不同界面劑對濕接縫混凝土黏結性能影響

喬建剛, 王琦森, 徐陽, 張雪

(1.河北工業大學土木與交通學院, 天津 300401; 2.天津市交通工程綠色材料技術工程中心, 天津 300401)

濕接縫是裝配式橋梁中混凝土梁銜接的關鍵部位,也是易發生損壞的脆弱部位,常因新舊混凝土界面黏結性能不足而產生破壞現象[1-3]。基于此,許多學者將界面劑應用于濕接縫技術領域[4]。王洋超等[5]指出摻入環氧樹脂用作界面劑可提升混凝土之間的黏結強度。Hosseini等[6]和杜紅霞[7]研究表明采用聚氨酯和聚酰胺樹脂對環氧樹脂改性后可增強涂層的黏結性能。張雷等[8]指出水泥凈漿用作界面劑時可減少黏結面的孔隙,使過渡區更加致密。Ding等[9]研究指出在水泥凈漿中摻入膨脹劑后可彌補界面收縮帶來的影響,增加水泥漿料與骨料間的咬合力從而改善界面黏結情況。張妍等[10]、Shi等[11]和戚順鑫等[12]分別在水泥凈漿中加入硅灰和高分子聚合物使水泥凈漿用作界面劑時的黏結性能得以提高。蔣瑤等[13]研究發現一種新型的水性無機滲透結晶型材料界面劑時,可減少兩種混凝土之間的收縮差,使混凝土界面處變得更加密實,進而提升混凝土界面黏結性能。

綜上所述,中外學者對采用界面劑提高濕接縫黏結性能方面進行了大量研究,大多是分析了同一類型的界面劑對濕接縫黏結性能的提升效果,以及對一種界面劑材料的改性。但界面劑種類繁多,鮮有研究對比分析聚合物類界面劑、水泥材料類界面劑以及無界面劑的使用效果。因此,現對比分析不同類型的界面劑對濕接縫黏結性能的影響,在濕接縫界面劑的研究及應用方面具有重要意義。

1 試驗材料及濕接縫配合比

1.1 試驗原材料

水泥采用河北唐山生產的42.5普通硅酸鹽水泥;集料選用河北保定生產的石灰巖集料;硅灰采用河南鞏義生產的硅灰,具體性質如表1所示。

表1 硅灰各項性質表Table 1 Properties of silica fume

試驗選用廣東廣州生產的環氧樹脂,環氧樹脂需要與固化劑1∶1復配后使用,具體性質如表2所示。

表2 環氧樹脂各項性質表Table 2 Properties of Epoxy Resin

試驗中采用的輔助材料為止漿帶和高黏泡棉,如圖1所示。

圖1 輔助材料Fig.1 Auxiliary materials

1.2 濕接縫混凝土配合比

濕接縫采用C50混凝土,配合比如表3所示。

表3 濕接縫混凝土配合比Table 3 Mix proportion of wet joint concrete

2 試驗方案

試驗選用普通水泥凈漿、摻硅灰水泥凈漿、環氧樹脂三種界面劑研究對濕接縫黏結性能的影響。由于濕接縫界面劑需要優良的力學性能,因此,首先通過力學性能試驗對摻硅灰水泥凈漿界面劑中的硅灰摻量進行優選,確定摻硅灰水泥凈漿界面劑中硅灰的最佳摻量。而后通過劈裂抗拉強度試驗、三點彎曲試驗和抗剪強度試驗,研究普通水泥凈漿、摻硅灰水泥凈漿、環氧樹脂3種界面劑對濕接縫黏結性能的影響。

為便于敘述,對不同工況進行編號如表4所示。

表4 界面劑試驗編號Table 4 Interface agent test number

2.1 SC界面劑中硅灰摻量優選試驗方案

采用《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》(JTG 3420—2020)中的水泥膠砂強度試驗方法,將試驗設置為1、7、28 d 3種齡期,水膠比為0.4,每組試件數目為3個,得到不同硅灰摻量下(水泥質量的0、4%、8%、12%)的抗折強度和抗壓強度。

2.2 濕接縫劈裂抗拉強度試驗方案

2.2.1 試件制作

首先將預貼高黏泡棉和止漿帶的150 mm×75 mm×150 mm木塊置于150 mm×150 mm×150 mm的試模中,如圖2所示,之后澆筑混凝土振實,養護24 h后拆模。對其進行鑿毛處理,按表4預定的4種界面劑工況分別進行界面處理,如圖3所示。最后澆筑另一半混凝土,得到濕接縫立方體劈裂抗拉試件,如圖4所示。

圖2 木塊置于試模中Fig.2 Wooden blocks placed in the trial mold

圖3 不同界面劑工況的濕接縫界面Fig.3 Wet joint interface under different working conditions of interface agent

2.2.2 試驗方法

參考《規程》中的水泥混凝土立方體劈裂抗拉強度試驗方法,試件大小為150 mm×150 mm×150 mm,養護齡期為28 d,每種界面劑下試件個數為3個。

2.3 濕接縫抗剪強度試驗方案

2.3.1 試件制作

濕接縫混凝土抗剪試件設計尺寸為150 mm×150 mm×470 mm,其中兩側預制混凝土尺寸為150 mm×150 mm×150 mm,中間現澆的混凝土為150 mm×150 mm×170 mm。首先在150 mm×150 mm×150 mm的混凝土試模上粘貼止漿帶和高黏泡棉,如圖5(a)所示。隨后澆筑混凝土并振實,在標準養護室養護24 h后進行拆模,得到兩側預制混凝土試件,如圖5(b)所示。再按照表4預定的4種界面劑工況分別進行界面處理,隨后將界面處理后的兩側預制混凝土試件放入試模中固定位置,其間距控制為170 mm。為避免在澆筑混凝土振實時試塊發生偏移,使用夾具將試模及試件進行固定,如圖5(c)所示,最后對中間部分進行澆筑混凝土并振實,養護24 h后拆模,得到抗剪試件如圖5(d)所示。

圖5 抗剪試件制件過程Fig.5 Manufacturing process of shear test piece

2.3.2 試驗方法

養護齡期設置為28 d,不同界面劑工況下試件個數為3個,將抗剪試件放入圖6所示的自主設計的抗剪儀器中,并采用WAW-1000型微機電液伺服萬能材料試驗機型進行抗剪試驗,如圖7所示。得到不同界面劑工況下的濕接縫混凝土抗剪破壞荷載,最后按照式(1)計算得到濕接縫混凝土的抗剪強度。

圖6 抗剪儀器Fig.6 Shear resistance instrument

圖7 抗剪試驗Fig.7 Shear test

τ=F/2A

(1)

式(1)中:τ為抗剪強度,MPa;F為抗剪荷載,N;A為剪切面積,mm2。

2.4 濕接縫三點彎曲試驗

2.4.1 試件制作

濕接縫混凝土三點彎曲試件設計尺寸為150 mm×150 mm×550 mm,其中三點彎曲試件兩側預制的混凝土為150 mm×150 mm×150 mm,其中預制混凝土和涂抹界面劑過程與抗剪試驗相同,中間現澆混凝土為150 mm×150 mm×250 mm,將預制的混凝土試件置于150 mm×150 mm×550 mm試模的最左側和最右側位置,如圖8所示,再澆筑中間部分混凝土并振實,養護24 h拆模后得到三點彎曲試件,如圖9所示。

圖8 預制部分置于試模中Fig.8 The prefabricated part is placed in the test mold

圖9 三點彎曲試件Fig.9 Three point bending test piece

2.4.2 試驗方法

養護齡期設置為28 d,兩支座間的跨距設置為250 mm,使得支座中心與濕接縫兩側的黏結界面剛好對齊,采用WAW-100B微機電液伺服萬能材料試驗機進行試驗,每種工況下試件個數為3個,得到不同界面劑工況下的濕接縫混凝土抗彎拉極限破壞荷載,并按照式(2)進行計算得到濕接縫混凝土的抗彎拉強度。

(2)

式(2)中:Ff為抗彎拉強度,MPa;P為極限破壞荷載,N;L為兩個支座間的跨距,mm;b為試件截面寬度,mm;h為試件截面高度,mm。

3 結果與討論

3.1 SC界面劑中硅灰摻量優選試驗

3.1.1 抗折強度試驗

隨不同硅灰摻量,SC界面劑的1、7、28 d抗折強度變化分別如圖10所示。

圖10 SC界面劑不同齡期的抗折強度變化Fig.10 Change of bending strength of SC interfacial agent at different ages

由圖10(a)可得,隨著硅灰摻量的增加,SC界面劑的1 d抗折強度先增加后減小,當硅灰摻量為8%時,1 d抗折強度達到最大,為3.8 MPa。當硅灰摻量為0時,抗折強度最小,為3.3 MPa。與硅灰摻量為0時相比,硅灰摻量為4%、8%和12%的抗折強度分別增加了6.06%、15.15%和12.12%。由圖10(b)和圖10(c)可得,隨著硅灰摻量的增加,水泥凈漿的7 d和28 d抗折強度變化規律與1 d相同,都是先增加后減小,在硅灰摻量為8%時達到最大。與不摻硅灰時相比,硅灰摻量為4%、8%和12%的7 d抗折強度分別增加了4.54%、13.6%和9.09%,28 d抗折強度分別增加了4.05%、10.81%和9.50%。

3.1.2 抗壓強度試驗

隨不同硅灰摻量,SC界面劑的1、7、28 d抗壓強度的變化規律,分別如圖11所示。

圖11 SC界面劑不同齡期的抗壓強度變化Fig.11 Compressive strength changes of SC interfacial agent at different ages

由圖11(a)可得,隨著硅灰摻量的增加,SC界面劑的抗壓強度變化規律與抗折強度變化規律相同。其1 d抗壓強度先增加后減小,在硅灰摻量為8%時達到最大,為29.6 MPa。當硅灰摻量為0時,抗折強度最小,為20.8 MPa。與硅灰摻量為0時相比,硅灰摻量為4%、8%和12%的抗折強度分別增加了29.3%、42.3%和35.58%。由圖11(b)和圖11(c)可知,隨著硅灰摻量的增加,水泥凈漿的7 d和28 d抗壓強度變化規律與1 d相同,皆為先增加后減小,在硅灰摻量為8%時達到最大,分別為42.7 MPa和57.9 MPa。當硅灰摻量為0時,抗壓強度最小,分別為34.0 MPa和52.3 MPa。與不摻硅灰相比,硅灰摻量為4%、8%和12%的7d抗壓強度分別增加了10%、25.59%和18.24%,28 d抗壓強度分別增加了4.05%、10.71%和6.50%。

綜合上述研究結果,發現隨著硅灰摻量的增加,水泥凈漿的早期力學性能和后期力學性能均是先增加后減小,這是因為硅灰相對水泥有較強的活性,以及較小粒徑和較大的比表面積,可以通過優化膠凝材料體系的堆積密度和火山灰效應對孔隙的填充作用,提高水泥凈漿試件的致密性,從而使得水泥凈漿的力學性能得到提升;但當硅灰摻量大于8%時,硅灰的高需水量使得水泥凈漿黏度過大,導致試件成型時氣泡不易排出,又造成了水泥凈漿的內部缺陷增加,從而導致水泥凈漿力學性能下降,而界面劑需要優良的力學性能,在硅灰摻量為8%時,水泥凈漿力學性能最優。因此,硅灰的最佳摻量確定為8%。

3.2 濕接縫劈裂抗拉強度試驗結果及分析

不同界面劑工況下濕接縫劈裂抗拉強度的變化規律,如圖12所示。

圖12 不同界面劑工況下的濕接縫劈裂抗拉強度Fig.12 Splitting tensile strength of wet joints under different interfacial agent conditions

由圖12可得,黏結界面經過ER界面劑處理后,得到的濕接縫混凝土的劈裂抗拉強度最大,為2.81 MPa,其次是界面劑SC和界面劑CP,分別為2.60 MPa和2.43 MPa,最后是WJ工況,為2.31 MPa。相較于未經過界面劑處理的濕接縫混凝土,CP、SC和ER作為界面劑,處理黏結界面后的濕接縫劈裂抗拉強度分別提高了5.19%、12.55%、21.64%,這說明通過界面劑處理黏結界面可以有效提高濕接縫的劈裂抗拉性能,且界面劑ER提升效果最好。

3.3 濕接縫抗剪強度試驗結果及分析

不同界面劑工況下濕接縫抗剪強度的變化規律,如圖13所示。

圖13 不同界面劑工況下的濕接縫抗剪強度Fig.13 Shear strength of wet joint under different interfacial agent conditions

由圖13可得,與劈裂抗拉強度規律相似,黏結界面經過ER處理后,得到的濕接縫混凝土的抗剪強度最大,為2.51 MPa,其次為界面劑SC和界面劑CP,分別為2.39 MPa和2.25 MPa,最后是WJ工況,為2.17 MPa。相較于未經過界面劑處理的濕接縫混凝土,CP、SC和ER作為界面劑,處理黏結界面后的濕接縫劈裂抗拉強度分別提高了3.69%、10.14%、15.67%,這說明通過界面劑處理黏結界面有效提高了濕接縫的抗剪性能。

3.4 濕接縫三點彎曲試驗結果及分析

根據濕接縫三點彎曲試驗方案,測定不同界面劑處理后的濕接縫三點彎曲極限破壞荷載,并計算出不同界面劑處理下的濕接縫抗彎拉強度,可得不同界面劑工況下濕接縫抗彎拉強度的變化規律,如圖14所示。

圖14 不同界面劑處理下的濕接縫抗彎拉強度Fig.14 Flexural tensile strength of wet joints treated with different interfacial agents

由圖14可得,黏結界面經過3種界面劑處理后,其抗彎拉強度都得到了提升。且ER界面劑提升效果最好,其次是SC界面劑,最后是CP界面劑,其抗彎拉強度分別為9.49 MPa,8.91 MPa和8.21 MPa,抗彎拉強度最低的是未經界面劑處理的WJ工況,其抗彎拉強度為7.75 MPa。相較于未經過界面劑處理的濕接縫混凝土,CP、SC和ER作為界面劑處理后的濕接縫抗彎拉強度分別提高了5.93%、14.97%、22.45%,這說明通過界面劑處理黏結界面可以有效提高濕接縫的抗彎拉性能。

綜合劈裂抗拉試驗、三點彎曲試驗和抗剪切試驗的結果,可以發現不同界面劑對濕接縫黏結性能的影響,由大到小排序均為:ER>SC>CP>WJ,這說明黏結界面經過合適的界面劑處理可以有效地提高濕接縫的界面黏結性能。其中CP對濕接縫的黏結性能提升效果較小,而ER和SC對濕接縫黏結性能提升效果較為明顯。

4 結論

(1)通過對不同硅灰摻量的水泥凈漿進行抗壓強度和抗折強度試驗,發現隨著硅灰摻量的增加,水泥凈漿的力學性能先增加后減小,硅灰摻量為8%時,其力學性能最優,而濕接縫界面劑需要優良的力學性能,因此,水泥凈漿中硅灰最佳摻量確定為8%。

(2)相較于無界面劑處理的濕接縫,經過3種界面劑對濕接縫進行界面處理后,其劈裂抗拉強度、抗剪強度和抗彎拉強度等黏結性能指標都有了不同程度的提升。經環氧樹脂界面劑處理后,其劈裂抗拉強度、抗剪強度和抗彎拉強度分別提高了21.64%、15.67%和22.45%,經8%硅灰水泥凈漿界面劑處理后,分別提高了12.55%、10.14%和14.97%,經普通水泥凈漿界面劑處理后,分別提高了5.19%、3.69%和5.93%。