新舊界面的研究

1、 水泥新舊界面的研究（綜述）摘要：本文主要從兩方面對于水泥結(jié)構的新舊界面進行了研究，一是新舊界面薄弱機理以及在使用過程中的破壞機理，二是從三個方面著手改善新舊界面的性能，這三個方面分別是，第一，對舊界面的處理，其中包括界面粗糙度，干濕狀況以及碳化情況對界面粘結(jié)強度的影響，第二，不同修補材料對界面性能的影響，第三，不同界面劑的使用對界面性能的影響。關鍵詞：新舊界面 粘結(jié)強度 表面處理 界面劑隨著公路運輸負荷的加重, 混凝土路面和橋涵破壞日趨嚴重, 用新混凝土和砂漿對毀損的混凝土結(jié)構進行修補加固已成為一項經(jīng)常性的工作，混凝土修補已成了結(jié)構工程的一個分支, 新舊混凝土的粘結(jié)性研究也受到了廣大工程界的

2、關注。1 991 年美國混凝土協(xié)會( A CI ) 曾在香港召開過專門的國際會議討論舊有建筑物的檢測, 維修和加固。 新舊混凝土粘結(jié)性能是討論內(nèi)容之一。 1 993 年 4 月瑞士也舉行了新舊混凝土粘結(jié)的專題學術會議, 日本 19 95 年阪神大地震后, 建設省專門組織了有關建筑物修復加固的研究, 新舊混凝土結(jié)合是研究內(nèi)容之一。凡此種種，可見對界面的研究已成為現(xiàn)在的一個關鍵問題，亟待解決。（一）界面的類型 水泥水泥界面可能出現(xiàn)在新建的結(jié)構體中也可能出現(xiàn)在修復或是加強的結(jié)構體中，通常是將新拌水泥砂漿或已硬化的水泥部件加在已硬化的水泥結(jié)構體上。第一種情況通常出現(xiàn)在修補工程中，如，路面修補，表面處理

3、。第二種情況通常出現(xiàn)在預制結(jié)構中，如橋梁中的預制梁。本文中主要討論第一種新舊水泥界面的性能。（2） 新舊界面薄弱的理論原因通過對界面進行的大量的研究，目前主要形成兩種理論。高劍平9等認為界面過渡區(qū)域的破壞機理與整體混凝土的破壞機理基本相同，所不同的是其內(nèi)部潛在的缺陷比整澆混凝土更為嚴重，這是過渡區(qū)力學性能較低的主要原因，造成內(nèi)部潛在缺陷的原因：粘結(jié)面附近舊混凝土的強度劣化及粘結(jié)面鑿毛處理對老混凝土骨料的擾動;粘結(jié)面處新舊混凝土結(jié)合不良;新混凝土澆筑不實及新混凝土本身固有的結(jié)構組織特性。李冰法8等認為過渡區(qū)域的破壞不同于整澆混凝土，其破壞機理是由于界面過渡區(qū)域本身的特點及界面生成物造成的，通過S

4、EM照片可以發(fā)現(xiàn)，界面區(qū)主要存在C-Si-H凝膠，C-H晶體，鈣礬石，未水化的孰料及孔洞，裂縫，界面區(qū)中C-H晶體數(shù)量多且較大，且孔洞多對界面產(chǎn)生不利影響，界面過渡區(qū)域的特點有1.晶體比水泥晶體中的粗大2.晶體有擇優(yōu)取向3.界面過渡區(qū)中晶體比水泥砂漿具有更大更多孔隙。這兩種理論都有一定的合理性，但從界面微觀結(jié)構上來看，似乎第二種理論更為成熟一些。（三）提高界面性能的措施1.界面處理在舊混凝土結(jié)構的修補過程中，舊混凝土表面處理是混凝土修補的第一步, 也是關鍵的一步, 表面處理也會直接影響新舊界面的粘結(jié)性。其中主要的影響因素包括表面粗糙度，表面干濕狀況，表面碳化程度。對于表面粗糙度，目前, 處于研

5、究中的方法有: 1 ) 人工打毛法; 2) 噴丸( 砂) 法; 3 ) 高壓水射法; 4) 鋼刷刷凈法。高麗萍等10采用高壓水射法（壓力約為9×107 Pa），用表面骨料暴露的百分比（對此只靠經(jīng)驗觀察而定）來度量表面粗糙度,即A級粗糙度：約有10%的粗骨料可見。B級粗糙度：約有30%40%的粗骨料可見。C級粗糙度：約有60%80%的粗骨料可見。根據(jù)其實驗結(jié)果可知：A 級粘結(jié)性差, B 級粘結(jié)性好, 且證明了高壓水射法處理混凝土表面是一種好方法。 C 級界面抗剪強度比 B 級略有增大。故 B 級粗糙度較合適, B 級粗糙度試件的粘結(jié)破壞強度較高。張曉光11等也研究了粗糙度對界面性能的影

6、響，實驗結(jié)果表明新舊混凝土經(jīng)過鑿毛處理后的結(jié)合面上的承載力比整澆混凝土低, 是其承載力的 67 % 。 新舊混凝土結(jié)合面鑿毛后開槽能較為有效地提高結(jié)合面的粗糙程度。承載力比僅鑿毛的結(jié)合面提高 12 % , 但仍比整澆混凝土低, 是其承載力的 7 5 % 。由此可知，粗糙度對界面表面干濕狀況對新舊界面的粘結(jié)性也有一定的影響，秦明強等2研究了在不同的界面干濕情況下, 界面的結(jié)合強度, 試圖找出新舊混凝土界面處于不同的干濕狀態(tài)對界面結(jié)合強度的影響規(guī)律, 通過對新老混凝土界面處水分的控制來改善界面結(jié)合強度。實驗表明：干燥狀態(tài)時拉拔強度高于自然狀態(tài)和濕飽和狀態(tài)。造成這種結(jié)果的原因可能是界面經(jīng)過干燥處理后

7、，當新混凝土澆筑時，舊混凝土會吸收水分，使界面處水灰比降低，使界面結(jié)合強度提高。并且，界面處于干燥狀態(tài)時，在養(yǎng)護過程中會吸水膨脹，補償了新混凝土的收縮。混凝土的碳化是混凝土所受到的一種化學腐蝕?？諝庵蠧O2氣滲透到混凝土內(nèi)，與其堿性物質(zhì)起化學反應后生成碳酸鹽和水，使混凝土堿度降低的過程稱為混凝土碳化，又稱作中性化，其化學反應為：Ca（OH）2 CO2=CaCO3 H2O。水泥在水化過程中生成大量的氫氧化鈣，使混凝土空隙中充滿了飽和氫氧化鈣溶液，其堿性介質(zhì)對鋼筋有良好的保護作用，使鋼筋表面生成難溶的Fe2O3和Fe3O4，稱為鈍化膜。碳化后使混凝土的堿度降低，當碳化超過混凝土的保護層時，在水與空

8、氣存在的條件下，就會使混凝土失去對鋼筋的保護作用，鋼筋開始生銹?？梢?，混凝土碳化作用一般不會直接引起其性能的劣化，對于素混凝土，碳化還有提高混凝土耐久性的效果，但對于鋼筋混凝土來說，碳化會使混凝土的堿度降低，同時，增加混凝土孔溶液中氫離子數(shù)量，因而會使混凝土對鋼筋的保護作用減弱。Karim Benzarti等3研究了碳化作用對界面粘結(jié)性能的影響，實驗表明沒有碳化層的界面粘結(jié)力更低。2. 高性能修補材料研制高性能的修補砂漿是改善新舊界面性能的最主要的方法。在過去的半個世紀中，聚合物砂漿或水泥由于其工作性好，粘結(jié)性強，耐磨性，防水和其它一些優(yōu)異的性能而被廣泛的運用于表面處理和修補工程中。但聚合物砂

9、漿或水泥也存在一些缺點，比如聚合物的加入會使得抗壓強度和抗拉強度有所降低，并且影響材料的彈性模量。對此Hongyan Ma7等人在新的合成方法條件下做了新的探索。使用兩種聚丙烯酸乳液（PA和PU/PA)對砂漿進行改性，使其抗折強度和韌性提高，且不會明顯降低抗壓強度。實驗表明，當加入少量聚合物時，抗壓強度會提高，聚合物過量時則會降低抗壓強度，故聚合物的摻量有一個最適值。彈性模量的變化也是類似的。M.M. Al-Zahrani8等人也對聚合物水泥基修補材料的力學性能和耐久性做了研究，實驗表明與水泥砂漿相比，聚合物水泥基修補材料力學性能沒有明顯的改變，但其彈性模量有所降低，這就導致了它的干縮減小。試

10、驗還顯示聚合物水泥基修補材料電阻率提高，抗氯離子滲透率提高。Karim Benzarti5等人研究了碳纖維強化聚合物（CFRP)作為修補材料時，新舊界面的粘結(jié)強度。黃從運6等人對聚丙烯纖維聚合物乳液改性硫鋁酸鹽水泥砂漿的力學性能和粘結(jié)性能等方面進行研究，選用羧基丁苯膠乳(SBR)和聚丙烯纖維(PPF)對具有高強、快硬、抗凍、微膨脹、耐蝕和粘結(jié)性好等特點的硫鋁酸鹽水泥進行改性，研制出高性能的修補砂漿。秦明強2等人也研究了摻碳纖維和聚丙烯纖維的砂漿作為修補材料時的性能。實驗結(jié)果表明：當摻入纖維后, 由于纖維能夠降低新混凝土的收縮并控制收縮裂縫的發(fā)展, 同時纖維分散在混凝土中交織在一起可以形成網(wǎng)狀結(jié)

11、構, 傳遞和分散應力, 優(yōu)化了界面區(qū)的力學性能。由于碳纖維的分散性較聚丙烯纖維差, 故效果沒有聚丙烯纖維混凝土理想。除此之外，一種更新穎的想法是研制生物基改性修補材料，M. Guadalupe Sierra-Beltran12等人在水泥基材中加入一種細菌和其營養(yǎng)源，細菌通過新陳代謝產(chǎn)生的二氧化氮與水泥孰料中的氫氧化鈣反應生成碳酸鈣，從而提高材料的強度。3. 界面劑的選擇選擇一種界面劑來提高新舊水泥間的粘結(jié)力是一種常用的方法，界面劑在其中起到的作用主要是：1.界面區(qū)域水泥砂漿增多，使得這一區(qū)域收縮變大2.界面生成物中C-H晶體和鈣礬石等大晶體增多3.使大晶體分布更均勻，孔洞分布更均勻。目前國內(nèi)使

12、用的界面劑主要有水泥砂漿，水泥凈漿，膨漿，YJ-302,YJ-303,國外使用較多的則是環(huán)氧樹脂界面劑，這些界面劑雖能提供短期強度但其耐久性差。Guangjing Xiong4等人提出將飛灰引入常用的界面劑中，以此來改善界面處的性能。實驗分五組進行，分別以水泥凈漿，膨漿，水泥砂漿，水溶性環(huán)氧樹脂，飛灰改性砂漿作為界面劑，對試件新舊界面的力學性能進行測試，并觀察界面出的微觀結(jié)構，結(jié)果表明，飛灰改性砂漿作為界面劑時界面處的結(jié)構更加密實，且抗劈裂強度明顯提高。飛灰改性砂漿之所以能提高界面抗劈裂強度是由于飛灰中的SiO2與水泥水化產(chǎn)物中的Ca(OH)2發(fā)生化學反應，界面間原來是靠分子力結(jié)合現(xiàn)在變成以化

13、學鍵相結(jié)合，所以界面間強度大大提高。參考文獻1田穩(wěn)苓，趙志方，趙國藩，黃承逵，新老砼的粘結(jié)機理和測試方法研究綜述，河北理工學院學報，1998，20（1）：84942秦明強, 水中和, 張建綱，新舊混凝土界面結(jié)合狀態(tài)研究，武漢理工大學學報，2006，28（12）：34373Karim Benzarti, Sylvain Chataigner, Marc Quiertant, Céline Marty, Christophe Aubagnac,Accelerated ageing behaviour of the adhesive bond between concrete specim

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