新老混凝土界面粘結(jié)試驗(yàn)研究

2005-04-26 00:00  留言

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

[關(guān)鍵詞] 　新老混凝土; 　粘結(jié); 　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(jié)在現(xiàn)代建筑工程實(shí)踐中是經(jīng)常遇到的實(shí)際問(wèn)題,是不可避免的,而修補(bǔ)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(jié)性能,國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者對(duì)影響界面粘結(jié)性能的因素進(jìn)行了一系列研究,認(rèn)為界面劑是影響界面粘結(jié)性能的重要因素之一。新老混凝土粘結(jié)好后,如何評(píng)價(jià)新老混凝土的粘結(jié),目前國(guó)內(nèi)還缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),用于混凝土與混凝土之間粘結(jié)性能測(cè)試的試驗(yàn)方法有多種,常見(jiàn)的有拉伸試驗(yàn),剪切試驗(yàn),彎曲強(qiáng)度試驗(yàn),拉拔試驗(yàn),斜剪試驗(yàn),抗?jié)B性能試驗(yàn)。由于新老混凝土粘結(jié)層應(yīng)力狀態(tài)依結(jié)構(gòu)形式及使用情況不同發(fā)生極大變化,因此沒(méi)有一種試驗(yàn)方法能包容反應(yīng)實(shí)際使用結(jié)構(gòu)新老混凝土粘結(jié)處復(fù)雜多變的應(yīng)力狀態(tài),但是,一種試驗(yàn)方法應(yīng)該完全包括一種典型的應(yīng)力狀態(tài),同時(shí)能敏感的反映粘結(jié)強(qiáng)度的變化。Wall ,Shrive 通過(guò)對(duì)粘結(jié)的強(qiáng)度和變形的敏感程度的測(cè)量,評(píng)定了斜剪、間接拉伸和彎曲強(qiáng)度試驗(yàn),認(rèn)為斜剪試驗(yàn)是最合適的試驗(yàn)方法^{[ 1 ]} 。斜剪試驗(yàn)實(shí)為抗壓試驗(yàn),它的試件為一長(zhǎng)方體,該試件具有一斜向粘結(jié)面,該平面與水平面成60°角,見(jiàn)圖1 。用斜剪方法對(duì)新老混凝土的粘結(jié)性能進(jìn)行評(píng)價(jià),具有操作簡(jiǎn)單、效果顯著的特點(diǎn)。采用斜剪的試驗(yàn)方法對(duì)涂刷四種不同界面劑的新老混凝土的粘結(jié)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究,提出了新老混凝土粘結(jié)性能好的界面劑,為實(shí)際工程中的應(yīng)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(tuán)有限公司生產(chǎn)的“韶峰牌”強(qiáng)度等級(jí)為4215MPa 的普通硅酸鹽水泥。

砂: 細(xì)度模數(shù)為213～216 ,屬中砂;
石子: 5mm～20mm 的碎石;

水: 自來(lái)水。

1.2 　新老混凝土配合比

老混凝土配合比見(jiàn)表1^{[ 2 ]} ,設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C30 。根據(jù)規(guī)范規(guī)定,混凝土加固時(shí)所用強(qiáng)度等級(jí),設(shè)計(jì)時(shí)宜比原結(jié)構(gòu)、構(gòu)件的設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度提高一級(jí),且不應(yīng)低于C20 ,所以我們?cè)O(shè)計(jì)的新混凝土立方體抗壓強(qiáng)度為C35 ,新混凝土的配合比見(jiàn)表2^{[ 2 ]} 。實(shí)測(cè)28d 棱柱體(100mm ×100mm ×300mm) 軸心抗壓強(qiáng)度為31.4MPa ,其坍落度為80mm。

表1　老混凝土配合比表

設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)	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(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)	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(chǎn)的硅灰;

膨脹劑:江西瑞州特種建材集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的高效混凝土膨脹劑,編號(hào)為UEA - E;

高效減水劑:湖南株洲外加劑廠生產(chǎn)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(jiǎn)稱(chēng)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(jù)規(guī)范^{[ 3 ]} ,測(cè)定其流動(dòng)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(jié)試塊的成型

將按表1 配合比設(shè)計(jì)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(shí)后即脫模,用鋼絲刷對(duì)老混凝土粘結(jié)面進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)28 天。經(jīng)測(cè)定這種老混凝土棱柱體( 100mm ×100mm ×300mm) 軸心抗壓強(qiáng)度為2616MPa。其名義粘結(jié)強(qiáng)度f(wàn)o (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(jié)斜剪試件的成型

　　
把經(jīng)28 天標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的老混凝土試塊的粘結(jié)面用清水沖洗干凈,然后放入干燥通風(fēng)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(jié)試塊。然后將按要求處理好的老混凝土試塊置于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的鋼模內(nèi), 鋼模尺寸采用100mm ×100mm ×300mm ,內(nèi)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(jié)面上刷涂均勻,厚度約為015mm～115mm ,而后澆上新混凝土進(jìn)行新老混凝土粘結(jié)。試件成型后,24 小時(shí)脫模,脫模后將試件置于溫度為(20 ±3) ℃,濕度為90 %以上的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)。

3 　試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 　試驗(yàn)方法

圖2　老混凝土粘結(jié)試塊

　
待粘結(jié)試塊養(yǎng)護(hù)14 天,28 天后,進(jìn)行試驗(yàn),測(cè)定它的14d、28d 粘結(jié)強(qiáng)度。圖3 是粘結(jié)斜剪試塊,新老混凝土粘結(jié)斜剪試驗(yàn)是在600kN 壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行的。根據(jù)規(guī)范^{[ 4 ]}的規(guī)定,按下述步驟進(jìn)行試驗(yàn):

(1) 將粘結(jié)斜剪試塊擦拭干凈;

圖3 　粘結(jié)斜剪試塊

　　
(2) 將試件直立放置在試驗(yàn)機(jī)的下壓板上,試件的軸心與壓力機(jī)板的中心對(duì)準(zhǔn), 開(kāi)動(dòng)試驗(yàn)機(jī),當(dāng)上壓板與試件接近時(shí),調(diào)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(dāng)試件接近破壞時(shí)停止調(diào)整油門(mén),直至試件破壞,記錄破壞荷載及破壞形式。

根據(jù)規(guī)范^{[ 5 ]} ,新老混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度用名義粘結(jié)強(qiáng)度衡量,名義粘結(jié)強(qiáng)度按下式計(jì)算:

式中　f_n —名義粘結(jié)強(qiáng)度,MPa ;

P —破壞荷載,N ;

A —粘結(jié)面積理論數(shù)值為(100 ×200) mm² ,計(jì)算按實(shí)際面積取值,mm² 。

3.2 　試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.2.1 　試驗(yàn)結(jié)果

本試驗(yàn)測(cè)試了斜剪粘結(jié)試塊的14d、28d 粘結(jié)強(qiáng)度,試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)處理后列于表3 中。

表3 　新老混凝土名義粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

試件編號(hào)	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(hào)O :指老混凝土粘結(jié)試塊表面不刷界面劑直接粘結(jié)新混凝土;A、B、C、D :分別為老混凝土粘結(jié)試塊表面刷涂界面劑A、B、C、D 后粘結(jié)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(jié)強(qiáng)度及老混凝土28d 名義粘結(jié)強(qiáng)度。

　　
    圖4 為不同界面劑對(duì)名義粘結(jié)強(qiáng)度的影響的對(duì)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(jié)效果,前者14d 的名義粘結(jié)強(qiáng)度為11.29MPa ,就已達(dá)到老混凝土28d 名義粘結(jié)強(qiáng)度的84.8 %; 后者的名義粘結(jié)強(qiáng)度為11.25MPa ,達(dá)到老混凝土28d 名義粘結(jié)強(qiáng)度的84.6 % ,分別為以A 作界面劑的14d 名義粘結(jié)強(qiáng)度的1.65 和1.64 倍,為以B作界面劑的14d 名義粘結(jié)強(qiáng)度的2.03 和2.02 倍,兩者均具有很高的早期粘結(jié)強(qiáng)度;前者28d 的名義粘結(jié)強(qiáng)度為11.65MPa ,達(dá)到老混凝土28d 名義粘結(jié)強(qiáng)度的87.6 %;后者的名義粘結(jié)強(qiáng)度為12.08MPa ,達(dá)到老混凝土名義粘結(jié)強(qiáng)度的90.8 % ,分別為以A 作界面劑的14d 名義粘結(jié)強(qiáng)度的1.43 和1.47 倍,為以B 作界面劑的14d 名義粘結(jié)強(qiáng)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(jié)強(qiáng)度最低,僅為涂刷界面劑的新老混凝土28d 名義粘結(jié)強(qiáng)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(jié)強(qiáng)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(jié)強(qiáng)度。

圖4 　不同界面劑對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度的影響對(duì)比圖

3.2.2 　機(jī)理分析

新老混凝土之間存在一個(gè)過(guò)渡層,該過(guò)渡層分為三個(gè)薄層,即滲透層,強(qiáng)效應(yīng)層,弱效應(yīng)層。其中強(qiáng)效應(yīng)層對(duì)界面的粘結(jié)起主要作用,強(qiáng)效應(yīng)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(shù)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(jié)構(gòu)的孔隙較混凝土本體多,結(jié)晶差的C - S - H 以及氫氧化鈣和鈣礬石的較小的二次結(jié)晶體填充其內(nèi)。一般來(lái)說(shuō)強(qiáng)效應(yīng)層越薄則界面性能越好,宏觀強(qiáng)度就越高^{[ 6 ]} 。另外水泥漿的硬化收縮產(chǎn)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(jī)械咬合作用,其次才是范德華力。所以要提高界面的粘結(jié)強(qiáng)度必須從減少界面氫氧化鈣晶體數(shù)量,提高機(jī)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(yīng),消耗了界面過(guò)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(jī)械咬合作用和范德華力,從而使得界面過(guò)渡層的結(jié)構(gòu)密實(shí),另外硅粉是一種非常細(xì)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(jié)性能。丁苯改性水泥漿具有很好的粘結(jié)能力,聚合物會(huì)滲透進(jìn)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(jié)橋,大大增強(qiáng)了新舊混凝土之間的粘結(jié)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(chǎn)物填充于舊混凝土的孔隙中,加強(qiáng)了新舊混凝土的機(jī)械咬合作用;同時(shí)丁苯為聚合物可減少泌水,減少?gòu)?qiáng)效應(yīng)層的厚度,強(qiáng)化界面。就摻膨脹劑的水泥漿而言,早期強(qiáng)度低可能是界面粘結(jié)強(qiáng)度的增長(zhǎng)與膨脹劑產(chǎn)生的膨脹效應(yīng)不同步,彼此制約所致;在28d 齡期時(shí),界面粘結(jié)強(qiáng)度的增長(zhǎng)與膨脹劑產(chǎn)生的膨脹效應(yīng)基本保持同步,同時(shí)由于膨脹劑的膨脹效應(yīng)抵消了水泥水化過(guò)程中的干縮,從而使過(guò)渡層的結(jié)構(gòu)較密實(shí),所以粘結(jié)強(qiáng)度較高。

4 　結(jié)論

(1) 不同的界面劑對(duì)界面的粘結(jié)效果是不同的,選用適當(dāng)?shù)慕缑鎰┠芨纳平缑娴恼辰Y(jié)性能,提高界面的粘結(jié)強(qiáng)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(jié)效果;

(3) 用斜剪方法來(lái)檢驗(yàn)界面粘結(jié)強(qiáng)度效果是顯著的、行之有效的。

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

[單位地址] 　湖南大學(xué)土木工程學(xué)院(410082)

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