改性低熱硅酸鹽水泥制備水工混凝土界面劑

陳雪梅 吳 勇 陽運霞

（嘉華特種水泥股份有限公司， 四川 樂山 614003）

0 引言

在結構維護、改造和加固工程以及部分新建混凝土工程中，經(jīng)常涉及到新老混凝土的界面粘結問題，新老混凝土界面粘結的好壞直接影響到工程質量。在很多工程中，新老混凝土粘結面在工作一段時間后就出現(xiàn)裂縫，新補混凝土也出現(xiàn)翹皮、剝落現(xiàn)象，使整體結構的使用功能和安全性再次受損，達不到理想的效果[1]～[5]。尤其在水工環(huán)境中，受潮汐沖擊，經(jīng)常有大量的工程需要修補。要使新老混凝土真正成為一個整體來共同工作，其界面的良好粘結是關鍵所在。選擇一種粘結性能優(yōu)異的膠凝材料又是其核心問題，在前期的試驗工作中優(yōu)選出了以改性低熱硅酸水泥為基材的界面劑具有良好的粘結效果。采用該水泥水化熱低、后期強度增進率大、彈性模量低，耐久性好，通過進一步的改性可明顯改善其早期強度，提高施工性能。同時，該水泥在生產(chǎn)過程中石灰石用量低，煅燒溫度低，可以有效的降低碳排放量，降低能耗，是高性能綠色水泥之一。本文重點介紹采用改性低熱水泥制備的界面劑在混凝土中的性能驗證，通過與中熱水泥拌和的混凝土進行基本性能比對，與新老混凝土粘結面的粘結效果比對比，尤其是水工混凝土的粘結效果對比，進一步驗證了采用改性低熱水泥制備的混凝土界面劑具有優(yōu)異的粘結性能。

1 原材料

本項目所用的主要原材料如表1-1。

表1-1 原材料及廠家

2 試驗

2.1 界面劑本體性能比對試驗

采用該改性低熱硅酸鹽水泥制備的界面劑作為膠凝材料和用中熱水泥摻20%粉煤灰作為膠凝材料配置二級配流態(tài)混凝土，水膠比為0.30，坍落度控制為120mm-150mm，含氣量控制2%-4%，進行混凝土拌和物和硬化混凝土性能對比試驗，混凝土做性能對比實驗?；炷僚浜媳热绫?-1所示。其中HZ為中熱水泥和粉煤灰作為膠凝材料的混凝土，HJ為界面劑作為膠凝材料的混凝土。

表2-1 對比混凝土配合比

不同齡期的抗壓和劈拉實驗結果見表2-2和表2-3。

在相同的水膠比、含氣量和塌落度范圍也均相同的情況下，從表2-2中可以看到，以界面劑作為膠凝材料制備的混凝土早期抗壓強度（7d前）都略低于中熱水泥作為膠凝材料的混凝土，這主要取決于膠凝材料中的早強礦物含量，低熱水泥的早強礦物含量低于中熱水泥中的早強礦物含量；而在14d齡期時，界面劑作為膠凝材料的混凝土強度超過了中熱水泥作為混凝土的強度，正是因為在低熱水泥中含有較高量的硅酸二鈣，且在低溫燒成的硅酸二鈣具有較高的活性，在14d齡期中，強度變得到明顯的發(fā)揮，到28d齡期時，其強度遠大于中熱水泥作為膠凝材料的混凝土。

同樣結合表2-3和圖2.2可以看到，以界面劑作為膠凝材料的混凝土在3d時劈拉強度略低于中熱水泥，而在7d時趕上了中熱水泥，在后期的劈拉強度也在穩(wěn)步增長，都比中熱水泥作為膠凝材料制備的混凝土強度高。同時，也對兩種混凝土的后期彈性模量進行了測試（表2-4），從結果中可以看到，在28d時，界面劑的彈性模量高于中熱水泥的彈性模量，但在28d后界面劑制備的混凝土的彈性模量基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，不再發(fā)生變化，而中熱水泥的彈性模量繼續(xù)增加，界面劑的彈性模量低于中熱水泥的彈性膜，且但二者間的差距在減小。

表2-3 混凝土劈拉強度(MPa)

圖2.2 不同混凝土的劈拉強度

表2-4 混凝土的彈性模量

圖2.3 不同混凝土的彈性模量

綜合以上試驗數(shù)據(jù)可以知道，在水膠比、含氣量和塌落度范圍均相同的情況下，該界面劑作為膠凝材料制備混凝土的強度對比于中熱水泥與粉煤灰作膠凝材料制備混凝土的優(yōu)良。

2.2 界面粘結效果比對試驗

采用混凝土、改性低熱硅酸水泥界面劑、使用改性環(huán)氧、市售界面劑作為界面處理混凝土做粘結效果對比實驗。

2.2.1 直剪試驗

采用表2-1的HZ-1混凝土配方成型一批150×150×75mm混凝土基體試樣，人工打毛至露出骨料，標準養(yǎng)護齡期至28d，對其表面的雜物、油污進行清理，然后分別均勻的涂刷上2mm～3mm厚的界面劑、改性環(huán)氧、市售界面劑以及不涂刷界面劑，再澆筑新混凝土，考慮到粘結面初期強度偏低，故試件在成型后2d脫模，然后置于養(yǎng)護室內養(yǎng)護(溫度20±2℃，相對濕度為95%以上)至一定齡期，進行抗剪強度測試（其中JH為不涂刷界面劑的試樣，JM為項目研發(fā)高標號混凝土用界面劑，MH為市售界面劑，HY為改性環(huán)氧樹脂）。

結合面抗剪強度成果見表2-3，剪切斷裂面見圖2.9。

表2-3 直剪試驗成果

圖2.9 混凝土不同粘結處理劑方式的直剪斷裂圖

抗剪強度測試新老混凝土粘結試件均從粘結面處破壞，且破壞面較為平直。剛開裂時荷載由未開裂部分的粘結力和裂縫兩邊骨料的機械咬合力共同承擔，最后沿粘結面發(fā)生突然性的剪切破壞。從圖2.9可以看出，新混凝土的砂漿包裹在老混凝土凸出的骨料上，受到剪應力作用而被剪斷。在破壞面上老混凝土一側骨料突出，基本上無骨料被剪斷；而新混凝土一側則有凹坑，在應力較大處有硬化水泥漿體被剪斷。

從表2-3可以看到，無論是抗剪斷強度還是抗剪強度，JM在四種不同界面劑粘結處理方式中都是最高的。因為采用的是改性低熱硅酸鹽水泥，且摻有納米材料，有效的降低水泥石的孔隙率，使孔結構得到改善。摻入適量的粉煤灰，界面上粘結力不但來源于范德華力與新老混凝土之間的咬合力，還有粉煤灰二次水化反應所產(chǎn)生的化學作用力。在水泥硬化后，未水化的粉煤灰繼續(xù)水化，水化物填充水泥石中的孔隙，從而使粘結面的過渡層結構更加密實。并且粉煤灰與混凝土中的氫氧化鈣反應生成大量C-S-H凝膠，有利于提高界面的機械咬合力和范德華力。以上因素均能使新混凝土與老混凝土之間具有較好的粘結性能。由于基礎混凝土采用的是中熱混凝土，其中混凝土也含有一部分的粉煤灰，使其抗剪強度也得到了一定的提高。

2.2.2 粘結劈拉試驗

按照2.2.1的粘結抗剪試樣的成型方法進行成型并養(yǎng)護試樣（試件尺寸為150mm*150mm*150mm）至齡期進行粘結抗壓與劈拉強度測試。

混凝土不同粘結處理方式情況下，可以看到JM的界面粘結處無明顯的交界，而其他試樣都有明顯交界處。圖2.10中在如箭頭所示的壓力力方向下，可以看到JM和MH均在新混凝土上發(fā)生了破壞，而JH和HY則在界面產(chǎn)生了裂縫破壞，新老混凝土完好。劈拉實驗中的試樣均從粘結面處斷裂，，新混凝土的水泥漿體包裹在老混凝土凸出的骨料上，由于劈拉應力的作用，二者被拉脫，在劈拉應力較大的截面上，水泥漿體被拉斷，粘結劈拉試件骨料被拉斷的較少斷面整齊。

圖2.10 混凝土不同界面粘結處理抗壓試樣

不同粘結處理的試件粘結抗壓、劈拉強度見表2-4。

從數(shù)據(jù)中可以看到，本項目界面劑JM和市售界面劑MH的抗壓強度相差不大，且試樣均在新混凝土處發(fā)生了破壞，由此可以判定數(shù)據(jù)應為新混凝土強度。沒有界面粘結劑處理的JH由于老混凝土養(yǎng)護齡期較長，強度發(fā)揮較充分，而新混凝土的強度發(fā)展導致其粘結處產(chǎn)生了一定的張力，使得粘結面成了粘結的薄弱環(huán)節(jié)，導致在受到外界壓力的情況下極易產(chǎn)生破壞。界面處用環(huán)氧樹脂粘結劑處理后，其粘結強度比較低。僅靠混凝土本身對粘結劑產(chǎn)生壓力，不能使其很好地通過混凝土中的微孔結構滲入到混凝土內部，因而固化后產(chǎn)生的(錨合)強度也較低。另外，水分對環(huán)氧樹脂與混凝土的粘結性能也產(chǎn)生影響，樹脂與混凝土干燥表面粘結良好，界面上沒有明顯的粘結缺陷。與新混凝土粘結時，在混凝土表面形成了一層水膜，妨礙界面粘結，形成界面縫隙，而且由于水分的作用使樹脂本身的硬化中出現(xiàn)許多微孔微泡，使界面粘結十分不良。所以，在常溫和潮濕條件下不宜采用環(huán)氧樹脂粘結劑來粘結新舊混凝土。

表2-4 不同粘結處理的粘結抗壓、劈拉強度

3 結語

分別使用采用改性低熱硅酸鹽水泥制備的界面劑作為膠凝材料和用中熱水泥摻20%粉煤灰作為膠凝材料，配置二級配混凝土，坍落度控制為120mm-150mm，含氣量控制2%-4%，進行混凝土拌和物和硬化混凝土性能對比試驗；以及使用基礎混凝土、市售界面劑作為界面處理混凝土、使用改性環(huán)氧作為界面處理混凝土、使用成品界面劑作為界面處理混凝土進行相關性能的對比實驗。通過實驗可以得出以下結論：

（1）在相同水膠比、塌落度和含氣量范圍內，該界面劑的綜合力學性能優(yōu)于中熱水泥與粉煤灰作為膠凝材料制備的混凝土；

（2）采用界面劑作為膠凝材料制備的混凝土的彈性模量與大壩常用的中熱水泥的彈性模量在施工上非常匹配；

（3）通過與改性環(huán)氧樹脂、市售界面劑以及不涂刷任何界面劑處理新老混凝土粘結面進行對比，從直觀的抗剪強度可以看到，混凝土新型無機界面處理劑的強度高于其它三種，從而體現(xiàn)出該界面粘結處理劑的粘結效果最佳；

（4）通過不同界面處理的試樣的抗壓和劈拉實驗結果也同樣驗證了混凝土新型無機界面處理劑的粘結性能優(yōu)異。

綜上所述，采用改性低熱水泥制備混凝土界面劑不僅具有優(yōu)異的新老混凝土粘結性能、抗壓、劈拉強度、彈性模量，作為無機界面劑，其還具有良好的耐久性，降低了新老混凝土結合面不匹配而出現(xiàn)二次破壞的的險。同時采用該水泥還能降低碳排放量、降低生產(chǎn)能耗，實現(xiàn)工程綠色化。

[1]程潤喜,周厚貴.新老混凝土結合面新型界面劑的研制[J],南水北調與水利科技,2007,(6).

[2]管大慶.界面處理對新老混凝土粘結性能的影響[J],混凝土,1994,(5):16-23

[3]高劍平，潘景龍，王雨光.不同界面劑對新舊混凝土粘結強度影響的試驗研究[J],哈爾濱建筑大學學報,2001,(5):25-29

[4]高劍平，潘景龍,檢驗新舊混凝土粘結強度合適的試件形式[J],哈爾濱建筑大學學報,2001,(2):32-35

[5]高劍平.不同界面劑對新舊混凝土粘結強度影響的試驗研究[J],哈爾濱：哈爾濱建筑大學,1999