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文献速读 Compos. Part B：水泥基修复材料与混凝土基体界面区域的梯度微结构及应变场研究  题目 Gradient microstructure and strain field at interfacial zone between cement-based repair and concrete substrate 水泥基修复材料与混凝土基体界面区域的梯度微结构及应变场研究 关键词 梯度界面微结构；应变场；应力传递；1H低场核磁共振；水性环氧树脂 来源 出版年份：2023年 来源：Composites Part B: Engineering 课题组：华南理工大学材料科学与工程学院黄浩良课题组和余其俊课题组 研究背景 混凝土结构受各种荷载和环境作用，易出现开裂、磨损和脱落等问题。此外，不适当的施工操作也会导致混凝土表面存在原始缺陷。这些缺陷会严重缩短混凝土结构使用寿命，对其安全产生负面影响。适当修补可延长混凝土结构使用寿命。然而，传统修补材料与混凝土基体之间的界面区域明显不连续，界面区域通常具有更高孔隙率、更高Ca/Si比的水化产物以及更多间隙和微裂纹等缺陷，在荷载作用下易发生应力集中，最终导致界面脱粘。已有研究表明，通过增加基体表面粗糙度、改变基体水饱和条件、在修复材料中加入纤维或硅灰、使用界面剂等方法均可提高修复材料与基体的结合强度。此外，通过修复材料的聚合物改性技术，也可提高修复材料与混凝土基体的粘结性能。虽然上述方法可有效减少修复材料与基体界面处的微缺陷并增强界面结合强度，但是仍难以消除新旧材料间微结构和性能的非连续性，从而难以消除由新旧材料间非连续性导致的应力集中。 研究出发点 已有研究表明，低粘度水性环氧树脂（WER）可通过其向基体的渗透作用构建具有梯度结构特征的修复界面，从而缓解修复界面应力集中现象，改善界面应力传递机制。此外，WER可改善水泥基修补材料的抗拉强度、极限拉伸应变和韧性等力学性能。因此，WER改性水泥基修复材料具有广阔应用前景，需要对其进行进一步研究。 研究内容 本文通过WER改性水泥基修复材料，在修复材料与混凝土基体间的界面区域构建梯度微结构，缓解修补砂浆与基体之间的应力集中问题。具体为：采用1H低场核磁共振（1H LF-NMR）研究了改性修复材料中WER向基体中的渗透及其固化反应，确定了WER在修复材料与基体界面区域的分布情况；通过背散射电子（BSE）图像分析与能量色散X射线光谱（EDS）映射相结合的方法对界面微结构进行了定量表征；采用纳米压痕技术量化了界面微观力学性能；在此基础上，采用数字图像相关（DIC）技术研究了不同WER掺量下砂浆基体与水泥基修补材料界面处应变场的演化规律，并讨论分析了界面微结构梯度特征对界面应力传递的影响。 表1 WER改性修补砂浆的配合比   图1 WER与固化剂之间的反应式  图2 水中WER的粒径分布 表2 WER砂浆和基材的抗折强度和抗压强度   图3 （a）本文所提方法用于确定WER对界面区孔隙率影响以及（b）特定区域的微观力学性能和微结构影响  图4 弯曲粘结强度试验以及3D-DIC监测用试样和仪器  图5 修复试件的失效特征分析  图6 不同养护时间下，WER含量分别为（a）5%、（b）10%、（c）15%和（d）20 %的不同修补砂浆修补试件中WER的NMR信号强度的1D空间分布曲线  图7 WER渗入基体的深度和NMR信号强度（修补砂浆中WER含量分别为5%、10%、15%和20%）  图8 界面区域的BSE图像（左）和对应的C元素分布图（右）：（a）未掺WER的基准修补砂浆试件；（b）含15%WER修复材料的试件 图9 （a）WER-5%和（b）WER-15%砂浆修复后距界面不同区域孔隙率和孔隙填充率的变化 图10 采用WER-5%、WER-15%砂浆和不含WER的基准砂浆修复后基体中距离界面0 ~ 400 μm区域内不同相的弹性模量和硬度数据（弹性模量超过80 GPa、硬度超过6 GPa的未水化相未在图中显示） 图11 对（a）无WER的基准修补砂浆、（b）WER-5%和（c）WER-15%砂浆修补的基体中距离界面0 - 400 μm区域的弹性模量概率密度函数进行反卷积（只显示了弹性模量在0 ~ 30 GPa范围内的部分） 图12 （a）WER-5%和（b）WER-15%砂浆修复后基体中距离界面不同区域弹性模量概率密度函数之和理论拟合曲线（只显示弹性模量在0 ~ 30 GPa范围内的部分） 图13 （a）7 d和（b）28 d龄期下，不同修补试件在抗折粘结强度试验过程中界面周围应变场的演化规律 图14 与试件底面垂直方向的应变分布曲线：（a）7 d龄期时在3720 N的四点弯曲荷载作用下；（b）28 d龄期时在5089 N的四点弯曲荷载作用下 图15 基材与不同修补砂浆在7 d和28 d龄期时的抗折粘结强度 图16 不同修补试件在28 d龄期进行修补时的破坏特征（黑色区域指的是平面界面处的脱粘；白色区域是指基体砂浆中的裂缝；红色区域是指修补砂浆中的裂缝） 图17 基于图16中的二值图像，对破坏截面区域中的非界面破坏区域进行分析 主要结论 本研究采用低粘度水性环氧树脂（WER）在水泥基修复材料与基体的界面过渡区成功构建了具有梯度特征的微结构，延缓了界面应变集中。基于实验结果，可得出以下结论： （1）新拌修复砂浆中WER在混凝土基体毛细作用下与水溶液一起渗透到混凝土基体中，并沿渗透方向呈梯度分布特征；当水泥基修复材料中WER掺量从水泥质量分数的5%增加到20%时，WER在混凝土基体中的渗透深度从6 mm增加到10.5 mm。 （2）渗入到混凝土基体的WER可填充基体一侧界面区的孔隙；用15%的WER改性修复砂浆时，基体侧界面区域孔隙率降低了40%以上，且微观力学性能显著提高；该区域的弹性模量小于10 GPa的多孔相几乎消失。 （3）在修复的新老材料体系中，在具有梯度特征的界面微区中应变集中现象出现时间显著延迟；在接近极限载荷时，基准试样中新老材料间界面区的最大应变约为2500 με，并立即发生脱粘破坏；在含量大于10%WER的改性修复砂浆试样中，在相同荷载作用下，无论养护龄期如何，新老材料间的界面区最大应变减小到500 με左右。 （4）以15%的WER改性修复砂浆时，28 d龄期的抗弯粘结强度比未改性修复砂浆体系提高了80%；另外，该修复砂浆与混凝土基体脱粘时，破坏部位发生在混凝土基体或修补砂浆材料内部，而非两者界面处。 |
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