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

隨著中國基礎設施建設的發(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行必要的修復加固。聚合物水泥類材料以其優(yōu)異的粘結(jié)性能、良好的力學性能而被廣泛應用于該領域,成為混凝土表面病害治理工程中常用的修復材料之一[3-4]。

修復材料與混凝土基底之間的粘結(jié)強度是評價修復效果的一個重要指標,而基體的表面狀態(tài)對粘結(jié)強度有很大的影響,包括基體潮濕程度、潔凈度、粗糙度等。相關研究表明,混凝土基體處于潮濕狀態(tài)下會降低粘結(jié)強度,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)強度通常會顯著降低[6]。但截至目前學術界關于粗糙度對修復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)和試驗方法(剪切、拉伸、劈拉等)多種多樣[7]。Sadowski等[8]證實了不同的混凝土基面處理方式對拉拔強度有顯著影響,發(fā)現(xiàn)采用噴砂處理時可獲得最高附著力;Tayeh等[9]研究發(fā)現(xiàn)切槽可以顯著提高界面的抗剪能力,這主要是因為增加了界面間的機械咬合力;孟繁強等[10]也獲得了相同的結(jié)論;Lpez等[11]采用直接拉伸方法進行試驗,發(fā)現(xiàn)界面粗糙度對獲得的粘結(jié)強度影響很小或沒有影響。有學者認為鑿毛處理的混凝土基面會產(chǎn)生微裂紋,進而影響粘結(jié)強度[12];相反,有人認為經(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)強度的影響機理并不統(tǒng)一,這需要從微觀角度做進一步研究。

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,通過直接拉拔試驗獲得丙乳凈漿-混凝土的粘結(jié)強度和破壞模式,并應用偏光顯微鏡和顯微硬度計研究界面微觀形貌和微觀力學性能,進而揭示不同處理方式獲得的基體粗糙度對粘結(jié)強度影響機理。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

試驗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,化學成分如表2所列;細骨料為河砂,細度模數(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%?；炷猎O計等級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?；炷?8 d抗壓強度為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時的抗壓強度為7.4 MPa,抗拉強度為4.5 MPa。

1.2 混凝土表面處理及表征

試驗設計4種粗糙度的混凝土基面,如圖1所示?；姊癫捎脵C械切割的方式,切割后的混凝土基面平整;基面Ⅱ采用氣動鑿毛機錘擊I的表面形成,表面呈凹凸的特征,所用氣動鑿毛機產(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行掃描,掃描精度高達0.05 mm。通過三維表面形貌分析軟件Mountainsmap,并依據(jù)ISO-25178標準[14],計算獲得了兩個表征基面粗糙度的參數(shù):算術平均高度Sa和界面擴展面積比Sdr。Sa表示相對于基準面,各點高度差絕對值的平均值;Sdr表示定義區(qū)域的擴展面積(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

在如圖1混凝土基面四周粘貼海綿膠帶,預留1.5 mm高度用于澆筑制備好的丙乳凈漿,并在整個表面涂抹均勻,如圖2(a)所示。將制作好的試樣放入標準養(yǎng)護室分別養(yǎng)護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)強度,加載速率為5 mm/min。拉拔試驗一組6塊,去除表面未被粘住面積超過20%的試件,粘結(jié)強度以剩下的不少于3個試件的算術平均值表示。

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

1.4 界面微觀粘結(jié)形貌及力學特征

首先選取養(yǎng)護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)顯顯微硬度計下,沿丙乳凈漿-混凝土方向,測試顯微硬度,測試點間距100 μm,分析粘結(jié)界面區(qū)的微觀力學演變特征。

2 試驗結(jié)果

2.1 粘結(jié)強度及破壞模式

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)界面化學鍵及丙乳凈漿強度提高所致。觀察不同粗糙度基面可知,基面Ⅱ下的粘結(jié)強度相比其余界面是最低的,其28 d粘結(jié)強度為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,導致了粘結(jié)強度的下降,這在后續(xù)的界面形貌分析中也可以得到證實。

圖3 不同粗糙度基面下丙乳凈漿-混凝土粘結(jié)強度隨齡期的發(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)強度低于基面Ⅲ和Ⅳ的,但28 d粘結(jié)強度是4種工況下最高的,達到3.60 MPa。相應的觀察圖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,抗拉強度發(fā)展不充分,低于混凝土基體抗拉強度,以丙乳凈漿的內(nèi)聚破壞為主。水化至后期,丙乳凈漿抗拉強度和界面處粘結(jié)力超過了混凝土基體抗拉強度,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)強度十分接近。相比基面Ⅰ而言,基面Ⅲ和Ⅳ的粘結(jié)強度更高。事實上,粘結(jié)強度的形成主要由化學鍵、機械咬合力和范德華力組成[15]。基面I的表面平滑,粘結(jié)強度主要由丙乳凈漿與基體的化學鍵提供;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的機械咬合力,因此,在宏觀上也具有更高的粘結(jié)強度。

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)強度的關系,可以看到這兩個參數(shù)與粘結(jié)強度的變化趨勢一致。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)強度的提升有利,但過高的粗糙度(基面Ⅳ)對粘結(jié)強度的提升并無作用。在28 d時,Sdr為0.91%(基面Ⅰ)的粘結(jié)強度大于高Sdr基面的粘結(jié)強度。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)強度。

圖5 切割形成的基面粗糙度參數(shù)與粘結(jié)強度的關系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,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。這個微觀特征也證實了圖3中基面Ⅱ下的粘結(jié)強度最低的原因,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 微觀力學特征

顯微硬度是反映微觀力學性能的重要指標之一,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)域為微觀界面區(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個界面。事實上,這個范圍是鑿毛產(chǎn)生的基體損傷區(qū)域,其在微觀力學性能上的下降直接影響到宏觀粘結(jié)強度。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,采用丙乳凈漿進行混凝土結(jié)構(gòu)表面修補時,不建議采用氣錘鑿毛或者類似的機械方式對基體表面進行處理。雖然該方法可以增加修復材料與基體的接觸面積,但基體容易產(chǎn)生不可逆的損傷,引起微觀力學性能的下降,不利于宏觀粘結(jié)強度的發(fā)展。而通過機械切割溝槽的方式可以為丙乳凈漿與基體間提供機械咬合力,從而有效提高粘結(jié)強度。但過高的界面粗糙度對粘結(jié)強度提升無益,建議實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)強度在28 d時達到最高,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,而基面Ⅱ的混凝土表層存在明顯的損傷裂隙。在微觀力學上,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)強度較低的原因。

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