層間粘結(jié)機(jī)理及聚合物乳液界面劑的研發(fā)

張東長 袁登瓊 劉茂光

由于路基的工后沉降導(dǎo)致混凝土路面板的沉降是高速公路在運(yùn)營的前期經(jīng)常遇到的問題,這種沉降隨著時(shí)間的推移會(huì)逐漸穩(wěn)定下來,但沉降造成的路面平整度下降將影響路面的行駛質(zhì)量,傳統(tǒng)的維修方法一般是鑿除沉降的混凝土路面,再澆筑新的混凝土面板,以恢復(fù)路面的標(biāo)高。傳統(tǒng)的方法由于工期太長將嚴(yán)重影響到高速公路的運(yùn)營,而且鑿掉混凝土面板既浪費(fèi)資源,又增加維修成本,鑿掉的混凝土還要找地方堆放,對環(huán)境將產(chǎn)生二次污染。超薄水泥混凝土罩面研究是基于對現(xiàn)有水泥混凝土路面板的充分利用,在對現(xiàn)有路面的表面進(jìn)行必要的處理后加鋪早強(qiáng)超薄混凝土結(jié)構(gòu)層,該混凝土的厚度最小8 cm,達(dá)到恢復(fù)路面標(biāo)高并實(shí)現(xiàn)快速通車的目的。筆者將介紹其關(guān)鍵的核心技術(shù)之一即新舊混凝土板之間的粘結(jié)技術(shù)。

1 超薄混凝土及層間粘結(jié)技術(shù)綜述

超薄水泥混凝土罩面是指罩面厚度為50 mm～100 mm之間的混凝土,英文名為 Ultra-Thin Whitetopping,簡稱 UTW,主要用于路面的維修罩面工程,混凝土層間粘結(jié)技術(shù)是其核心技術(shù)之一。

對于混凝土層間粘結(jié)技術(shù),國外在20世紀(jì)末和21世紀(jì)初進(jìn)行過相應(yīng)的研究。其中主要以馬索,Wall,Bijien,Frebrich M.H等人提出的研究成果最具代表性。馬索提出界面過渡區(qū)形成機(jī)理的假說,他認(rèn)為在混凝土拌和過程中,在骨料表面形成一層幾個(gè)微米厚的水膜,而無水水泥的分布密度在緊貼骨料處幾乎為零,然后隨著距離增大而增高。所以在這層水膜中可以認(rèn)為基本上不存在水泥顆粒。當(dāng)水泥化合物溶解于水之后,溶解的離子即擴(kuò)散進(jìn)入這層水膜。如果是不溶性骨料,水膜中的離子全部來自水泥熟料及石膏,但如果骨料是部分可溶性的,則骨料所溶出的離子在骨料表面密度最大。

馬索上述假設(shè)中離子濃度分布曲線凹陷處可能形成大晶核及高孔隙率,是界面中的薄弱區(qū)。

Wall[6]提出新舊混凝土的粘結(jié)界面狀況與水泥—集料的界面狀況相類似,也就是說可以把舊水泥混凝土看作大的集料。Bijien[7]曾提出新舊混凝土粘合是以范德華力、機(jī)械咬合力、表面張力等各種各樣的物理力共同作用來實(shí)現(xiàn)的。同時(shí),Bijien等[7]還認(rèn)為水泥顆粒(平均細(xì)度為30 μ m)在毛細(xì)孔(nm)中水化是不可能的,所以新舊混凝土界面的機(jī)械咬合作用很弱。Frebrich M.H[8]同樣根據(jù)潤濕有利于提高粘結(jié)強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果,認(rèn)為界面粘結(jié)是一種熱力學(xué)作用,也就是說,界面作用是由于物質(zhì)的表面張力引起的。同樣Bruyne N.A[9]和SmorjaiG.[10]通過光譜儀分析發(fā)現(xiàn)在硅膠和玻璃之間存在化學(xué)粘結(jié)作用。然而還未見到對新混凝土與齡期很長的舊混凝土之間的粘結(jié)界面是否存在化學(xué)作用的報(bào)道。

從以上國外對新舊混凝土界面區(qū)性能的研究我們可以發(fā)現(xiàn),目前國外對于新舊混凝土界面區(qū)粘結(jié)理論還不成熟,主要分為4種觀點(diǎn):1)馬索的觀點(diǎn);2)Wall等人認(rèn)為的新舊混凝土的界面粘結(jié)類似于整體混凝土中骨料與水泥漿的粘結(jié)的觀點(diǎn);3)Bijien等人認(rèn)為新舊混凝土是以范德華力、機(jī)械咬合力、表面張力等各種各樣的物理力來實(shí)現(xiàn)粘結(jié)的觀點(diǎn);4)Frebrich M.H等人提出的認(rèn)為界面作用是由于物質(zhì)的表面張力引起的,新舊混凝土的界面粘結(jié)作用力不僅有物理作用力還有化學(xué)作用力的觀點(diǎn)。

國內(nèi)對新舊混凝土之間的粘結(jié)研究主要集中在以下兩種觀點(diǎn)[1-3]:一種觀點(diǎn)是汕頭大學(xué)提出的將新舊水泥混凝土的粘結(jié)界面分成三個(gè)過渡層的理論:第一層為擴(kuò)散層,第二層為強(qiáng)效應(yīng)層,第三層為弱效應(yīng)層,這三個(gè)效應(yīng)層中的強(qiáng)效應(yīng)層的性能又由界面劑的性能、修補(bǔ)材料類型和表面狀況決定。由于水泥混凝土是親水性物質(zhì),修補(bǔ)時(shí)會(huì)在舊混凝土的表面形成一層薄薄的水膜,使得舊水泥混凝土表面的水灰比比新水泥混凝土的本體高。高水灰比使得其界面的鈣礬石和氫氧化鈣晶體的數(shù)量增多,形態(tài)變大,粗大的氫氧化鈣晶體和鈣礬石往往導(dǎo)致形成擇優(yōu)取向?qū)?也就是說形成強(qiáng)效應(yīng)層。這些粗大的晶體形成的結(jié)構(gòu)的孔隙較新水泥混凝土本體多,結(jié)晶差的C-S-H以及氫氧化鈣和鈣礬石的較小的二次結(jié)晶體便填充在這些空隙內(nèi)。強(qiáng)效應(yīng)層的厚薄和性能對界面粘結(jié)的影響顯著,一般來說強(qiáng)效應(yīng)層越薄則界面粘結(jié)性能越好,宏觀粘結(jié)強(qiáng)度就越高。另外該層的孔隙率越少,C-S-H以及氫氧化鈣和鈣礬石二次結(jié)晶體進(jìn)入空隙的越多,則界面的粘結(jié)性能越好。另一種觀點(diǎn)是哈爾濱建筑大學(xué)的博士生高劍平等人提出的,他們認(rèn)為界面區(qū)中主要存在有C-S-H凝膠、C-H晶體、Aft和未水化的熟料顆粒及孔洞、裂縫。界面區(qū)中C-H晶體數(shù)量多而且尺寸較大,同時(shí)界面區(qū)中孔洞較多時(shí),對界面粘結(jié)將產(chǎn)生不利影響。

2 新舊水泥混凝土粘結(jié)機(jī)理及影響因素分析

2.1 界面區(qū)的粘結(jié)力分析

綜合國內(nèi)外的研究成果,筆者認(rèn)為對于新舊水泥混凝土板的粘結(jié),可以將舊水泥混凝土板的粘結(jié)界面看作一個(gè)大的集料,情況與新水泥混凝土中水泥與其本身集料之間的界面類似。新舊水泥混凝土板之間的粘結(jié)力是由范德華力、機(jī)械咬合力、表面張力等物理力和化學(xué)鍵力組成的。其中范德華力要達(dá)到較高水平,那么舊水泥混凝土板必須與現(xiàn)澆水泥混凝土有充分密切地接觸,因此,新澆筑的水泥混凝土必須有良好的振實(shí)工藝。

機(jī)械咬合力的大小,主要由3個(gè)方面決定:1)新水泥混凝土與舊水泥混凝土界面板的接觸面積越大,則機(jī)械咬合力越大。為此,必須增加舊水泥混凝土板粘結(jié)界面的粗糙度,當(dāng)舊水泥混凝土板的粘結(jié)面被處理成凸凹不平的表面時(shí),其咬合面積遠(yuǎn)大于未處理前的面積。2)新舊水泥混凝土界面處漿體的數(shù)量。由于水泥混凝土的流動(dòng)性和工作性能等因素影響,澆筑新水泥混凝土?xí)r,新水泥混凝土中的粗骨料在振搗過程中容易在新舊水泥混凝土界面處聚集,導(dǎo)致粗骨料和舊水泥混凝土板接觸,水泥漿體上浮,即形成所謂“點(diǎn)接觸”,造成界面處缺漿而有效接觸面積降低,而且界面處新澆筑的水泥混凝土不密實(shí)。3)界面漿體的強(qiáng)度。其主要由漿體的水灰比,孔結(jié)構(gòu),漿體的收縮性能等決定。因?yàn)檫@些因素影響著新水泥混凝土的水化產(chǎn)物,包括Ca(OH)2,Aft,C-S-H等在舊水泥混凝土板中大的孔隙(或裂縫)中的生長,影響著新水泥混凝土中的C-S-H凝膠的毛刺向外輻射進(jìn)入舊水泥混凝土板的毛細(xì)孔內(nèi),影響著針狀鈣礬石長入其毛細(xì)孔中,影響著新水泥混凝土的C-S-H毛刺狀物與舊水泥混凝土板的C-S-H凝膠相互交錯(cuò)(即C-S-H進(jìn)入舊水泥混凝土的膠凝孔中),影響著舊水泥混凝土板中未水化部分或未完全水化部分在新水泥混凝土中生長長大(尤其舊水泥混凝土板的齡期較短時(shí))。

2.2 界面區(qū)新水泥混凝土收縮對粘結(jié)的影響

新舊水泥混凝土板之間存在收縮差,新水泥混凝土的收縮主要由水泥石的生成引起。由于集料相對于水泥石來說基本無收縮,而且剛度大,水泥石生成產(chǎn)生的收縮作用使得集料受壓,也使得界面附近生成的水泥石沿集料表面法向受壓、切向受拉,見圖1。應(yīng)力場由集料表面向生成的水泥石深處逐漸減小,界面位置承受的應(yīng)力最大。如果收縮應(yīng)力足夠大,界面首先出現(xiàn)沿集料表面法向的裂縫,見圖1。

正是由于界面處新舊水泥混凝土不同的收縮量使得界面處產(chǎn)生了拉應(yīng)力,當(dāng)拉應(yīng)力達(dá)到水泥混凝土的極限承受力時(shí),結(jié)構(gòu)就被破壞。因此,在配制新舊水泥混凝土粘結(jié)的界面劑時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮使用收縮盡可能小的材料。這樣,使得新舊水泥混凝土界面處不產(chǎn)生或僅產(chǎn)生很小的位移,使界面處的應(yīng)力在水泥混凝土的極限應(yīng)力以內(nèi),以達(dá)到良好粘結(jié)的目的。

2.3 舊水泥混凝土板粘結(jié)面粗糙度對粘結(jié)的影響

現(xiàn)代光譜分析技術(shù)對硬化后水泥混凝土拋光面的能譜透射電鏡分析表明:骨料與水泥石之間有一過渡層,主要由C-H結(jié)晶組成,與其他部分的水泥石相比,界面過渡區(qū)多孔、稀疏,它是混凝土中最薄弱的部位。界面過渡區(qū)的形成與骨料大小、形態(tài)及表面結(jié)構(gòu)有關(guān),其強(qiáng)度是由骨料和水泥漿體間的粘結(jié)決定的。

在外部荷載作用下,水泥混凝土內(nèi)部的界面裂縫尖端形成應(yīng)力集中,并使微裂縫沿混凝土內(nèi)的最薄弱區(qū)——水泥石與集料界面擴(kuò)展,并隨著荷載的增大而擴(kuò)展到基材中,當(dāng)荷載達(dá)到某一臨界狀態(tài)時(shí),水泥混凝土中的主裂縫發(fā)生不穩(wěn)定擴(kuò)展,相互貫通形成破壞面,從而導(dǎo)致混凝土整體失去承載力[4]。

2.4 聚合物對粘結(jié)的影響

在水泥基界面劑中摻入聚合物后,會(huì)使水泥基界面劑的性質(zhì)發(fā)生一系列變化,例如:抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、彈性模量、柔性、變形能力、耐磨性、粘結(jié)強(qiáng)度、耐久性等都會(huì)發(fā)生變化。由于聚合物,特別是高活性聚合物,容易與水泥水化產(chǎn)物及其新舊水泥混凝土產(chǎn)生化學(xué)鍵,化學(xué)鍵的鍵能比一般極性力、范德華力大得多,因此,對于新舊水泥混凝土的界面粘結(jié)技術(shù)研究,應(yīng)當(dāng)主要研究分析聚合物使新舊水泥混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度發(fā)生的變化。

關(guān)于聚合物乳液對水泥基界面劑的改性作用,目前比較一致的看法是,改性作用是通過聚合物在水泥漿與骨料間形成具有較高粘結(jié)力的膜,并堵塞砂漿內(nèi)的空隙來實(shí)現(xiàn)的。水泥水化與聚合物成膜同時(shí)進(jìn)行,最后形成水泥漿與聚合物膜相互交織在一起的互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。含有化學(xué)反應(yīng)活性基團(tuán)的聚合物可能會(huì)與水泥水化生成的氫氧化鈣表面或集料表面的硅酸鹽發(fā)生化學(xué)反應(yīng),這種化學(xué)反應(yīng)可改進(jìn)水泥水化產(chǎn)物與骨料之間的粘結(jié),從而改善新舊水泥混凝土的粘結(jié)性能。

3 聚合物乳液改性水泥基界面劑研究

據(jù)資料報(bào)道,可用來對水泥進(jìn)行改性的聚合物乳液有多種,例如:橡膠乳液(包括天然橡膠乳液、合成橡膠乳液等)、丙烯酸酯乳液、丙烯酸乳液、改性合成橡膠乳液、聚醋酸乙烯酯乳液等。課題組通過分析和實(shí)驗(yàn)研究,開發(fā)出改良的A聚合物乳液,用于界面粘結(jié),下面介紹相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究。

3.1 A聚合物乳液涂刷方法研究

實(shí)驗(yàn)選用純水泥漿做對比分析,對于A聚合物乳液分別采用直接涂刷和稀釋后涂刷兩種方法做對比,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 A乳液不同使用方法對新舊水泥混凝土界面的粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)MPa

從表1可以看出,相對于普通的水泥漿,用A聚合物乳液可以提高界面的粘結(jié)強(qiáng)度,提高幅度平均為18%,當(dāng)把A聚合物乳液先稀釋后再涂刷,效果非常明顯,相對于普通的水泥漿,粘結(jié)強(qiáng)度可提高48%。

3.2 A聚合物乳液水泥砂漿界面劑研究

1)純水泥漿與純水泥漿+水泥砂漿對新舊水泥混凝土粘結(jié)強(qiáng)度對比實(shí)驗(yàn)。根據(jù)前述新舊水泥混凝土粘結(jié)機(jī)理的分析研究,在舊水泥混凝土的粘結(jié)面上直接澆筑新水泥混凝土,在新澆筑的水泥混凝土被振實(shí)的過程中,水泥漿液由于比重較小,便上浮,有些還上浮到表面,而粗骨料由于比重較大,便下沉,而且有些已經(jīng)下沉至底,直接落在舊水泥混凝土的粘結(jié)面上。由于新水泥混凝土中粗骨料的支撐作用,在新舊水泥混凝土的界面上就會(huì)形成疏松,甚至空隙,使新舊水泥混凝土之間不能充分接觸,直接降低了新舊水泥混凝土間范德華力、極性力和化學(xué)鍵力的形成,最終降低了新舊水泥混凝土應(yīng)有的粘結(jié)力[5]。這一機(jī)理的分析,已被對純水泥漿液和純水泥漿液+水泥砂漿兩種界面劑的對比使用試驗(yàn)初步證實(shí)(見表2)。表2證明,純水泥漿+水泥砂漿形成的界面劑的粘結(jié)強(qiáng)度遠(yuǎn)高于純水泥漿作為界面劑的粘結(jié)強(qiáng)度,提高幅度達(dá)11.1%。用聚合物乳液A,但都使用先涂層和砂漿的界面劑4提高了49%,足以說明聚合物乳液A能非常顯著地提高新舊水泥混凝土的粘結(jié)力;d.比較界面劑4和C35新水泥混凝土整體試件。界面劑4由于在先涂層和其后的水泥砂漿中都使用了聚合物乳液A,使新舊水泥混凝土的粘結(jié)劈裂抗拉強(qiáng)度不低于C35新水泥混凝土整體試件的劈裂抗拉強(qiáng)度,說明界面劑4可以用于水泥混凝土超薄層罩面,其層間粘結(jié)強(qiáng)度不低于整體混凝土的強(qiáng)度要求。

表2 純水泥漿與純水泥漿+水泥砂漿對新舊水泥混凝土粘結(jié)強(qiáng)度對比

4 結(jié)語

2)聚合物乳液A改性水泥砂漿使用效果比較。通過配合比實(shí)驗(yàn),確定了聚合物乳液A改性水泥砂漿的初步配合比,下面研究改變該水泥砂漿的使用方法,看其對新舊水泥混凝土粘結(jié)效果的影響。

通過對新舊混凝土界面粘結(jié)機(jī)理分析和聚合物乳液界面劑的應(yīng)用研究,得出如下結(jié)論:1)新舊混凝土界面的機(jī)械咬合力與接觸面積、漿體的數(shù)量和強(qiáng)度有關(guān),研究形成了加大界面粗糙度,采用聚合物界面劑先封閉界面的孔隙,再用聚合物砂漿作為界面劑的整套界面處理技術(shù)方案。2)開發(fā)出了A聚合物乳液界面劑,用于超薄混凝土罩面的混凝土層間粘結(jié),其劈裂抗拉強(qiáng)度可達(dá)到3.5 MPa,大于完整的C35混凝土試件的劈裂抗拉強(qiáng)度。該界面劑的開發(fā)成功,解決了超薄混凝土罩面的關(guān)鍵技術(shù)。3)實(shí)驗(yàn)研究證明聚合物乳液砂漿優(yōu)于單純的聚合物乳液的粘結(jié)性能,從涂刷的不同方法入手,找出了A聚合物乳液的使用方法,研究表明,采用論文推薦的方法,使用A聚合物乳液處理后的混凝土界面粘結(jié)強(qiáng)度不小于整體混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度,具有優(yōu)良的路用性能,可滿足超薄混凝土罩面的工程需要。

表3 聚合物乳液A改性水泥砂漿使用效果比較

由表3可以看出:a.將界面劑1和2的試驗(yàn)結(jié)果對比。在純水泥漿界面劑的基礎(chǔ)上,加用1 cm～2 cm厚未經(jīng)聚合物乳液改性的水泥砂漿,組成復(fù)合界面劑,比單用純水泥漿的效果好,使新舊水泥混凝土的粘結(jié)劈裂抗拉強(qiáng)度提高了9%,可以證實(shí)水泥砂漿可以填充由于新水泥混凝土的粗骨料在混凝土振實(shí)過程中下沉、水泥漿上浮,在新舊水泥混凝土的界面區(qū)形成的疏松和空隙;b.比較界面劑3和 4。界面劑4使用了 1 cm～2 cm厚用聚合物乳液A改性的水泥砂漿,使新舊水泥混凝土的粘結(jié)劈裂抗拉強(qiáng)度又提高了28%,達(dá)到和超過了C35新水泥混凝土整體試件的劈裂抗拉強(qiáng)度。進(jìn)一步證實(shí)了水泥砂漿可以填充新水泥混凝土的粗骨料在混凝土振實(shí)過程中下沉、水泥漿上浮,在新舊水泥混凝土的界面區(qū)形成的疏松和空隙,使新舊水泥混凝土的粘結(jié)力得到明顯的實(shí)質(zhì)性的提高;c.比較界面劑2和4。界面劑4不僅在先涂層,而且在其后的聚合物乳液改性水泥砂漿中都使用了聚合物乳液A,因此,使新舊水泥混凝土的粘結(jié)劈裂抗拉強(qiáng)度比完全不使

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