梯度结构混凝土的界面力学性能与微观结构.pdf

第 1 3 卷第 1期 2 0 1 0年 2月 建筑材料学报 J OURNAL OF B UI LDI NG MATERI ALS Vo 1 1 3。No 1 F e b ， 2 0 1 0 文章编号 ： 1 0 0 7 9 6 2 9 ( 2 0 1 0 ) 0 1 0 1 0 0 0 5 梯度结构混凝土的界面力学性能与微观结构 王 信 刚 马保 国 ， 付 洪 波。 ( 1 南昌大学 建筑工程学院， 江西 南昌 3 3 0 0 3 1 ；2 武汉理工大学 硅酸盐材料工程教育部重点实验室， 湖北 武汉 4 3 0 0 7 0 ；3 河北 大元建 业集 团 ， 河北 沧 州 0 6 2 6 5 O ) 摘 要 ：采 用界 面劈 裂抗拉 、 显微硬 度 、 S E M 等 测试 手段 综合 评价 了梯 度 结构 混凝 土 ( 无 细观界 面过 渡 区水 泥基 复合 材料 ( MI F ) 一 高性 能混凝 土 ( HP C ) ， 低渗 透混 凝 土( L P C ) 一 HP C ) 的界 面 力学性 能与 微观结构 结果表 明： 梯度结构混凝土进行两次浇注成型时， 采用压印_T - 艺可产生界面强化效应， 提 高界 面黏 结强度 1 O 3 5 ， 从 而有效 解决界 面黏 结强度 降低 的 问题 ； 整 体上 MI F HP C净 浆界 面 的 显微硬度 高于 L P C HP C， 即 MI F - HP C净浆界 面 的黏 结状 况好 于 L P C HP C， 这是 因 MI F HP C 净浆界 面的水化产物结构比 L P C HP C的更为致密所致 关 键 词 ： 梯 度 结构 混凝土 ；界 面黏结 强度 ； 界 面强化 ；显微 硬度 中图分 类号 ： T U5 2 8 文 献标志 码 ： A d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 7 9 6 2 9 2 0 1 0 0 1 0 2 1 I n t e r f a c e M e c h a ni c a l Pr o p e r t y a nd M i c r o s t r u c t u r e o f Gr a d i e n t S t r u c t u r a l Co n c r e t e ( GS C) W ANG Xi n ga n g ，M A Ba o gu o。 。 FU H o n g b o 。 ( 1 S c h o o l o f Ci v i l En g i n e e r i n g a n d Ar c h i t e c t u r e ，Na n c h a n g Un i v e r s i t y ，Na n c h a n g 3 3 0 0 3 1 ，Ch i n a ；2 Ke y La b o r a t o r y o f Si l i c a t e Mat e r i a l s Sc i e n c e a n d Eng i ne e r i ng o f M i ni s t r y o f Edu c a t i o n，W u ha n Uni v e r s i t y o f Te c hn ol og y，W uh a n 43 00 7 0， Chi na ；3 He be i Da yu a n Co ns t r us t i o n Gr o up，Ca ng z h ou 06 26 5 0，Ch i n a ) Ab s t r a c t ：The i nt e r f a c e me c ha n i c a l p r op e r t y a nd m i c r o s t r u c t u r e o f GSC( m e s o i n t e r f a c i a l t r a ns i t i on z o ne f r e e c e me n t b a s e d ma t e r i a l s ( MI F) 一 h i g h p e r f o r ma n c e c o n c r e t e ( HP C) ，l o w p e r me a b i l i t y c o n c r e t e ( L PC) 一 HP C)we r e i n v e s t i g a t e d b y me a n s o f i n t e r f a c e s p l i t t i n g t e n s i l e ，mi c r o h a r d n e s s a n d S EM t e s t s W h e n t h e GS C wa s c a s t t wi c e，i nt e r f a c e b on d s t r e ng t h wa s i nc r e a s e d by 1 0 t o 3 5 by me a n s o f i mpr i n t i n g p r o c e s s a s c o m p a r e d t o t he c o nt r o l wi t ho ut i m p r i nt i ng pr o c e s s I mpr i n t i ng pr o c e s s c a n r e s ul t i n t he e f f e c t o f i nt e r f a c e s t r e n gt he n i ng，a n d r e s o l v e t he pr o bl e m o f i nt e r f a c e b o nd s t r e ng t h d e c r e a s i n gM i c r o ha r dn e s s o f i nt e r f a c e o f M I F- HPC p a s t e i s hi ghe r t ha n t h a t o f LPC- H PC p a s t e，a nd t he s t a t u s of i nt e r f a c e b o nd o f M I F- H PC pa s t e i s s up e r i o r t o t h a t o f LPC- H PC pa s t e Thi s i s be c a u s e h yd r a t i on p r od u c t s i n i nt e r f a c e o f M I F- H PC pa s t e i s d e n s e r t h a n t ha t o f LPC- H PC pa s t e Ke y wo r d s ：g r a d i e n t s t r u c t u r e c o n c r e t e ( GS C) ；i n t e r f a c e b o n d s t r e n g t h；i n t e r f a c e s t r e n g t h e n i n g；mi c r o h a r dn e s s 梯 度结构 混凝 土 ( GS C ) 是指 在地下 工程 结构 混 凝 土 的结构设 计 中 引入 梯 度设 计 思 路 ， 自水 土压 力 方 向依次设置高抗 渗保护层 ( 厚度 1 5 2 0 c m) 、 混凝 土保 护层 ( 厚度 3 O 5 0 c m) 和混 凝土 结构 层 ( 厚度根据设计要求来定) 这 3个功能层 ， 其 中高抗 渗保护层和混凝土保护层共同构成钢筋保护层 ( I g 度 4 5 7 0 c m) 梯 度结 构混 凝 土功能 层 之 间的 界面是其薄弱区， 界面力学性能对梯度结构混凝土 收稿 日期： 2 0 0 9 0 2 2 6 ；修订 日期 ： 2 0 0 9 0 4 2 7 基金项 目； 国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 项 目( 2 O O 5 A A3 3 2 O L O ) ； 江西 省教育厅青年科学基金资助项 目( G J J O 9 4 2 8 ) 第一作者： 王信刚 ( 1 9 7 7 一) ， 男 ， 江西万载人 ， 南 昌大学副教授 ， 博士 E ma i l ： wx g l a b 1 2 6 c o rn 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 王信刚 ， 等 ： 梯度结构混凝土 的界面力学性能 与微 观结 构 1 O 1 功 能层 间的黏 结性 能 有 很 大影 响 ， 甚 至影 响 混凝 土 结构 的整 体 稳 定 性 嘲 D a v i d等嘲 采 用 劈 裂 棱 镜 试 验测试了两混凝 土层 间的黏结强 度， No r b e r t 等 J 研 究 了两 混凝 土层 间 的劈 裂抗 拉 强 度 和 剪切 强 度 ， 但上 述研 究均 侧重 于 宏 观 力学 性 能 的 测试 为进 一 步探 明梯 度结 构混凝 土 界面宏 观力 学性 能与微 观结 构之 间 的内在关 系 ， 本 文采 用界 面劈 裂抗 拉 、 显 微硬 度 、 S E M 等 测试方 法来 研究 之 1 原材料和试验 方法 1 1 原材 料 与配合 比 为 了更 好 考 察 梯 度 结 构 混 凝 土 的界 面 力 学 性 能 ， 本 研 究 设 计 了 2组 梯 度 结 构 混 凝 土 ： 一 组 是 L P C - HP C， 由低渗透混凝土( 1 o w p e r me a b i l i t y c o n - c r e t e ， 简 称 L P C) 和 高 性 能 混 凝 土 ( h i g h p e r f o r - ma n c e c o n c r e t e ， 简称 HP C ) 两 次 浇 注 成 型 ； 另 一 组 是 MI F - HP C， 由无 细 观 界 面过 渡 区水 泥 基 复 合 材 料 ( me s o i n t e r r a c i a l t r a n s i t i o n z o n e f r e e c e me n t b a s e d ma t e r i a l s ， 简称 MI F ) 5 和 HP C两 次 浇 注 成 型 HP C和 L P C 的原 材 料 ： 水 泥 为武 汉 亚 东 水 泥 有 限公 司 P 0 4 2 5水 泥 ； 粉 煤灰 为 武 汉 阳逻 电 厂 级粉煤灰； 硅粉为武钢森泰冶金 有限责任公 司微 硅粉 ； 河砂为细度模数 为 2 5的巴河河砂 ， 中砂 ； 石 子 为粒径 为 4 7 5 9 5 mm 的瓜 米石 和粒 径为 4 7 5 2 6 5 mi l l 的小 分 口石， 均为碎石 ； 高效减水剂为 上海 花王 化 学有 限公 司 Mi g h t y 一 1 5 0高 浓 型萘 系高 效减水剂和美国 G RAC E公司早强型聚羧酸系高效 减 水 剂 ； 减 缩 剂 为 江 苏 博 特 新 材 料 有 限 公 司 J M S RA混 凝 土减缩 剂 MI F的原 材料 ： 水 泥 为武 汉 亚 东水 泥有 限公 司 P1 I 5 2 5水泥 ； 填充 密实 组 分 为 S C M1 ( 1 I 级 粉 煤 灰 ) 和 S C M2 ( 微 硅 粉) ； 细 颗粒 骨 架材 料 由 AG1 ( 粒 径 为 0 1 8 0 2 7 mm 的 石英 砂 ) 和 AG 2 ( 粒 径 为 0 。 2 7 O 7 0 mm的石英 砂) 按质量 比 1： 1配制而 成 ； 减缩 组 分 为 小 分 子 聚 醚 类 减缩 剂 ； 抗 裂 组 分 由 P F 1 ( 长度 为 3 mm 的 聚丙 烯 纤 维 ) 和 P F 2 ( 长度 为 1 0 mm 的聚丙 烯纤 维) 按质 量 比 1：1配制 而成 ； 憎 水组分为高效渗透结 晶型防水材料 ； 高效减水剂为 武汉浩源化学建材有 限公司 F DN高浓型萘系高效 减水 剂 HP C， L P C和 MI F的配合 比分别 见表 1 3 表 1 HP C的 配 合 比 T a b l e 1 Mi x p r o p o r t i o n s o f H P C k g m 1 2 试 样 制备 本文研究梯度结构混凝土界面的力学性能， 同 时研究界面强化工艺压印工艺对梯度结构混凝 土的界面强化效 应 试样编 号见表 4 压 印模具制 作 ： 采用 4根 1 5 mm 的半 圆形钢 筋 ， 均匀 分 布地焊 接 在 1 5 0 mm1 5 0 mm5 mm 的钢 板上 图 1 是压 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 0 4 建筑材料学报 第 1 3 卷 3 结论 1 _ 梯 度 结 构混 凝 土进 行 两次 浇 注成 型 时 ， 采 用 压印工艺可以产生界面强化效应 ， 提高梯度结构混 凝 土界 面黏结强 度 1 0 3 5 ， 有 效 解决 界 面 黏结 强度降低的问题 同时， 在梯度结构混凝土界面处设 置 凹凸式 台阶 ， 还 可 以 防止 混 凝 土 结构 功 能层 之 间 的相对滑移， 确保结构的整体稳定性 2 整体上 MI F HP C净浆界面的显微硬度高于 L P C HP C ， 即 MI F HP C净 浆界 面 的黏 结状 况 要 好 于 L P C - HP C， 这 是 因 MI F - HP C净浆 界面水 化产 物 结构 比 L P C _ HP C的更 为致 密所致 参考 文献 ： 1 2 3 4 5 6 7 王信刚 跨江海隧道 功能梯度混 凝土管 片的研究 与应用 D 武汉： 武汉理工大学 ， 2 0 0 7 W ANG Xi n - g a n g Re s e a r c h a n d a pp l i c a t io n o f f u n c t i o n a l l y gr a d i e n t c o nc r e t e s e g me n t u s e d i n r i v e r c r o s s i n g o r s e a 。c r o s s i n g t u n n e I s E D Wu h a n ： Wu h a n Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y 2 0 0 7 r 8 ( i n Ch i n e s e ) BAHR H A ， BALKE H ， FETT T， e t a 1 Cr a c k s i n f u nc t io n a l l y g r a d e d ma t e r i a l s F J Ma t e r i a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 3 ， 3 6 2 ( 5) ： 2 - 1 6 DAVI D G G ， ERI C L， GREG0RY C F， e t a 1 Sp l i t t i n g p r i s m t e s t me t h o d t o e v a l u a t e c o n c r e t e - t o - c o n c r e t e b o n d s t r e n g t h J ACI Ma t e r i a l s J o u r n a l 。 1 9 9 9， 9 6 ( 3 ) ： 3 5 9 3 6 6 NORBERT J， DELATTE M ， S COTT W ， e t a 1 Bo n d s t r e n g t h d e v e l o p me n t wi t h ma t u r i t y o f h i g h e a r l y - s t r e n g t h b o n d e d c o n c r e t e o v e r l a y s J AC I Ma t e r i a l s J o u r n a l ， 2 0 0 0 ， 9 7( 2) ： 2 0 1 2 0 7 马保 国， 高英力 ， 王信刚， 等 无 细观界面过渡 区水泥基材料 的 设计及性能口 硅酸盐学报 ， 2 0 0 7 ， 3 5 ( 7 ) ： 8 8 6 8 9 2 M A Ba o - g u o， GAO Yi n g l i ， W ANG Xi n g a n g， e t a 1 De s i g n a n d p r o p e r t i e s o f me s o - d e e e t i n t e r r a c i a l t r a n s i t i o n z o n e f r e e c e me n t b a s e d ma t e r i a l J J o u r n a l o f t h e Ch i n e s e Ce r a mi c S o c i e t y ， 2 0 0 7， 3 5( 7 )： 8 8 6 8 9 2 ( i n Ch i n e s e ) 连 丽， 印海东 ， 廖卫东 混凝土界面区的显微硬度研究口 国外 建材科技 ， 2 0 0 5 ， 2 6 ( 2 ) ： 8 - 1 1 LI A N Li ， YI N H a i d o ng， L I AO W e i d o n g S t u d y o n t h e m i c r o h a r d n e s s o f i n t e r f a c e z o n e o f c o n c r e t e J S c i e n c e a n d T e c h n o - l o g y o f Ov e r s e a s Bu i l d i n g M a t e r i a l s， 2 0 0 5， 2 6( 2)：8 - 1 1 (i n Ch i n e s e ) 尹 飞， 陈康华 ， 王社权 基体 的梯度结构对涂层硬质合金性能 的 影 响 J 中南大学学报： 自然科学版 ， 2 0 0 5 ， 3 6 ( 5 ) ： 7 7 6 7 7 9 YI N Fe i ，CHEN Ka n g - h u a，W ANG S he - q u a n I n f l u e n c e s o f f u nc t i o n a l l y gr a d e d s t r u c t u r e o f s u b s t r a t e o n p e r f o r ma n c e o f c o a t e d c e me n t e d c a r b i d e J J o u r n a l o f C e n t r a l S o u t h Un i v e r s i t y： Na t ur a l S c i e n c e Ed i t i o n， 2 0 0 5， 3 6 ( 5 ) ： 7 7 6 7 7 9 ( i n Ch i n e s e ) 罗白云， 熊光晶 ， 李庚英， 等 减缩 剂改性新老混 凝土修补界面 层的细观结构与粘结强度 J 硅 酸盐通报 ， 2 0 0 4 ， 2 3 ( 6 ) ： 1 1 0 1 1 2 L UO B a i y u n ， XI ON G Gu a n g - j i n g ， L I Ge n g y i n g ， e t a 1 F i n e s t r u c t u r e a n d bo n d s t r e n g t h o f s h r i n k a g e r e d u c i n g a d mi x t u r e mo d i f i e d r e p a i r i n t e r f a c i a l l a y e r be t we e n ne w a n d o l d c o n c r e t e J B u l l e t i n o f t h e Ch i n e s e Ce r a mi c S o c i e t y ， 2 0 0 4 ， 2 3 ( 6 ) ： 1 1 0 一 l 1 2 ( i n Ch i n e s e ) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m