新舊混凝土粘結(jié)面水穩(wěn)定性試驗(yàn)

黃 華

（重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400074）

0 引言

水泥混凝土作為一種常用的建筑材料，被廣泛應(yīng)用于我國(guó)的道路建設(shè)行業(yè)中。目前，我國(guó)水泥混凝土路面建設(shè)規(guī)模已超過(guò)2.5 萬(wàn)公里/年，是世界上水泥混凝土路面建設(shè)里程數(shù)最多的國(guó)家之一。但隨著交通量的增加，水泥路面的軸向荷載增大，路面出現(xiàn)不同程度的破壞和功能缺陷[1-2]，嚴(yán)重影響道路服務(wù)水平和車輛行駛安全，水泥混凝土路面的老化修復(fù)和病害恢復(fù)越來(lái)越引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注[3-4]。

對(duì)于水泥混凝土路面修復(fù)技術(shù)，普遍使用的是在現(xiàn)有水泥混凝土路面上加鋪水泥混凝土層修復(fù)技術(shù)，新舊水泥混凝土粘結(jié)面的研究是該技術(shù)的關(guān)鍵所在，部分學(xué)者已對(duì)影響新舊混凝土粘結(jié)強(qiáng)度的主要因素進(jìn)行了大量研究[5-8]。在這些因素中，混凝土基材的特性，界面劑的選擇對(duì)新舊混凝土的粘結(jié)有很大影響。

秦明強(qiáng)等[9]研究了在不同的界面干濕狀態(tài)下，幾種修補(bǔ)材料和界面劑對(duì)新舊混凝土界面結(jié)合強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明，在修補(bǔ)材料中加入纖維會(huì)明顯提高界面結(jié)合強(qiáng)度。李斌等[10]提出一種新型三維鋼筋網(wǎng)墊用于新老混凝土界面的錨固連接，并對(duì)不同界面連接形式的新老混凝土進(jìn)行了直剪試驗(yàn)，結(jié)果表明，通過(guò)三維鋼筋墊網(wǎng)進(jìn)行界面錨固后，結(jié)構(gòu)的抗剪強(qiáng)度得到較大提升。黃璐等[11]通過(guò)未涂刷界面劑與4 種不同界面劑的Z 型試件的直剪試驗(yàn)，并采用顯微硬度儀與掃描電子顯微鏡對(duì)界面過(guò)渡區(qū)的顯微硬度值進(jìn)行分析，結(jié)果表明，界面劑在一定程度上能優(yōu)化界面結(jié)構(gòu)，提高界面的粘結(jié)強(qiáng)度。陳建國(guó)[12]等，將硅灰和聚丙烯纖維單摻、復(fù)摻凈漿作為界面劑，對(duì)新老混凝土進(jìn)行粘結(jié)，并進(jìn)行了劈裂抗拉試驗(yàn)，結(jié)果表明，該界面劑作用效果良好，能顯著提高界面的粘結(jié)強(qiáng)度。

影響新舊混凝土粘結(jié)面粘結(jié)強(qiáng)度的因素中，水損害也是其中重要的一個(gè)因素，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于新舊混凝土粘結(jié)面的水穩(wěn)定性研究較少，但在實(shí)際工程中粘結(jié)面的水損害很常見，因此對(duì)于粘結(jié)面的水穩(wěn)定性進(jìn)行一定研究很有意義。本文對(duì)經(jīng)水浸、凍融處理過(guò)后的新舊混凝土試件進(jìn)行劈裂抗拉試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)試件處理前后的劈裂抗拉強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，研究了水浸、凍融對(duì)試件水穩(wěn)定的影響，分析了兩種不同界面劑和不使用界面劑粘結(jié)強(qiáng)度的差異，以期為凍土、水浸地區(qū)的混凝土修復(fù)研究提供一定的參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)的新舊混凝土均采用42.5R 普通硅酸鹽水泥，試驗(yàn)用砂細(xì)度模數(shù)為2.85,屬河砂。粗骨料粒徑為5～20mm 的連續(xù)級(jí)配。

1.2 試件制備

根據(jù)《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50082-2009)要求，混凝土加固時(shí)所用混凝土強(qiáng)度等級(jí)應(yīng)比原結(jié)構(gòu)混凝土的強(qiáng)度等級(jí)提高一級(jí)，且不應(yīng)低于C20，因此確定本試驗(yàn)新、舊混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)等級(jí)分別取為C30 和C25，其材料配合比見表1所示。

本次試驗(yàn)主要分析新舊混凝土粘結(jié)面的水穩(wěn)定性，試件制作過(guò)程如下：首先制備大小為100mm×100mm×100mm 的C25 混凝土試件，將立方體試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室（養(yǎng)護(hù)溫度為20℃、濕度為95%）內(nèi)養(yǎng)護(hù)28 天；然后將養(yǎng)護(hù)后的立方體試件用巖石切割機(jī)切割成兩個(gè)尺寸為100mm×100mm×50mm 的長(zhǎng)方體試件作為舊混凝土試件；將舊混凝土試件表面做人工鑿毛處理后放入立方體試模中，處理面朝上，然后澆筑C30 水泥混凝土，澆筑C30 水泥混凝土?xí)r，新、舊水泥混凝土粘結(jié)面分別采用下列三種粘結(jié)方式：

（1）直接粘結(jié)：不使用界面劑直接澆注新混凝土對(duì)舊混凝土進(jìn)行粘結(jié)。

（2）水泥凈漿粘結(jié)：采用與新混凝土同種水泥制備的水泥漿(水灰比0.5 )作為界面劑涂覆在粘結(jié)面上，再澆注新混凝土對(duì)舊混凝土進(jìn)行粘結(jié)。

（3）環(huán)氧樹脂粘結(jié)：采用環(huán)氧樹脂（成品，市場(chǎng)上銷售）作為界面劑涂抹于粘結(jié)面，再澆筑新混凝土對(duì)舊混凝土進(jìn)行粘結(jié)。

將澆筑粘結(jié)后的新舊混凝土試件編號(hào)，分別放于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室（養(yǎng)護(hù)溫度為20℃、濕度為95%）中養(yǎng)護(hù)28d 和24d。

1.3 試驗(yàn)方法

試件達(dá)到養(yǎng)護(hù)條件后，對(duì)試件進(jìn)行水浸和凍融處理，處理要求如下：①將養(yǎng)護(hù)28d 的物理粘結(jié)、水泥凈漿粘結(jié)、環(huán)氧樹脂粘結(jié)混凝土試件置于溫度為20℃的水槽中分別浸泡0h、12h、36h 和72h；②將養(yǎng)護(hù)24d 的物理粘結(jié)、水泥凈漿粘結(jié)、環(huán)氧樹脂粘結(jié)混凝土試件放入溫度為20℃的水槽中浸泡4d，取出試件并擦干表面，然后將每種粘結(jié)試件分別按照0 次、3 次、8 次、12 次進(jìn)行凍融處理，一次凍融循環(huán)時(shí)間為3h。每次試驗(yàn)進(jìn)行三組平行試驗(yàn)。

對(duì)新舊混凝土試件粘結(jié)面的研究采用劈裂抗拉試驗(yàn)，將試件取出后，擦干表面，檢查外表無(wú)破損嚴(yán)重狀況，用記號(hào)筆標(biāo)示出新舊粘結(jié)面的位置，作為試驗(yàn)面如圖1所示。劈裂試驗(yàn)按照規(guī)范《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》JTG E30-2005 中的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行。

圖1 新舊混凝土試件劈裂抗拉試驗(yàn) Fig.1 New and old concrete spiltting tensile test

根據(jù)劈裂試驗(yàn)，測(cè)出新舊混凝土試件的破壞荷載，按照式1 進(jìn)行計(jì)算，取每組3 個(gè)試件的平均值作為試驗(yàn)值（MPa），將水浸、凍融循環(huán)處理后的界面劈裂抗拉強(qiáng)度與初始強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，以強(qiáng)度比作為新舊水泥混凝土間結(jié)合水穩(wěn)定性的性能指標(biāo)，由于本次試驗(yàn)試件規(guī)格為100mm×100mm×100mm，因此計(jì)算時(shí)需要乘以折算系數(shù)0.85。

式中：tsf為新舊混凝土黏結(jié)試件劈拉強(qiáng)度( MPa)；F為破壞荷載( N)；A為試件界面面積( mm2)，粘結(jié)面的面積近似按100mm * 100mm 計(jì)算。試驗(yàn)結(jié)果見表2、表3。

表2 水浸劈裂抗拉試驗(yàn) Table.2 Water immersion splitting tensile test

表3 凍融劈裂抗拉試驗(yàn) Table.3 Freeze-thaw splitting tensile test

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 界面劑的影響

由于混凝土是水硬性材料，技術(shù)完整的混凝土浸泡水中不會(huì)有什么變化，但是新舊混凝土粘結(jié)界面是一個(gè)薄弱的環(huán)節(jié)，存在大量空隙以及滲水通道，滲入的水對(duì)粘結(jié)面有一定的影響。圖2為兩種處理方式的劈裂抗拉強(qiáng)度柱狀圖。

圖2 劈裂抗拉強(qiáng)度柱狀圖 Fig.2 Splitting tensile strength histogram

從圖2可以看出，無(wú)論新舊混凝土是否使用界面劑，其劈裂抗拉強(qiáng)度都隨著處理時(shí)長(zhǎng)的增加而減少，水泥凈漿作為界面劑的新舊混凝土試件劈裂抗拉強(qiáng)度相比于物理粘結(jié)，強(qiáng)度提升基本保持在5%左右，而環(huán)氧樹脂作為界面劑時(shí)劈裂抗拉強(qiáng)度明顯要高出另外兩組試件15%以上。

環(huán)氧樹脂含有多種極性基因和活性很大的的環(huán)氧基，水泥屬于極性材料，因此能與環(huán)氧樹脂產(chǎn)生極大的粘接力。同時(shí)，環(huán)氧固化物的線膨脹系數(shù)很小，因此內(nèi)應(yīng)力小，對(duì)膠接的影響也比較小，加上環(huán)氧固化物的蠕變小，所以膠層的尺寸穩(wěn)定性好。因此環(huán)氧樹脂作為界面劑時(shí)其粘結(jié)能力要高于另外兩種粘結(jié)方式。

在水滲透的環(huán)境下，水分子逐漸滲入到環(huán)氧樹脂與混凝土界面中，降低環(huán)氧樹脂與混凝土界面的分子間相互作用力，減小界面的粘結(jié)強(qiáng)度。分子間的范德華力會(huì)阻礙環(huán)氧樹脂分子在空間的鏈段移動(dòng)，增大了環(huán)氧樹脂與混凝土界面的結(jié)合自由能。相反，環(huán)氧樹脂分子與水分子間存在庫(kù)侖力，兩分子間可形成氫鍵。在界面粘結(jié)狀態(tài)下，環(huán)氧樹脂的部分鏈段脫離混凝土表面的粘結(jié)，使環(huán)氧樹脂與混凝土接觸面積降低，所以環(huán)氧樹脂作為粘結(jié)劑的試件劈裂抗拉強(qiáng)度也會(huì)隨著水浸時(shí)間的增加而降低。同時(shí)環(huán)氧樹脂在受到凍融時(shí)，內(nèi)部的自由水會(huì)不斷地受膨脹和融化收縮，使環(huán)氧基體內(nèi)部網(wǎng)格結(jié)構(gòu)逐漸發(fā)生破壞，從而導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度降低，不斷收縮膨脹也會(huì)導(dǎo)致環(huán)氧樹脂與混凝土的粘結(jié)面逐漸減少，但是其劣化速率遠(yuǎn)低于普通水泥混凝土，因此在相同凍融次數(shù)下，環(huán)氧樹脂作為界面劑也比另外兩種方式的粘結(jié)強(qiáng)度高。

新舊混凝土粘結(jié)面的機(jī)械作用力及粘結(jié)力會(huì)因界面在凍融循環(huán)作用下產(chǎn)生的微小裂縫而降低，同時(shí)，原本為致密狀態(tài)的界面劑結(jié)構(gòu)因凍融循環(huán)變得疏松多孔。新舊混凝土結(jié)合面性能在微裂紋繼續(xù)產(chǎn)生和發(fā)展下不斷惡化。另一方面，舊混凝土對(duì)新混凝土硬化過(guò)程中的體積收縮有一定的限制作用，在新舊混凝土界面會(huì)產(chǎn)生收縮應(yīng)力。在凍融循環(huán)過(guò)程中，由收縮產(chǎn)生的拉壓應(yīng)力與溫度變化交替產(chǎn)生的拉壓應(yīng)力疊加作用，當(dāng)超過(guò)結(jié)合面的粘結(jié)強(qiáng)度時(shí)，粘結(jié)面開裂，結(jié)合強(qiáng)度降低。在融化過(guò)程中，水將再次進(jìn)入這些開裂的縫隙。再次凍結(jié)時(shí)，縫隙中的水凍結(jié)體積膨脹，破裂面將產(chǎn)生新的更大的拉應(yīng)力，粘結(jié)面將進(jìn)一步受損。這種重復(fù)作用最終將導(dǎo)致宏觀裂縫、不穩(wěn)定和膨脹以及凍融破壞。凍融循環(huán)對(duì)新舊混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度和水穩(wěn)定性有很大影響。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，新舊混凝土界面的粘結(jié)強(qiáng)度和水穩(wěn)定性大大降低。因此，凍融循環(huán)對(duì)新舊混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度和水穩(wěn)定性有巨大的破壞作用。

2.2 處理時(shí)長(zhǎng)的影響

前面探討了不同界面劑之間的的相互大小關(guān)系，但是并未涉及到處理時(shí)長(zhǎng)對(duì)于粘結(jié)性能影響的相關(guān)討論，新舊混凝土之間的粘結(jié)力也會(huì)隨著處理時(shí)長(zhǎng)呈現(xiàn)出不同的衰減速率，圖3表示各種處理方式的劈裂抗拉強(qiáng)度隨著處理時(shí)長(zhǎng)的變化關(guān)系。

圖3 劈裂抗拉強(qiáng)度比值折線圖 Fig.3 Splitting tensile strength ratio line chart

如圖3所示，三種界面處理方式的劈裂抗拉強(qiáng)度均隨著處理時(shí)長(zhǎng)的延長(zhǎng)而減小，物理粘結(jié)與水泥凈漿粘結(jié)隨著處理時(shí)長(zhǎng)的增加減小得更加劇烈，在水浸處理中，物理與水泥凈漿粘結(jié)在實(shí)驗(yàn)最后均只有初始強(qiáng)度的80%以下，而環(huán)氧樹脂粘結(jié)達(dá)到了82%。

在凍融處理中，物理粘結(jié)與水泥凈漿粘結(jié)方式在經(jīng)過(guò)12 次凍融循環(huán)過(guò)后只有初始強(qiáng)度的45%左右，環(huán)氧樹脂粘結(jié)方式可以停留在56%左右。說(shuō)明環(huán)氧樹脂粘結(jié)方式相比其他兩種粘結(jié)方式抗水浸和凍融能力更強(qiáng)，從長(zhǎng)期使用性能來(lái)看，用環(huán)氧樹脂作為界面粘結(jié)劑比其他兩種方式具有更好的抗疲勞性能。

在新舊水泥混凝土試件中，舊混凝土的水泥幾乎完成水化而失去了活力，因此新舊混凝土的粘結(jié)主要是靠機(jī)械嚙合力和范德華力產(chǎn)生。水泥凈漿在一定程度上有微弱改善，與混凝土水灰比不同的水泥凈漿會(huì)促進(jìn)界面的水化反應(yīng)，提高界面區(qū)微觀結(jié)構(gòu)密實(shí)度，改善水化產(chǎn)物形貌以及分布特征，能阻止一部分自由水進(jìn)入粘結(jié)面，從而影響新舊混凝土的粘結(jié)力。而環(huán)氧樹脂的粘結(jié)機(jī)理一方面是環(huán)氧樹脂與混凝土界面的粘結(jié)力，另一方面是環(huán)氧樹脂內(nèi)部的聚合力。當(dāng)自由水進(jìn)入環(huán)氧樹脂與混凝土的粘結(jié)面時(shí)，會(huì)破壞兩者的分子粘結(jié)力，由于環(huán)氧樹脂自身的緊密性，進(jìn)入環(huán)氧樹脂內(nèi)部的自由水很少，因此內(nèi)部的聚合力幾乎不受影響，因此環(huán)氧樹脂作為界面劑的試件隨著水浸時(shí)長(zhǎng)的增加抗拉強(qiáng)度下降速率較緩。

在經(jīng)過(guò)凍融處理時(shí)，一方面物理粘結(jié)方式的試件粘結(jié)面會(huì)存在不密實(shí)的情況，導(dǎo)致大量自由水在粘結(jié)面處不斷凍融循環(huán)，破壞粘結(jié)面的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，另一方面新澆筑的混凝土其膨脹性與舊混凝土不同，凍融時(shí)其體積變化與舊混凝土不相同，會(huì)導(dǎo)致粘結(jié)面形成更多孔隙接納更多的自由水形成破壞，因此破壞最為嚴(yán)重。而水泥凈漿作為界面劑從一定程度上會(huì)改善界面密實(shí)度，有效防止自由水的進(jìn)入，但是會(huì)形成三層結(jié)構(gòu)，即舊混凝土—界面劑—新混凝土面，這個(gè)結(jié)構(gòu)存在兩個(gè)結(jié)合面，每一層的膨脹收縮系數(shù)也不相同，因此也會(huì)出現(xiàn)膨脹收縮不同導(dǎo)致界面出現(xiàn)更多孔隙的問(wèn)題，其劈裂抗拉強(qiáng)度也會(huì)隨著凍融次數(shù)的增加而急劇下降。環(huán)氧樹脂一方面密實(shí)性較好，加上環(huán)氧樹脂本身具有一定的可塑性、收縮性，在受到凍融時(shí)，會(huì)隨著自由水的體積變化而變化，但是環(huán)氧樹脂本身在受到凍融時(shí)其收縮性也會(huì)受到一定影響，因此其試件劈裂抗拉強(qiáng)度也會(huì)隨著凍融次數(shù)的增加而降低，由于環(huán)氧樹脂本身的優(yōu)勢(shì)，其下降速率相比其他兩種聯(lián)系方式要小一些。

3 結(jié)論

1、物理粘結(jié)、水泥凈漿粘結(jié)和環(huán)氧樹脂粘結(jié)3 種粘結(jié)方式中，環(huán)氧樹脂粘結(jié)效果最好，其粘結(jié)強(qiáng)度相比于物理粘結(jié)能提升20%左右，水泥凈漿粘結(jié)相比于物理粘結(jié)，粘結(jié)強(qiáng)度提升在5%左右。

2、水浸作用對(duì)新舊混凝土粘結(jié)強(qiáng)度以及水穩(wěn)定性影響較小，盡管新舊混凝土試件的劈裂抗拉強(qiáng)度隨著水浸時(shí)間的增加有下降的趨勢(shì)，但是下降的幅度很小。

3、在其它條件相同的情況下，新舊混凝土粘結(jié)面的劈裂抗拉強(qiáng)度和水穩(wěn)定性受凍融循環(huán)影響較大，隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加呈急劇下降趨勢(shì)，對(duì)于不同界面劑的情況，其下降程度有所差異。物理粘結(jié)下降速率最大，環(huán)氧樹脂粘結(jié)下降速率最小。這對(duì)實(shí)際加固工程中新舊混凝土的粘結(jié)有非常重要的參考意義。