砂浆-骨料粘结界面力学性能

2021-11-03向祖超沈子豪

湖北工业大学学报 2021年5期

向祖超，李扬，沈子豪

(湖北工业大学土木建筑与环境学院，湖北武汉 430068)

混凝土作为世界上应用最广泛的一种建筑材料，其高强度及高性能的特点为世界所公认。钢筋因其抗拉强度高，且热膨胀系数与混凝土相近，可弥补混凝土抗拉强度上的不足，钢筋混凝土构件也因此在结构工程中得到广泛应用。但当钢筋混凝土结构中的钢筋局部布置较为拥挤以及钢筋混凝土结构超载时，混凝土会因为抗拉强度低而产生若干不均匀裂缝，最终裂缝延伸，生成肉眼可见裂缝，直到混凝土断裂，构件破坏[1-2]。对于混凝土构件的宏观破坏，实则是由细观角度不均匀裂缝的累积和延伸造成的，马怀发等[3]提出从细观角度看，混凝土构件在加载前，内部已存在微裂缝，即砂浆和骨料界面的初始粘结裂缝，这些裂缝是由于砂浆的干缩现象以及温度变化导致而成。Lybimove等[4]认为界面过渡区(Interfacial Transition Zone，ITZ)的力学性能对混凝土的影响很大。

结合现有资料表明：ITZ的性能对混凝土材料性能的具体影响程度还尚未形成统一认识，有关ITZ力学性能的试验研究及分析较少，据此，通过三点弯试验和劈裂拉伸试验来测得水泥-砂浆界面的抗拉压强度、断裂能及弹性模量等参数对混凝土材料力学性能的影响，并通过试验数据建立了界面参数计算模型，对增强混凝土强度及混凝土细观结构的研究有很大一定的参考和借鉴作用。

1 试验

1.1 试验方法

1.1.1抗拉强度Tn采用劈裂试验来测得试件的抗拉强度，加载方式按照规范[11]通过设置加载速率为0.06 MPa/s的应力控制模式进行加载，可得到试验的荷载-位移曲线。试验测试试件分为三批次，分别测试了水泥砂浆、石材、水泥砂浆及石材各一半的复合试件的抗拉强度。加载示意图见图1。

图 1 劈裂试验加载示意图

在得出荷载-位移曲线后，可按下式计算水泥砂浆-骨料粘结界面的抗拉强度：

(1)

式中：P表示最大荷载，kN；A表示试件的断裂面积，mm2。

1.1.2断裂能Gf参考RILEM的提议[12]，本研究采用三点弯曲试验测得断裂能，控制试验的加载速率为0.4 mm/min，最终可获得试件的荷载-挠度曲线。试验共测试了水泥砂浆、骨料、砂浆及骨料各一半的复合试件的断裂能,三种立方体试件见图2。在测得这三批试件的断裂能后，可得到水泥砂浆、骨料以及砂浆-骨料粘结界面的断裂能[13],加载示意图见图3。

图 2 立方体试件

图 3 带缺口梁的三点弯曲试验加载示意图

断裂能指的是裂纹扩展单位面积所消耗的表面能，这一参数可通过试验所得的荷载-挠度曲线计算得到，具体计算公式如下：

Gf=Wf/A=(W0+mgδ0)/A

(2)

式中：Gf为试件单位面积上的断裂能，N·mm-1；Wf为试件的断裂能，N·mm；A为试件的断裂面积，A=b(h-a)，mm2;b为梁的宽度，mm;h为梁的高度，mm;a为开口深度，mm；W0为荷载-挠度曲线下的面积，mm2；mg为两跨间梁的自重，N；δ0为试件破坏时的挠度，mm。

1.2 试验装置

两个试验均在湖北工业大学工程结构及数字化模拟实验室完成，试件的拉压强度及弹性模量在微机控制电液伺服压力试验机(YAW-3000G)测得，可施加的最大荷载为3000 kN，精确度等级为0.5级(图4)；带缺口梁的三点弯曲试验在微机控制电子压力试验机(CBT1105-D)上完成，试验机对试件可施加的最大荷载为100 kN，精确度等级为1级(图5)。

图 4 劈裂拉伸试验图 5 三点弯曲试验

在试验准备阶段，清除机器表面浮灰，将试件置于试验机的指定位置加载，记录荷载-位移曲线，可观察到在试验初期，曲线大致呈线性增长，随着位移逐渐增加，荷载持续增大但增长速率变慢，且出现往复下降，最终试件破坏。

1.3 试件制备

已有研究表明，在测试断裂能和抗拉强度的过程中均存在尺寸效应[14]，根据GB/T 50152《混凝土结构试验方法标准》[15]规定，劈裂拉伸试验应采用边长为150 mm的立方体试件，对于非标准试件乘以对应的换算系数。三点弯曲试验采用的是较小的梁试件，尺寸为30 mm×35 mm×250 mm，最终测得试件的荷载-挠度曲线，计算出断裂能。

水泥砂浆的立方体试件浇筑按照程序在可拆卸的钢模中完成即可，在制作砂浆-骨料复合材料试件时，需先将石材置于模具底部，再自上往下浇筑砂浆(图6)。

图 6 立方体模具

三点弯曲试验中采用的较小梁试件在木模中完成浇筑，在浇筑前在模具中部放置一木条以预制裂缝，裂缝深、宽均为10 mm。在进行水泥砂浆试件的制作时，应从木模侧边进行浇筑(图7)。

图 7 带缺口梁模具

粗骨料采用花岗岩和石灰岩两种不同石材进行对比研究。正式浇筑前，石材需先进行精加工处理，使得石材满足试验精度要求，应用砂纸对石材表面打磨3 min(图8)。

图 8 石材表面

试验采用三种砂浆配合比和两种石材进行对比研究。水泥采用标号32.5的矿渣硅酸盐水泥，砂采用中砂，配合比见表1，试件制作方案见表2。试验制作22个带缺口梁试件用作测试断裂能，22个立方体试件用作测试抗拉压强度，剩余10个立方体试件用作测试弹性模量，共计54个。

表1 水泥砂浆配合比 kg/m3

表2 试件设计方案

试验对三种砂浆配合比、两种石材及砂浆-石材界面的抗拉压强度、弹性模量及断裂能同时进行了测试。

2 试验结果与分析

试验主要测试了三种砂浆配合比、两种石材以及砂浆-石材界面的断裂能、抗拉压强度、弹性模量。用测得的力学参数数据分析三批试件各项性能随水灰比的变化规律，得出水泥砂浆、石材材料性能和水泥砂浆-石材界面性能间的函数关系，进而建立界面参数计算模型。

2.1 水泥砂浆和石材的性能

水泥砂浆和石材的抗压强度和弹性模量均遵照GB/T 50081《普通混凝土力学性能试验方法标准》[16]所给出的方法测得。材料的各项力学参数见表3。

表3 水泥砂浆及石材的力学参数

从上表中可看出水灰比对砂浆的力学性能有着重要影响，能够得出在0.36～0.5范围内的水灰比与砂浆性能变化的函数关系：

1)当水灰比降低时，水泥砂浆的抗拉强度先增后减。

如图9所示，在水灰比大于0.44时，抗拉强度随水灰比的减小而增大；当水灰比小于0.44时，抗拉强度随水灰比的减小而减小，因此在抗拉强度和水灰比间的关系可用两段线性函数关系式表达，如

(3)

式中：C/W表示水灰比；ft表示抗拉强度，MPa。

图 9 水泥砂浆抗拉强度与水灰比关系

2)当水灰比降低时，水泥砂浆的抗压强度不断提高。

如图10所示，抗压强度与水灰比间的关系可用线性函数关系式表达，如

fc=-69.17C/W+62.46

(4)

式中：C/W表示水灰比；fc表示抗压强度，MPa。

3)当水灰比减小时，水泥砂浆的弹性模量增大。

如图11所示，弹性模量和水灰比间的关系可用线性函数关系式表达，如

E=-55.96C/W+42.23

(5)

式中，C/W表示水灰比;E表示弹性模量，GPa。

图10 水泥砂浆抗压强度与水灰比关系

图11 水泥砂浆弹性模量与水灰比关系

2.2 水泥砂浆-石材粘结界面的性能

表4为试验测得的三种水灰比以及两种石材条件下的水泥砂浆-石材粘结界面的力学参数，由试验数据可知，水泥砂浆-石材界面的断裂能和抗拉强度均小于水泥砂浆和石材单一材料下的断裂能和抗拉强度，这也解释了水泥砂浆-骨料粘结界面是混凝土中的薄弱层的原因。同时，也有多位学者给出相似论证，粘结界面的断裂能大致是水泥砂浆的1/10，抗拉强度大致是水泥砂浆的1/3[5]。