陳雪梅 吳 勇 陽運(yùn)霞

（嘉華特種水泥股份有限公司， 四川 樂山 614003）

0 引言

在結(jié)構(gòu)維護(hù)、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(jié)問題，新老混凝土界面粘結(jié)的好壞直接影響到工程質(zhì)量。在很多工程中，新老混凝土粘結(jié)面在工作一段時(shí)間后就出現(xiàn)裂縫，新補(bǔ)混凝土也出現(xiàn)翹皮、剝落現(xiàn)象，使整體結(jié)構(gòu)的使用功能和安全性再次受損，達(dá)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(bǔ)。要使新老混凝土真正成為一個(gè)整體來共同工作，其界面的良好粘結(jié)是關(guān)鍵所在。選擇一種粘結(jié)性能優(yōu)異的膠凝材料又是其核心問題，在前期的試驗(yàn)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(jié)效果。采用該水泥水化熱低、后期強(qiáng)度增進(jìn)率大、彈性模量低，耐久性好，通過進(jìn)一步的改性可明顯改善其早期強(qiáng)度，提高施工性能。同時(shí)，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(diǎn)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(yàn)證，通過與中熱水泥拌和的混凝土進(jìn)行基本性能比對，與新老混凝土粘結(jié)面的粘結(jié)效果比對比，尤其是水工混凝土的粘結(jié)效果對比，進(jìn)一步驗(yàn)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(jié)性能。

1 原材料

本項(xiàng)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(yàn)

2.1 界面劑本體性能比對試驗(yàn)

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(jìn)行混凝土拌和物和硬化混凝土性能對比試驗(yàn)，混凝土做性能對比實(shí)驗(yàn)。混凝土配合比如表2-1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(shí)驗(yàn)結(jié)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(qiáng)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(qiáng)礦物含量，低熱水泥的早強(qiáng)礦物含量低于中熱水泥中的早強(qiáng)礦物含量；而在14d齡期時(shí)，界面劑作為膠凝材料的混凝土強(qiáng)度超過了中熱水泥作為混凝土的強(qiáng)度，正是因?yàn)樵诘蜔崴嘀泻休^高量的硅酸二鈣，且在低溫?zé)傻墓杷岫}具有較高的活性，在14d齡期中，強(qiáng)度變得到明顯的發(fā)揮，到28d齡期時(shí)，其強(qiáng)度遠(yuǎn)大于中熱水泥作為膠凝材料的混凝土。

同樣結(jié)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(shí)劈拉強(qiáng)度略低于中熱水泥，而在7d時(shí)趕上了中熱水泥，在后期的劈拉強(qiáng)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(qiáng)度高。同時(shí)，也對兩種混凝土的后期彈性模量進(jìn)行了測試（表2-4），從結(jié)果中可以看到，在28d時(shí)，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(qiáng)度(MPa)

圖2.2 不同混凝土的劈拉強(qiáng)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(yàn)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(qiáng)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(jié)效果比對試驗(yàn)

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(jié)效果對比實(shí)驗(yàn)。

2.2.1 直剪試驗(yàn)

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(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)齡期至28d，對其表面的雜物、油污進(jìn)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(jié)面初期強(qiáng)度偏低，故試件在成型后2d脫模，然后置于養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)(溫度20±2℃，相對濕度為95%以上)至一定齡期，進(jìn)行抗剪強(qiáng)度測試（其中JH為不涂刷界面劑的試樣，JM為項(xiàng)目研發(fā)高標(biāo)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(jié)合面抗剪強(qiáng)度成果見表2-3，剪切斷裂面見圖2.9。

表2-3 直剪試驗(yàn)成果

圖2.9 混凝土不同粘結(jié)處理劑方式的直剪斷裂圖

抗剪強(qiáng)度測試新老混凝土粘結(jié)試件均從粘結(jié)面處破壞，且破壞面較為平直。剛開裂時(shí)荷載由未開裂部分的粘結(jié)力和裂縫兩邊骨料的機(jī)械咬合力共同承擔(dān)，最后沿粘結(jié)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(yīng)力作用而被剪斷。在破壞面上老混凝土一側(cè)骨料突出，基本上無骨料被剪斷；而新混凝土一側(cè)則有凹坑，在應(yīng)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(qiáng)度還是抗剪強(qiáng)度，JM在四種不同界面劑粘結(jié)處理方式中都是最高的。因?yàn)椴捎玫氖歉男缘蜔峁杷猁}水泥，且摻有納米材料，有效的降低水泥石的孔隙率，使孔結(jié)構(gòu)得到改善。摻入適量的粉煤灰，界面上粘結(jié)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(yīng)所產(chǎn)生的化學(xué)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(jié)面的過渡層結(jié)構(gòu)更加密實(shí)。并且粉煤灰與混凝土中的氫氧化鈣反應(yīng)生成大量C-S-H凝膠，有利于提高界面的機(jī)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(jié)性能。由于基礎(chǔ)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(qiáng)度也得到了一定的提高。

2.2.2 粘結(jié)劈拉試驗(yàn)

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

混凝土不同粘結(jié)處理方式情況下，可以看到JM的界面粘結(jié)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(shí)驗(yàn)中的試樣均從粘結(jié)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(yīng)力的作用，二者被拉脫，在劈拉應(yīng)力較大的截面上，水泥漿體被拉斷，粘結(jié)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(jié)處理抗壓試樣

不同粘結(jié)處理的試件粘結(jié)抗壓、劈拉強(qiáng)度見表2-4。

從數(shù)據(jù)中可以看到，本項(xiàng)目界面劑JM和市售界面劑MH的抗壓強(qiáng)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(yīng)為新混凝土強(qiáng)度。沒有界面粘結(jié)劑處理的JH由于老混凝土養(yǎng)護(hù)齡期較長，強(qiáng)度發(fā)揮較充分，而新混凝土的強(qiáng)度發(fā)展導(dǎo)致其粘結(jié)處產(chǎn)生了一定的張力，使得粘結(jié)面成了粘結(jié)的薄弱環(huán)節(jié)，導(dǎo)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(jié)劑處理后，其粘結(jié)強(qiáng)度比較低。僅靠混凝土本身對粘結(jié)劑產(chǎn)生壓力，不能使其很好地通過混凝土中的微孔結(jié)構(gòu)滲入到混凝土內(nèi)部，因而固化后產(chǎn)生的(錨合)強(qiáng)度也較低。另外，水分對環(huán)氧樹脂與混凝土的粘結(jié)性能也產(chǎn)生影響，樹脂與混凝土干燥表面粘結(jié)良好，界面上沒有明顯的粘結(jié)缺陷。與新混凝土粘結(jié)時(shí)，在混凝土表面形成了一層水膜，妨礙界面粘結(jié)，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(jié)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(jié)劑來粘結(jié)新舊混凝土。

表2-4 不同粘結(jié)處理的粘結(jié)抗壓、劈拉強(qiáng)度

3 結(jié)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(jìn)行混凝土拌和物和硬化混凝土性能對比試驗(yàn)；以及使用基礎(chǔ)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(jìn)行相關(guān)性能的對比實(shí)驗(yàn)。通過實(shí)驗(yàn)可以得出以下結(jié)論：

（1）在相同水膠比、塌落度和含氣量范圍內(nèi)，該界面劑的綜合力學(xué)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(jié)面進(jìn)行對比，從直觀的抗剪強(qiáng)度可以看到，混凝土新型無機(jī)界面處理劑的強(qiáng)度高于其它三種，從而體現(xiàn)出該界面粘結(jié)處理劑的粘結(jié)效果最佳；

（4）通過不同界面處理的試樣的抗壓和劈拉實(shí)驗(yàn)結(jié)果也同樣驗(yàn)證了混凝土新型無機(jī)界面處理劑的粘結(jié)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(jié)性能、抗壓、劈拉強(qiáng)度、彈性模量，作為無機(jī)界面劑，其還具有良好的耐久性，降低了新老混凝土結(jié)合面不匹配而出現(xiàn)二次破壞的的險(xiǎn)。同時(shí)采用該水泥還能降低碳排放量、降低生產(chǎn)能耗，實(shí)現(xiàn)工程綠色化。

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

[2]管大慶.界面處理對新老混凝土粘結(jié)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(jié)強(qiáng)度影響的試驗(yàn)研究[J],哈爾濱建筑大學(xué)學(xué)報(bào),2001,(5):25-29

[4]高劍平，潘景龍,檢驗(yàn)新舊混凝土粘結(jié)強(qiáng)度合適的試件形式[J],哈爾濱建筑大學(xué)學(xué)報(bào),2001,(2):32-35

[5]高劍平.不同界面劑對新舊混凝土粘結(jié)強(qiáng)度影響的試驗(yàn)研究[J],哈爾濱：哈爾濱建筑大學(xué),1999