礦渣基水泥混凝土路面修補(bǔ)材料界面黏結(jié)性能試驗(yàn)

李 銘，支喜蘭，姚愛玲

(1.西安工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，西安 710021；2.長安大學(xué) 公路學(xué)院，西安 710064)

水泥混凝土路面由于具有強(qiáng)度高、耐久性好等特點(diǎn)，一直以來在我國都得到廣泛的使用。但在各種附加應(yīng)力作用下，水泥混凝土路面發(fā)生一定程度的損壞。針對(duì)這些損壞，道路工作者采用的解決方式大多為利用修補(bǔ)材料進(jìn)行修補(bǔ)。國內(nèi)外研究學(xué)者研制了不少快速修補(bǔ)材料，并在一定范圍內(nèi)得到了應(yīng)用。國內(nèi)具有代表性的有JK-24型系列混凝土快速修補(bǔ)劑，磷酸鹽水泥快速修補(bǔ)料，超快速修補(bǔ)材料S1劑，ZV型混凝土修補(bǔ)膠，SCQ-251型混凝土公路路面裂縫補(bǔ)縫劑以及CZ型超早強(qiáng)劑等修補(bǔ)材料；而國外主要以日本調(diào)凝水泥，美國“派拉蒙特”混合水泥拌制混凝土，英國Swiftcrete水泥，德國Draifach水泥和意大利Supercement水泥等修補(bǔ)材料為主要代表。文獻(xiàn)[1]基于斷裂力學(xué)對(duì)水泥砼面層與基層接觸界面的破壞行為進(jìn)行了分析,面層與基層界面為非光滑接觸面，面層與基層之間的過渡層的破壞導(dǎo)致水泥混凝土路面在低應(yīng)力水平下破壞。文獻(xiàn)[2]研究了水泥混凝土路面初始裂縫應(yīng)力、裂縫微裂區(qū)、裂縫擴(kuò)展以及路面裂縫擴(kuò)展下的疲勞失效，得到了荷載和降水對(duì)裂縫擴(kuò)展和路面疲勞壽命的影響規(guī)律。文獻(xiàn)[3]通過對(duì)水泥混凝土路面開裂機(jī)理及破壞過程進(jìn)行理論計(jì)算和試驗(yàn)研究，得出路面板的開裂破壞過程包括初始階段、累積擴(kuò)展階段和斷裂階段。文獻(xiàn)[4]基于礦渣基水泥混凝土路面破壞機(jī)理，提出了最優(yōu)修補(bǔ)材料配合比，并進(jìn)行了路面性能測(cè)試分析。路面修補(bǔ)材料具有一定的優(yōu)點(diǎn)，但也存在著材料價(jià)格昂貴，工程造價(jià)高；凝結(jié)時(shí)間過長或過短，需較長時(shí)間才能通車或施工困難；界面黏結(jié)性能不強(qiáng)，導(dǎo)致使用過程中，車輛輪胎易把修補(bǔ)材料帶走等問題，致使推廣應(yīng)用困難[5-10]。而修補(bǔ)材料最重要的性能是其界面黏結(jié)性能，只有擁有良好的界面黏結(jié)性能，修補(bǔ)后的路面才可以保證原修補(bǔ)部位不會(huì)在應(yīng)力作用下發(fā)生二次破壞[11]。因此，研究出一種擁有較高界面黏結(jié)能力的新型修補(bǔ)材料具有十分重要的意義。本文選用礦渣、磨細(xì)水泥熟料和水玻璃三種材料，共同配制出水泥混凝土路面修補(bǔ)材料，在分析界面薄弱原因的基礎(chǔ)上，通過不同黏結(jié)劑下界面彎拉能力試驗(yàn)，得出礦渣基修補(bǔ)材料的界面黏結(jié)性能。

1 界面薄弱原因分析

由于修補(bǔ)材料與舊混凝土的結(jié)合面存在一定量的氣孔與水膜層，導(dǎo)致界面在荷載作用下變得較為薄弱，其主要原因?yàn)椋孩?混凝土中水泥與骨料之間的界面過渡區(qū)存在于新老水泥界面接觸處，此過渡區(qū)為水泥混凝土路面薄弱環(huán)節(jié)。水在親水性舊混凝土表面可以鋪展開，且能通過毛細(xì)管作用自動(dòng)將水吸入材料內(nèi)部，因此修補(bǔ)混凝土?xí)r其表面會(huì)生成一層水性薄膜，在結(jié)合面處產(chǎn)生了大量的局部水膠，超過了體系水膠比限值，導(dǎo)致反應(yīng)生成的氫氧化鈣和鈣礬石晶體大量聚集于界面，且形態(tài)隨時(shí)間和表面水量增大，弱化了界面強(qiáng)度。而新混凝土中的氣泡和泌水附著于老混凝土表面并隨時(shí)間增加而不斷聚集，界面被水所潤濕，進(jìn)一步促進(jìn)了界面處局部水膠的生成，界面處微觀裂紋大量形成，嚴(yán)重削弱了新老混凝土界面處的聯(lián)結(jié)強(qiáng)度。② 結(jié)合面處外露的水泥石等材料與新混凝土的界面接觸受水泥石骨料特性、接觸面平整度、水泥漿黏度、骨料大小和水泥漿水灰比等因素影響，與混凝土整體澆筑方式下的水泥漿-骨料結(jié)合面處的接觸存在區(qū)別，且新舊混凝土的收縮變形在結(jié)合面造成剪切或拉伸形成裂縫。在澆筑的混凝土內(nèi)部，水泥漿將分散的骨料黏結(jié)成一個(gè)堅(jiān)硬的整體單元，水泥漿在硬化過程中，骨料會(huì)被水泥包裹。因此混凝土內(nèi)部強(qiáng)度遠(yuǎn)高于界面強(qiáng)度。新老混凝土結(jié)合時(shí)需將舊混凝土表面鑿毛，新混凝土中骨料經(jīng)振實(shí)后被擠壓在不平整界面處，凸起部位實(shí)際接觸，下凹部位就形成了空洞，且老混凝土水泥漿注入通道受阻，這樣就會(huì)在接觸面上形成非致密接觸，界面處產(chǎn)生大量空隙，嚴(yán)重弱化新老混凝土黏結(jié)強(qiáng)度。界面處石子分布越多，尺寸越大，上述情況越嚴(yán)重。③ 新舊混凝土的材料配比不同，熱變形、剛度和強(qiáng)度等物理化學(xué)性質(zhì)存在差異，新混凝土在凝固時(shí)，會(huì)有收縮變形存在，凍融循環(huán)作用會(huì)導(dǎo)致界面處附加應(yīng)力產(chǎn)生，進(jìn)而撕裂結(jié)合面形成裂縫。整體澆筑混凝土?xí)r骨料分布均勻，而新老混凝土黏結(jié)時(shí)粗骨料的分布集中于新老混凝土界面處，故其裂縫發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較高，更易造成裂縫尖端處應(yīng)力集中，使裂縫得以擴(kuò)展，削弱新老混凝土的界面強(qiáng)度。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

礦渣基修補(bǔ)材料是采用水泥熟料和水玻璃進(jìn)行雙堿激發(fā)的一種以礦渣為基質(zhì)的新型水泥混凝土路面修補(bǔ)材料[12]?；谀ゼ?xì)礦渣微粉顆粒細(xì)小，具有良好地耐久性和微膨脹性，且料源豐富利用率低，因此選用作為基質(zhì)材料，但礦渣不具有快凝早強(qiáng)的特點(diǎn)，難以很好地滿足路用性能要求。因此選用磨細(xì)水泥熟料和水玻璃作為激發(fā)劑，利用火山灰反應(yīng)和微粒填充效應(yīng)，對(duì)礦渣進(jìn)行雙堿激發(fā)，得到路用效能良好的修補(bǔ)材料。

其各材料配比是在正交對(duì)比試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行極差分析后得出。通過實(shí)驗(yàn)研究[3]，其最佳配比為：細(xì)度分別為520 m2·kg-1和375 m2·kg-1的礦渣和水泥熟料，模數(shù)為2.6的水玻璃，其中水泥熟料和水玻璃的摻量分別為15%和2%，水灰比為0.4。通過前期實(shí)驗(yàn)研究成果可得出，礦渣基修補(bǔ)材料與普通硅酸鹽42.5級(jí)水泥相比，不但在砂漿性能方面具有快凝早強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，而且在混凝土的工作性能和力學(xué)特性方面也具有一定的優(yōu)越性。

2.2 試驗(yàn)方法

目前，常用的評(píng)價(jià)新老混凝土界面黏結(jié)性能的方法有多種[13-15]，但每種方法均具有一定的適用范圍，加之我國尚無統(tǒng)一的試驗(yàn)方法和技術(shù)指標(biāo)，因此試驗(yàn)方法的選取應(yīng)結(jié)合適用情況。修補(bǔ)材料進(jìn)行修補(bǔ)后，新老混凝土的黏結(jié)面主要承受的破壞形式為彎拉破壞，故黏結(jié)界面的抗折強(qiáng)度具有重要的作用。基于模擬道路實(shí)際受力情況，本文擬采用彎拉黏結(jié)試驗(yàn)方法來檢驗(yàn)界面黏結(jié)性能。

2.3 試驗(yàn)步驟

本試驗(yàn)方法依據(jù)《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E30-2005)中的水泥膠砂抗折強(qiáng)度試驗(yàn)[16]，主要對(duì)界面的彎拉能力進(jìn)行檢測(cè)。試驗(yàn)步驟為：① 制作普通硅酸鹽42.5級(jí)水泥砂漿標(biāo)準(zhǔn)尺寸試件，標(biāo)養(yǎng)28 d以上；② 用抗折機(jī)將試件折斷，將基本垂直于表面的一半斷塊進(jìn)行表面雜物清理并干燥后放入試模，在黏結(jié)面涂刷界面黏結(jié)劑，并于試模空余處放入礦渣基修補(bǔ)材料砂漿，試件成型如圖1所示；③ 為了檢驗(yàn)早期強(qiáng)度和后期強(qiáng)度，分別標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生至3 d和28 d齡期時(shí)，在電動(dòng)抗折機(jī)上測(cè)得試件的相應(yīng)彎拉抗折強(qiáng)度，斷面圖如圖2所示。

圖1 修補(bǔ)材料與普通硅酸鹽42.5級(jí)水泥膠砂黏結(jié)試塊Fig.1 The cohesive specimens of repair material and 42.5 magnitude ordinary portland cement mortar

圖2 修補(bǔ)材料與普通硅酸鹽42.5級(jí)水泥膠砂黏結(jié)試塊斷面Fig.2 Fracture surface of the cohesive specimens of repair material and 42.5 magnitude ordinary portland cement mortar

3 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比及機(jī)理分析

界面黏結(jié)劑能夠提高新老混凝土的黏結(jié)性能，因 此，本研究從來源廣泛和價(jià)格低廉兩方面考慮，選用兩種黏結(jié)劑進(jìn)行試驗(yàn)，一種為與新澆混凝土同水灰比的水泥凈漿，另一種為摻膨脹劑的水泥漿。在涂刷這兩種不同黏結(jié)劑條件下，分別得出礦渣基水泥混凝土修補(bǔ)材料與普通硅酸鹽42.5級(jí)水泥兩種材料的界面黏結(jié)性能，再與不摻加黏結(jié)劑的界面性能進(jìn)行對(duì)比分析。試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 不同黏結(jié)劑條件下修補(bǔ)材料與普通硅酸鹽42.5級(jí)水泥膠砂界面彎拉抗折強(qiáng)度值Tab.1 The flexural strength value of the interface bonding performance between the repair material concrete and ordinary 42.5 magnitude portland cement in different adhesion situation

通過以上三組不同試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析可知，采用摻膨脹劑的水泥凈漿作為界面黏結(jié)劑，在3 d齡期時(shí)的界面抗折強(qiáng)度值較無黏結(jié)劑和采用水泥凈漿為黏結(jié)劑的強(qiáng)度值，分別可提高約2倍和1.6倍；在28 d齡期時(shí)，強(qiáng)度分別可提高約2.3倍和1.7倍。因此，摻膨脹劑的水泥凈漿能夠作為優(yōu)良的界面黏結(jié)劑，提高礦渣基水泥混凝土路面修補(bǔ)材料與普通硅酸鹽42.5級(jí)水泥的界面黏結(jié)性能。礦渣基水泥混凝土路面修補(bǔ)材料之所以具有良好的界面黏結(jié)性能，其主要機(jī)理為:由于水泥水化會(huì)產(chǎn)生氫氧化鈣和鈣礬石，這兩種物質(zhì)會(huì)在界面黏結(jié)處存在一定的取向性，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)疏松；同時(shí)水泥漿體泌水性大，水分會(huì)被基體混凝土阻止而形成水膜，從而降低膠體-基體混凝土間的黏結(jié)，產(chǎn)生微裂縫。隨著外力綜合作用，微裂縫會(huì)相互貫穿，最終形成裂縫。而礦渣基修補(bǔ)材料中，由于磨細(xì)礦渣的存在，界面處會(huì)生成強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好的C-S-H凝膠及晶體，從而減少大晶格的氫氧化鈣晶體和鈣礬石數(shù)量，提高了界面的黏結(jié)力；加之磨細(xì)礦渣改性后產(chǎn)生的漿體并不泌水，也就降低了膠體-基體混凝土間的水膜存在性，因此也能夠在很大程度上使界面黏結(jié)強(qiáng)度得到增強(qiáng)。

4 結(jié) 論

本文針對(duì)水泥混凝土路面修補(bǔ)材料與原路面的界面黏結(jié)性能薄弱問題，提出一種新的礦渣基修補(bǔ)材料，并配以良好的界面黏結(jié)劑提高界面黏結(jié)性能。主要結(jié)論為

1) 分別在無黏結(jié)劑、同水灰比水泥凈漿和摻膨脹劑水泥漿三種界面黏結(jié)劑條件下進(jìn)行了界面性能抗折強(qiáng)度試驗(yàn)，得出摻膨脹劑的水泥漿作為新老混凝土界面的黏結(jié)劑性能最優(yōu)。

2) 在摻膨脹劑的水泥漿作為界面黏結(jié)劑情況下，礦渣基修補(bǔ)材料與舊混凝土的界面抗折強(qiáng)度，在3 d和28 d齡期情況下分別可達(dá)5.56 MPa和9.24 MPa，較原42.5級(jí)水泥抗折強(qiáng)度均有一定程度的提高，能夠滿足修補(bǔ)后路面的承重要求。