(wěn)。基面Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ在0～-200 μm內(nèi)的硬度是上升的,之后的硬度基本保持平穩(wěn)。也就是說在這些界面下丙乳凈漿與粗骨料的界面厚約200 μm,低于圖7(a)的砂漿界面區(qū)。此外,基體粗骨料的硬度約600 MPa,高于基體砂漿。觀察基面Ⅱ,與粗骨料的界面區(qū)厚度約600 μm,并且界面區(qū)硬度有較大的波動。這與該界面下基體砂漿界面區(qū)變化特征一致,這是采用氣錘鑿毛引起的基體粗骨料破碎導(dǎo)致的。

圖7 丙乳凈漿與基體界面區(qū)顯微硬度Fig.7 Micro-hardness of interface area between acrylic emulsion paste and matrix

總的來看,采用丙乳凈漿進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)表面修補(bǔ)時(shí),不建議采用氣錘鑿毛或者類似的機(jī)械方式對基體表面進(jìn)行處理。雖然該方法可以增加修復(fù)材料與基體的接觸面積,但基體容易產(chǎn)生不可逆的損傷,引起微觀力學(xué)性能的下降,不利于宏觀粘結(jié)強(qiáng)度的發(fā)展。而通過機(jī)械切割溝槽的方式可以為丙乳凈漿與基體間提供機(jī)械咬合力,從而有效提高粘結(jié)強(qiáng)度。但過高的界面粗糙度對粘結(jié)強(qiáng)度提升無益,建議實(shí)際工程中采用單向條紋的溝槽形式處理混凝土基體表面。

3 結(jié) 論

(1) 切割為“條紋”和“網(wǎng)格”的基面Ⅲ和Ⅳ下的丙乳凈漿-混凝土粘結(jié)強(qiáng)度相近,界面破壞模式均為丙乳凈漿的內(nèi)聚破壞;基面Ⅰ(切割平整)下的粘結(jié)強(qiáng)度在28 d時(shí)達(dá)到最高,表現(xiàn)為混凝土基體不規(guī)則破壞;而經(jīng)氣錘鑿毛形成的基面Ⅱ下的粘結(jié)強(qiáng)度是最低的,表現(xiàn)為混凝土基體表層破壞。

(2) 在微觀形貌上,切割形成的基面Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ下的丙乳凈漿-混凝土微觀界面膠結(jié)密實(shí),而基面Ⅱ的混凝土表層存在明顯的損傷裂隙。在微觀力學(xué)上,基面Ⅱ下丙乳凈漿-混凝土砂漿和粗骨料界面區(qū)顯微硬度較其余界面小且存在較大波動,這是宏觀粘結(jié)強(qiáng)度較低的原因。

(3) 基面Ⅲ和Ⅳ下丙乳凈漿總體粘結(jié)強(qiáng)度較高的原因在于,表面切槽的方式增加了界面擴(kuò)展面積,丙乳凈漿與混凝土的機(jī)械咬合力隨之增大。在實(shí)際工程中,建議采用“條紋”切割的方式處理混凝土基體表面,以達(dá)到良好的粘結(jié)質(zhì)量。