影響新老混凝土粘結性能因素的研究

李雯霞（酒泉職業(yè)技術學院建筑工程系，甘肅 酒泉 735000）

隨著混凝土材料的廣泛使用及對其性質認識的逐步深化,混凝土結構的耐久性問題日益受到重視。在實際工程中,由于設計、施工、事故、環(huán)境等因素的影響,大量的混凝土結構需要進行補強加固。混凝土修補加固已成為結構工程中的一個重要分支,其中新老混凝土粘結課題的研究又備受學術界和工程界的關注。新老混凝土粘結存在一個薄弱環(huán)節(jié),就是新老混凝土之間的結合面，一般結合面粘結強度都低于整澆混凝土的粘結強度,極大地影響了結構的可靠性,究竟是什么原因使新舊混凝土結合面的粘結性能達不到整澆混凝土的粘結性能？我們常采取哪些措施彌補這一缺陷？本文簡要進行了闡述。

1 新老混凝土的粘結破壞機理

在實際的補強加固工程中,由于老混凝土中的水泥水化過程一般已基本完成,新老混凝土之間的粘結主要依靠范德華力與機械咬合力(由新老混凝土晶體互相交錯抱合而成)維系,而這種粘結的連接作用較弱。新老混凝土粘結破壞是發(fā)生在“新老混凝土粘結破壞區(qū)”中的。整澆混凝土結構組織中有其固有的潛在缺陷,這些缺陷表現(xiàn)為混凝土結構組織中的孔隙及加載前骨料周邊發(fā)展了裂縫,成為混凝土中最薄弱的環(huán)節(jié)?；炷两Y構組織的破壞是在荷載作用下,在這些潛在的裂縫周邊產(chǎn)生高度的應力集中引起的起裂開始,經(jīng)過比較穩(wěn)定的裂縫發(fā)展過程,擴展到不穩(wěn)定的裂縫,最后導致混凝土結構組織完全破壞。而新老混凝土的“粘結破壞區(qū)”的內部潛在缺陷比整澆混凝土更嚴重,且內部初應力(應變)更復雜。導致粘結區(qū)混凝土內部缺陷更嚴重的因素可能是新老混凝土結合不良、新混凝土澆筑不實或在進行粘結界面鑿毛處理時,老混凝土石子受到擾動。內部復雜的初應力(應變)的產(chǎn)生是由于新澆混凝土中的溫度應力及收縮應力交織在一起造成的。另外,混凝土的硬化通常伴隨有體積收縮的產(chǎn)生,由于老混凝土的約束作用,新混凝土中會形成拉應力,粘結界面的邊界附近會產(chǎn)生剪應力和拉應力,粘結層內出現(xiàn)收縮微裂縫,這也降低了新老混凝土的粘結強度,造成粘結區(qū)破壞。

2 影響新老混凝土粘結性能的因素

近幾年國內外眾多學者對新老混凝土的粘結性能進行了較為深入的研究。大量實驗結果表明，新混凝土的收縮、老混凝土表面粗糙度、界面劑、老混凝土強度等為影響界面粘結強度的主要因素。

2.1 新老混凝土的收縮不一致性對新老混凝土粘結性能的影響

大量混凝土修補工程實踐表明，新老混凝土的修復效果往往不理想，常常會出現(xiàn)修補的新混凝土開裂或在新老混凝土的粘結界面出現(xiàn)裂縫的現(xiàn)象，這是因為老混凝土經(jīng)過長期使用，其收縮基本趨于穩(wěn)定，而新補混凝土的干燥收縮大，使修補粘結界面層成為最薄弱環(huán)節(jié)[1]。

混凝土的收縮可分為塑性收縮、溫度收縮、自收縮、干燥收縮和碳化收縮五類，其中干燥收縮最為普遍?；炷粮煽s的機理比較復雜，一般認為，混凝土的干縮主要由水泥石的收縮引起，已有水泥收縮理論主要有表面吸附學說、拆開引力學說和毛細孔張力學說。

混凝土硬化以后，隨著表層水分逐步蒸發(fā)，濕度逐步降低，混凝土體積減小，稱為縮水收縮（干縮）。因混凝土表層水分損失快，內部損失慢，因此產(chǎn)生表面收縮大、內部收縮小的不均勻收縮，表面收縮變形受到內部混凝土的約束，致使表面混凝土承受拉力，當表面混凝土承受拉力超過其抗拉強度時，便產(chǎn)生收縮裂縫。相對濕度越低，水泥漿體干縮越大，干縮裂縫越易產(chǎn)生。干縮裂縫多為表面性的平行線狀或網(wǎng)狀淺細裂縫，寬度多在0.05 ～0.2mm 之間，大體積混凝土中平面部位多見，較薄的梁板中多沿其短向分布。干縮裂縫通常會影響混凝土的抗?jié)B性，引起鋼筋的銹蝕影響混凝土的耐久性，在水壓力的作用下會產(chǎn)生水力劈裂影響混凝土的承載力等等。混凝土干縮主要和混凝土的水灰比、水泥的成分、水泥的用量、集料的性質和用量、外加劑的用量等有關。已經(jīng)水化的水泥與空氣中的自身收縮是混凝土在硬化過程中，水泥與水發(fā)生水化反應，這種收縮與外界濕度無關，且可以是正的（即收縮），也可以是負的（即膨脹）。已經(jīng)水化的水泥和大氣中的二氧化碳反應而引起的碳化收縮也可以作為干燥收縮的的特殊情況。收縮是漿體的特性，在混凝土中，集料對漿體發(fā)生的體積變化有抑制作用。

2.2 老混凝土表面的粗糙度對粘結性能的影響

粗糙度對新老混凝土的粘結性能有明顯的影響,提高粘結界面的粗糙度能明顯地改善新老混凝土的粘結性能。一般來講,粘結面粗糙度越大,新老混凝土粘結強度越高。但是,當粗糙度達到一定程度后,其對新老混凝土粘結性能的影響程度減弱。因此老混凝土表面粗糙程度與粘結強度有一定關系。對結合面進行一定程度的粗糙處理，即可以除去表面附著的異物，又可使表面積增大，這兩點對增加粘結強度是有利的。同時界面粗糙，將增大骨料間的機械咬合力，在有正壓力作用時，滑動摩阻力也會有一定程度的提高。迄今為止，國內外還沒有相應的規(guī)范或規(guī)程對新老混凝土結合面的粗糙度處理方法做出明確的規(guī)定。

2.2.1 工程中修補混凝土一般步驟

1)進行表面處理；2)涂界面劑；3)澆筑新混凝土；4)養(yǎng)護。老混凝土表面處理是混凝土修補的第一步,也是關鍵的一步,表面處理的粗糙度是影響粘結性的主要因素。表面處理是指清除掉老混凝土結合面上所有損壞的、松動的和附著的骨料、砂漿及雜質雜物,并使堅固的部分骨料露出表面,構成粗糙面以提高粘結性。

2.2.2 表面處理方法應用種類

1）高壓水射法:為得到干凈、理想的結合面,高壓水射法是最好的方法。該方法工作效率高,沒有振動、噪聲和灰塵；此外,使用該方法處理老混凝土表面,不攪動周圍保留的混凝土，同時混凝土表面被清潔干凈、濕潤，這是獲得良好粘結的最有利條件。更重要的一點是高壓水射法適用于任何情況，在有鋼筋的情況下，不但不會損傷鋼筋且能為鋼筋除銹。但是高壓噴水設備昂貴,工程費用大。

2）噴砂(丸)法:噴砂(丸)法是用噴射機向新老混凝土粘結面噴射不同直徑的小鋼球,控制其噴射速度和噴射密度,可以噴射出不同粗糙度的粘結面。采用噴砂法處理老混凝土表面時,得到平均深度為4 ～5mm 時粘結效果最為理想。但這種方法由于施工不便,在實際工程中一般很少應用。

3）人工鑿毛法：人工鑿毛法是用鐵錘和鑿子對新老混凝土粘結面進行鑿毛，這種方法使新老混凝土粘結面變粗糙的同時，在老混凝土中會伴隨有新的微裂縫產(chǎn)生，擾動周圍混凝土，使其粘結強度降低，而且會帶來噪聲和粉塵等污染。但由于不需要昂貴的設備，在小型工程中用得較多。

4)鋼刷劃毛法：鋼刷劃毛法只能對新老混凝土粘結面做輕度處理,而不是表面處理,用該法清理的表面粘結性能差，這種方法還較易損傷周圍的老混凝土。

5）酸浸蝕法：以一定濃度的鹽酸與老混凝土中的水泥石反應，來改善已經(jīng)經(jīng)過宏觀粗糙處理的老混凝土界面的微細觀粗糙度，該方法可以增加新舊混凝土接觸面積，改善界面層微細觀結構，從而顯著提高粘結界面的機械咬合力和范德華力，大幅度提高粘結強度和耐久性。但是一些酸侵蝕液中含有氯化物,這些氯化物會腐蝕鋼筋。

2.3 界面劑對新老混凝土粘結性能的影響

新老混凝土粘結的基本條件之一是界面劑對老混凝土表面充分浸潤。經(jīng)過粗糙度處理的老混凝土表面涂刷界面劑可改善老混凝土的粘結微觀結構，提高粘結性能，提高的幅度隨界面劑種類的不同而異，一般達8%～60%[2]。常用的界面劑有水泥凈漿、水泥砂漿、快硬鐵鋁酸鹽水泥漿、水泥膨漿及聚合物類界面劑等，均能改善新老混凝土粘結性能，而水泥凈漿具有經(jīng)濟實用的優(yōu)點，且其提高新老混凝土粘結斷裂韌度效果較好，因此在工程中應用較多。界面劑厚度一般不超過3mm，以0.5mm ～1.5mm 為宜。

汕頭大學的李庚英[3]等人以粉煤灰、細砂為改性材料配制了新型界面劑：水灰比為0.4，水泥和砂比為1:1，磨細粉煤灰摻量為水泥的15%并加適量表面活性劑。進行劈拉試驗與同水灰比的水泥凈漿、水泥膨漿相比較。試驗結果顯示，新型界面劑顯著提高了界面粘結強度，其劑較水泥凈漿和水泥膨漿分別提高了25.6%和34.2%，且界面層結構密實。常用的界面劑有如下幾種：

1）水泥凈漿。如果用42.5 硅酸鹽水泥凈漿與嚴格處理的C20 舊混凝土面相結合，結合面的粘結力將等于或超過C20 混凝土本身的抗拉強度，就能形成“等強結合面或超強結合面”。水泥凈漿的水灰比可選用0.45 ～0.5，涂抹厚度1～2mm。若在水泥凈漿中加入水泥含量50%的苯二烯丁二烯乳液或丙烯乳液，還可以提高粘結效果。

2）高標號（M30、M40、M50）水泥砂漿。用42.5 以上硅酸鹽水泥或普通水泥拌和的水泥砂漿涂抹在新舊混凝土的界面。水泥用量為700 ～800kg/m3；水灰比0.3 ～0.4；灰砂比1：1.5 ～2.5。

3）摻鋁粉的純水泥漿。鋁粉摻量為水泥重量的0.5/10000 ～0.2/20000。摻入鋁粉后，水泥的凝固具有膨脹快、硬性強等特性。當膨脹受到阻礙后使新老混凝土界面的粘結更加牢固。

4）環(huán)氧樹脂膠與環(huán)氧砂漿。環(huán)氧樹脂膠的粘結特性良好，其本身的抗壓強度在169MPa 以上，抗彎強度在800MPa 以上。用環(huán)氧樹脂膠與砂漿配制成的環(huán)氧砂漿，其抗壓強度可達79.5MPa，抗拉強度可達14MPa，與混凝土的粘結力可達22MPa。

5）膨脹界面劑。膨脹劑是在混凝土和砂漿中引起膨脹的外加劑，膨脹劑分為三大類：硫鋁酸鹽（CSA）系，石灰系和鐵粉系。它是依靠本身的化學反應和水泥中的其它成分反應，在水化期產(chǎn)生限制膨脹，以補償混凝土的收縮。

6）聚合物改性砂漿界面劑。水溶性聚合物種類很多，主要包括三類：Ⅰ、聚合物乳液，如：丁苯乳膠、丁膠乳、氯丁乳液、天然膠乳等；Ⅱ、水溶性樹脂，如:聚乙烯醇、水溶性酚醛、環(huán)氧樹脂、水溶性淀粉等；Ⅲ、聚合物電解質，該類又分為酸型、堿型和兩性型，酸型如：聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸；堿型如：聚乙烯毗唆等，兩性型如：水解蛋白質等。聚合物外加劑通常能改善混凝土的各種性質。非常小的球狀聚合物顆粒，使膠乳起到類似加氣劑的作用以增加其工作性能并減少水泥漿的泌水。只有分散在水泥漿體中的膠乳轉換成連續(xù)的聚合物薄膜時，乳液改性才能獲得最佳性能[4]。

2.4 老混凝土強度對新老混凝土粘結性能的影響

老混凝土的強度是新老混凝土粘結良好的前提條件。老混凝土強度較高，沒有薄弱的外皮，則一般都能得到很好的粘結面，粘結強度也較高。否則，老混凝土強度較低，施工質量很差，存在酥松、脆弱的薄皮，就難以鑿毛露出堅實的混凝土基層。這時破壞會發(fā)生在老混凝土表面的一層，這種情況下不管界面劑的粘結性能如何好，界面劑的粘結效果也發(fā)揮不出來，因為強度很低的老混凝土己成為新的薄弱環(huán)節(jié)。

施工中在新澆混凝土中加入碳纖維、鋼纖維、尼龍纖維和聚合物，或采用一些特殊混凝土如預鋪骨料混凝土、自密實微膨脹混凝土、樹脂混凝土、聚合物混凝土、快速修補摻合料PFAC 高性能混凝土等，或在新混凝土中加入微膨脹外加劑，均能不同程度地減小新混凝土的收縮，提高新老混凝土的粘結強度。

2.5 修補方位對新老混凝土粘結性能的影響

補強加固時，新老混凝土的粘結方位對粘結效果有一定的影響。研究結果表明[5]，側補試件的劈拉強度明顯高于上補。側補試件的劈拉強度為上補的85%左右。在采用老混凝土表面鑿毛和界面劑的條件下,斜下補試件的壓剪強度為斜上補的76.2%，斜下補試件的壓剪強度明顯高于斜上補。在老混凝土表面鑿毛,使用界面劑并改進振搗方法的條件下,下補試件的劈拉強度為上補的81%，劈拉強度也高于上補。

圖1 界面修補方位示意圖

3 結語

新老混凝土的粘結問題是工程中常見的問題，隨著時間的推移，新建工程會越來越少，而對混凝土的加固修補工程將會越來越多?，F(xiàn)在對混凝土結構的加固都是采用植入鋼筋的方法，此方法已廣泛的應用于工程中，但是此方法費時費力成本高，如果能只從材料的角度，通過采用某種高粘結的混凝土粘結劑對混凝土進行修補與加固，這將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟與社會效益。

[1]郝娟,余紅發(fā),白康,韓麗娟,周鵬,曹文濤.混雜纖維對大摻量礦物摻合料混凝土干燥收縮的影響.材料科學與工程學報.2008,Vol.26(4):574-578。

[2]管大慶，陳章洪.界面處理對新老混凝土粘結性能的影響.混凝土，1994，（5）：16-22

[3]李庚英，謝慧才，熊光晶.新老混凝土粘結界面的微結構及與宏觀力學性能的關系.混凝土，1999(6):13-18

[4]申豫斌，熊光晶.新老混凝土修補界面粘結質量的改善方法.四川建筑科學研究，2003，29(2):79-80

[5]劉金偉，熊光晶.新老混凝土修補界面方位對粘結強度的影響.工業(yè)建筑，2001，31(5):68-69