新舊混凝土界面粘結(jié)材料與性能分析

葛 琦 龍麗琴

(1.重慶交通大學(xué)，重慶 400074; 2.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，重慶 400074)

近年來(lái)我國(guó)大量興建的建筑、公路等混凝土結(jié)構(gòu)已經(jīng)在不斷的使用過(guò)程中出現(xiàn)了較多病害問(wèn)題，裂縫、坑槽、沉陷、傾斜等病害均需要進(jìn)行修補(bǔ)和加固，因而新舊混凝土界面粘結(jié)強(qiáng)度的可靠性被不斷重視，眾多的界面粘結(jié)材料也層出不窮，但新舊混凝土界面粘結(jié)不牢靠，粘結(jié)力作用原理分析不透徹，解決方案不夠有效等仍然是我們現(xiàn)在面對(duì)的重要問(wèn)題。因此本文全面歸納了現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)于新舊混凝土界面粘結(jié)材料和技術(shù)的研究成果，綜合論述了界面粘結(jié)材料作用機(jī)理和性能表征方式，為工程設(shè)計(jì)和施工的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)提供參考。

1 新舊混凝土界面粘結(jié)力作用機(jī)理

新舊混凝土界面粘結(jié)的整體宏觀力學(xué)性能實(shí)質(zhì)是微觀力學(xué)表現(xiàn)的集合，充分研究微觀力學(xué)性能的表現(xiàn)形式和作用方式具有重要作用?，F(xiàn)階段研究學(xué)者較為達(dá)成共識(shí)的觀點(diǎn)為，新舊混凝土界面粘結(jié)力主要由范德華力、機(jī)械咬合力及化學(xué)作用力等構(gòu)成。

有研究表明，已建混凝土的強(qiáng)度越高，密度越大，相應(yīng)的空隙率則越小，新舊混凝土間的作用面越光滑，界面粘結(jié)力越弱，同時(shí)新舊混凝土的粘結(jié)界面屬于不穩(wěn)定不協(xié)調(diào)不吻合界面，為避免眾多不利于界面粘結(jié)的因素，界面前期需要進(jìn)行一定物理加工處理，如高壓水射法、鋼刷劃毛法、人工鑿毛法、噴砂(丸)法、酸浸蝕法等，使界面具有更有效的機(jī)械咬合力[1]。新舊混凝土界面粘結(jié)作用中，水分含量對(duì)其作用力大小具有重要影響。新混凝土的澆筑,會(huì)因?yàn)榕f混凝土的飽水狀態(tài)而缺失水分子間的范德華力作用，而且舊混凝土表面原有的水膜還會(huì)削弱新舊混凝土界面的粘結(jié)，也會(huì)減低聚合物粘結(jié)材料對(duì)新舊混凝土的粘結(jié)作用，適當(dāng)?shù)暮縿t會(huì)促進(jìn)水化產(chǎn)物的粘結(jié)作用。對(duì)于界面粘結(jié)作用機(jī)理研究，形成的較為統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)為：機(jī)械咬合力為主要的粘結(jié)作用力，范德華力次之，而化學(xué)作用力的貢獻(xiàn)效果則最小。

對(duì)于新舊混凝土的界面粘結(jié)問(wèn)題，實(shí)際上類似于混凝土澆筑中，水泥石與骨料的接觸和粘結(jié)牢固問(wèn)題，只是混凝土較骨料來(lái)說(shuō)，其為多相多孔的復(fù)合材料，硬化后的混凝土中骨料與水泥石界面由C-H晶體組成，使得界面處比骨料本身脆弱松散很多，所以界面粘結(jié)的強(qiáng)度需要牢固機(jī)械咬合力或者化學(xué)作用力支撐。

2 新舊混凝土界面粘結(jié)增強(qiáng)材料

在已有的眾多工程實(shí)際中，混凝土結(jié)構(gòu)加固或修補(bǔ)工作的保障往往因?yàn)樾屡f混凝土之間的粘結(jié)性能失效而受阻。新舊混凝土的界面在進(jìn)行表面結(jié)構(gòu)處理提供合理的機(jī)械咬合力的同時(shí)，充分研發(fā)和利用可以促進(jìn)界面粘結(jié)化學(xué)作用力的修補(bǔ)材料也是有效之舉，選擇適當(dāng)?shù)慕缑嬲辰Y(jié)劑可以大幅度提高新舊混凝土過(guò)渡區(qū)的粘結(jié)力，防止結(jié)構(gòu)過(guò)早失效。

目前，市場(chǎng)上界面粘結(jié)修補(bǔ)增強(qiáng)材料總體上分為以下幾類。

2.1 無(wú)機(jī)水泥基類材料

無(wú)機(jī)材料在要求不高的工程中得到了普遍利用，也是新舊混凝土界面粘結(jié)的常用方法，其主要包括水泥砂漿、水泥凈漿、伴有各種摻合料和外加劑的水泥(相關(guān)摻合料目前有粉煤灰、硅灰等材料，外加劑包括減水劑、減縮劑、膨脹劑等)[2]。相關(guān)研究結(jié)果顯示，水泥砂漿與水泥漿的界面粘結(jié)增強(qiáng)效果差距不大，摻硅灰的水泥漿則效果相對(duì)較好，摻有其他摻合料和外加劑水泥漿的效果則參差不齊。如大連理工大學(xué)趙國(guó)藩院士的相關(guān)研究表明，使用水泥漿界面劑可使粘結(jié)界面的抗折強(qiáng)度比不涂界面劑的提高13%，而采用同一配合比的快硬性鐵鋁酸鹽類水泥漿作為界面劑，抗折強(qiáng)度則比不涂界面劑的效果提高23%，采用類似U型膨脹劑的水泥漿作為界面劑的抗折強(qiáng)度則比不涂界面劑的提高效果不夠顯著；鄭州大學(xué)有關(guān)學(xué)者對(duì)水泥基類界面劑的抗凍、抗?jié)B進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，認(rèn)為其抗凍性能很差，同時(shí)其抗侵蝕性能與耐久性能方面表現(xiàn)也較差。

2.2 有機(jī)材料

有機(jī)類界面修補(bǔ)粘結(jié)增強(qiáng)材料是指使用相關(guān)聚合物高分子材料來(lái)全部替代水泥作為膠結(jié)材料，有機(jī)類材料主要以環(huán)氧基結(jié)構(gòu)膠為主，與骨料結(jié)合成為聚合物混凝土/砂漿(Polymer concrete and mortars，簡(jiǎn)稱PC和PM)。此修補(bǔ)材料的性能特點(diǎn)主要有：耐久性較好，與混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度高，可提高養(yǎng)護(hù)速度，縮減施工周期。有機(jī)環(huán)氧基類界面劑與舊混凝土具有較好的粘結(jié)性能，但由于環(huán)氧類材料是憎水性材料，新混凝土澆筑中會(huì)存在較多的水分和水膜，使得其與新澆筑混凝土粘結(jié)性能較差，因此環(huán)氧類界面劑的整體粘結(jié)效果并不明顯。有機(jī)聚合物砂漿界面劑主要包括丙乳砂漿、丁苯砂漿等材料。聚合物界面劑一般會(huì)產(chǎn)生較多氣泡，造成粘結(jié)區(qū)密實(shí)度下降，使得粘結(jié)強(qiáng)度和粘結(jié)效果變差。

2.3 有機(jī)—無(wú)機(jī)復(fù)合修補(bǔ)材料

隨現(xiàn)代混凝土結(jié)構(gòu)具有多樣性，其表面及內(nèi)部損壞的形式與原因也復(fù)雜多變，僅僅憑已有的有機(jī)和無(wú)機(jī)兩類修補(bǔ)材料，很難保證新舊混凝土界面的粘結(jié)強(qiáng)度，并且耐久性也較差，在混凝土修補(bǔ)中很容易導(dǎo)致修補(bǔ)過(guò)早失效，或出現(xiàn)其他病害問(wèn)題。所以，在已有的成果基礎(chǔ)上出現(xiàn)了有機(jī)—無(wú)機(jī)復(fù)合修補(bǔ)材料，有效彌補(bǔ)了現(xiàn)有材料的缺陷，改善了無(wú)機(jī)材料的粘結(jié)強(qiáng)度和耐久性不足等問(wèn)題。同時(shí)在某些具體情況下為改善其特定性能，必要時(shí)會(huì)通過(guò)加入短纖維、減縮劑、偶聯(lián)劑、阻燃劑、防老劑等外加劑來(lái)進(jìn)行復(fù)合材料的性能改進(jìn)。已有研究表明，如聚合物

膠結(jié)混凝土一類的有機(jī)—無(wú)機(jī)復(fù)合修補(bǔ)材料早期及后期強(qiáng)度均較高，對(duì)舊混凝土具有高強(qiáng)粘結(jié)力，并且其抗凍融性和抗?jié)B性表現(xiàn)均較好，吸水率小，但是價(jià)格昂貴。對(duì)于其強(qiáng)度的影響因素研究表明，骨料與膠結(jié)料的性能以及配合比均具有顯著性影響，同時(shí)其也受到工藝與養(yǎng)護(hù)方式的影響。對(duì)溫度的較大敏感性使其固化收縮率比水泥混凝土要大幾倍甚至十幾倍，變形量大。

3 新舊混凝土粘結(jié)界面力學(xué)性能研究

目前，對(duì)于新舊混凝土界面粘結(jié)材料及其力學(xué)性能的相關(guān)研究，國(guó)內(nèi)學(xué)者已經(jīng)做了大量的試驗(yàn)和理論分析，但是至今仍然沒(méi)有得出完整統(tǒng)一的理論，因此對(duì)新舊混凝土界面粘結(jié)力學(xué)性能的研究依然具有重要意義。

已有的新老混凝土界面粘結(jié)力學(xué)性能研究方向主要包括粘結(jié)的抗折性能、抗剪性能、抗拉性能、抗收縮性能、斜剪性能、抗?jié)B性能以及粘結(jié)抗凍性能等技術(shù)指標(biāo)的研究[3]，粘結(jié)界面在不同的處理方式情況下，力學(xué)表現(xiàn)差異較大，而在不同界面劑使用情況下，力學(xué)表現(xiàn)則差異有限，且粘結(jié)力提高幅度明顯低于界面粗糙處理。對(duì)于提高新混凝土強(qiáng)度的觀點(diǎn)，大連理工大學(xué)的相關(guān)研究表明，為促進(jìn)新舊混凝土界面粘結(jié)力而提高新混凝土的強(qiáng)度是性價(jià)比極低的舉措，既不有效也不經(jīng)濟(jì)[4]。在上述相關(guān)試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，有關(guān)學(xué)者還采用塑性理論、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法建立了粘結(jié)強(qiáng)度的理論預(yù)估模型，同時(shí)在今后的相關(guān)研究領(lǐng)域中，宜針對(duì)粘結(jié)界面影響因素進(jìn)行相關(guān)統(tǒng)計(jì)方法分析，如灰關(guān)聯(lián)度分析、主成分分析等，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行回歸分析方法的運(yùn)用，來(lái)對(duì)界面壽命進(jìn)行預(yù)估或規(guī)律評(píng)價(jià)，為實(shí)際工程加固設(shè)計(jì)和建設(shè)工作做出更多有效參考。

[1] 劉艷萌.新舊混凝土粘結(jié)技術(shù)研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2006.

[2] 黃 新，陳 楠.新老混凝土結(jié)合面粘結(jié)問(wèn)題的分析和探討[J].山西建筑，2008，34(30)：154-155.

[3] 李平先，趙國(guó)藩，張雷順.新老混凝土粘結(jié)面的抗凍融劈拉性能試驗(yàn)研究[J].土木工程學(xué)報(bào)，2006，39(4)：20-25.

[4] 郭進(jìn)軍.高溫后新老混凝土粘結(jié)的力學(xué)性能研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2009.