再生骨料与水泥浆体的界面黏结强度研究★

彭自强,李 枭,章 品,俞栋华,吴金池

(1.武汉理工大学设计研究院,湖北 武汉 430070； 2.武汉理工大学土木工程与建筑学院，湖北 武汉 430070;3.湖北省工业建筑集团有限公司，湖北 武汉 430060)

1 概述

再生骨料透水混凝土路面可以吸收路面径流，在城市中能加快排滞，减少内涝风险，减轻雨后路面湿滑，降低路面夜间反光强度。通过应用再生骨料透水混凝土路面，不仅促进了建筑废物循环再利用，也有助于我国“海绵城市”的大力推进。但再生骨料透水混凝土路面在使用中，路面会出现表面骨料颗粒的剥离这一常见的病害现象[1]，出现这一现象的主要原因是面层混合料中骨料颗粒之间的结合强度不足。而混合料中骨料颗粒之间的结合强度又在一定程度上依赖集料与水泥浆体的界面黏结强度，因此研究再生骨料与水泥浆体的界面黏结强度的影响因素及其变化规律显得格外重要。

近年来，国内外学者对再生骨料透水混凝土的研究主要集中在其力学性能、透水性能及耐久性能上[2]，但对再生骨料与水泥浆体的界面黏结强度研究较少。目前对界面的黏结强度暂无比较有效且准确的测定方法，一般是利用间接的试验方法来进行测试，如拉伸强度试验：轴拉或劈拉两类[3]。国内学者刘元湛等[4]最早测定了水泥浆体和集料界面的黏结强度，研究了不同水灰比和水泥品种对界面黏结抗拉和抗剪强度的影响；朱亚超[5]采用劈裂试验来研究砂浆-骨料界面黏结强度的影响规律,研究发现随着骨料表面粗糙度的增加和砂浆本体强度的提高,界面黏结强度也显著增大；Hong等[6]直接在岩石平板上浇筑水泥浆模拟界面来测量界面过渡区的黏结抗拉强度；陈代果等[7]在混凝土中预埋不同粒径的天然卵石,通过直接拉拔试验获得卵石与浆体之间的界面黏结强度，研究表明卵石与浆体之间的黏结强度随着混凝土等级的提高,卵石粒径对黏结强度的影响相对较小；王亚红等[8]研究了3种强度等级混凝土、2种最大骨料粒径的6种混凝土骨料-砂浆界面过渡区的劈裂抗拉强度、抗剪强度，发现界面黏聚强度随骨料粒径增大而增大。

再生骨料与水泥浆体的界面是再生骨料透水混凝土的薄弱环节，故再生骨料与水泥浆体的界面黏结强度会直接关系到再生骨料透水混凝土路面的工程质量。本文从主要影响因素入手，研究了骨料粒径及水胶比两种因素对再生骨料与水泥浆体的界面黏结强度的影响。

2 原材料及试验方法

2.1 原材料

再生骨料采用某骨料破碎厂生产的再生骨料，经人工筛选出粒径为4.75 mm～9.5 mm及9.5 mm～16 mm的骨料，在自来水清洗和自然晾干后用于试验，其物理性能指标见表1。

表1 再生骨料物理性能指标

水泥选用华新牌P.O42.5普通硅酸盐水泥，其物理性能指标见表2。

表2 水泥物理性能指标

减水剂：采用秦奋牌聚羧酸系高性能减水剂，减水率为26%，固含量(质量分数)为20%。

2.2 配合比设计

本试验将再生骨料透水混凝土的目标孔隙率设定在20%，经前期试验研究[9],水泥净浆流动度为110 mm～150 mm均可良好地成型，为了使水泥浆尽可能以同样的均匀度包裹各试验组的骨料，将水泥净浆流动度全设定为同一值：110 mm。结合其他学者的研究,设计研究了不同骨料粒径(4.75 mm～9.5 mm,9.5 mm～16 mm)及不同水胶比(质量比)(0.25，0.30，0.35，0.40)对再生骨料与水泥浆体的界面黏结强度的影响，具体配合比见表3。

表3 再生骨料透水混凝土配合比

2.3 试件制备

为了能让骨料表面形成均匀的水泥包裹层，先将再生骨料和水泥充分搅拌；然后加入一半的水进行搅拌，搅拌均匀后；再把另一半拌合水和减水剂加入混凝土中充分搅拌[10-11]。在成型时，分两次将再生骨料透水混凝土拌合物装入100 mm×100 mm×100 mm的模具中，每次填装后进行插捣，并用台称称至理论重量，最后用小型平板振动器进行振动成型。试块脱模成型后在标准养护室养护至28 d龄期进行试验。

2.4 试验方法

2.4.1 试验原理

透水混凝土颗粒之间的连接方式主要为接触与嵌固关系，表层颗粒存在与周边和下层颗粒的黏结，如试图将骨料颗粒从试验对象(正方体混凝土试块)拔出，将要破坏周边多个黏结面。另一种可能性是，试验中表层颗粒受拉作用面浆体与骨料分离，破坏骨料上表面浆体的包裹面。本试验中，主要依靠后一形式进行测试。这一假定在试验中得到验证。

2.4.2 拉拔试验

拉拔试验装置如图1所示。在测试前，需做以下准备：

1)将试块表面烘干以确保试块表面干燥。

2)将AB胶以1∶1的比例倒入杯中搅拌均匀，然后倒入盛胶容器中制成胶块。

3)待胶块固化后，用2 mm的钻头在胶块中间钻出一条贯通的孔，再把胶块粘在上表面较为平整的颗粒上并在室温放置2 d(见图2)。

拉拔试验操作过程如下：

1)使万能试验机的上夹具夹住电子吊秤，下夹具夹住一根长40 cm的钢筋。

2)将准备好的试块放置在铁板上，通过两根直径为2.5 mm铁丝将下夹具夹紧的钢筋、铁板、试块固定为一个整体。

3)调整万能试验机的横梁，使受拉的胶块与吊钩在同一垂线上。

4)用细绳穿过钻好的孔并挂在电子吊秤下的吊钩上(见图3)。

5)将电子吊秤调零，设置为显示峰值。

6)调整万能试验机的加载方式进行加载(预加载30 mm，加载速度为30 mm/min，然后定位加载，速度为5 mm/min)。

7)每次当胶块被拉出后，记录电子吊秤的峰值和受拉胶块的顺序并按顺序装进有序号的胶袋。

8)按照胶块受拉的顺序，逐一对破坏面进行拍照且每次拍照的高度为同一高度。

再生骨料与水泥浆体的界面黏结强度按式(1)计算：

(1)

其中，σ为再生骨料与水泥浆体的界面黏结强度特征值，简称界面黏结强度；F为电子吊秤的拉力峰值；A为破坏处的截面投影面积。

试验利用图像软件计算破坏处的截面投影面积，但图像软件计算出的破坏处截面投影面积存在误差，故通过参照物的实际截面面积与图像软件计算出的参照物的面积的误差，来调整图像软件计算出的面积。

3 试验结果与讨论

3.1 试验结果

如前原理所述，拉拔试验的结果可能有三种：表面颗粒与胶块脱离(见图4(a))，未破坏骨料表面的水泥浆层；表面水泥浆层与骨料脱离(见图4(b))；表面颗粒整个被拉出(见图4(c))。由试件拉拔前后比对图(如图5，图6所示)可知，拉拔试验的结果均为表面水泥浆层与骨料脱离。由于各试验组表面颗粒的数量和颗粒上表面平整度不同，故各试验组可进行测试的表面颗粒数量不同，本次试验中各组可进行测试的表面颗粒数量如表4所示。经误差处理和统计，计算得到不同因素下再生骨料与水泥浆体的界面黏结强度箱形图对应的六个统计量(见表5,表6)。

表4 各试验组可进行测试的表面颗粒数量 个

表5 骨料粒径为4.75 mm～9.5 mm组的黏结强度统计量 MPa

表6 骨料粒径为9.5 mm～16 mm组的黏结强度统计量 MPa

3.2 水胶比对再生骨料与水泥浆体的界面黏结强度的影响

图7为再生骨料与水泥浆体的界面黏结强度箱线图。从图7(a)可以看出，粒径为4.75 mm～9.5 mm时，随着水胶比的增大，再生骨料与水泥浆体的界面黏结强度总体呈现先下降后上升的趋势;其中水胶比(质量比)为0.40组比水胶比(质量比)为0.30组的界面黏结强度平均高1.16 MPa；各组的平均界面黏结强度均不小于2.30 MPa。从图7(b)可以看出，粒径为9.5 mm～16 mm时，随着水胶比的增大，其界面黏结强度总体呈现先上升后下降的趋势;其中水胶比(质量比)为0.35组比水胶比(质量比)为0.25组的界面黏结强度平均高1.82 MPa；各组的平均界面黏结强度均不小于2.51 MPa。

3.3 骨料粒径对再生骨料与水泥浆体的界面黏结强度的影响

结合图7(a)和图7(b)可以看出，当水胶比(质量比)在0.30～0.40范围时，在水胶比相同的情况下，4.75 mm～9.5 mm组的界面黏结强度总体小于9.5 mm～16 mm组；但当水胶比都为0.25时，9.5 mm～16 mm组的界面黏结强度比4.75 mm～9.5 mm组平均小0.21 MPa。由表3可知，当水灰比相同时，若制备同体积的再生骨料透水混凝土，粒径为4.75 mm～9.5 mm组所用的水泥浆量比粒径为9.5 mm～16 mm组多，但前者的界面黏结性能并未优于后者。

4 分析

4.1 水灰比影响再生骨料与水泥浆体的界面黏结强度的分析

由于各试验组的净浆流动度和目标孔隙率均相同，故在相同粒径组中，包裹骨料的浆体的厚度及其包裹均匀程度对界面黏结强度影响较小，此时水胶比起着主要作用。水胶比过小或过大都会对再生骨料与水泥浆体的界面黏结强度造成不利影响，这是因为再生骨料比天然骨料的吸水性要大很多，再生骨料吸走了部分水分，当水胶比过小时，则会影响水泥完全水化[12]，而当水胶比过大时，水泥浆体硬化后本身的孔隙率增大，致密性降低。9.5 mm～16 mm组的界面黏结强度随水胶比的变化规律与4.75 mm～9.5 mm组不一样，这是由于粒径为9.5 mm～16 mm的骨料的吸水率较小，本身对水量的要求也就减小，其在水胶比(质量比)为0.35时就能使水泥完全水化。需要指出的是，当骨料粒径为4.75 mm～9.5 mm时，水胶比(质量比)为0.25组的界面黏结强度并没像理想情况那样，总体低于水胶比(质量比)为0.30组的黏结强度，其具体原因需结合XRD分析和微观结构分析做进一步研究。

4.2 骨料粒径影响再生骨料与水泥浆体的界面黏结强度的分析

在水胶比相同的情况下，水泥浆体的性质对界面黏结强度的影响程度基本不变，此时是因骨料粒径不同导致骨料包裹层厚度不同在起主要作用。随着骨料粒径的减小，再生骨料与水泥浆体的界面黏结强度总体呈现下降的趋势，这是因为浆体包裹层厚度过薄,骨料和水泥石的黏结效果受到不利的影响[13]，根据汪文文等[14]提出的水泥浆厚度计算公式可得，4.5 mm～9.5 mm组骨料的水泥浆包裹厚度为328 μm,而9.5 mm～16 mm组骨料的水泥浆包裹厚度为638 μm；这与赵洪等[15]得到的结论一致，即随着骨料粒径的增大，水泥浆厚度也随之增大。

5 结论

针对再生骨料透水混凝土在使用中，表面骨料易剥离的情况，以再生骨料与水泥浆体的界面黏结强度为指标，研究了骨料粒径和水胶比两种因素的影响。试验得到的结论如下：

1)水胶比过小或过大都会对再生骨料与水泥浆体的界面黏结强度造成不利影响，因此应选择合适的水胶比，使水泥浆达到更佳的性能。

2)在相同孔隙率、净浆流动性条件下，大粒径骨料表面附着了更厚的水泥浆，有利于提高再生骨料与水泥浆体的界面黏结强度。

3)在本实验中，当水胶比(质量比)为0.35，粒径为9.5 mm～16 mm时，再生骨料与水泥浆体界面的黏结强度总体表现最优。