新老混凝土界面粘結試驗研究

2005-04-26 00:00  留言

[摘　要] 　通過斜剪試驗方法,對比了新老混凝土采用四種不同界面劑的粘結效果,提出了性能較優(yōu)的新老混凝土界面處理材料,為實際工程中的應用提供參考。

[關鍵詞] 　新老混凝土; 　粘結; 　界面

Experimental study on the new-to-old concrete interfacial bond

HE Wei , 　PENG Bo

(College of Civil Engineering ,Hunan University ,Changsha Hunan 410082 ,China)

　　
Abstract : 　In this paper four interfacial agent for the new2to2old concrete were used and their bond effects were evaluated by slant shear experiment . Meanwhile several interfacial agent with good adhensive performance were put forward for providing reference in practice.

　　
Key words : 　new2to2old concrete ; 　bond ; 　interface

1　前言

新老混凝土的粘結在現(xiàn)代建筑工程實踐中是經常遇到的實際問題,是不可避免的,而修補后新老混凝土能否共同工作,主要取決于新老混凝土的粘結性能,國內外專家學者對影響界面粘結性能的因素進行了一系列研究,認為界面劑是影響界面粘結性能的重要因素之一。新老混凝土粘結好后,如何評價新老混凝土的粘結,目前國內還缺乏統(tǒng)一的標準,用于混凝土與混凝土之間粘結性能測試的試驗方法有多種,常見的有拉伸試驗,剪切試驗,彎曲強度試驗,拉拔試驗,斜剪試驗,抗?jié)B性能試驗。由于新老混凝土粘結層應力狀態(tài)依結構形式及使用情況不同發(fā)生極大變化,因此沒有一種試驗方法能包容反應實際使用結構新老混凝土粘結處復雜多變的應力狀態(tài),但是,一種試驗方法應該完全包括一種典型的應力狀態(tài),同時能敏感的反映粘結強度的變化。Wall ,Shrive 通過對粘結的強度和變形的敏感程度的測量,評定了斜剪、間接拉伸和彎曲強度試驗,認為斜剪試驗是最合適的試驗方法^{[ 1 ]} 。斜剪試驗實為抗壓試驗,它的試件為一長方體,該試件具有一斜向粘結面,該平面與水平面成60°角,見圖1 。用斜剪方法對新老混凝土的粘結性能進行評價,具有操作簡單、效果顯著的特點。采用斜剪的試驗方法對涂刷四種不同界面劑的新老混凝土的粘結性能進行了試驗研究,提出了新老混凝土粘結性能好的界面劑,為實際工程中的應用提供參考。

1 　新老混凝土原材料及配比

1.1 　新老混凝土原材料

水泥: 湖南韶峰水泥集團有限公司生產的“韶峰牌”強度等級為4215MPa 的普通硅酸鹽水泥。

砂: 細度模數為213～216 ,屬中砂;
石子: 5mm～20mm 的碎石;

水: 自來水。

1.2 　新老混凝土配合比

老混凝土配合比見表1^{[ 2 ]} ,設計強度等級為C30 。根據規(guī)范規(guī)定,混凝土加固時所用強度等級,設計時宜比原結構、構件的設計混凝土強度提高一級,且不應低于C20 ,所以我們設計的新混凝土立方體抗壓強度為C35 ,新混凝土的配合比見表2^{[ 2 ]} 。實測28d 棱柱體(100mm ×100mm ×300mm) 軸心抗壓強度為31.4MPa ,其坍落度為80mm。

表1　老混凝土配合比表

設計強度等級	水灰比	砂率	骨灰比	每m³混凝土材料用量/(kg/m³)
				水泥	砂	石子	水
C30	0.55	38%	4.44	391	659	1075	215
				1	1.69	2.75	0.55

2 　試件制備

2.1 　界面劑處理材料

2.1.1 　界面劑原材料

表2 　新混凝土配合比表

設計強度等級	水灰比	砂率	骨灰比	每m³混凝土材料用量/(kg/m³)
				水泥	砂	石子	水
C35	0.49	35%	3.86	439	592	1100	215
				1	1.35	2.51	0.49

界面劑中使用的水泥品種同新老混凝土,其余材料如下所示:

　　
硅灰:山西忻州鐵合金有限公司硅粉分廠生產的硅灰;

膨脹劑:江西瑞州特種建材集團有限公司生產的高效混凝土膨脹劑,編號為UEA - E;

高效減水劑:湖南株洲外加劑廠生產的高濃縮型萘系高效減水劑,褐黃色粉末,主要成分為β- 萘磺酸甲醛高縮合物,簡稱為FDN ;

丁苯膠乳(SBR) :自配,含固量為4713 % ,pH 值為9138 ,粘度為15 ×10 - 3 Pas ,表面張力為34 ×10 - 3N/ m。

2.1.2 　界面劑的選用

A :同新混凝土水灰比的水泥凈漿,根據規(guī)范^{[ 3 ]} ,測定其流動度為170mm;

B :摻10 %膨脹劑的水泥凈漿,水灰比同(A) ;

C:摻10 %膨脹劑,8 %硅灰,1 %高效減水劑的水泥漿,用水量為與(A) 同稠度的用水量;

D :摻12 %(固體含量占水泥比重) 丁苯乳液的水泥漿,用水量為與(A) 同稠度用水量。

2.2 　老混凝土粘結試塊的成型

將按表1 配合比設計的混凝土拌和好后,放入試模中成型,老混凝土自澆筑24 小時后即脫模,用鋼絲刷對老混凝土粘結面進行刷糙處理,去掉表面的水泥漿至露出粗骨料,鑿毛面積為(100 ×100) mm² 。把鑿毛后的試塊放入(20 ±3) ℃,濕度為90 %以上的標準養(yǎng)護室中養(yǎng)護28 天。經測定這種老混凝土棱柱體( 100mm ×100mm ×300mm) 軸心抗壓強度為2616MPa。其名義粘結強度fo (破壞荷載除以與水平面成60°角的斜截面面積) 為1313MPa。

2.3 　粘結斜剪試件的成型

　　
把經28 天標準養(yǎng)護的老混凝土試塊的粘結面用清水沖洗干凈,然后放入干燥通風處,表面為飽和面干狀態(tài)。如圖2 所示是一些老混凝土粘結試塊。然后將按要求處理好的老混凝土試塊置于標準規(guī)格的鋼模內, 鋼模尺寸采用100mm ×100mm ×300mm ,內壁涂刷礦物油,如果涂刷界面劑,用毛刷蘸取配置好的界面劑,在處理好的粘結面上刷涂均勻,厚度約為015mm～115mm ,而后澆上新混凝土進行新老混凝土粘結。試件成型后,24 小時脫模,脫模后將試件置于溫度為(20 ±3) ℃,濕度為90 %以上的標準養(yǎng)護室中養(yǎng)護。

3 　試驗結果及分析

3.1 　試驗方法

圖2　老混凝土粘結試塊

　
待粘結試塊養(yǎng)護14 天,28 天后,進行試驗,測定它的14d、28d 粘結強度。圖3 是粘結斜剪試塊,新老混凝土粘結斜剪試驗是在600kN 壓力試驗機進行的。根據規(guī)范^{[ 4 ]}的規(guī)定,按下述步驟進行試驗:

(1) 將粘結斜剪試塊擦拭干凈;

圖3 　粘結斜剪試塊

　　
(2) 將試件直立放置在試驗機的下壓板上,試件的軸心與壓力機板的中心對準, 開動試驗機,當上壓板與試件接近時,調整球鉸,使接觸平衡。以3kN/ s～5kN/ s 的速度連續(xù)而均勻地加荷。當試件接近破壞時停止調整油門,直至試件破壞,記錄破壞荷載及破壞形式。

根據規(guī)范^{[ 5 ]} ,新老混凝土的粘結強度用名義粘結強度衡量,名義粘結強度按下式計算:

式中　f_n —名義粘結強度,MPa ;

P —破壞荷載,N ;

A —粘結面積理論數值為(100 ×200) mm² ,計算按實際面積取值,mm² 。

3.2 　試驗結果及分析

3.2.1 　試驗結果

本試驗測試了斜剪粘結試塊的14d、28d 粘結強度,試驗數據經處理后列于表3 中。

表3 　新老混凝土名義粘結強度試驗結果

試件編號	f₁₄/MPa	f_14/f_o/%	f₂₈/MPa	f₂₈/f_o/%
O	5.72	43	6.08	45.8
A	6.86	51.6	8.17	61.4
B	5.57	41.8	9.68	72.8
C	11.29	84.8	11.65	87.6
D	11.25	84.6	12.08	90.8

　
注:1. 表3 中試件編號O :指老混凝土粘結試塊表面不刷界面劑直接粘結新混凝土;A、B、C、D :分別為老混凝土粘結試塊表面刷涂界面劑A、B、C、D 后粘結新混凝土;2.f ₁₄、f ₂₈、f_o :分別為新老混凝土14d、28d 名義粘結強度及老混凝土28d 名義粘結強度。

　　
    圖4 為不同界面劑對名義粘結強度的影響的對比圖,從圖中可以看出:

    (1) 用10 %膨脹劑,8 %硅灰,1 %高效減水劑的水泥漿和摻12 %丁苯乳液的水泥漿作界面劑取得了很好的粘結效果,前者14d 的名義粘結強度為11.29MPa ,就已達到老混凝土28d 名義粘結強度的84.8 %; 后者的名義粘結強度為11.25MPa ,達到老混凝土28d 名義粘結強度的84.6 % ,分別為以A 作界面劑的14d 名義粘結強度的1.65 和1.64 倍,為以B作界面劑的14d 名義粘結強度的2.03 和2.02 倍,兩者均具有很高的早期粘結強度;前者28d 的名義粘結強度為11.65MPa ,達到老混凝土28d 名義粘結強度的87.6 %;后者的名義粘結強度為12.08MPa ,達到老混凝土名義粘結強度的90.8 % ,分別為以A 作界面劑的14d 名義粘結強度的1.43 和1.47 倍,為以B 作界面劑的14d 名義粘結強度的1.20 和1.24 倍。
    (2) 不使用界面劑的新老混凝土的28d 名義粘結強度最低,僅為涂刷界面劑的新老混凝土28d 名義粘結強度的0.5～0.75 倍。
    (3)用摻10 %膨脹劑的水泥漿作界面劑早期粘結強度較低,甚至低于用同新混凝土水灰比的水泥凈漿作界面劑和不使用界面劑直接粘新混凝土的粘結強度。

圖4 　不同界面劑對粘結強度的影響對比圖

3.2.2 　機理分析

新老混凝土之間存在一個過渡層,該過渡層分為三個薄層,即滲透層,強效應層,弱效應層。其中強效應層對界面的粘結起主要作用,強效應層由一層粗大的氫氧化鈣晶體和鈣礬石及毛刺狀的C - S - H 組成,該層水灰比比新混凝土的高,高水灰比使得界面的鈣礬石和氫氧化鈣晶體的數量增多,形態(tài)變大,粗大的氫氧化鈣晶體和鈣礬石擇優(yōu)取向,這些粗大的晶體形成的結構的孔隙較混凝土本體多,結晶差的C - S - H 以及氫氧化鈣和鈣礬石的較小的二次結晶體填充其內。一般來說強效應層越薄則界面性能越好,宏觀強度就越高^{[ 6 ]} 。另外水泥漿的硬化收縮產生的微裂縫使得界面成為薄弱環(huán)節(jié)。

新老混凝土界面之間起作用的主要是機械咬合作用,其次才是范德華力。所以要提高界面的粘結強度必須從減少界面氫氧化鈣晶體數量,提高機械咬合作用,減少界面缺陷著手。水泥漿中摻硅粉后,由于硅粉的二次水化反應,消耗了界面過渡區(qū)的氫氧化鈣,生成C - S - H ,填充水泥石的孔隙,提高了界面的機械咬合作用和范德華力,從而使得界面過渡層的結構密實,另外硅粉是一種非常細的粉末,能夠減少界面水分的積聚,減少氫氧化鈣晶體在界面的富集,改善界面的粘結性能。丁苯改性水泥漿具有很好的粘結能力,聚合物會滲透進入舊混凝土的孔隙中,在新混凝土硬化及聚合物成膜后,在新舊混凝土之間就形成了穿插于新舊混凝土之間的聯(lián)結橋,大大增強了新舊混凝土之間的粘結作用;丁苯膠乳水泥漿的硬化收縮小,并且剛度小,變形能力大,減少了水泥漿收縮引起的微裂縫,并且丁苯的保水作用使得水泥能夠充分水化,生成更多的水化產物填充于舊混凝土的孔隙中,加強了新舊混凝土的機械咬合作用;同時丁苯為聚合物可減少泌水,減少強效應層的厚度,強化界面。就摻膨脹劑的水泥漿而言,早期強度低可能是界面粘結強度的增長與膨脹劑產生的膨脹效應不同步,彼此制約所致;在28d 齡期時,界面粘結強度的增長與膨脹劑產生的膨脹效應基本保持同步,同時由于膨脹劑的膨脹效應抵消了水泥水化過程中的干縮,從而使過渡層的結構較密實,所以粘結強度較高。

4 　結論

(1) 不同的界面劑對界面的粘結效果是不同的,選用適當的界面劑能改善界面的粘結性能,提高界面的粘結強度;

(2) 用丁苯改性水泥漿和摻10 %膨脹劑,8 %硅灰,1 %高效減水劑的水泥漿作界面劑能起到很好的粘結效果;

(3) 用斜剪方法來檢驗界面粘結強度效果是顯著的、行之有效的。

[參考文獻]

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[6 ]李庚英,謝慧才,熊光晶. 混凝土修補界面的微觀結構及與宏觀力學性能的關系^{[J ]} . 混凝土,1999 (06) :13 - 18.

[作者簡介] 　何偉(1973 - ) ,江西萍鄉(xiāng),湖南大學土木工程學院碩士研究生;彭勃(1968 - ) ,湖南大學土木工程學院,副教授。

[單位地址] 　湖南大學土木工程學院(410082)

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