CN110376031A - 一种模拟粗骨料-砂浆弱化界面的试验方法 - Google Patents

一种模拟粗骨料-砂浆弱化界面的试验方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于建筑工程技术领域，公开了一种模拟粗骨料‑砂浆弱化界面的试验方法，主要包括：制作圆柱状的岩芯骨料，将岩芯骨料放入水中静置至浇筑前取出备用；将磨碎的橡胶细颗粒附着在岩芯骨料表面；在岩芯骨料周围浇筑砂浆制得复合试件；在试验机上对复合试件进行加载试验，在岩芯骨料表面施加压力荷载，直至岩芯骨料被挤压出复合试件，得到模拟粗骨料‑砂浆弱化界面的抗剪强度和粘结滑移特性。本发明利用粒径足够小的橡胶细颗粒具有较强黏着性，依靠其自身的吸附力附着在岩芯骨料表面，当附有磨损橡胶细颗粒的岩芯骨料与砂浆结合时，磨损的细颗粒会减小砂浆与粗骨料的接触面积，减弱砂浆与粗骨料之间的摩擦与粘结性能，达到模拟弱化界面的效果。

Description

一种模拟粗骨料-砂浆弱化界面的试验方法
技术领域
本发明属于建筑工程技术领域，具体涉及一种模拟粗骨料-砂浆弱化界面的试验方法。
背景技术
在细观层次上，通常将混凝土看成由骨料、砂浆和二者之间的界面过渡区组成的非均质复合材料，其受力表现出明显的非线性与随机性[1]。与骨料和砂浆相比，界面过渡区的密度较小、强度较低、弹性模量较小，是混凝土中的“薄弱环节”。在混凝土结构长期服役过程中，由于砂浆水化作用造成的化学收缩和未水化多余水分蒸发造成的干缩，以及粗骨料和砂浆热膨胀系数差异造成的温度荷载的反复影响，粗骨料和砂浆之间的界面会形成微裂隙等缺陷，明显弱化界面性质，并直接影响混凝土的强度特性。混凝土受到外荷载时，粗骨料处会出现应力集中现象，之后应力集中转移到界面过渡区，该区域内的微裂缝将进一步扩展直至混凝土破坏[2,3]。因此，长期服役后混凝土的力学性能，尤其是抗压强度和弹性模量，在很大程度上取决于界面过渡区弱化性能[4]。
目前还没有能在实验室内准确模拟混凝土长期服役后粗骨料-砂浆弱化界面的方法，也没有标准的试验方法测定界面过渡区的力学性能，只能利用“含界面试件”间接测量。朱亚超[5]采用“含界面试件”的方形试样，研究了砂浆强度和骨料表面粗糙度对界面过渡区粘结特性的影响；Hong等[6]采用相同的试验模型，分别将岩石喷砂、切口、抛光，分析了不同的粗糙度对界面粘结强度的影响；Sinan Caliskan[7]将圆柱形骨料与砂浆基质结合，探究了硅粉对于界面过渡区的影响；Wengui Li等[8]分别探究了天然粗骨料、再生粗骨料与砂浆基体之间的界面过渡区在单轴压缩下的破坏过程。但是，以上试验均没有考虑混凝土长期服役后在界面过渡区内产生的缺陷，仅适应于新制试件，误差明显。吴静等[9]在骨料上涂抹废机油，弱化了骨料-砂浆界面，人为地在界面过渡区引入了微裂缝，使缺陷均匀地分布在界面内，试验探究了界面的强弱程度对混凝土性能的影响，并分析了在外荷载的作用下裂缝的扩展模式，但是该模拟方法会放大弱化效果，加大试验误差；Prokopski G等[3]对骨料表面用石蜡处理，结果表明对骨料表面进行处理后混凝土的抗压强度将会至少降低一半，但是石蜡的熔点较低，且在与氧气充分接触的条件下易发生氧化，因此试验受环境因素的干扰较大。
综上，粗骨料-砂浆界面的性能在很大程度上影响着混凝土的宏观力学性能，但是由于受试验方法所限，目前尚不能有效、真实的模拟长期服役后弱化的粗骨料-砂浆界面，也不能直接测试界面过渡区的力学性质。
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发明内容
以往模拟粗骨料-砂浆弱化界面时，以天然硬岩石材作为粗骨料，表面用机油或者石蜡进行处理，再将其与砂浆浇筑为“含界面试件”的复合试件，这些方法对试验环境要求严格，模拟效果较差，试验误差大。本发明将磨损的细颗粒附着在粗骨料表面达到弱化界面的效果，真实模拟粗骨料-砂浆界面的长期服役缺陷，并可直接准确测定界面变形及破坏性质，为确定劣化混凝土强度及力学性质提供支持。
为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现：
一种模拟粗骨料-砂浆弱化界面的试验方法，按以下步骤进行：
(1)制作圆柱状的岩芯骨料，将所述岩芯骨料放入水中静置至浇筑前取出备用；
(2)将磨碎的橡胶细颗粒附着在所述岩芯骨料表面；
(3)在附着有所述橡胶细颗粒的所述岩芯骨料周围浇筑砂浆，制得复合试件；
(4)在试验机上对所述复合试件进行加载试验，在所述岩芯骨料表面施加压力荷载，直至所述岩芯骨料被挤压出复合试件，得到模拟粗骨料-砂浆弱化界面的抗剪强度和粘结滑移特性。
进一步地，步骤(1)中的所述岩芯骨料是从天然硬岩中钻取后，经过切割打磨得到。
进一步地，步骤(1)中的所述岩芯骨料的直径为30～60mm，高度与复合试件的高度一致。
进一步地，步骤(1)中的所述岩芯骨料在水中静置时间为18～24小时。
进一步地，步骤(2)中的所述橡胶细颗粒的粒径为1～2μm。
进一步地，步骤(2)中的将磨碎的橡胶细颗粒附着在所述岩芯骨料表面的做法为选取粒径为1～2μm的橡胶细颗粒，均匀地铺在平面上，在平面上匀速缓慢地滚动岩芯骨料至少一周，确保所述橡胶细颗粒均匀附着在所述岩芯骨料表面。。
进一步地，步骤(3)中的所述复合试件的形状为立方体，其边长为100mm、150mm或200mm；或者所述复合试件的形状为圆柱体，其直径为100mm、150mm或200mm，对应的高度分别为(200mm、300mm和400mm。
进一步地，步骤(3)中的复合试件制作前将模具清洗干净，脱模剂涂抹均匀；脱模后采用标准养护。
进一步地，步骤(4)中的所述试验机的上压板与所述复合试件之间垫置上垫块，下压板与所述复合试件之间垫置下垫块；所述上垫块的直径等于或略小于所述岩芯骨料的直径，所述下垫块的尺寸大于等于所述复合试件，且所述下垫块中心开设有直径略大于所述岩芯骨料的直径的竖直通孔。
进一步地，步骤(4)中的在所述岩芯骨料表面施加压力荷载，直至所述岩芯骨料被挤压出复合试件，具体包括如下操作：
a.在所述下压板的中心位置由下到上依次放置所述下垫块、所述复合试件、所述上垫块，将所述岩芯骨料与所述上垫块、所述下垫块的中心对齐；
b.手动控制所述上压板与所述上垫块之间接触均衡；
c.设置加载速率为0.5～1.5mm/min，开动试验机直至所述岩芯骨料被挤出所述复合试件。
本发明的有益效果是：
本发明提出一种模拟粗骨料-砂浆弱化界面的试验方法，只需要在铺满粒径为1～2μm橡胶细颗粒的平板上滚动岩芯骨料，使橡胶细颗粒均匀附着在岩芯骨料上，就相当于在界面过渡区人为加入了缺陷，达到弱化粗骨料-砂浆界面的目的。将本方法得到的粗骨料-砂浆界面的剪切应力～应变曲线与原始试件的对比，结果显示当粗骨料表面附有橡胶细颗粒时，测得的界面应力峰值显著降低，即磨损的细颗粒能有效弱化粗骨料-砂浆界面，可真实确定混凝土长期服役后粗骨料-砂浆界面的抗剪强度和粘结滑移特性。
附图说明
图1是实施例所制得的试验所用试件的模型示意图；
图2是采用本方法得到的粗骨料-砂浆界面与原始试件对比的剪切应力～应变曲线图。
具体实施方式
本发明提出的一种模拟粗骨料-砂浆弱化界面的试验方法，主要包括如下几部分：(1)从天然硬岩中钻取岩芯，用以模拟粗骨料；(2)使磨碎的细颗粒附着在岩芯骨料表面；(3)浇筑砂浆，使砂浆与岩芯骨料结合形成“含界面试件”的复合试件。(4)在单轴试验机上对复合试件进行加载试验，得到粗骨料-砂浆界面间的抗剪强度。界面所受的荷载除以界面面积可以得到界面的粘结应力，结合界面与岩芯骨料的相对位移值，即可得到粗骨料-砂浆界面的粘结滑移特性。
下面通过具体的实施例对本发明作进一步的详细描述。以下实施例可以使本专业技术人员更全面的理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
(1)选取表面平整的天然硬岩，利用钻孔机从天然硬岩中钻取直径为60mm的圆柱状岩芯，经过切割打磨使其具有较好的垂直度，并得到高度为150mm的模拟粗骨料试件。钻取的岩芯试样用来模拟混凝土碎石骨料，称为岩芯骨料。岩芯骨料的直径在30～60mm范围内选择，高度与复合试件的高度一致，这样便于操作。
为了保证试件浇筑前粗骨料表面保持足够的湿度，将岩芯骨料放入水中静置24小时，水的PH值在7～8之间，试件浇筑前半小时取出备用。
(2)利用机械粉碎法得到粒径为1～2μm的橡胶细颗粒作为磨碎的细颗粒，粒径太小加工困难，太大则不能保证附着效果。
选取粒径为1～2μm的橡胶细颗粒，均匀地铺在平板上，在平板上匀速缓慢地滚动岩芯骨料至少一周，磨损橡胶细颗粒将会在附着力的作用下均匀地附着在岩芯骨料的表面。转动岩芯骨料时应以不高于1r/min的速度均匀转动，确保橡胶细颗粒均匀附着在岩芯骨料表面。
然后将岩芯骨料垂直放入模具中，并用喷胶将岩芯骨料固定于模具。
(3)在岩芯骨料周围浇筑砂浆，制得“含界面试件”的复合试件如图1所示，岩芯骨料位于复合试件的中心。一般来说，复合试件可以是边长为100mm、150mm、200mm立方体，也可以是直径为100mm、150mm或200mm，对应的高度分别为200mm、300mm和400mm的圆柱体，其尺寸根据普通混凝土力学性能试验方法标准进行选择。试件制作前应将模具清洗干净，脱模剂涂抹均匀。
然后借助振动台使砂浆密实填充在岩芯骨料周围。复合试件成型后用不透水的薄膜覆盖复合试件表面，在温度为20±5℃的环境中静置24小时，然后编号、拆模。拆模后立即放入温度为20±3℃、相对湿度为90％以上的标准养护室中养护，或在温度为20±3℃的不流动的氢氧化钙饱和溶液中养护。标准养护室内的复合试件应该放在架子上，彼此间隔10～20mm，复合试件表面应该保持潮湿，并不得被水直接冲淋。复合试件养护28天后进行加载试验。
(4)在单轴试验机上对复合试件进行加载试验，在岩芯骨料表面施加压力荷载，直至岩芯骨料被挤压出复合试件，单轴试验机直接得到粗骨料-砂浆界面的抗剪强度。界面所受的荷载除以界面面积可以得到界面的粘结应力，结合界面与岩芯骨料的相对位移值，即可得到粗骨料-砂浆界面的粘结滑移特性。
上、下压板与复合试件之间分别垫置上、下垫块。其中上垫块为圆柱体，直径等于或略小于岩芯骨料的直径，本实施例中直径为60mm、厚度为10mm；下垫块为边长略大于复合试件的长方体，本实施例中边长为150×150mm,，厚度为10mm，在下垫块中心位置挖去直径略大于岩芯骨料的圆柱体作为竖直通孔。试验前，将复合试件上下表面擦拭干净并涂抹凡士林，在下压板的中心位置由下到上依次放置下垫块、复合试件、上垫块，将岩芯骨料与上、下垫块的中心对齐。试验时，先手动控制试验机的上压板，确保上压板与上垫块之间接触均衡，然后设置加载速率为1.5mm/min，开动试验机直至岩芯骨料被挤出复合试件。加载速率可以在0.5～1.5mm/min的范围选择，该范围可以保证试验的时间合理，且减小加载速率对试验结果的影响。
为了减小误差对结果的影响，每组至少做三个试件进行试验。
本发明的一种模拟粗骨料-砂浆弱化界面的试验方法，其原理在于：对于传统的“含界面试件”，砂浆包裹粗骨料，形成密实的界面过渡区，忽略了界面长期服役后产生的缺陷。而粒径足够小的橡胶细颗粒具有较强的黏着性，可以依靠自身的吸附力附着在岩芯骨料表面，当附有磨损橡胶细颗粒的岩芯骨料与砂浆结合时，磨损的细颗粒会减小砂浆与粗骨料的接触面积，减弱砂浆与粗骨料之间的摩擦与粘结性能，达到模拟弱化界面的效果。
图2为采用本方法得到的粗骨料-砂浆界面的剪切应力～应变曲线与原始试件的对比结果，结果显示当粗骨料表面附有橡胶细颗粒时，测得的界面应力峰值显著降低，即磨损的细颗粒能有效弱化粗骨料-砂浆界面，可真实确定混凝土长期服役后粗骨料-砂浆界面的抗剪强度和粘结滑移特性。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种模拟粗骨料-砂浆弱化界面的试验方法，其特征在于，按以下步骤进行：
(1)制作圆柱状的岩芯骨料，将所述岩芯骨料放入水中静置至浇筑前取出备用；
(2)将磨碎的橡胶细颗粒附着在所述岩芯骨料表面；
(3)在附着有所述橡胶细颗粒的所述岩芯骨料周围浇筑砂浆，制得复合试件；
(4)在试验机上对所述复合试件进行加载试验，在所述岩芯骨料表面施加压力荷载，直至所述岩芯骨料被挤压出复合试件，得到模拟粗骨料-砂浆弱化界面的抗剪强度和粘结滑移特性。
2.根据权利要求1所述的一种模拟粗骨料-砂浆弱化界面的试验方法，其特征在于，步骤(1)中的所述岩芯骨料是从天然硬岩中钻取后，经过切割打磨得到。
3.根据权利要求1所述的一种模拟粗骨料-砂浆弱化界面的试验方法，其特征在于，步骤(1)中的所述岩芯骨料的直径为30～60mm，高度与复合试件的高度一致。
4.根据权利要求1所述的一种模拟粗骨料-砂浆弱化界面的试验方法，其特征在于，步骤(1)中的所述岩芯骨料在水中静置时间为18～24小时。
5.根据权利要求1所述的一种模拟粗骨料-砂浆弱化界面的试验方法，其特征在于，步骤(2)中的所述橡胶细颗粒的粒径为1～2μm。
6.根据权利要求1所述的一种模拟粗骨料-砂浆弱化界面的试验方法，其特征在于，步骤(2)中的将磨碎的橡胶细颗粒附着在所述岩芯骨料表面的做法为选取粒径为1～2μm的橡胶细颗粒，均匀地铺在平面上，在平面上匀速缓慢地滚动岩芯骨料至少一周，确保所述橡胶细颗粒均匀附着在所述岩芯骨料表面。
7.根据权利要求1所述的一种模拟粗骨料-砂浆弱化界面的试验方法，其特征在于，步骤(3)中的所述复合试件的形状为立方体，其边长为100mm、150mm或200mm；或者所述复合试件的形状为圆柱体，其直径为100mm、150mm或200mm，对应的高度分别为(200mm、300mm和400mm。
8.根据权利要求1所述的一种模拟粗骨料-砂浆弱化界面的试验方法，其特征在于，步骤(3)中的复合试件制作前将模具清洗干净，脱模剂涂抹均匀；脱模后采用标准养护。
9.根据权利要求1所述的一种模拟粗骨料-砂浆弱化界面的试验方法，其特征在于，步骤(4)中的所述试验机的上压板与所述复合试件之间垫置上垫块，下压板与所述复合试件之间垫置下垫块；所述上垫块的直径等于或略小于所述岩芯骨料的直径，所述下垫块的尺寸大于等于所述复合试件，且所述下垫块中心开设有直径略大于所述岩芯骨料的直径的竖直通孔。
10.根据权利要求9所述的一种模拟粗骨料-砂浆弱化界面的试验方法，其特征在于，步骤(4)中的在所述岩芯骨料表面施加压力荷载，直至所述岩芯骨料被挤压出复合试件，具体包括如下操作：
a.在所述下压板的中心位置由下到上依次放置所述下垫块、所述复合试件、所述上垫块，将所述岩芯骨料与所述上垫块、所述下垫块的中心对齐；
b.手动控制所述上压板与所述上垫块之间接触均衡；
c.设置加载速率为0.5～1.5mm/min，开动试验机直至所述岩芯骨料被挤出所述复合试件。
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