鄒相國， 姬和力， 楊新華， 羅祖赟， 白 凡

(1. 湖北省電力勘察設計院有限公司，湖北 武漢 430040；2. 華中科技大學 航空航天學院，湖北 武漢 430074；3. 武漢科技大學 理學院，湖北 武漢 430065)

混凝土是由骨料、砂漿以及兩者之間的界面過渡區(qū)(Interfacial Transition Zone, ITZ)構(gòu)成的多相復合材料，與砂漿基質(zhì)相比，ITZ通常具有較大的孔隙率[1]，較高的水灰比和滲透性[2]，較低的強度[3]、韌性[4]和彈性模量[5]。ITZ的產(chǎn)生是因為在骨料-砂漿接觸區(qū)域存在“邊界效應(wall effect)”，即在混凝土澆筑過程中，細小的水泥顆粒不均勻的堆積在較大且較平坦的骨料表面，進而導致局部孔隙率增大[1]。顯微研究表明[6]：ITZ較高的水灰比會導致鈣礬石和Ca(OH)2晶體垂直于骨料表面生長，形成多孔結(jié)構(gòu)，從而有助于初始微裂紋的萌生和擴展。作為連接砂漿和骨料的薄弱環(huán)節(jié)，ITZ的性能往往對混凝土的宏觀力學性能有很大影響，且一定程度上決定了混凝土受載時的破壞形態(tài)[7～10]。

一般來說，ITZ的粘結(jié)作用主要有兩種形式[1]。一種是物理粘結(jié)，粘結(jié)力的大小主要與骨料和基質(zhì)的機械互鎖有關，取決于骨料的礦物特質(zhì)、表面紋理特征[7,11]以及形狀和尺寸[12]；另一種是當骨料對砂漿有化學活性而產(chǎn)生的兩者之間的化學鍵連接[11,13]。骨料表面粗糙度是影響ITZ力學行為的重要參數(shù)。相關研究表明[7,14,15]：骨料表面越粗糙，骨料和基質(zhì)間的機械互鎖能力越強，ITZ的抗拉、抗剪強度也越大。因此，有必要建立ITZ力學性能與骨料表面粗糙度之間的定量關系，表面粗糙度可以采用三維(3D)表面形態(tài)儀[7]和表面粗糙度儀[16]等精確測量。另一方面，在基質(zhì)中摻加偏高嶺土[17]、粉煤灰[18]和稻殼灰[19]等細密的膠結(jié)材料，也可以改善ITZ的性能。此外，硅灰[13,20～23]也是一種改善ITZ性能的高效摻合料，極細的硅灰顆粒能夠充當水泥水化產(chǎn)物結(jié)晶的微填料和成核位點，可以促進Ca(OH)2小晶體的形成，降低晶體優(yōu)選取向的趨勢和ITZ的孔隙率[24]，而且硅灰中存在的大量不定型SiO2會和Ca(OH)2發(fā)生火山灰反應，提高ITZ的密實度。

由于界面過渡區(qū)位于混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部，形狀不規(guī)則且厚度較小，直接研究其力學性能非常困難。作為一種替代方法，近年來人們通過制作一種骨料-砂漿的復合試件研究了界面粗糙度、礦物摻合料以及聚合物乳液對界面過渡區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)和顯微硬度的影響[11,25,26]。測量混凝土抗拉強度的最直接方法是直接拉伸試驗。然而，直接拉伸試驗在荷載、夾具和試件精確對中，夾具和試件之間可靠傳力，以及試驗過程控制方面，都存在一些困難[3]。作為一種替代，劈裂拉伸試驗在混凝土、巖石等脆性材料的抗拉強度測量中獲得廣泛應用[23,27,28]，其方法的合理性也在大量應用中得到檢驗。因此，本文通過開展花崗巖-砂漿復合試件的劈裂試驗，研究了砂漿水灰比、粘結(jié)面粗糙度和界面劑中硅灰含量對ITZ斷裂性能的影響。這對于優(yōu)化混凝土界面力學性能，提高混凝土結(jié)構(gòu)的抗裂性能等具有重要意義，同時也可以為基于細觀力學的混凝土設計計算提供必需的界面性能參數(shù)。

1 試驗概況

1.1 試驗材料

花崗巖-砂漿復合試件由一半砂漿和一半石頭組成。石頭取材于武漢中閩石材廠生產(chǎn)的天然花崗巖石材。水泥為P.I.42.5型硅酸鹽基準水泥。細骨料為中砂。水為普通自來水。硅灰是由河南鉑潤新材料有限公司生產(chǎn)的微硅粉，其SiO2含量約為98%，產(chǎn)品參數(shù)如表1所示。砂漿配合比和力學性能如表2所示。界面劑配合比如表3所示。

表1 硅灰成分 %

表2 砂漿配合比和力學性能

表3 界面劑配合比

1.2 試件制作

復合試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，其中砂漿和花崗巖的尺寸均為150 mm×150 mm×75 mm，如圖1所示。為了保證試件澆筑時花崗巖表面有足夠的濕度，將花崗巖完全浸泡在水中24 h，澆筑砂漿前0.5 h取出備用，澆筑時保持粘結(jié)面濕潤且無明水。

圖1 砂漿-花崗巖復合試件/mm

復合試件的制作可分為兩組：一組是研究水灰比和粘結(jié)面粗糙度對ITZ劈裂抗拉強度的影響，試件制作時，先把表面濕潤的花崗巖水平放置在模具的一側(cè)，然后在另一側(cè)直接澆筑砂漿；另一組是研究界面劑類型對ITZ劈裂抗拉強度的影響，試件制作時，先在潤濕的花崗巖表面涂抹1～3 mm厚的界面劑，把其水平放置在模具一側(cè)，然后在另一側(cè)澆筑砂漿。為保證脫模后試件的完整性，所有復合試件均采用可拆卸鋼模澆鑄而成。經(jīng)振動臺振搗密實后，室內(nèi)放置24 h后脫模，并且在標準混凝土養(yǎng)護室養(yǎng)護7 d后開展試驗。

為了定量研究粘結(jié)面粗糙度對ITZ劈裂強度的影響，設計了五種不同處理方式的粘結(jié)面。除了自然切割面外，其他四種都經(jīng)人工刻槽而得，如圖2所示。采用人工刻槽法，可以獲取較大范圍的粗糙度，且有利于控制加工質(zhì)量[29]。在巖石與混凝土粘結(jié)面力學性能的研究中，人工刻槽法已經(jīng)得到了廣泛應用[15,30]。用深度和寬度均為3 mm的凹槽將花崗巖表面等分，通過改變凹槽的數(shù)量來改變粗糙度，根據(jù)每個方向的凹槽數(shù)n將試件進行編號，每種刻槽情況均制作3個試件。

圖2 五種表面處理方式

花崗巖表面粗糙度采用灌砂法測量[31]，灌砂平均深度即粗糙度Ra用式(1)計算。

Ra=V/A

(1)

式中：V為灌砂體積；A為粘結(jié)面面積，A=150 mm×150 mm=22500 mm2。灌砂為粒徑0.25～0.50 mm、密度1376 kg/m3的細沙。灌砂平均深度可以定量地表征粘結(jié)面粗糙度，不同刻槽情況下花崗巖表面粗糙度如表4所示。

表4 花崗巖表面粗糙度

1.3 試驗過程

所有試件均采用TYE-2000A型壓力試驗機進行。試驗時，先將試件放在試驗機下壓板的中心位置，在上下壓板與試件之間墊鋼制弧形墊塊及三合板墊條，墊條寬20 mm，厚3 mm，長度為170 mm，如圖3所示。開動試驗機，先手動控制，當上壓板與上部弧形墊塊接觸時，調(diào)整壓板，使接觸均衡，以0.05～0.08 MPa/s速率持續(xù)加載直至試件破壞[32]，記錄峰值荷載。

圖3 試驗加載裝置

2 試驗結(jié)果分析

劈裂抗拉強度fst可采用普通混凝土力學性能試驗方法標準GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》[32]中相關公式計算。

fst=2P/(πA)=0.637P/A

(2)

式中：P為試件斷裂峰值荷載。

2.1 水灰比影響

在混凝土中，由于微滲流效應，振搗時砂漿內(nèi)部的游離水會移動到骨料表面，形成許多水囊和毛細孔，從而增加了局部的孔隙率，減小了二者有效接觸面面積并降低其粘結(jié)強度[33]。因此砂漿水灰比對ITZ斷裂特性有重要的影響。

為了評估砂漿水灰比的影響，本試驗在保證花崗巖表面為自然切割面的同時，設計了砂漿水灰比為0.33，0.39，0.44，0.50的試件。試驗結(jié)果如表5所示。

表5 不同水灰比復合試件和砂漿試件的試驗結(jié)果

砂漿試件和復合試件的平均劈裂抗拉強度隨水灰比的變化如圖4所示?？梢钥闯觯S著砂漿水灰比的增大，砂漿試件和復合試件的劈裂抗拉強度均呈下降趨勢。當水灰比從0.33增加到0.50時，砂漿試件和復合試件的劈裂抗拉強度分別降低23.3%和55.7%。這主要是因為較高的水灰比會增加砂漿和ITZ的局部孔隙率[34]。此外，較高的水灰比也會增加ITZ的厚度[33]，從而使復合試件比純砂漿試件對水灰比的變化更加敏感。

圖4 復合試件和砂漿試件劈裂抗拉強度隨水灰比變化曲線

通過線性回歸分析，建立了兩種試件劈裂抗拉強度與水灰比之間的關系。在下面的所有公式中，若無特殊說明，劈裂抗拉強度單位為MPa，對于復合試件：

fst=-9.347w/c+5.892

(3)

式中：w/c為水灰比，相關系數(shù)為0.992。對于砂漿試件有：

fst=-5.433w/c+5.735

(4)

其相關系數(shù)為0.982。

此外，從圖4還可以看出，在水灰比相同的情況下，復合試件的劈裂抗拉強度均遠低于砂漿試件。在工程中，為了衡量ITZ相比砂漿力學性能的削弱程度，引入復合試件與同水灰比砂漿試件的劈裂抗拉強度比α，其隨水灰比的變化如圖5所示。

圖5 劈裂抗拉強度比隨水灰比的變化曲線

可以看出，隨著水灰比的增大，劈裂抗拉強度比減小。通過線性回歸分析，建立兩者之間的關系如下：

α=-1.806w/c+1.317

(5)

其相關系數(shù)為0.951，表明兩者之間存在較好的線性相關關系。

圖6所示為不同水灰比復合試件的斷裂截面。在下文復合試件的斷裂形貌圖中，如無特別說明，左側(cè)均為花崗巖，右側(cè)均為砂漿?？梢钥闯?，水灰比為0.50的試件基本沿界面斷裂，斷面較為平坦。但是，水灰比為0.33情況下，試件斷裂后花崗巖表面粘結(jié)了較多的砂漿。而且隨著水灰比從0.33增加到0.50，花崗巖表面的砂漿粘結(jié)越來越少。這可能是因為水灰比越高，界面過渡區(qū)的力學性能越弱，越容易在界面處發(fā)生斷裂。

圖6 不同水灰比情況下復合試件的斷裂形貌

2.2 花崗巖表面粗糙度影響

一般情況下，在混凝土中，骨料表面越粗糙，漿體與骨料接觸面積越大，兩者之間的機械咬合作用也越大[7]。此外，增加骨料的表面粗糙度也可以顯著降低ITZ的孔隙率和顯微硬度[2,35]。因此，隨著骨料表面粗糙度的增加，粘結(jié)強度通常會增加。

為了研究花崗巖表面粗糙度對界面斷裂性能的影響，將砂漿水灰比固定為0.50。對不同表面處理的復合試件進行了劈裂試驗。試驗結(jié)果如表6所示。

表6 不同粗糙度復合試件的試驗結(jié)果

圖7展示了復合試件的劈裂抗拉強度隨粘結(jié)面粗糙度的變化情況。顯然，花崗巖表面越粗糙，復合試件的劈裂抗拉強度越大。這說明提高骨料的表面粗糙度可以提高基體與骨料之間的粘結(jié)強度[7]。榮華等[14,15]開展了不同粗糙度下花崗巖-混凝土的直接拉伸試驗，其抗拉強度隨粗糙度的變化曲線與本文結(jié)果較為一致。

圖7 復合試件劈裂抗拉強度隨界面粗糙度的變化曲線

一般而言，表面較為粗糙的骨料與砂漿形成較強的物理相互作用和機械互鎖[36]。本文的試驗結(jié)果表明：與自然切割面相比，當界面粗糙度從0.659 mm增加到1.615 mm時，復合試件的劈裂抗拉強度提高率由31.1%增加到91.9%。

通過線性回歸分析，得到復合試件劈裂抗拉強度與粘結(jié)面粗糙度之間的關系為：

fst=0.849Ra+1.234

(6)

其相關關系為0.805，表明兩者之間存在較好的相關性。

劈裂抗拉強度比α隨粘結(jié)面粗糙度的變化如圖8所示。它們之間的關系也可以通過線性擬合得到。

圖8 劈裂抗拉強度比隨界面粗糙度的變化曲線

α=0.278Ra+0.404

(7)

圖9所示為砂漿水灰比為0.50時不同界面粗糙度的復合試件斷裂截面。可以看出，雖然粘結(jié)面粗糙度不同，但5種試樣均沿界面斷裂。對于有凹槽的試件，砂漿部分從凹槽中拉出。而對于自然切割面的試件，花崗巖表面幾乎沒有砂漿粘結(jié)。這是因為在復合試件中，骨料主要通過機械咬合作用與砂漿粘結(jié)。在澆筑階段，砂漿在骨料粗糙表面振動夯實，滲透到相鄰骨料之間的空隙中，硬化后，它們會緊緊相擁，形成聯(lián)鎖效果。

圖9 不同界面粗糙度下的裂縫斷面形貌

2.3 界面劑中硅灰摻量的影響

由于火山灰效應[13]，當用硅灰替代部分水泥時，硅灰中大量無定形的SiO2與水泥水化時析出游離的Ca(OH)2水化物，減小了Ca(OH)2晶體的取向，生成低孔隙率高強度的低堿C-S-H凝膠水化物[24]，從而增加ITZ的硬度并減小其厚度。此外，細小的硅灰顆粒會填充基體與集料之間的間隙，使得ITZ變得更致密，微裂紋減少，基體與集料之間的連接增強。但當硅灰摻量增加到一定范圍后，參與水化的水泥含量不斷減少，水化反應中堿的含量不足，從而影響硅灰與Ca(OH)2的第一次水化反應，進而影響Ca(OH)2的第二次水化，這便導致了ITZ的力學性能下降[37]。

為了定量研究界面劑中硅灰含量對界面斷裂特性的影響，將水膠比保持在0.45，分別用硅灰替代界面劑中0，3%，6%，9%，12%質(zhì)量比的水泥。試驗結(jié)果如表7所示。

表7 涂抹不同界面劑復合試件的試驗結(jié)果

圖10顯示了界面劑中硅灰含量對復合試件劈裂抗拉強度的影響。

圖10 復合試件劈裂抗拉強度隨硅灰含量的變化

可以看出，包裹一定量的水泥凈漿或摻加硅灰界面劑均可提高劈裂抗拉強度。當界面劑中硅灰含量由0增加到3%，6%，9%，12%時，相比于無界面劑狀況，劈裂抗拉強度分別提高了35.1%，53.8%，34.0%，28.7%，16.1%。然而，卻仍只有砂漿劈裂抗拉強度的54.1%，61.6%，53.7%，51.5%，46.5%?？梢钥闯鼋缑鎰┲泄杌液繉ε芽估瓘姸鹊挠绊戄^為復雜，它以3%為分界點大致分為兩個部分。界面劑中硅灰含量小于3%時，隨著硅灰摻量的增加，劈裂抗拉強度以減小的速率單調(diào)增加。但當硅灰含量為3%～12%時，隨著硅灰摻量的增加，劈裂抗拉強度以遞增的速度單調(diào)減小。因此，硅灰摻量在3%左右時，劈裂抗拉強度最大。這與花崗巖-砂漿復合梁試件在三點彎曲作用下峰值荷載和斷裂能的最佳硅灰摻量(6%左右)不同[20]。王洪[21]的研究結(jié)果表明，在混凝土中摻人適量的硅灰，對提高混凝土的劈裂抗拉強度有非常明顯的效果，最佳摻量范圍為3%～6%。本文和文獻[20]得到的最佳硅灰摻量都處于該范圍以內(nèi)?？紤]到試驗誤差，3%和6%的最佳硅灰摻量應該都是合理的。

可以采用二次拋物線函數(shù)擬合硅灰摻量與劈裂抗拉強度的關系。

fst=-0.005f2+0.031f+1.706

(8)

式中：f為硅灰摻量。其相關系數(shù)為0.761。

圖11為界面劑中硅灰摻量對劈裂抗拉強度比的影響。與劈裂抗拉強度相似，比值系數(shù)α與硅灰含量的關系也符合如下二次拋物線曲線。

圖11 劈裂抗拉強度比隨硅灰含量的變化

α=-0.0015f2+0.01f+0.558

(9)

圖12展示了未涂抹界面劑和涂抹摻加不同硅灰界面劑復合試件的斷裂截面?？梢钥吹剑茐暮蟮慕孛嫘蚊灿休^大差異。對于沒有界面劑的試件，斷裂后花崗巖表面幾乎沒有粘結(jié)砂漿。而涂抹界面劑的試件斷裂后花崗巖表面砂漿粘結(jié)量隨硅灰摻量的增加先增加后減少。當硅灰摻量約為3%時，表面粘結(jié)砂漿量最大，在這種情況下，對應的粘結(jié)強度也達到峰值。

圖12 不同界面劑的斷裂截面形貌

3 結(jié) 論

本文對花崗巖-砂漿復合試件進行了劈裂試驗，研究了砂漿水灰比、粘結(jié)面粗糙度和界面劑中硅灰含量對ITZ斷裂性能的影響。主要得出以下結(jié)論：

(1)在水灰比相同的情況下，復合試件的劈裂抗拉強度明顯低于砂漿基質(zhì)試件，且與砂漿水灰比呈負線性相關關系。當砂漿水灰比由0.33提高到0.50時，復合試件與砂漿試件的劈裂抗拉強度比由0.694降低到0.401；

(2)由于砂漿與花崗巖之間的機械互鎖作用，增加花崗巖表面粗糙度可以提高復合試件的劈裂抗拉強度。當粘結(jié)面粗糙度由0.659 mm增加至1.615 mm時，與自然切割面相比，劈裂抗拉強度提高率由31.3%提高到91.9%，且與界面粗糙度呈近似線性關系。

(3)由于火山灰效應和微集料效應，界面劑中加入硅灰可以提高復合試件的劈裂抗拉強度，然而過多的硅灰摻量會適得其反，劈裂抗拉強度與硅灰含量的關系可以用二次拋物線擬合，當硅灰含量為3%左右時，花崗巖與砂漿的粘結(jié)性能達到最佳。