混凝土層面結(jié)合性能影響因素研究進(jìn)展

王玉璞 李家正 石妍 張超

摘 要：混凝土層面結(jié)合性能受諸多因素的控制影響，如澆筑間隔時(shí)間、干濕狀態(tài)、表面粗糙度、界面劑、新澆筑混凝土性能和外部環(huán)境等。通過對(duì)國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)的總結(jié)分析發(fā)現(xiàn)，在澆筑時(shí)采用盡可能短的間隔時(shí)間，采用相對(duì)潮濕的基體，層面采用中等水平的粗糙度，涂刷合適的界面劑，采用性能優(yōu)異的混凝土，選擇適宜的澆筑環(huán)境，都會(huì)對(duì)層面結(jié)合性能起到明顯提升的作用。對(duì)特殊界面劑的使用、制備工藝的優(yōu)化、層面性能評(píng)價(jià)等方面進(jìn)行了展望。研究成果可為混凝土層面結(jié)合的理論及試驗(yàn)研究提供參考。

關(guān)鍵詞：混凝土；層面結(jié)合性能；強(qiáng)度

中圖分類號(hào)：TV544；TV431 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

大體積混凝土在澆筑施工時(shí)，往往采用分層澆筑混凝土的方式，其中會(huì)涉及到混凝土層面的結(jié)合問題[1]?；炷两Y(jié)構(gòu)在服役過程中會(huì)出現(xiàn)劣化或強(qiáng)度降低的情況，后期對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)加固和修復(fù)的過程中，也會(huì)涉及到新老混凝土界面結(jié)合問題[2]。如何提高新老混凝土結(jié)合面的粘結(jié)質(zhì)量是工程施工中需要重點(diǎn)關(guān)注的問題。

近些年來許多國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞混凝土層面結(jié)合性能展開了研究。Fan等[3]、Santos等[4]研究了新老普通混凝土層面的結(jié)合性能，王楠等[5]研究了ECC與普通混凝土的粘結(jié)，Diab等[6]研究了自密實(shí)混凝土層面的結(jié)合性能，F(xiàn)arzad等[7]研究了UHPC與普通混凝土層面的結(jié)合性能，他們對(duì)層面結(jié)合性能的影響因素的研究主要包括澆筑間隔時(shí)間、干濕狀態(tài)、表面粗糙度、界面劑、新澆筑混凝土性能和外部環(huán)境等。

以下首先對(duì)混凝土層面薄弱的原因進(jìn)行分析，總結(jié)相關(guān)層面研究模型，然后對(duì)混凝土層面結(jié)合性能的主要影響因素進(jìn)行總結(jié)，分析各種影響因素的影響程度及大小，以期為混凝土層面結(jié)合的理論及試驗(yàn)研究提供參考。

1 混凝土層面結(jié)構(gòu)性能薄弱原因

Baloch等[8]認(rèn)為粘結(jié)作用使混凝土層面產(chǎn)生一層水膜，新混凝土層面的水灰比變高，同時(shí)使層面上的鈣礬石和氫氧鈣石結(jié)晶增加，阻礙了膠凝材料與骨料之間的接觸，從而降低了層面的強(qiáng)度。高劍平等[9]認(rèn)為新老混凝土之間難以相互水化融合，新老混凝土層面可能存在骨料的擠壓?jiǎn)栴}，使得層面處的水泥漿不能滲入到老混凝土的孔隙內(nèi)，造成新混凝土中粘結(jié)過渡區(qū)域不夠緊密，降低了新老混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度。

在細(xì)觀尺度上，硬化后的水泥基材料通常被看成是由骨料、水泥漿體以及兩者之間的界面過渡區(qū)構(gòu)成的三相復(fù)合材料，界面過渡區(qū)的形成主要發(fā)生在混凝土的成型、水化和硬化過程3個(gè)階段[10]。Pigeon等[11]同樣指出，新老混凝土之間的界面非常類似于骨料和水泥之間結(jié)合的界面，在新澆筑混凝土層和老混凝土基底之間存在壁效應(yīng)，導(dǎo)致出現(xiàn)薄弱面形成過渡區(qū)。

關(guān)于混凝土層面研究的模型，目前主要有以下幾種：趙志方等[12]提出了雙界面—多層區(qū)粘結(jié)模型，新老混凝土粘結(jié)由新混凝土區(qū)、老混凝土區(qū)，新老混凝土粘結(jié)過渡區(qū)組成；Xie等[13]提出新老混凝土界面過渡區(qū)分為三層，靠近老混凝土為滲透層，中間為強(qiáng)烈影響層，靠近新混凝土為弱影響層；He等[14]將過渡區(qū)分為反應(yīng)層和滲透層兩層；謝慧才等[15]研究的過渡區(qū)則包括滲透層、反應(yīng)層和漸變層。

2 層面結(jié)合性能影響因素研究進(jìn)展

2.1 澆筑間隔時(shí)間對(duì)層面結(jié)合性能的影響

大體積混凝土是分層澆筑施工的，在層間往往會(huì)形成各種接縫，根據(jù)混凝土初凝終凝時(shí)間，將在初凝之前澆筑形成的接縫稱為熱縫，介于初凝終凝時(shí)間形成的接縫稱為溫縫，終凝之后形成的接縫稱為冷縫，混凝土施工中的各種接縫會(huì)顯著影響性能和耐久性[2]。

關(guān)于熱縫和溫縫，Lee等[16]研究表明澆筑一個(gè)小時(shí)內(nèi)，隨著間隔時(shí)間的增加，剪切強(qiáng)度逐漸下降，同時(shí)壓實(shí)能有所改善。Liu等[17]通過庫(kù)倫準(zhǔn)則研究不同間隔時(shí)間下剪切試驗(yàn)的規(guī)律，發(fā)現(xiàn)對(duì)應(yīng)于峰值剪應(yīng)力的狀態(tài)而言，隨著間隔時(shí)間的增加，剪應(yīng)力逐漸減小，而粘聚力的變化沒有固定趨勢(shì)。Qian等[18]同樣發(fā)現(xiàn)，隨著間隔時(shí)間的延長(zhǎng)，界面粘結(jié)強(qiáng)度逐漸降低，其中冷縫強(qiáng)度僅有無(wú)間隔時(shí)間條件下的60%。不同層面間隔時(shí)間時(shí)劈拉試驗(yàn)的結(jié)果[19]見圖1。

目前的研究更多針對(duì)冷縫，主要包括冷縫對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響[20]，冷縫的斷裂性能[21]，以及冷縫粘結(jié)剪切性能評(píng)估[22]。Baloch等[8]研究了不同材料和特殊環(huán)境中混凝土的冷縫，包括冷縫對(duì)使用再生骨料的混凝土性能的影響，高溫環(huán)境對(duì)普通混凝土、自密實(shí)混凝土和碾壓混凝土中的冷縫的影響。

上述研究中的冷縫，更多地關(guān)注于混凝土剛剛經(jīng)過終凝時(shí)所形成的接縫。隨著間隔時(shí)間的繼續(xù)增加，基體混凝土開始硬化，層面結(jié)合性能也會(huì)減弱。Fan等[3]在研究普通混凝土粘接時(shí)，對(duì)不同齡期硬化后的混凝土表面采取添加界面劑、鑿毛的措施，均發(fā)現(xiàn)新舊混凝土的劈裂強(qiáng)度隨著舊混凝土的齡期增長(zhǎng)而不斷降低，舊混凝土齡期達(dá)到10 d時(shí)，劈拉強(qiáng)度相比于1 d時(shí)下降20%～30%，之后隨著齡期的增加，劈拉強(qiáng)度下降趨于緩慢。

2.2 干濕狀態(tài)對(duì)層面結(jié)合性能的影響

干燥界面會(huì)導(dǎo)致交界面附近的水泥水化不完全，產(chǎn)生大量氣泡，形成薄弱區(qū)域，減小粘結(jié)強(qiáng)度[5]；不同飽水狀態(tài)下，新舊界面過渡區(qū)微觀分析有明顯的差別，含水量高的表面，增加了界面過渡區(qū)的水灰比，孔隙率增加，而含水量低的表面，界面過渡區(qū)水灰比小，孔隙率低[23-24]。拉拔試驗(yàn)、抗折試驗(yàn)中，含水量高的界面具有更高的界面粘結(jié)強(qiáng)度；但在剪切試驗(yàn)中，含水量高的界面并不一定會(huì)產(chǎn)生更高的粘結(jié)強(qiáng)度[26]（見圖2），而有些試驗(yàn)中，含水量高的界面反而會(huì)產(chǎn)生較低的粘結(jié)強(qiáng)度，甚至不會(huì)對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度產(chǎn)生影響[8，23-26]。

Varga等[23]發(fā)現(xiàn)處于飽和面干的試樣與新混凝土進(jìn)行粘結(jié)后，其拉拔強(qiáng)度比未經(jīng)過處理的高；Dale等[24]的研究表明表面含水量較高的基體比含水量較低的基體具有更高的剪切強(qiáng)度；Farzad等[7]發(fā)現(xiàn)干燥界面的抗彎強(qiáng)度要低于濕界面的基材混凝土試件。而Beushausen等[26]使用類似雙面剪切的方法研究水分的影響時(shí)候，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)存在很大差異；Dale等[24]在斜剪試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)濕度低的界面反而擁有更高的剪切強(qiáng)度，可能是因?yàn)樗畯男迯?fù)材料流向干燥的基體。

大多數(shù)力學(xué)試驗(yàn)中，濕度較高的基體具有更好的粘結(jié)強(qiáng)度，但這種增強(qiáng)背后的機(jī)制并不明確；盡管學(xué)者們已經(jīng)做了大量的研究，但除Mokarem等[27]的研究外，其他所有研究都是在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行的，與實(shí)際的室外環(huán)境存在差異，基體實(shí)際的干濕狀態(tài)和粘結(jié)強(qiáng)度之間的直接關(guān)系仍有待進(jìn)一步考量。

2.3 表面粗糙度對(duì)層面結(jié)合性能的影響

表面粗糙度使得兩層混凝土之間的接觸面積更大，從而實(shí)現(xiàn)更好的層面結(jié)合。研究表明：隨著粗糙度的增加，粘結(jié)強(qiáng)度增大，但粗糙度不能無(wú)限制增大，否則會(huì)對(duì)混凝土表面造成損傷；粗糙度在較低和較高水平時(shí)對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度的提升比較明顯[28]。

Hu等[28]采用劈拉試驗(yàn)、直剪試驗(yàn)、斜剪試驗(yàn)均發(fā)現(xiàn)在灌砂深度在中等水平時(shí)對(duì)強(qiáng)度提升較大，較高水平之后強(qiáng)度甚至?xí)霈F(xiàn)下降。Ayinde等[29]通過齒角、齒深、齒分布等控制粗糙度，進(jìn)行了剪切試驗(yàn)、劈拉試驗(yàn)、拉伸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)這些措施均可以提高層面粘結(jié)強(qiáng)度，但過大的齒深或齒角則會(huì)降低強(qiáng)度。Momayez等[30]在斜剪試驗(yàn)中同樣發(fā)現(xiàn)粗糙的表面對(duì)層面有積極的影響。以上研究均都表明在劈拉和剪切試驗(yàn)中，粗糙度會(huì)對(duì)層面粘結(jié)強(qiáng)度提升50%～90%，而在斜剪試驗(yàn)中甚至可以達(dá)到3倍以上。

也有學(xué)者的試驗(yàn)結(jié)果表明粗糙度的影響很小。Carreno等[31]通過直接拉伸試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)粗糙度對(duì)自密實(shí)高性能混凝土與普通混凝土之間的粘接幾乎沒有影響。結(jié)果與Momayez等[32]的結(jié)果一致，即粗糙度對(duì)拉拔試驗(yàn)的影響可以忽略不計(jì)。然而，在實(shí)際環(huán)境中，拉伸載荷可能間接來源于壓應(yīng)力，Tayeh等[33]研究“間接”拉伸載荷和表面粗糙度的關(guān)系，同樣發(fā)現(xiàn)隨著表面粗糙度的增加，粘結(jié)強(qiáng)度有增加的趨勢(shì)。

2.4 界面劑對(duì)層面結(jié)合性能的影響

涂刷界面劑可改善界面區(qū)微觀結(jié)構(gòu)的密實(shí)度、水化產(chǎn)物形貌及其分布特征，增大機(jī)械咬合作用，提高粘結(jié)強(qiáng)度[34]。

使用水泥砂漿作為界面劑在工程實(shí)際中比較常見。許多學(xué)者的研究都表明砂漿界面劑可以提升界面的粘結(jié)強(qiáng)度[35]，但Delatte等[36]的研究發(fā)現(xiàn)，使用砂漿作為界面劑可能會(huì)產(chǎn)生一個(gè)薄弱面。

環(huán)氧樹脂同樣也作為常用的界面劑，使粘結(jié)強(qiáng)度較砂漿顯著提高。在眾多學(xué)者的研究中[8，37-40]，使用環(huán)氧樹脂分別將新拌和硬化的混凝土粘結(jié)到硬化的混凝土上，分析了它們的界面參數(shù)，表明環(huán)氧樹脂界面劑的使用可以等效于表面粗糙度的處理，且獲得的粘結(jié)強(qiáng)度更高。Manzur等[35]的研究表明，如果使用具有快速硬化特性的環(huán)氧樹脂，可以提高斜剪粘結(jié)強(qiáng)度。Newlands等[41]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)環(huán)氧樹脂的厚度從2 mm增加到4 mm時(shí)，會(huì)降低冷縫的影響，顯著提高抗剪和抗拉強(qiáng)度。但環(huán)氧樹脂在某些惡劣環(huán)境下粘結(jié)強(qiáng)度會(huì)產(chǎn)生損失[42]，Alachek等[43]報(bào)道了凍融作用下接縫混凝土粘接區(qū)出現(xiàn)的微裂縫，而浸入水中的高溫會(huì)導(dǎo)致聚合物的塑化，這是一個(gè)不可逆的過程，導(dǎo)致粘結(jié)強(qiáng)度的損失。不同界面劑下劈拉試驗(yàn)的結(jié)果[44]見圖3。

還有學(xué)者對(duì)各種新型界面劑開展研究，陳建國(guó)等[45]用水泥凈漿作為界面劑，單摻硅灰或聚丙烯纖維以及兩種材料復(fù)摻。馮穎慧等[46]研究一種新型AS界面劑，即在硅溶膠中添加硅粉和粉煤灰。Fahim等[47]研究了地質(zhì)聚合物水泥漿作為界面劑。Xiong等[48]發(fā)現(xiàn)硅烷偶聯(lián)劑可以有效改善修復(fù)材料與舊混凝土之間界面過渡區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)。Pang等[49]應(yīng)用納米二氧化硅改性硅烷作為環(huán)氧改性砂漿和混凝土結(jié)構(gòu)之間的界面偶聯(lián)劑，提高了粘結(jié)強(qiáng)度和韌性。

2.5 新澆筑混凝土性能對(duì)層面結(jié)合性能的影響

（1）新澆筑混凝土的工作性對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度的影響。通過提高新澆混凝土和易性，可以提高其對(duì)基體混凝土和相關(guān)接觸區(qū)域（互鎖）的附著力和粘合強(qiáng)度[8]。Megid等[50]認(rèn)為流動(dòng)性大的混凝土可以增強(qiáng)毛細(xì)吸力，從而改善其機(jī)械錨固并最終改善粘合強(qiáng)度。Diab等[6]加入聚丙烯纖維，使得自密實(shí)混凝土流動(dòng)性提高，粘結(jié)強(qiáng)度增加。Farzad等[7]發(fā)現(xiàn)UHPC可以通過表面孔隙及裂紋滲透，提高附著力并產(chǎn)生耐久性較好的界面。

（2）新澆筑混凝土的強(qiáng)度對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度的影響。Julio等[51]通過斜剪試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于基體混凝土的抗壓強(qiáng)度，增加修復(fù)混凝土的抗壓強(qiáng)度可以提高粘結(jié)強(qiáng)度。Gao等[52]使用抗壓強(qiáng)度不同的兩種膠凝復(fù)合材料加固舊混凝土，拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明，抗壓強(qiáng)度越高對(duì)應(yīng)的粘結(jié)強(qiáng)度越高。Bonaldo等[53]研究了不同強(qiáng)度等級(jí)的新澆筑混凝土，得出了同樣的結(jié)論。關(guān)于新澆混凝土的抗拉強(qiáng)度，F(xiàn)arzad等[7]的結(jié)果也表明抗拉強(qiáng)度增加，粘合強(qiáng)度增加。

（3）新澆筑混凝土的早期收縮對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度的影響。Vagra等[54]認(rèn)為收縮會(huì)在界面處產(chǎn)生剪切應(yīng)力，導(dǎo)致過早開裂，粘合強(qiáng)度降低。Beushausen等[55]認(rèn)為軸向應(yīng)力和彎曲應(yīng)力過大，極端限制可能導(dǎo)致新澆混凝土脫粘和卷曲。Hossain等[56]認(rèn)為低收縮響應(yīng)有利于形成持久的粘結(jié)，且新澆混凝土的干燥和固化引起的裂縫可能會(huì)促進(jìn)水和侵蝕性離子的進(jìn)入，使耐久性降低。

2.6 外部環(huán)境對(duì)層面結(jié)合性能的影響

Zhang等[57]開展了常溫和高溫蒸汽養(yǎng)護(hù)條件下混凝土的粘結(jié)研究，發(fā)現(xiàn)高溫蒸汽養(yǎng)護(hù)會(huì)導(dǎo)致粘結(jié)強(qiáng)度的下降，可能的原因是收縮發(fā)展趨勢(shì)的差異性。Pandey等[58]對(duì)比了在實(shí)驗(yàn)室養(yǎng)護(hù)和在戶外養(yǎng)護(hù)的混凝土粘結(jié)性能，發(fā)現(xiàn)差距較大，主要原因在于溫度和濕度變異性較大，以及雨水等一些條件的干擾。

高溫環(huán)境會(huì)對(duì)混凝土層面的物理力學(xué)性能和耐久性能產(chǎn)生不利的、不可逆轉(zhuǎn)的影響，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅[52]。Memon等[59]指出，高溫可能導(dǎo)致界面差動(dòng)膨脹、蠕變。Khan等[60]認(rèn)為這種不利影響主要與混凝土材料本身的性能有關(guān)，在100℃以上，游離水開始迅速蒸發(fā)，緊接著是鈣礬石脫水，使得層面結(jié)合性能減弱。

硫酸鹽會(huì)對(duì)層面結(jié)合性能產(chǎn)生不利影響，主要是由于鈣礬石的產(chǎn)生使層面產(chǎn)生膨脹，從而使層面分離。Gao等[61]發(fā)現(xiàn)NC-NC在90次硫酸鹽暴露循環(huán)后分離，而SHCC-NC由于其緊密的粘結(jié)面積和較低的鈣礬石形成，即使在120次循環(huán)后仍能提供粘附性和化學(xué)吸附性。合適的抗硫酸鹽水泥（低C3A），或者水泥中含有較高的C4AF也可以減少膨脹鈣礬石的形成，適當(dāng)添加硅灰、粉煤灰、高爐爐渣和偏高嶺土等輔助膠凝材料同樣可以抑制這種膨脹現(xiàn)象[8]。

3 結(jié)論與展望

混凝土層面結(jié)合性能受諸多因素的影響，如澆筑間隔時(shí)間、干濕狀態(tài)、表面粗糙度、界面劑、新澆筑混凝土性能和外部環(huán)境等。隨著間隔時(shí)間的延長(zhǎng)，層面結(jié)合性能逐漸降低；含水量高的界面在部分試驗(yàn)中具有更高的界面粘結(jié)強(qiáng)度；中等水平的粗糙度會(huì)提高層面結(jié)合性能；選取合適的界面劑，如有機(jī)界面劑，能夠大幅提升界面粘結(jié)強(qiáng)度；選取性能優(yōu)異的混凝土，澆筑時(shí)避免高溫、硫酸鹽等外部環(huán)境的影響，都能在一定程度上改善層面結(jié)合性能。

基于對(duì)混凝土層面結(jié)合性能影響因素的分析、歸納和總結(jié)，針對(duì)混凝土層面結(jié)合性能的研究，進(jìn)行了如下構(gòu)想和展望。

（1）特殊界面劑的使用。綜合以上無(wú)機(jī)界面劑和有機(jī)界面劑各自的優(yōu)缺點(diǎn)，有必要設(shè)計(jì)出兼具強(qiáng)度和耐久性的界面劑，更好地提升層面結(jié)合性能。

（2）制備工藝的優(yōu)化。振動(dòng)臺(tái)高、中、低頻振搗的組合，尤其是在混凝土終凝之前，通過振搗對(duì)層面性能產(chǎn)生影響，從而消除界面；低頻和高頻攪拌方式的組合，會(huì)不同程度影響混凝土層面性能，可以從制備工藝角度提出優(yōu)化解決方案。

（3）層面性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)。對(duì)于表面濕度和粗糙度，可以提出諸如折壓比、拉折比等指標(biāo)進(jìn)行合理評(píng)價(jià)，更好地描述層面性能。

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Abstract：The bonding performance of concrete is influenced by various factors such as pouring interval，dry/wet state，surface roughness，interfacial agent，properties of the newly poured concrete，and external environment. A summary and analysis of literature in China and abroad reveal that the bonding performance of concrete can be significantly improved by using short pouring intervals，relatively humid matrix，moderately rough surface，suitable interfacial agents，high-quality concrete，and appropriate pouring environment. Prospects for the use of special interface agents，optimization of preparation technology，and evaluation of bonding performance are also discussed. The research results may provide reference for theoretical and experimental research on the bonding of concrete surfaces.

Key words：concrete；interlayer bonding performance；strength