彭自強(qiáng),李 梟,章 品,俞棟華,吳金池

(1.武漢理工大學(xué)設(shè)計研究院,湖北 武漢 430070； 2.武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430070;3.湖北省工業(yè)建筑集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430060)

1 概述

再生骨料透水混凝土路面可以吸收路面徑流，在城市中能加快排滯，減少內(nèi)澇風(fēng)險，減輕雨后路面濕滑，降低路面夜間反光強(qiáng)度。通過應(yīng)用再生骨料透水混凝土路面，不僅促進(jìn)了建筑廢物循環(huán)再利用，也有助于我國“海綿城市”的大力推進(jìn)。但再生骨料透水混凝土路面在使用中，路面會出現(xiàn)表面骨料顆粒的剝離這一常見的病害現(xiàn)象[1]，出現(xiàn)這一現(xiàn)象的主要原因是面層混合料中骨料顆粒之間的結(jié)合強(qiáng)度不足。而混合料中骨料顆粒之間的結(jié)合強(qiáng)度又在一定程度上依賴集料與水泥漿體的界面黏結(jié)強(qiáng)度，因此研究再生骨料與水泥漿體的界面黏結(jié)強(qiáng)度的影響因素及其變化規(guī)律顯得格外重要。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對再生骨料透水混凝土的研究主要集中在其力學(xué)性能、透水性能及耐久性能上[2]，但對再生骨料與水泥漿體的界面黏結(jié)強(qiáng)度研究較少。目前對界面的黏結(jié)強(qiáng)度暫無比較有效且準(zhǔn)確的測定方法，一般是利用間接的試驗(yàn)方法來進(jìn)行測試，如拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)：軸拉或劈拉兩類[3]。國內(nèi)學(xué)者劉元湛等[4]最早測定了水泥漿體和集料界面的黏結(jié)強(qiáng)度，研究了不同水灰比和水泥品種對界面黏結(jié)抗拉和抗剪強(qiáng)度的影響；朱亞超[5]采用劈裂試驗(yàn)來研究砂漿-骨料界面黏結(jié)強(qiáng)度的影響規(guī)律,研究發(fā)現(xiàn)隨著骨料表面粗糙度的增加和砂漿本體強(qiáng)度的提高,界面黏結(jié)強(qiáng)度也顯著增大；Hong等[6]直接在巖石平板上澆筑水泥漿模擬界面來測量界面過渡區(qū)的黏結(jié)抗拉強(qiáng)度；陳代果等[7]在混凝土中預(yù)埋不同粒徑的天然卵石,通過直接拉拔試驗(yàn)獲得卵石與漿體之間的界面黏結(jié)強(qiáng)度，研究表明卵石與漿體之間的黏結(jié)強(qiáng)度隨著混凝土等級的提高,卵石粒徑對黏結(jié)強(qiáng)度的影響相對較??；王亞紅等[8]研究了3種強(qiáng)度等級混凝土、2種最大骨料粒徑的6種混凝土骨料-砂漿界面過渡區(qū)的劈裂抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)界面黏聚強(qiáng)度隨骨料粒徑增大而增大。

再生骨料與水泥漿體的界面是再生骨料透水混凝土的薄弱環(huán)節(jié)，故再生骨料與水泥漿體的界面黏結(jié)強(qiáng)度會直接關(guān)系到再生骨料透水混凝土路面的工程質(zhì)量。本文從主要影響因素入手，研究了骨料粒徑及水膠比兩種因素對再生骨料與水泥漿體的界面黏結(jié)強(qiáng)度的影響。

2 原材料及試驗(yàn)方法

2.1 原材料

再生骨料采用某骨料破碎廠生產(chǎn)的再生骨料，經(jīng)人工篩選出粒徑為4.75 mm～9.5 mm及9.5 mm～16 mm的骨料，在自來水清洗和自然晾干后用于試驗(yàn)，其物理性能指標(biāo)見表1。

表1 再生骨料物理性能指標(biāo)

水泥選用華新牌P.O42.5普通硅酸鹽水泥，其物理性能指標(biāo)見表2。

表2 水泥物理性能指標(biāo)

減水劑：采用秦奮牌聚羧酸系高性能減水劑，減水率為26%，固含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為20%。

2.2 配合比設(shè)計

本試驗(yàn)將再生骨料透水混凝土的目標(biāo)孔隙率設(shè)定在20%，經(jīng)前期試驗(yàn)研究[9],水泥凈漿流動度為110 mm～150 mm均可良好地成型，為了使水泥漿盡可能以同樣的均勻度包裹各試驗(yàn)組的骨料，將水泥凈漿流動度全設(shè)定為同一值：110 mm。結(jié)合其他學(xué)者的研究,設(shè)計研究了不同骨料粒徑(4.75 mm～9.5 mm,9.5 mm～16 mm)及不同水膠比(質(zhì)量比)(0.25，0.30，0.35，0.40)對再生骨料與水泥漿體的界面黏結(jié)強(qiáng)度的影響，具體配合比見表3。

表3 再生骨料透水混凝土配合比

2.3 試件制備

為了能讓骨料表面形成均勻的水泥包裹層，先將再生骨料和水泥充分?jǐn)嚢?；然后加入一半的水進(jìn)行攪拌，攪拌均勻后；再把另一半拌合水和減水劑加入混凝土中充分?jǐn)嚢鑋10-11]。在成型時，分兩次將再生骨料透水混凝土拌合物裝入100 mm×100 mm×100 mm的模具中，每次填裝后進(jìn)行插搗，并用臺稱稱至理論重量，最后用小型平板振動器進(jìn)行振動成型。試塊脫模成型后在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至28 d齡期進(jìn)行試驗(yàn)。

2.4 試驗(yàn)方法

2.4.1 試驗(yàn)原理

透水混凝土顆粒之間的連接方式主要為接觸與嵌固關(guān)系，表層顆粒存在與周邊和下層顆粒的黏結(jié)，如試圖將骨料顆粒從試驗(yàn)對象(正方體混凝土試塊)拔出，將要破壞周邊多個黏結(jié)面。另一種可能性是，試驗(yàn)中表層顆粒受拉作用面漿體與骨料分離，破壞骨料上表面漿體的包裹面。本試驗(yàn)中，主要依靠后一形式進(jìn)行測試。這一假定在試驗(yàn)中得到驗(yàn)證。

2.4.2 拉拔試驗(yàn)

拉拔試驗(yàn)裝置如圖1所示。在測試前，需做以下準(zhǔn)備：

1)將試塊表面烘干以確保試塊表面干燥。

2)將AB膠以1∶1的比例倒入杯中攪拌均勻，然后倒入盛膠容器中制成膠塊。

3)待膠塊固化后，用2 mm的鉆頭在膠塊中間鉆出一條貫通的孔，再把膠塊粘在上表面較為平整的顆粒上并在室溫放置2 d(見圖2)。

拉拔試驗(yàn)操作過程如下：

1)使萬能試驗(yàn)機(jī)的上夾具夾住電子吊秤，下夾具夾住一根長40 cm的鋼筋。

2)將準(zhǔn)備好的試塊放置在鐵板上，通過兩根直徑為2.5 mm鐵絲將下夾具夾緊的鋼筋、鐵板、試塊固定為一個整體。

3)調(diào)整萬能試驗(yàn)機(jī)的橫梁，使受拉的膠塊與吊鉤在同一垂線上。

4)用細(xì)繩穿過鉆好的孔并掛在電子吊秤下的吊鉤上(見圖3)。

5)將電子吊秤調(diào)零，設(shè)置為顯示峰值。

6)調(diào)整萬能試驗(yàn)機(jī)的加載方式進(jìn)行加載(預(yù)加載30 mm，加載速度為30 mm/min，然后定位加載，速度為5 mm/min)。

7)每次當(dāng)膠塊被拉出后，記錄電子吊秤的峰值和受拉膠塊的順序并按順序裝進(jìn)有序號的膠袋。

8)按照膠塊受拉的順序，逐一對破壞面進(jìn)行拍照且每次拍照的高度為同一高度。

再生骨料與水泥漿體的界面黏結(jié)強(qiáng)度按式(1)計算：

(1)

其中，σ為再生骨料與水泥漿體的界面黏結(jié)強(qiáng)度特征值，簡稱界面黏結(jié)強(qiáng)度；F為電子吊秤的拉力峰值；A為破壞處的截面投影面積。

試驗(yàn)利用圖像軟件計算破壞處的截面投影面積，但圖像軟件計算出的破壞處截面投影面積存在誤差，故通過參照物的實(shí)際截面面積與圖像軟件計算出的參照物的面積的誤差，來調(diào)整圖像軟件計算出的面積。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

如前原理所述，拉拔試驗(yàn)的結(jié)果可能有三種：表面顆粒與膠塊脫離(見圖4(a))，未破壞骨料表面的水泥漿層；表面水泥漿層與骨料脫離(見圖4(b))；表面顆粒整個被拉出(見圖4(c))。由試件拉拔前后比對圖(如圖5，圖6所示)可知，拉拔試驗(yàn)的結(jié)果均為表面水泥漿層與骨料脫離。由于各試驗(yàn)組表面顆粒的數(shù)量和顆粒上表面平整度不同，故各試驗(yàn)組可進(jìn)行測試的表面顆粒數(shù)量不同，本次試驗(yàn)中各組可進(jìn)行測試的表面顆粒數(shù)量如表4所示。經(jīng)誤差處理和統(tǒng)計，計算得到不同因素下再生骨料與水泥漿體的界面黏結(jié)強(qiáng)度箱形圖對應(yīng)的六個統(tǒng)計量(見表5,表6)。

表4 各試驗(yàn)組可進(jìn)行測試的表面顆粒數(shù)量 個

表5 骨料粒徑為4.75 mm～9.5 mm組的黏結(jié)強(qiáng)度統(tǒng)計量 MPa

表6 骨料粒徑為9.5 mm～16 mm組的黏結(jié)強(qiáng)度統(tǒng)計量 MPa

3.2 水膠比對再生骨料與水泥漿體的界面黏結(jié)強(qiáng)度的影響

圖7為再生骨料與水泥漿體的界面黏結(jié)強(qiáng)度箱線圖。從圖7(a)可以看出，粒徑為4.75 mm～9.5 mm時，隨著水膠比的增大，再生骨料與水泥漿體的界面黏結(jié)強(qiáng)度總體呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢;其中水膠比(質(zhì)量比)為0.40組比水膠比(質(zhì)量比)為0.30組的界面黏結(jié)強(qiáng)度平均高1.16 MPa；各組的平均界面黏結(jié)強(qiáng)度均不小于2.30 MPa。從圖7(b)可以看出，粒徑為9.5 mm～16 mm時，隨著水膠比的增大，其界面黏結(jié)強(qiáng)度總體呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢;其中水膠比(質(zhì)量比)為0.35組比水膠比(質(zhì)量比)為0.25組的界面黏結(jié)強(qiáng)度平均高1.82 MPa；各組的平均界面黏結(jié)強(qiáng)度均不小于2.51 MPa。

3.3 骨料粒徑對再生骨料與水泥漿體的界面黏結(jié)強(qiáng)度的影響

結(jié)合圖7(a)和圖7(b)可以看出，當(dāng)水膠比(質(zhì)量比)在0.30～0.40范圍時，在水膠比相同的情況下，4.75 mm～9.5 mm組的界面黏結(jié)強(qiáng)度總體小于9.5 mm～16 mm組；但當(dāng)水膠比都為0.25時，9.5 mm～16 mm組的界面黏結(jié)強(qiáng)度比4.75 mm～9.5 mm組平均小0.21 MPa。由表3可知，當(dāng)水灰比相同時，若制備同體積的再生骨料透水混凝土，粒徑為4.75 mm～9.5 mm組所用的水泥漿量比粒徑為9.5 mm～16 mm組多，但前者的界面黏結(jié)性能并未優(yōu)于后者。

4 分析

4.1 水灰比影響再生骨料與水泥漿體的界面黏結(jié)強(qiáng)度的分析

由于各試驗(yàn)組的凈漿流動度和目標(biāo)孔隙率均相同，故在相同粒徑組中，包裹骨料的漿體的厚度及其包裹均勻程度對界面黏結(jié)強(qiáng)度影響較小，此時水膠比起著主要作用。水膠比過小或過大都會對再生骨料與水泥漿體的界面黏結(jié)強(qiáng)度造成不利影響，這是因?yàn)樵偕橇媳忍烊还橇系奈砸蠛芏?，再生骨料吸走了部分水分，?dāng)水膠比過小時，則會影響水泥完全水化[12]，而當(dāng)水膠比過大時，水泥漿體硬化后本身的孔隙率增大，致密性降低。9.5 mm～16 mm組的界面黏結(jié)強(qiáng)度隨水膠比的變化規(guī)律與4.75 mm～9.5 mm組不一樣，這是由于粒徑為9.5 mm～16 mm的骨料的吸水率較小，本身對水量的要求也就減小，其在水膠比(質(zhì)量比)為0.35時就能使水泥完全水化。需要指出的是，當(dāng)骨料粒徑為4.75 mm～9.5 mm時，水膠比(質(zhì)量比)為0.25組的界面黏結(jié)強(qiáng)度并沒像理想情況那樣，總體低于水膠比(質(zhì)量比)為0.30組的黏結(jié)強(qiáng)度，其具體原因需結(jié)合XRD分析和微觀結(jié)構(gòu)分析做進(jìn)一步研究。

4.2 骨料粒徑影響再生骨料與水泥漿體的界面黏結(jié)強(qiáng)度的分析

在水膠比相同的情況下，水泥漿體的性質(zhì)對界面黏結(jié)強(qiáng)度的影響程度基本不變，此時是因骨料粒徑不同導(dǎo)致骨料包裹層厚度不同在起主要作用。隨著骨料粒徑的減小，再生骨料與水泥漿體的界面黏結(jié)強(qiáng)度總體呈現(xiàn)下降的趨勢，這是因?yàn)闈{體包裹層厚度過薄,骨料和水泥石的黏結(jié)效果受到不利的影響[13]，根據(jù)汪文文等[14]提出的水泥漿厚度計算公式可得，4.5 mm～9.5 mm組骨料的水泥漿包裹厚度為328 μm,而9.5 mm～16 mm組骨料的水泥漿包裹厚度為638 μm；這與趙洪等[15]得到的結(jié)論一致，即隨著骨料粒徑的增大，水泥漿厚度也隨之增大。

5 結(jié)論

針對再生骨料透水混凝土在使用中，表面骨料易剝離的情況，以再生骨料與水泥漿體的界面黏結(jié)強(qiáng)度為指標(biāo)，研究了骨料粒徑和水膠比兩種因素的影響。試驗(yàn)得到的結(jié)論如下：

1)水膠比過小或過大都會對再生骨料與水泥漿體的界面黏結(jié)強(qiáng)度造成不利影響，因此應(yīng)選擇合適的水膠比，使水泥漿達(dá)到更佳的性能。

2)在相同孔隙率、凈漿流動性條件下，大粒徑骨料表面附著了更厚的水泥漿，有利于提高再生骨料與水泥漿體的界面黏結(jié)強(qiáng)度。

3)在本實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)水膠比(質(zhì)量比)為0.35，粒徑為9.5 mm～16 mm時，再生骨料與水泥漿體界面的黏結(jié)強(qiáng)度總體表現(xiàn)最優(yōu)。