段王蕾

（江西省交通科學(xué)研究院有限公司，江西 南昌 330200）

0 引言

水泥混凝土路面受到荷載和惡略環(huán)境作用會(huì)使路面產(chǎn)生病害和疲勞損傷，大幅縮短混凝土路面壽命，由此使得水泥混凝土路面養(yǎng)護(hù)維修工作量加大。在混凝土路面養(yǎng)護(hù)工程中修補(bǔ)換板維修成為保證路面質(zhì)量的關(guān)鍵性工作[1-3]。超高性能纖維混凝土具有較好的力學(xué)性能和極低的滲透性，其性能可顯著提高混凝土修復(fù)構(gòu)件的強(qiáng)度及剛度，進(jìn)而提高結(jié)構(gòu)的承載能力[4]。采用超高性能纖維混凝土修補(bǔ)混凝土結(jié)構(gòu)，可避免混凝土結(jié)構(gòu)病害的發(fā)展，因此常用于承受較大荷載的區(qū)域和處于惡劣環(huán)境中的混凝土結(jié)構(gòu)修復(fù)和加固[5]。水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)修復(fù)成功與否，主要取決于新舊混凝土界面處的黏結(jié)強(qiáng)度[6-7]。

超高性能纖維混凝土與舊路面混凝土緊密黏結(jié)，采用超高性能纖維混凝土修補(bǔ)路面能夠提高混凝土路面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。因此本文主要研究普通硅酸鹽混凝土基材和超高性能纖維混凝土之間的黏結(jié)強(qiáng)度，以量化分析剪切和間接拉伸時(shí)的黏結(jié)強(qiáng)度對(duì)修補(bǔ)后路面混凝土使用壽命的影響。

1 原材料分析及試驗(yàn)方案

1.1 原材料分析

本文所使用普通硅酸鹽混凝土（NC）基材所用原材料為普通硅酸鹽水泥、細(xì)度模數(shù)為2.4 的河砂、最大尺寸為12.5mm 的粗骨料（花崗巖），水灰比為0.5，坍落度值在150～180mm，普通硅酸鹽混凝土配合比設(shè)計(jì)如表1 所示。對(duì)在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)的普通硅酸鹽混凝土進(jìn)行28d 的劈裂抗拉強(qiáng)度測(cè)試以及棱柱體抗壓強(qiáng)度測(cè)試，得到普通硅酸鹽混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度值和棱柱體抗壓強(qiáng)度值分別為3.75 MPa 和47MPa。

表1 普通硅酸鹽混凝土配合比設(shè)計(jì)指標(biāo)

用于路面修補(bǔ)材料的超高性能纖維混凝土（UHPFC）所用原材料為普通硅酸鹽水泥、硅粉、河砂、微鋼纖維和高效減水劑；鋼纖維長(zhǎng)度和直徑分別為10mm 和0.2mm，極限抗拉強(qiáng)度為2 500MPa，超高性能纖維混凝土配合比如表2 所示。超高性能纖維混凝土具有以下特征：①減少混凝土中的自由水量，進(jìn)而可以減少顆粒之間的空隙；②采用良好的細(xì)砂和高活性的礦物摻合料，從而提高混凝土基體的均質(zhì)性。通過(guò)抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)測(cè)試得到養(yǎng)護(hù)28d 的超高性能纖維混凝土立方抗壓強(qiáng)度值為120MPa。

表2 超高性能纖維混凝土配合比設(shè)計(jì)

1.2 試驗(yàn)方案

用于剪切試驗(yàn)及劈裂試驗(yàn)的試件均由兩種不同的材料組成，即普通硅酸鹽混凝土作為基礎(chǔ)材料，高性能纖維混凝土作為修補(bǔ)材料，本文對(duì)五種不同表面處理類型的普通硅酸鹽混凝土基材試件進(jìn)行試驗(yàn)，即不處理 （AC）；噴砂 （SB）；鋼絲刷（WB）；鉆孔（DH）；刻槽（GR）。

將養(yǎng)護(hù)28d 的普通硅酸鹽混凝土試件切割一部分作為基材，并對(duì)試件切割面進(jìn)行五種不同類型的表面處理，再將其放入模具中，然后將高性能纖維混凝土加入到另一部分模具中，得到普通硅酸鹽混凝土與高性能纖維混凝土的組合試件，然后在90℃的溫度下蒸汽養(yǎng)護(hù)48h，最后將組合試件養(yǎng)護(hù)14d，可視為采用高性能纖維混凝土對(duì)普通硅酸鹽混凝土路面進(jìn)行修補(bǔ)，模擬實(shí)際混凝土路面修補(bǔ)材料與原路面的黏結(jié)狀況。其中，圓柱體試件（Φ100mm×50mm）用于間接拉伸強(qiáng)度測(cè)試，即劈裂試驗(yàn)。

2 超高性能纖維混凝土界面過(guò)渡區(qū)黏結(jié)強(qiáng)度

通過(guò)斜剪切強(qiáng)度試驗(yàn)和劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)，分別定量采用剪切強(qiáng)度和間接張力對(duì)普通硅酸鹽混凝土基材和超高性能纖維混凝土組合試件之間的黏結(jié)性能進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試研究。

2.1 劈裂強(qiáng)度性能測(cè)試分析

根據(jù)《水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E30—2017）中的劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)，對(duì)超高性能纖維混凝土修補(bǔ)材料與基材間的黏結(jié)情況進(jìn)行研究[8-9]。劈裂抗拉強(qiáng)度通過(guò)以下公式計(jì)算：

式中：T為劈裂抗拉強(qiáng)度（MPa）；P為最大試驗(yàn)力（kN）；A為結(jié)合接觸面的總面積（mm2），取200mm×100mm=20000mm2。

經(jīng)過(guò)劈裂試驗(yàn)后，組合試件發(fā)生破壞，破壞形式可分為三種類型，分別為界面黏結(jié)破壞；界面破壞、基材裂紋；基材破壞。通過(guò)劈裂試驗(yàn)測(cè)得普通硅酸鹽混凝土基材與超高性能纖維混凝土組合試件的劈裂強(qiáng)度值如表3所示。

表3 五種方式處理的普通混凝土基材與超高性能纖維混凝土組合試件的劈裂強(qiáng)度結(jié)果

由表3 可知，五種不同方式處理的超高性能纖維混凝土與普通硅酸鹽混凝土組合試件中劈裂強(qiáng)度最好的是采用噴砂處理，強(qiáng)度值達(dá)到3.68MPa，其次是強(qiáng)度值為3.11MPa 的刻槽處理，而不采用任何處理組合試件的劈裂強(qiáng)度最小，其值為1.82MPa，僅為采用噴砂處理強(qiáng)度值的一半。通過(guò)分析劈裂強(qiáng)度值，可以發(fā)現(xiàn)不同處理方式的混凝土組合試件界面黏結(jié)程度為：噴砂＞刻槽＞鋼絲刷＞鉆孔＞原樣（未處理），進(jìn)而得出超高性能纖維混凝土與普通硅酸鹽混凝土的劈拉強(qiáng)度是隨著界面過(guò)渡區(qū)粗糙程度的增大而提高。因此，混凝土路面進(jìn)行修補(bǔ)換板時(shí)，需要對(duì)原路面與修補(bǔ)材料界面接觸區(qū)進(jìn)行處理，而采用噴砂處理是提高修補(bǔ)混凝土材料與原路面混凝土抗劈裂性能較為有效的方法。

2.2 斜剪切性能測(cè)試分析

當(dāng)超高性能纖維混凝土與普通硅酸鹽混凝土組合試件界面處受到剪應(yīng)力或壓應(yīng)力時(shí)，采用斜剪切試驗(yàn)是分析兩種混凝土界面處黏結(jié)情況最合適的試驗(yàn)方法[10-11]。斜剪切試驗(yàn)的黏結(jié)強(qiáng)度計(jì)算方法是最大荷載除以黏結(jié)面積，因而斜向剪切強(qiáng)度可以利用公式（1）計(jì)算：

式中：s為黏結(jié)強(qiáng)度（MPa）；P為施加荷載的最大力（kN），AL為斜面面積（mm2）；在這種情況下，斜面面積取100×100/sin30°=20000mm2。

超高性能纖維混凝土與普通硅酸鹽混凝土基材試件以垂直軸30°的斜面斜角澆鑄成型，形成100mm×100mm×300mm 的組合棱柱體混凝土試件[12-13]。經(jīng)過(guò)斜剪切試驗(yàn)，試件發(fā)生破壞；破壞模式可分為四種類型，分別為界面黏結(jié)破壞；基材裂紋；基材破壞；基材斷裂。試件破壞首先由界面過(guò)渡區(qū)開始，并過(guò)渡到普通硅酸鹽混凝土開裂，破壞多發(fā)生在基材上，表明超高性能纖維混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度效果良好。超高性能纖維混凝土與普通硅酸鹽混凝土組合試件測(cè)得斜向剪切強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 五種方式處理的普通混凝土基材與超高性能纖維混凝土組合試件的斜剪切強(qiáng)度結(jié)果

由表4 可知，組合試件經(jīng)過(guò)斜剪切試驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果表明，采用噴砂處理方式使得組合試件間黏結(jié)程度最好，其斜剪切強(qiáng)度值為17.73MPa，符合規(guī)范要求；未處理試件的斜剪切強(qiáng)度值為8.39MPa，對(duì)普通硅酸鹽混凝土基材進(jìn)行處理后的組合試件得到斜剪切強(qiáng)度值都遠(yuǎn)大于未處理得到的斜剪切強(qiáng)度值。在不同處理方式中，采用噴砂處理措施對(duì)修補(bǔ)混凝土材料與提高原路面混凝土黏結(jié)強(qiáng)度極為有效。

在對(duì)水泥混凝土路面進(jìn)行修補(bǔ)時(shí)，可以對(duì)原混凝土路面進(jìn)行處理，有利于提高路面混凝土與修補(bǔ)材料混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度，延長(zhǎng)修補(bǔ)后混凝土路面的使用周期。采取噴砂處理的路面混凝土，對(duì)于增強(qiáng)修補(bǔ)材料與混凝土路面界面處的劈裂性能與剪切性能是最有效的處理措施。

3 超高性能纖維混凝土界面過(guò)渡區(qū)微觀結(jié)構(gòu)研究

選擇超高性能纖維混凝土與普通硅酸鹽混凝土組合試件、超高性能纖維混凝土以及普通硅酸鹽混凝土三部分的試樣進(jìn)行SEM 試驗(yàn)，分析超高性能纖維混凝土與普通硅酸鹽混凝土試件界面過(guò)渡區(qū)的微觀黏結(jié)形貌。試件樣品大小為10mm×10mm×10mm，在試驗(yàn)前應(yīng)采用粗砂紙將試驗(yàn)樣品打磨平整、拋光，采用熱傳導(dǎo)性好的金屬噴射在試樣表面，最后將試樣烘干至無(wú)水分后備用[14-15]。三種不同試樣測(cè)試結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同混凝土試樣界面黏結(jié)微觀形貌特征

分析圖5 中界面黏結(jié)微觀形貌可知，超高性能纖維混凝土、普通硅酸鹽混凝土和組合試件界面過(guò)渡區(qū)這三個(gè)試樣微觀特征有明顯區(qū)別。觀察圖1（a）可發(fā)現(xiàn)，超高性能纖維混凝土水泥與砂漿的水化產(chǎn)物在界面處相互交錯(cuò)鑲嵌在一起形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，且界面處看不到裂縫，進(jìn)而表明混凝土整體結(jié)構(gòu)密實(shí)程度更好；而圖1（b）中普通硅酸鹽混凝土可看出水泥與砂漿之間的界面過(guò)渡區(qū)較為松散且出現(xiàn)一條明顯裂紋，使界面黏結(jié)程度降低，造成混凝土基本力學(xué)性能下降；由圖1（c）可知界面處黏結(jié)程度非常好，水化產(chǎn)物緊密結(jié)合在一起，并沒(méi)有出現(xiàn)裂紋和孔隙，相比于普通混凝土界面過(guò)渡區(qū)黏結(jié)狀況有明顯提高，說(shuō)明采用超高性能纖維混凝土作為路面修補(bǔ)材料能夠與原路面混凝土形成很好的黏結(jié)性，使得新舊混凝土界面過(guò)渡區(qū)具有較高的黏結(jié)強(qiáng)度。

4 結(jié)論

本文使用普通硅酸鹽混凝土和超高性能纖維混凝土分別作為原路面混凝土基材與修補(bǔ)材料混凝土，研究不同處理方式的普通硅酸鹽混凝土基材與超高性能纖維混凝土組合試件黏結(jié)情況，并分析了不同混凝土試樣界面黏結(jié)微觀特征。得出以下結(jié)論：

（1）試件破壞大多發(fā)生在普通硅酸鹽混凝土基材上，表明硅酸鹽混凝土基材與超高性能纖維混凝土組合試件之間的黏結(jié)強(qiáng)度要高于基材的黏結(jié)強(qiáng)度。

（2）采取不同方式處理的基材，對(duì)超高性能纖維混凝土與基材之間界面的黏結(jié)強(qiáng)度影響不同，采用噴砂處理硅酸鹽混凝土表面，使界面區(qū)的黏結(jié)強(qiáng)度達(dá)到最高，因此在路面修補(bǔ)中，需要對(duì)水泥混凝土接觸面進(jìn)行處理。

（3）作為修補(bǔ)材料的超高性能纖維混凝土與原路面混凝土界面過(guò)渡區(qū)黏結(jié)程度好，水化產(chǎn)物相互鑲嵌緊密，使新舊混凝土界面過(guò)渡區(qū)具有很好的黏結(jié)強(qiáng)度。