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)用于我國的道路建設(shè)行業(yè)中。目前，我國水泥混凝土路面建設(shè)規(guī)模已超過2.5 萬公里/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)越來越引起國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注[3-4]。

對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)者已對影響新舊混凝土粘結(jié)強度的主要因素進(jìn)行了大量研究[5-8]。在這些因素中，混凝土基材的特性，界面劑的選擇對新舊混凝土的粘結(jié)有很大影響。

秦明強等[9]研究了在不同的界面干濕狀態(tài)下，幾種修補材料和界面劑對新舊混凝土界面結(jié)合強度的影響，結(jié)果表明，在修補材料中加入纖維會明顯提高界面結(jié)合強度。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，并對不同界面連接形式的新老混凝土進(jìn)行了直剪試驗，結(jié)果表明，通過三維鋼筋墊網(wǎng)進(jìn)行界面錨固后，結(jié)構(gòu)的抗剪強度得到較大提升。黃璐等[11]通過未涂刷界面劑與4 種不同界面劑的Z 型試件的直剪試驗，并采用顯微硬度儀與掃描電子顯微鏡對界面過渡區(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)強度。陳建國[12]等，將硅灰和聚丙烯纖維單摻、復(fù)摻凈漿作為界面劑，對新老混凝土進(jìn)行粘結(jié)，并進(jìn)行了劈裂抗拉試驗，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)強度。

影響新舊混凝土粘結(jié)面粘結(jié)強度的因素中，水損害也是其中重要的一個因素，目前國內(nèi)外對于新舊混凝土粘結(jié)面的水穩(wěn)定性研究較少，但在實際工程中粘結(jié)面的水損害很常見，因此對于粘結(jié)面的水穩(wěn)定性進(jìn)行一定研究很有意義。本文對經(jīng)水浸、凍融處理過后的新舊混凝土試件進(jìn)行劈裂抗拉試驗，通過對試件處理前后的劈裂抗拉強度進(jìn)行對比，研究了水浸、凍融對試件水穩(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 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

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

1.2 試件制備

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

本次試驗主要分析新舊混凝土粘結(jié)面的水穩(wěn)定性，試件制作過程如下：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切割成兩個尺寸為100mm×100mm×50mm 的長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，市場上銷售）作為界面劑涂抹于粘結(jié)面，再澆筑新混凝土對舊混凝土進(jìn)行粘結(jié)。

將澆筑粘結(jié)后的新舊混凝土試件編號，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 試驗方法

試件達(dá)到養(yǎng)護(hù)條件后，對試件進(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)時間為3h。每次試驗進(jìn)行三組平行試驗。

對新舊混凝土試件粘結(jié)面的研究采用劈裂抗拉試驗，將試件取出后，擦干表面，檢查外表無破損嚴(yán)重狀況，用記號筆標(biāo)示出新舊粘結(jié)面的位置，作為試驗面如圖1所示。劈裂試驗按照規(guī)范《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(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 Fig.1 New and old concrete spiltting tensile test

根據(jù)劈裂試驗，測出新舊混凝土試件的破壞荷載，按照式1 進(jìn)行計算，取每組3 個試件的平均值作為試驗值（MPa），將水浸、凍融循環(huán)處理后的界面劈裂抗拉強度與初始強度進(jìn)行對比，以強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)，由于本次試驗試件規(guī)格為100mm×100mm×100mm，因此計算時需要乘以折算系數(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 計算。試驗結(jié)果見表2、表3。

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

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

2 試驗結(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有什么變化，但是新舊混凝土粘結(jié)界面是一個薄弱的環(huán)節(jié)，存在大量空隙以及滲水通道，滲入的水對粘結(jié)面有一定的影響。圖2為兩種處理方式的劈裂抗拉強度柱狀圖。

圖2 劈裂抗拉強度柱狀圖 Fig.2 Splitting tensile strength histogram

從圖2可以看出，無論新舊混凝土是否使用界面劑，其劈裂抗拉強度都隨著處理時長的增加而減少，水泥凈漿作為界面劑的新舊混凝土試件劈裂抗拉強度相比于物理粘結(jié)，強度提升基本保持在5%左右，而環(huán)氧樹脂作為界面劑時劈裂抗拉強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，環(huán)氧固化物的線膨脹系數(shù)很小，因此內(nèi)應(yīng)力小，對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)強度。分子間的范德華力會阻礙環(huán)氧樹脂分子在空間的鏈段移動，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度也會隨著水浸時間的增加而降低。同時環(huán)氧樹脂在受到凍融時，內(nèi)部的自由水會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)致抗剪強度降低，不斷收縮膨脹也會導(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)強度高。

新舊混凝土粘結(jié)面的機械作用力及粘結(jié)力會因界面在凍融循環(huán)作用下產(chǎn)生的微小裂縫而降低，同時，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，舊混凝土對新混凝土硬化過程中的體積收縮有一定的限制作用，在新舊混凝土界面會產(chǎn)生收縮應(yīng)力。在凍融循環(huán)過程中，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)超過結(jié)合面的粘結(jié)強度時，粘結(jié)面開裂，結(jié)合強度降低。在融化過程中，水將再次進(jìn)入這些開裂的縫隙。再次凍結(jié)時，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)對新舊混凝土的粘結(jié)強度和水穩(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)強度和水穩(wěn)定性大大降低。因此，凍融循環(huán)對新舊混凝土的粘結(jié)強度和水穩(wěn)定性有巨大的破壞作用。

2.2 處理時長的影響

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長對于粘結(jié)性能影響的相關(guān)討論，新舊混凝土之間的粘結(jié)力也會隨著處理時長呈現(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度隨著處理時長的變化關(guān)系。

圖3 劈裂抗拉強度比值折線圖 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度均隨著處理時長的延長而減小，物理粘結(jié)與水泥凈漿粘結(jié)隨著處理時長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)在實驗最后均只有初始強度的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12 次凍融循環(huán)過后只有初始強度的45%左右，環(huán)氧樹脂粘結(jié)方式可以停留在56%左右。說明環(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，從長期使用性能來看，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，會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長的增加抗拉強度下降速率較緩。

在經(jīng)過凍融處理時，一方面物理粘結(jié)方式的試件粘結(jié)面會存在不密實的情況，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，凍融時其體積變化與舊混凝土不相同，會導(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改善界面密實度，有效防止自由水的進(jìn)入，但是會形成三層結(jié)構(gòu)，即舊混凝土—界面劑—新混凝土面，這個結(jié)構(gòu)存在兩個結(jié)合面，每一層的膨脹收縮系數(shù)也不相同，因此也會出現(xiàn)膨脹收縮不同導(dǎo)致界面出現(xiàn)更多孔隙的問題，其劈裂抗拉強度也會隨著凍融次數(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，會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其收縮性也會受到一定影響，因此其試件劈裂抗拉強度也會隨著凍融次數(shù)的增加而降低，由于環(huán)氧樹脂本身的優(yōu)勢，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)強度提升在5%左右。

2、水浸作用對新舊混凝土粘結(jié)強度以及水穩(wěn)定性影響較小，盡管新舊混凝土試件的劈裂抗拉強度隨著水浸時間的增加有下降的趨勢，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，對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。這對實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。