新老混凝土界面劑及界面處理總結(jié)報告

1、新老混凝土界面劑及界面處理總結(jié)報告1概述1.1 背景當(dāng)大型混凝土工程進(jìn)入老化病害期之后、新建混凝土工程中的新老混凝土界面出現(xiàn)的各種質(zhì)量問題時,需補(bǔ)強(qiáng)加固?；炷两Y(jié)構(gòu)加固修復(fù)工程通常包括結(jié)構(gòu)檢測與鑒定評估、加固設(shè)計與施工等多個環(huán)節(jié),涉及材料、技術(shù)和管理等多方面的因素。常用的加固方法有:粘鋼加固、加大截面加固、外包鋼加固、預(yù)應(yīng)力加固以及碳纖維(CFRP)加固等,這些方法已被列入國家標(biāo)準(zhǔn),其中加大截面法是最為傳統(tǒng)的一種加固方法,具有成熟的設(shè)計和豐富的施工經(jīng)驗,工程成本相對較低,適用于水利工程和大體積混凝土結(jié)構(gòu),以及建筑工程中的梁、板、柱、墻和一般構(gòu)筑物等多種混凝土結(jié)構(gòu)的加固,但該方法中涉及新老混凝土

2、的粘結(jié)面的問題。新老混凝土的粘結(jié)性能之所以重要的另一個原因,是水利工程中如溢洪道,交通運(yùn)輸工程方面的機(jī)場跑道、橋梁面板以及混凝土路面等大面積混凝土的補(bǔ)強(qiáng)修復(fù),是在老混凝土表面補(bǔ)澆新混凝土,這種方法成功的關(guān)鍵是新老混凝土的粘結(jié)質(zhì)量。1.2研究現(xiàn)狀對于新老混凝土粘結(jié)狀況的研究較多，大多集中在界面劑的種類、界面處理、界面劑的耐久性、界面部位、測試方法、齡期、新混凝土的性能、界面干濕狀態(tài)等方向。 界面劑的種類：新老混凝土界面目前作為工程使用的黏結(jié)劑按組分可以分為無機(jī)類和有機(jī)類。類型內(nèi)容無機(jī)類硅酸鹽類、磷酸鹽類、其他有機(jī)類環(huán)氧樹脂及改性環(huán)氧樹脂類、丙烯酸酯樹脂類、不飽和聚酯樹脂類、聚氨基甲酸酯類、有機(jī)硅

3、樹脂類、其他 混凝土的表面處理方式：進(jìn)行新舊混凝土粘結(jié)補(bǔ)強(qiáng)加固時,老混凝土的表面狀況被認(rèn)為是影響粘結(jié)性能的最重要因素。因此,在澆筑新混凝土之前,應(yīng)對老混凝土粘結(jié)面進(jìn)行處理,使之形成堅固完整、干凈、輕度粗糙的表面,以得到較好的粘結(jié)面。在新舊混凝土補(bǔ)強(qiáng)加固實踐中,己研究并應(yīng)用了一些方法對新舊混凝土粘結(jié)界面進(jìn)行粗糙處理,如:人工鑿毛法、高壓水射法、機(jī)械刻痕法、噴砂法、噴氣法、氣錘鑿毛法、化學(xué)腐蝕法等。粘結(jié)方位：補(bǔ)強(qiáng)加固時,新舊混凝土的粘結(jié)方位對粘結(jié)效果有一定的影響。研究結(jié)果表明,側(cè)補(bǔ)試件的劈拉強(qiáng)度明顯高于上補(bǔ)。在采用老混凝土表面鑿毛和界面劑的條件下,斜下補(bǔ)試件的壓剪強(qiáng)度明顯高于斜上補(bǔ),劈拉強(qiáng)度也高于

4、上補(bǔ)。 齡期：新老混凝土的粘結(jié)性能隨粘結(jié)齡期的不同而有所差異,在粘結(jié)初期,粘結(jié)強(qiáng)度隨粘結(jié)齡期的增長而增加,達(dá)到一定時間后,粘結(jié)強(qiáng)度又會隨著粘結(jié)齡期的增長而降低。 新混凝土的性能：在老混凝土表面補(bǔ)澆新混凝土?xí)r,除使用界面劑外,還應(yīng)使新澆的混凝土比老混凝土高一個強(qiáng)度等級,以減小新混凝土的收縮,降低收縮應(yīng)力,保證新老混凝土之間的粘結(jié)質(zhì)量。采用低收縮、低徐變、高強(qiáng)度、低孔隙率的新混凝土,是獲得良好粘結(jié)面的關(guān)鍵。另外,在新澆筑的混凝土中加入碳纖維、鋼纖維和尼龍纖維,或采用預(yù)鋪骨料混凝土等,均可不同程度地減少新混凝土的收縮。 粘結(jié)的耐久性：粘結(jié)混凝土的耐久性主要包括抗凍性、高溫性能、抗?jié)B性、抗疲勞性能。研

5、究表明，新老混凝土的粘結(jié)劈裂抗拉強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低,特別對先粘結(jié)后凍融試件的劈裂拉強(qiáng)度受凍融循環(huán)的影響尤為明顯。引氣劑可明顯提高新老混凝土粘結(jié)面的抗凍融性能,對所試驗的試件,在同樣的條件下,其抗凍融性能可提高一倍。新老混凝土粘結(jié)面的滲透性大于新、老混凝土本體的滲透性,粘結(jié)面是其滲水的主要通道。界面干濕狀態(tài)：界面干濕狀態(tài)會影響界面結(jié)合強(qiáng)度,干燥狀態(tài)對新舊混凝土結(jié)合最為有利。對于濕飽和界面,在與修補(bǔ)材料結(jié)合時容易在界面處形成水分集中,從而降低了界面結(jié)合強(qiáng)度。當(dāng)界面干燥時,界面處集中的水分被界面吸收,減小了界面過渡區(qū)的寬度,從而提高了新舊混凝土之間的結(jié)合力。測試方法：主要為粘結(jié)劈裂抗拉強(qiáng)

6、度試驗和直接抗拉強(qiáng)度試驗。1.3存在問題水泥凈漿(或砂漿)、膨脹水泥漿(或砂漿)、環(huán)氧樹脂(或砂漿)、摻減縮劑的水泥漿(或砂漿)、摻活性材料及減縮劑的水泥漿(或砂漿)、偶聯(lián)劑+摻減縮劑的水泥漿(或砂漿)等,都有各自的優(yōu)點。但也存在諸多不足之處:或者效果不是很好、或者有毒害、或者施工程序較多、或者成本較高。2界面劑種類及效果2.1 界面劑的原理從宏觀層次分析,砼可視為粗細(xì)骨料顆粒分散在水泥漿基體中所組成的兩相復(fù)合材料.從微觀層次分析,砼結(jié)構(gòu)的兩相復(fù)合材料的分布不是均勻的,兩相體本身組成也是不均勻的.硬化砼中的某些區(qū)域是致密的,如骨料;而另外一些區(qū)域是高度多孔的.在貼近大顆粒骨料表面,硬化水泥漿體

7、的結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)中水泥石或砂漿的結(jié)構(gòu)差別很大.事實上,在荷載作用下砼力學(xué)行為的許多方面只能將水泥漿-骨料界面視為砼結(jié)構(gòu)的第三相才能作出合理的解釋.第三相,即界面區(qū)相,或稱為過渡區(qū)相,代表著粗骨料與硬化水泥漿體的過渡區(qū),過渡區(qū)圍繞大骨料周圍存在一層薄層,通常比砼的其它兩相組成要弱,因此,界面區(qū)對砼力學(xué)行為的影響很大,界面的結(jié)構(gòu)與界面的力學(xué)性能有密切的關(guān)系.新老砼的界面同樣存在類似于整澆砼中骨料與水泥石接觸的這樣一個過渡區(qū),而這恰拾是三相中最弱的界面層,原因在于:由于老砼的親水性,修補(bǔ)時會在老砼表面形成水膜,使結(jié)合面處新砼的局部水灰比高于體系中的水灰比,導(dǎo)致界面鈣礬石和氫氧化鈣晶體數(shù)量增多,形態(tài)變大,

8、降低界面強(qiáng)度.且由于老砼的阻礙,新砼中的泌水和氣泡積聚在老砼表面,不僅使得新砼局部水灰比更高,而且使得氣孔和微裂縫在該區(qū)富集,顯著降低界面強(qiáng)度.水泥漿本身具有一定的粘結(jié)性,它主要用于包裹砼中的骨料,使之硬化成堅硬的水泥石.在新砼中的骨料經(jīng)過充分?jǐn)嚢?、振搗,被水泥漿包裹,而新老砼界面處新砼中的骨料經(jīng)過振搗可能擠壓在界面處,使骨料與界面突出的石子、水泥石形成“點接觸”,骨料堆積在老砼表面,阻塞了一部分老砼表面的孔隙和凹凸不平區(qū)域,使具有粘結(jié)性的水泥漿不能完全滲入孔隙中去,從而形成“缺漿”現(xiàn)象,界面處水泥漿不能充分浸潤骨料和水泥石,而新砼失去一部分水泥漿,這樣使得粘結(jié)界面處的新砼中出現(xiàn)空隙,影響了新

9、老砼的粘結(jié)強(qiáng)度.整澆砼中骨料體積小、多棱角、骨料表面粗糙,使水泥石可嵌固在骨料表面的凹坑中,機(jī)械咬合對宏觀粘結(jié)強(qiáng)度起主要作用.從微觀上看, 它增加了有效的真實接觸面積,粘結(jié)力也會大大增加,同時,骨料表面的凸起對界面區(qū)結(jié)構(gòu)有增強(qiáng)作用,并能改變界面裂紋擴(kuò)展方向,使裂紋擴(kuò)散“路徑”曲折,也能消耗部分能量.而新老砼界面處的骨料和硬化水泥石形成一個“面”,象一塊表面比較平坦的“大骨料”,而這塊“大骨料”與整澆砼中的骨料相比不但體積大且只有一個“面”,且這個“面”很平坦無法改變裂紋擴(kuò)展方向.在新老砼界面處骨料相對集中,裂縫、缺陷產(chǎn)生的幾率較大,新老砼界面承載能力進(jìn)一步被削弱. 使用界面劑主要是從物質(zhì)結(jié)構(gòu)層

10、次方面著手,使新老砼接觸的界面區(qū)結(jié)構(gòu)得到加強(qiáng).界面劑噴涂在老砼表面后,一方面能夠很好地滲入其表面的孔隙,與老砼形成良好的結(jié)合,另一方面又與部分新澆砼產(chǎn)生化學(xué)結(jié)合,從而提高了新老砼的界面結(jié)合力.綜上所述，界面劑的所起的作用主要為：可能性的吸收在新老混凝土界面和空隙中富集的CH和鈣礬石，在老混凝土表面孔隙和界面形成對界面粘結(jié)強(qiáng)度有貢獻(xiàn)的水化產(chǎn)物。減小新老混凝土界面的空隙來增加粘結(jié)強(qiáng)度，比如能更好的優(yōu)化新混凝土的流動性和粘聚性，采用微膨脹水泥來抵消因收縮而產(chǎn)生的空隙。增大新老混凝土之間的粗糙度，使得界面緊密接觸，增大粘結(jié)強(qiáng)度。2.2 界面劑的種類和機(jī)理一般情況下,界面劑應(yīng)滿足如下要求:彈性模量與混凝

11、土接近,熱膨脹系數(shù)與混凝土接近;在修補(bǔ)混凝土存在的情況下能固化,干燥收縮比砂漿或混凝土小。界面劑厚度與粘結(jié)性能有著密切的關(guān)系。一般粘結(jié)劑的最大涂刷厚度不應(yīng)超過3mm,以.0.5mm一1.5mm為宜。水泥凈漿類：界面劑水灰比與新混凝土相同。粘結(jié)性能一般，但較為經(jīng)濟(jì)。摻入膨脹劑的改性水泥凈漿：U型膨脹劑，簡寫UEA，它是以硫酸鋁、氧化鋁、硫酸鋁鉀等為主要多種膨脹源，其為較常用的膨脹劑。當(dāng)其與水拌和后,生成大量水化硫鋁酸鈣,即鈣礬石.鈣礬石在膠粒間以輻射狀生長,細(xì)微的鈣礬石晶體進(jìn)入了舊混凝土粘結(jié)面上的孔穴,這將提供一種銷栓力，宏觀上提高了新舊混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度.由于鈣礬石的形成,界面劑產(chǎn)生一定的體積膨

12、脹,兩側(cè)的新舊混凝土對界面劑的膨脹具有一定的約束作用,使水泥漿中更多的水泥顆粒與老混凝土表面相接觸；若膨脹較大,粘結(jié)面在限制其膨脹的同時,受到壓力作用,這種壓力作用將增加集料與水泥漿的機(jī)械咬合力,因而增大集料與水泥漿的界面粘結(jié)強(qiáng)度；界面劑產(chǎn)生膨脹可以消除或部分消除新混凝土的體積收縮對粘結(jié)的不利影響;這些都有利于界面處粘結(jié)強(qiáng)度的提高.摻摻合料的改性水泥漿：摻合料一般為粉煤灰和硅灰。粉煤灰的粒徑較小，能夠填充界面處混凝土的細(xì)小微孔，減小“點接觸”造成的缺陷，而且粉煤灰有火山灰活性，在后期可提高界面處的強(qiáng)度。硅灰是一種具有活性的礦物摻合料,與水泥水化生成的Ca(OH)2能發(fā)生二次反應(yīng),生成C-S-H

13、凝膠.界面劑中的硅灰可與舊混凝土表面的Ca(OH)2發(fā)生反應(yīng),提高了新舊混凝土之間的化學(xué)作用力;由于二次反應(yīng)的發(fā)生減少了界面區(qū)中大晶體的數(shù)量,同時生成的C-S-H凝膠填充于水泥石的空隙中提高了界面區(qū)的密實程度;C-S-H凝膠的形態(tài)是毛刺狀,向外輻射生長的,可以長入舊混凝土表面的微裂縫中,由于硅灰的二次反應(yīng)作用,摻硅灰后較不摻硅粉的可以生成更多的C-S-H凝膠,提高了新舊混凝土之間的粘結(jié)強(qiáng)度.摻聚合物膠粉的改性水泥漿：此處的聚合物主要指纖維素醚、可再分散乳膠粉、塑化劑等有機(jī)外加劑，它們主要起到增稠保水作用，都能較好的優(yōu)化砂漿的性能。聚合物乳膠粉由于含有極性基團(tuán)如-OH、-COOH等,在與混凝土等

14、無機(jī)材料接觸時,這些極性基團(tuán)便在混凝土界面生成氫鍵,產(chǎn)生螯合等作用,從而使其具有優(yōu)良的粘結(jié)性能。正是由于聚合物乳膠粉含有-OH、-COOH等基團(tuán),因此將聚合物乳膠粉添加到界面處理劑中,當(dāng)水泥水化后,聚合物乳膠粉在整個無機(jī)材料中形成一個連續(xù)的有機(jī)高分子膜,與舊基材的接觸面比較大,同時,聚合物所含的極性基團(tuán)與基材表面的極性基團(tuán)發(fā)生作用而大大提高界面劑性能。纖維素醚可以起到保水劑增稠作用，主要起到以下兩種作用:一是防止界面劑在施工過程中失水過快,導(dǎo)致水泥水化不完全,從而影響性能;二是增加界面劑的粘性,使界面劑易于附著在基材表面。摻聚丙烯纖維、碳纖維等纖維改性水泥漿：聚丙烯纖維水泥漿可以降低界面劑的收

15、縮,這樣減小因界面劑收縮而產(chǎn)生的應(yīng)力。摻入聚丙烯纖維后,聚丙烯纖維分散在水泥漿體中,形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),阻礙混凝土在破壞時產(chǎn)生的微裂紋的擴(kuò)展,在一定程度上保持了新舊混凝土之間的咬合作用,從而提高了界面結(jié)合強(qiáng)度。而碳纖維相對來說效果較差，因為碳纖維屬于疏水結(jié)構(gòu)，與混凝土的粘結(jié)力較小，起到的作用較弱。在水泥漿中摻入外加劑：如消泡劑、分散劑、防水劑：當(dāng)摻入聚丙烯纖維、聚合物膠粉時，加入分散劑能較好的將其分散，有效的增大它們的作用。加入消泡劑可以防止界面劑氣泡較多而產(chǎn)生粘結(jié)力學(xué)性能下降。同時外加劑的摻入可以提高界面劑的流動性，可以增大界面劑與新老新混凝土的接觸面積，增大粘結(jié)力。以超細(xì)硅酸鹽水泥代替普通硅酸鹽

16、水泥：超細(xì)硅酸鹽水泥相比于普通水泥來講，具有較大的比表面積，能夠更完全的水化，故而強(qiáng)度高于普通水泥，這樣作界面劑時便可以提高界面劑的強(qiáng)度。在水泥凈漿中摻入聚合物乳液： 可有效的改善水泥凈漿的性能，聚合物乳液所形成的聚合物薄膜將起到較大的作用，增大新老混凝土之間的粘結(jié)力。有機(jī)類膠：環(huán)氧樹脂，缺點一是脆性較大，韌性較差;二是耐熱溫度相對較低，使用溫度一般不超出150C, 故而需要進(jìn)行改性處理。重慶大學(xué)朱紅梅指出，純環(huán)氧樹脂粘結(jié)界面機(jī)械性能不良，通過在樹脂中添加偶聯(lián)劑 KH-550 來活化碳酸鈣來提高其性能。隨著碳酸鈣添加量的增加,復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度逐漸提高,當(dāng)碳酸鈣與環(huán)氧樹脂質(zhì)量比為5100 時出

17、現(xiàn)了最大值。通過對文獻(xiàn)的總結(jié)，認(rèn)為當(dāng)采用水泥凈漿,摻膨脹劑的水泥漿以及采用丁苯乳液的水泥混凝土來粘結(jié)新老混凝土?xí)r,都能取得較好的粘結(jié)效果,其界面剪切強(qiáng)度都能達(dá)到整體混凝土剪切強(qiáng)度的75%以上。同時摻入一定量的聚合物膠粉，纖維均可提高粘結(jié)界面的性能。3界面處理方法在新老混凝土的粘結(jié)中，除了選用較好的界面劑外，界面的處理對于新老混凝土之間的粘結(jié)也起到至關(guān)重要的作用。因為整體來說，新老混凝土之間的粘結(jié)力主要來自機(jī)械咬合的作用，而界面的處理對此影響較大，在處理新老混凝土粘結(jié)問題時不容忽視。 人工鑿毛法該方法是實際工程中常用的一種界面粗糙度處理方法,是用鐵錘和鑿子借助人力對舊混凝土粘結(jié)面敲打,使其表面形

18、成隨機(jī)的凹凸不平狀,增加粘結(jié)面的粗糙程度。此方法的優(yōu)點是施工技術(shù)簡單,不需大型昂貴的機(jī)械設(shè)備,工程造價低。其缺點是不便于大面積機(jī)械化施工,且會在老混凝土粘結(jié)面產(chǎn)生擾動,形成附加微細(xì)裂縫。 高壓水射法此方法是用高壓水槍對新舊混凝土粘結(jié)面進(jìn)行沖毛粗糙處理。利用高壓水槍的壓力(100一25OMPa),控制其噴水速度、噴射距離和噴除速度,借助巨大的沖射力除去老混凝土粘結(jié)面的水泥石,使其表層的粗集料外露而形成凹凸不平的粘結(jié)面。該方法的優(yōu)點是機(jī)械化施工水平高,施工速度快,對老混凝土的擾動小,處理凹凸均勻性好。但該方法所用的高壓噴水設(shè)備昂貴,工程費(fèi)用大。 噴丸(砂)法噴丸(砂)法用噴射機(jī)向老混凝土的待處理面噴射不同直徑的鋼球,通過噴射機(jī)控制其噴射速度和噴射密度,可以得到能以平均深度定量描述的新舊混凝土粘結(jié)面的粗糙度,這樣便于得到最為滿意的表面粗糙度。 酸浸蝕法酸浸蝕法是以一定濃度的鹽酸與老混凝土中的水泥石反應(yīng),來改善已經(jīng)經(jīng)過宏觀粗糙處理的老混凝土界面的微細(xì)觀粗糙度,該方法可以增加新舊混凝土接觸面積,改善界面層微細(xì)觀結(jié)構(gòu),從而顯著提高粘結(jié)界面的機(jī)械