（材料学专业论文）新旧混凝土界面结合状态研究.pdf

摘要 随着公路运输负荷的加重，混凝土路而和桥涵破坏日趋严重，出现病害 的混凝土结构经常采用混凝土或砂浆进行修补。在实际修补工程中，为了提 高界面结合力经常采取预先润湿界面的方法，但不同的研究者对此得到的结 论存有较大分歧。本文针对这一问题系统地研究了新旧混凝土界面干湿状态 对界面结合强度的影响。本文主要做了以下3 个方面的研究： 1 研究不同界面干湿状态下，几种常见的修补材料和界面剂对界面结 合强度的影响。运用拉拔强度、抗折强度评价新旧混凝土界面结合状态， 利用湿度传感器监测界面湿度状态，建立了界面湿度状态与界面结合强度 之间的关系，并借助显微硬度仪对试验结果进行了验证和分析。 2 结合既有陈家冲改造工程实际，探讨了具有微膨胀功能的h e a j l 型抗裂防水剂的掺量对界面结合强度的影响，找出了抗裂防水剂掺量与界 面结合强度之间的关系，确定了抗裂防水剂的最佳掺量。 3 研究了新旧混凝土界面过渡区，总结出新旧混凝土界面过渡区的一 些特点。并对国内外关于新旧混凝土界面粘结机理进行了对比，从宏观和 微观两个方面分析了新旧混凝土界面粘结机理，结合试验结果，在总结和 归纳前人研究成果的基础上，提出了自己的看法。 结果表明，界面干湿状态会影响界面结合强度，干燥状态对新旧混凝 土结合最为有利。晃面处于不同干湿状态时，提高新混凝土强度可使结合强 度略有增大。修补材料中掺入纤维会明显提高界面结合强度，且聚丙烯纤维 要优于碳纤维。使用界面剂后界面干湿状态对界面结合强度影响减弱。 h e a j l 型抗裂防水剂的掺量为6 时，界面结合紧密，界面结合强度高，有 利于防水抗渗。 关键词：界面结合强度，界面湿度状态，新旧混凝土界面过渡区， 粘结机理 a b s t r a c t n o w a d a y s ，w i t ht h ei n c r e a s eo ft h eh i g h w a yt r a n s p o r t a t i o nl o a d ，t h ec a s e so f d a m a g eo fp a v e m e n t sa n db r i d g es t r u c t u r e sh a v ef r e q u e n t l ye m e r g e di nt h e i r s e r v i c el i f e t h ed a m a g e ds t r u c t u r e sa r e a l w a y sr e p a i r e dw i t hm o r t a ra n d o r c o n c r e t e i no r d e rt oi m p r o v et h eb o n d i n gf o r c e so ft h ei n t e r f a c eb e t w e e nn e w a n do l dc o n c r e t e ，t h ep r e - w e t t i n gm e t h o dh a sb e e na d o p t e di nt h e p r a c t i c a l e n g i n e e r i n g ，b u t t h ev i e w p o i n t sf o r t h ee f f e c to fp r e w e t t i n gi n t e r f a c ea r e d i f f e r e n tf o rd i f f e r e n tr e s e a r c h e r s t h eo b j e c t i v eo ft h i sp a p e rf o c u s e so n s t u d y i n gt h e i n f l u e n c eo fv a r i o u sm o i s t u r es t a t e so nt h eo l d n e w c o n c r e t e i n t e r f a c i a lb o n d t h em a i nc o n t e n t so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： t h i sp a p e rp r e s e n t e dt h ei n f l u e n c eo fc o m m o nr e p a i rm a t e r i a l sa n dp r i m e r so n t h ei n t e r f a c i a lb o n d sb e t w e e nn e wa n do l dc o n c r e t e su n d e rv a r i o u sm o i s t u r e s t a t e s t h ep u l l o f ft e s ta n db e n d i n gt e s t sw e r ec o n d u c t e dt oe v a l u a t et h e b o n d i n gs t a t e sb e t w e e nn e wa n do l dc o n c r e t e s t og i v ei n s i g h ti n t ot h em o i s t u r e m o v e m e n tn e a rt ot h ei n t e r f a c e ，t h eh u m i d i t ys e n s o ri sp r o p o s e da n da p p l i e di n t h i st h e s i s b yt h i sw a yt h ei n f l u e n c eo ft h em o i s t u r em o v e m e n to nt h ei n t e r f a c e a n di n t e r f a c i a lb o n dw a se x p l o r e da n da n a l y z e d a st h es a m et i m e t h e m i c r o - h a r d n e s si nt h ev i c i n i t yo ft h ei n t e r f a c e sb e t w e e nn e wa n do l dc o n c r e t e i n t e n d e dt oe x p l a i nt h ec o r r e s p o n d i n ge x p e r i m e n t a lr e s u l t s i nc o m b i n a t i o nw i t ht h e c h e n j i a - c h o n g r e c o n s t r u c t i o n e n g i n e e r i n g ，t h i s d i s s e r t a t i o ns h o w e dt h ei n f l u e n c eo fa n t i - c r a c k i n ga n dw a t e r - p r o o f i n ga d m i x t u r e ( a w a ) o nt h ei n t e r f a c i a lb o n d sb e t w e e nn e wa n do l dc o n c r e t e b a s e do nt h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nc o n t e n to fa w aa n di n t e r f a c i a l b o n d sw e r ef o u n da n de s t a b l i s h e d m o r e o v e r ，t h eo p t i c a lc o n t e n to fa w ac a nb e o b t a i n e da c c o r d i n gt ot h i sr e l a t i o n s h i p t h ec h a r a c t e r i s t i c so fn e w - t o o l dc o n c r e t ei t zw e r ed i s c u s s e da sw e l li u t h i s p a p e r b ys u m m a r i z i n ga n dc o m p a r i n gt h ea d h e r e n c em e c h a n i s m si nt h e d o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a ls t u d i e so nt h ei n t e r f a c eo fn e w t o o l dc o n c r e t e ，s o m e n e wi d e a sa b o u tt h ea d h e r e n c em e c h a n i s m so fn e w t o o l dc o n c r e t eb o t hf r o m m a c r oa n dm i c r ol e v e l sw e r ep u tf o r w a r di nc o m b i n a t i o nw i t ht h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t s i i t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ei n t e r f a c em o i s t u r ec o n d i t i o ni s a n i m p o r t a n tf a c t o rt oi n f l u e n c et h eb o n d i n gf o r c eo ft h ei n t e r f a c eb e t w e e nn e wa n d o l dc o n c r e t e t h es t r o n g e s ti n t e r f a c i a lb o n dc a nb ea c h i e v e do nt h eo v e n d r i e d s u b s t r a t e t h ei n t e r f a c i a lb o n dc o u l da p p r e c i a b l ye n h a n c ew h e nt h es t r e n g t ho f r e p a i rm a t e r i a l si n c r e a s e d m o r e o v e r t h ei n t e r f a c i a lb o n dc o u l db eo b v i o u s l y i n c r e a s e dw i t hc a r b o nf i b e ro r p o l y p r o p y l e n ep o l y m e rf i b e ri nt o t h er e p a i r c o n c r e t ea n dt h eh i g h e ri n t e r f a c i a lb o n dc a nb eo b t a i n e dw i t ht h ea d d i t i o no f p o l y p r o p y l e n ep o l y m e rf i b e rc o m p a r e dw i t ht h ec a r b o nf i b e r t h ei n t e r r a c i a l b o n dc o u l db ei n d e p e n d e n to fm o i s t u r es t a t e so nt h eo l d n e wc o n c r e t ei n t e r f a c e w h e nt h ep r i m e r sw e r eu s e d t h es t r o n g e s ti n t e r f a c i a lb o n dc o u l db ea c h i e v e d t h em o m e n tt h a tt h ea d d i t i o nr a t i oo fa w aw a s6 rb yw e i g h t ) k e yw o r d s ：i n t e r r a c i a lb o n d ，i n t e r f a c i a lh u m i d i t y ；n e w t o o l dc o n c r e t ei t z a d h e r e n c em e c h a n i s m s i i i 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究目的及意义 第1 章绪论 混凝土结构是当今世界上用途最广、用量最大的建筑结构。由于具有经 济适用、易于成型等优点，混凝土结构广泛应用于水利、交通、工业民用建 筑等大型国民经济基础性设施和国防工程中，成为一种不可替代的建筑材 料。据初步估计【l 】，目前全世界每年生产的混凝土材料超过3 0 亿m 3 ，我国 是混凝土生产和应用大国，混凝土的总产量约占全世界的4 0 ，高达1 2 亿 m 3 。当代十大超巨型水利工程之一的三峡水利枢纽工程，其主体建筑物大坝、 船闸、升船机、电站厂房等均为混凝土结构，整个工程混凝土浇筑量约为 2 9 4 1 万m 3 ，最高年浇筑混凝土方量达4 0 0 余万m 3 。预计在2 1 世纪以至更 长的时间，混凝土材料仍是主要的建筑材料，混凝土结构仍有着广阔的发展 和应用前景。 混凝土结构在广泛使用的同时，也面临着严重的耐久性问题。随着使用 年限的增长，既有混凝土结构在各种使用荷载及侵蚀环境作用下，己相继产 生了相当严重的老化和病害，这些严重影响了建筑物的正常使用，甚至危及 国民经济的安全。常见的混凝土结构老化病害类型主要有：使用环境引起的 混凝土碳化、冻融和腐蚀破坏；设计缺陷或使用功能改变导致的混凝土开裂、 变形过大及钢筋锈蚀等破坏。 无论国内还是国外，混凝土结构在使用过程中，安全性和耐久性方面都 出现过大量的问题。美国联邦公路管理局1 9 9 6 年的调查指出1 2 4 j ，美国洲际 公路网约有2 5 3 ，0 0 0 座混凝土桥的桥面板已经老化或破损，占桥总数的4 2 ，且当时桥面劣化的速率高出修复与新建速率的5 0 。美国1 9 9 8 年混凝 土桥梁维修耗资1 5 5 0 亿美元，为初建桥费用的4 倍：其它混凝土结构的维 修费也高达9 5 0 亿美元 5 】。英国建造在海洋及含氯化物介质环境中的混凝土 结构，因钢筋锈蚀和混凝土剥落需要重建和加固的占1 3 以上：日本一些钢 筋混凝土桥梁，投入使用不到2 0 年，由于碱骨料反应，使桥梁到处遍布裂 缝，完全丧失了使用功能，不得不炸掉重建。冲绳地区1 7 7 座桥梁的调查表 明，桥面板和钢筋混凝土梁的损坏率已达9 0 以上 6 ；而日本引以自豪的新 干线，使用还不到十年，就出现了大面积混凝土开裂、剥蚀现象。 我国混凝土结构的老化病害问题也相当严重。建国初期大规模修建的大 型水利及工业民用基础性设施中的混凝土结构，大都经过了近5 0 年的运行， 武汉理下大学硕十学位论文 正逐渐进入老化病害严重期。另外正常使用期内的混凝土结构，也可能由于 设计、施工及运行不当，特别是受到突发性的风灾、水灾、火灾及震灾等意 外作用而造成损伤和病害。据1 9 9 5 年统计【7j ，铁路混凝土桥病害由1 9 9 3 年 的1 6 5 上升至1 9 9 4 年的1 8 8 。南京水科院对华南地区使用7 2 5 年的 1 8 座海港码头调查显示，在浪溅区因梁板底部混凝土脱落，钢筋严重锈蚀 引起破坏的码头有1 6 座，占调查总数的8 9 。2 0 0 5 年4 月7f i 早晨，江苏 省吴江市梅堰镇一座桥梁突然坍塌( 图i 1 ) ，造成人员伤i ：和对上海至浙 江湖州的航道运输产生一定程度影响。该桥建于上个世纪8 0 年代中期，营 运仅二十余年。广州洛溪大桥主桥箱梁的顶板、腹板、底板局部地区出现 1 7 6 条不同程度的裂缝和破损，桥梁局部区域混凝土保护层不足。南北引桥 梁体混凝土已有部分裂缝超标，支座出现剪切变形或倾斜及老化，需立即整 修、更换，部分桥墩盖梁局部钢筋外露、锈蚀，盖梁出现较多裂缝( 图2 2 ) ， 部分超标。我国不少完工不久的公路和公路桥面混凝土已有破损。有专家预 测，再过二、三十年，我国将进入以维修加固改造为主的时期。 图卜2 洛溪大桥混凝土局部 图卜1 是江市梅堰镇桥梁坍塌 不密实、钢筋外露 世界范围内如此严重的既有混凝土结构老化病害现象已使混凝土结构 的维修加固迅速发展成为一门新兴的特殊工程行业，相应既有混凝土结构的 维修加固费用也大幅增加。美国1 9 9 8 年仅用于修复混凝土腐蚀破坏的费用 就高达2 5 0 0 亿美元，混凝土工程维修和重建的费用将超过3 0 0 0 亿美元【7j ； 英国每年用于修复钢筋混凝土结构的费用高达2 0 0 亿英镑；日本目前仅用于 房屋维修方面的费用即达4 0 0 亿同元。总体上讲，发达国家每年的混凝土结 构维修费用约占建筑总投资的4 0 以上。我国近年在既有混凝土结构维修 加固方面的投资也非常大，我国每年投入混凝土路桥的维修费用在1 0 亿元 左右【8 】。预计我国目前既有混凝土结构的加固维修费用可能高达数千亿元之 2 武汉理工大学硕士学位论文 多。 在如此庞大的既有混凝土结构补强加固维修工程中，补强加吲质煅直接 决定糟既有混凝土结构的二次安全性和耐久性，也决定整巨额补强加固维修 费蘧瓣效益。混凝主缝麓 强造疆大多零会涉及耨| 鑫瀑凝主戆耱结，闲茂， 研究新旧混凝土粘孀性能和工程应用技术已成为混凝士结构补强加固的关 键，也是水利和交通等工程领域中混凝土结构安全性和耐久性基础研究所迫 切需娶鳃决的重大潆越。 1 2 阑内外研究现状 濑凝土结构的维修加固引怒了许多国家学术界、工襁界的极大关注。为 了改蛰耨l 瑟混凝主器瑟瑟戆糕终经缝，国内羚学者窝工程技术久员嚣绕影啕 粘结的诸多因素在新旧混凝土粘结的宏观力学性能和微观粘结机理镣方面 进行了t 系列的研究【9 1 “。其主要集中在老瀹凝土表面处理方法、界面剂、 修 b 誊孝瓣、修 方使、赛露于濑状态等对耨酾混凝界瑟的糙结强度影响鞋 及鹣结机理、秸缀强度测试方法等方面。魏分述如下： 1 2 1 老混凝土表面处理方法 遴行薮l 基渥凝主旗缝蛰强翔强鼓，老湛凝魏表嚣状；咒被认为怒黟镌精 结性能的最重要豳索。因此，程浇筑新混凝土之前，应甜老混凝土稿缩面进 行处理，使之形成鼹固完整、干净、轻度粗糙的表面，以得到较好的粘缩面 1 1 7 】。在新l 酲混凝土每 强加固实践中，已研究荠应用了一魑方法对新嘲混凝 土糖镰赛面送手亍精糙处理，翔：人工琶毛法l ：1 8 】、高压永龛雩法l 砖l 、税辍轰痰 法1 2 0 1 、喷砂法1 2 1 1 、喷气法、气锤凿毛法、化学腐蚀法1 2 2 j 等。 12 1 1 人工凿笔法 该方法是实躲王程中鬻蘧戆一耪赛嚣精糙瘦延莲穷法，是蘧铁镬帮麓予 借助人力对旧混凝土粘结面敲打，使其表面形成随机的凹凸不平状，增加粘 结面的粗糙程度。此方法的优点是施工技术简单，不需大溅昂贵的机械设备， 工程逡徐低。其缺点是不便于大露积极被化施工，且会程老漫凝糕缝嚣产 生扰动，形成附鸯n 微细裂缝。 1 2 1 2 高压水射法 此方法是用麓压水枪对裁 嚣混凝土糙络露进行冲毛糖糙处理。利用高压 承枪浆压力( 1 0 0 2 5 0 m p a ) ，羟潮箕喷永逮发、喷射距蒜帮喷除速度，借助 3 武汉理工人学磷士学位论文 巨大的_ 串射力除去老搅凝土秸结面的水泥石，使其表屡的租巢料外露而形成 凹凸不平的粘结丽。该方法的优点是机械化施工水平高，施工速度快，对老 混凝土的扰动小，处理豳凸均匀往好。但该方法所蠢j 的高压喷水设备昂贵， 工程费用大。 1 2 。1 3 喷丸( 移) 法 喷丸( 砂) 法用喷射枫向老淑凝土的待处理藤喷射不同直径的钢球，通过 喷射机控制其喷射速度和喷射密度，可以得到能以平均深度定量描述的新i 日 混凝土粘结面的粗糙度，这样便于得到最为满意的表两粗糙发。 1 2 1 4 酸浸蚀法 酸浸蚀法是以一定浓度的藏酸与兹混凝土中的水滋石反艨，来改蛰已经 经过宏观粗糙处理的老混凝土界面的微细观粮糙度，该方法可以增加新旧混 凝土接触厦积，改善界馘层微细观结构，从丽鼹著提糍糙结界面的桃槭咬合 力和范德华力，大幅度提高粘结强度和耐久性。 以上表面处理方式中，工程中最常用的是人工凿麓法，效果最理想的是 商透永射法。 1 。2 。2 爨面剂 影响粘结强度的第二个主要因素是界面剂，在界面剂中添加膨胀剂可以 提毫短麓糖结强度，这怒由予寝宏醒上霹鞋减少爨嚣裁靛牧绞。霞敦会适蛉 界面粘结剂可以提高新1 日混凝土的粘结性能。擞高的幅度随着界面剂的不同 丽不同。鬻胄l 我要露剂蠢隶泥浆类鹣续剡、环畿类糙终裁、聚合物类毒鑫结裁 等( 23 2 4 1 ，粘结效果的优劣并无统一的认识。粘结剂的最大涂刷厚度不应超 过3 r a m ，默o 。5 r a m - - 1 5 r a m 为寰。另外，在工程应餍上【2 s 2 酗，国内於还有 在界面间增设机械栓或插筋来提高粘结强度。 。2 ，3 修枣 材料 为保证新旧混凝土粘结面具有较好的粘结性能，用于修补的新混凝土材 精应力求与老混凝主繇翔牵孝精耀同，精溜凝主豹强度庭院老演凝强霾高一 个等级f 2 。修补后结构的耐久一陡取决于新旧混凝土粘结的耐久性和修补材 瓣戆耐久瞧。嚣诧，棂摇不目糖援选择不同戆愈逶翡修耱耱辩非鬻耋蘩。瑾 想的修补材料一般应具有如下特征： 1 ) 嚣老滋凝鸯较努懿糖绩强嶷； 2 ) 与老混凝土有较好的相容性； 4 武汉理工大学硕士学位论文 3 ) 低收缩； 4 ) 较好的工作性能。 混凝修补常常函为耨旧撬凝土之阗的稻结失效丽导致破坏，虽然在开 始时新1 日混凝土之间有较好的粘结性，但由于新混凝土的收缩在新旧混凝土 稻结西上产生应变，懿采该应交大到廷以琵绩精结酸坏时，导致薪i 嚣混凝土 粘结失败。为此应选择收缩小的材料。 另井，在掰浇混凝主中热入碳纤终f 2 8 j 、钢纤维、尼龙纤维蠢黎会穆， 或采用预铺骨料混凝土【2 9 】等，均可不同程度地减小新混凝土的收缩，提高 瑟 鑫混袋主豹糕结惶。穆幸 榜瓣主要有承淀基修毒 糖精、挺豢基毒季精、有辊 胶粘剂、聚合物改性水泥基材料等【3 0 _ 3 扪。 ，2 4 修补方位 补强加固时，新旧混凝土的糙结方位对粘结效果脊一定的影响。研究结 粜表明郴j ，侧补试件韵媾拉强度明显高于上补。在采用老瀛凝土表黼凿毛 和界面剂的条件下，斜下补试件的压剪强度明照高于斜上补，劈拉强度也高 予上补。下圈为修补时羿面方镶示意图。 n o 0 n ( a )( b ) ( c ) ( d ) ( e ) ( a ) 上补( b ) 下补( c ) 侧朴( d ) 斜下补( e ) 斜上补 n 一修补混凝土；( 卜老混凝土 图1 3 界面方位示意嘲 5 武汉理t 大学硕士学位论文 1 2 5 界面干湿状态 界面干湿状态对界面粘结强度的影响规律和机理，在国内外都缺乏系统 的研究。国外有学者研究了界面处于湿饱和和干燥状态对界面粘结强度的影 响，但几位研究者的结论都不太相同，并且对试验结果没有给出很充分的解 释。 e m m o n s ”】认为界面的湿度状态对粘结强度有很大的影响，界面干燥会 从补强材料中吸收水分，而界面过湿会堵塞孔隙阻止修补材料的吸收。因此 认为湿饱和状态最有利于界面结合。a u s t i n 研究表明：界面过干和过湿都 会导致界面结合强度降低。s a u c i e r 和p i g e o n 认为在低水灰比的情况下界 面湿状态对粘结强度没有影响，而高水灰比时可以提高粘结强度。c l e a n d 和 l o n g 研究表明【3 53 6 】：自然干燥状态和湿饱和干状态的界面粘结强度较高， 炉干状态和湿饱和湿状态界面粘结强度较低。而在实际施工中，大多在浇注 混凝土之前先润湿基底，这种做法是否有利于粘结强度发展值得讨论。 1 2 6 粘结强度试验方法 目前国内外已对新旧混凝土粘结的力学性能进行了大量的试验研究。主 要集中在以下几个方面( 各种试件如图卜4 所示) ：新旧混凝土粘结的抗拉 性能研究，包括劈裂抗拉试验【1 3 _ “，37 1 、赢接抗拉试验【3 8 4 0 1 、剪切强度试 验【1 5 】、抗折强度试验m4 ”、拉拔强度试验1 93 8 4 2 4 3 1 等。主要采用z 形试件 进行粘结单拉、直剪、拉剪试验；用立方体试件进行粘结拉剪、压剪、拉压 剪、压压剪试验；用山形试件进行粘结面双剪试验；用立方体试件进行粘结 劈裂抗拉试验；用小梁进行粘结抗折强度试验；用中型尺寸试验梁进行粘结 拉拔强度试验；用超声波无损检测方法检测评估粘结质量；特制的多轴 试验装置进行粘结强度和耐久性试验；用锲入劈裂试验研究加筋粘结面的断 裂性能等。 ( a ) p 二工二 p ( b ) 6 ( c ) 武汉理工大学硕十学位论文 ( d ) 了 ( e ) 产 霸。豳篇。嬲 ( g ) ( h ) ( f ) 图l 一4 鹜肉癸捡验蓑l 爨淹凝土精绥强度采震鲍试传形式 1 2 7 温度对新1 日混凝土粘结性能的影响 避年来国内外进行了大量麓瀣下混凝树料受力性熊的试验研究和理 论分孛厅，整大都憝镑对浇凝本囊，磊对薪l 器滢凝土藕终霜受嘉溢影璃豹簪 究甚少，只有大连理工大学和郑州大学研究了在2 0 0 9 0 0 范围内新旧 混凝土粘结性能以及老混凝土经过2 0 0 一9 0 0 高温后的粘结性能。研 究表明 4 s l 温度对毅 f t 溃凝糕缝劈控强度翦影囔是曼棼熬。睫善瀑发夔秀 高，新1 日混凝土粘结面的劈拉强度急剧下降，到7 0 0 时，下降幅度可达 9 5 ，其粘结强度几乎丧失殆尽。另外，禚3 0 0 以内时，界面剂提高粘 结强发的大小依次为水泥膨浆、水泥净浆、无界面剂；蕊5 0 0 以藤，顺 亭为承淀净浆、拳漉膨浆、无赛西裁。毽跫对予实嚣麓王中较秀常见的滠度 范围( 0 6 0 ) 研究不多，在该温度范围内，界面粗糙度，界面剂，补 强材料，界面干澎状态对界面粘结强度又是如何，这有待于进一步的研究。 ，2 8 薮l 霉潼凝主糖结麓徽臻撬瑾研究 对于新旧混凝士粘结的微细观机理，目前研究主要集中在界面粘结模型 和微观结构分析上。早期研究认为新旧混凝土是靠范德举力、机械咬台力、 表嚣张力等兹瑾力寒穗缍静转“4 ”，并谈为鞍缝蹩一释煞力学行热。激透豹 研究认为1 4 6 1 新旧混凝土粘结界面结构可分为扩散层、强效应层( 接触区) 和 7 武汉理t 大学硕士学位论文 弱效应层三个区域，其界面的粘结作用力主要是机械咬合力。通过扫描电镜 观察和能谱分析，研究了界面的微观结构及其与宏观粘结性能的关系。 1 3 研究目标和研究内容 1 3 1 研究目标 通过研究，找出新旧混凝土界面处的湿度状态对界面结合强度的影响规 律，拟通过对新旧混凝土界面处水分的控制来改善界面结合强度。 1 ) 探寻新旧混凝土界面处的湿度状态对界面粘结强度的影响规律及其 影响机理。 2 ) 找出在不同的界面干湿状态下，较为合适的修补材料和界丽剂。 1 3 2 研究内容 针对界面湿度状态如何影响界面结合强度这一问题，本文运用拉拔试验 ( b o n d t e s t ) 和抗折试验来评价新旧混凝土界面结合强度，借助光学显微镜、 显微硬度仪等手段来配合评价新旧混凝土界面结合情况。通过在界面处埋设 湿度传感器来监测混凝土界面处的湿度状态，找出新旧混凝土界面处湿度状 态对界面结合强度的影响规律。主要研究内容如下： 1 ) 老混凝士处在不同界面干湿状态下，修补材料、常用界面剂以及外加剂 对新旧混凝土粘结性能的影响。 i 修补材料的影响。着重突出不同强度的修补材料对结合强度的影 响。本试验中修补材料选取了c 3 5 、c 4 0 、c 4 5 以及c 3 5 的聚丙烯纤 维混凝土和c 3 5 的碳纤维混凝土。 i i 界面剂的影响。研究中界面剂选用了水泥净浆，水泥膨浆，掺粉煤 灰、纤维的水泥浆。 i i i 外加剂的影响。主要研究了抗裂防水剂的掺量，对粘结强度的影响 规律，并为实际工程提供参考。 2 ) 在新旧混凝土界面处埋设湿度传感器来监测界面处湿度变化，找出界面 处的湿度状态对界面粘结强度的影响规律。 3 ) 新旧混凝土界面区的显微分析。 8 武汉瑷工大学预士学愤论文 第2 耄试验原材料和性能介绍 2 1 试验安排 本磷究包括圈大部分。主要研究在不同弊面干湿状态下，修补材料、界 蕊荆、外加剂对界面结合强度的影响。分述如下： 修补材料的影响。研究提高新混凝土强度对界面缩合强度的影晌，新混 凝土强度选用c 3 5 ，c 4 0 ，c 4 5 ；另外，还选取了碳纤维和聚丙烯纤维混凝土， 院较两静混凝对界面缩合强淡的影嫡规律。 界面剂的影响。研究了几种常见的界面剂对界面缩合强发的影响规律。 器面翔选敏东混净浆、澎联裁承淀浆、耪煤灰承澹浆、同时掺翱聚丙浠纤维 和硅灰的水泥浆。 努麓麓赘影酾。结会凝鸯辕家冲麓道改造工程实舔，搽讨了h e a 一豇羹 抗裂防水剂的掺屋对界面结合强度的影响规律，并将研究结果应用予实际工 鼷。另豁，逐采麓探逢餐达帮袋波瀑度满试致对隧道中薮l 嚣混凝主结合猿嚣 进行了检测。 要露予潼状态对爨嚣结合鬣凄影螺援律懿揭示。主要逶逡在爨嚣处埋没 湿度传感器来监测界面处的湿度变化，探寻界面处的湿度状态与界面结合强 渡之阗懿关系。 2 2 试验原材料 2 2 1 水泥 本磺究中采爝敬承混为牮精承淀厂生产豹镣垒簿4 2 。5 8 普逶硅酸簸求淀 和3 2 5 r 早强型普通硅酸盐水溅。其中，4 2 5 + 水泥的相对密度为3 1 0 9 c m 3 ， 魄表瑟辍为3 1 0 m 2 k g ，英佼学戏分器力学蛙能撂标分躺见表2 - 1 窝表2 - 2 。 3 2 5 r 水泥的相对密度为3 o o g c m 3 ，细度为6 0 ，力学性能指标见袭2 3 。 以上薅静东混的器顼性熊据蠡筠能簿合因家爨壤。 表2 - 14 2 5 8 普通硅酸盐水泥的化学成分( w t ) 9 武汉理工大学硕+ 学位论文 表2 24 2 。5 8 酱通硅酸盐水漉力学性能 旋2 - 33 2 5 r 普通硅酸盐水泥力学性能 2 2 2 粗集料 糨集料选用恩施朱家岩碎石。考虑到试件的大小，粒径范围采用5 2 0 m m 鹃连续缀醚，其合成级鬣覆囊线觅銎2 - 1 ，荬各瑗婪薹驻捡溺捂瓤均麓簿 合相应的国家标准鼷求。 表2 - 4 粗集料的性能指标 1 2 。 1 0 。 蕊8 。 羹。 嫦4 0 2 0 0 2 3 64 7 59 5 1 92 6 5 筛孔尺寸( ) 蚕2 - 1 碎石台戒级酝基线 1 0 武汉理t 大学硕士学位论文 2 2 3 细集料 细集料采用武汉巴河黄砂，细度模数为2 8 5 ，属中砂，含泥量小于1 8 。 其筛分结果见表2 - 5 。 表2 - 5 巴河黄砂筛分结果 2 2 4 粉煤灰 粉煤灰是火力发电厂燃煤锅炉排出的废渣，含有少量碳和晶体，具有与 火山灰类似的细粉状玻璃态物质 4 9 】。由于粉煤灰含有一定量的活性s i 0 2 和 a 1 2 0 3 ，能与水泥水化产物c a ( o h ) 2 发生二次水化反应，具有一定的c a ( o h ) 2 火山灰活性。因此，粉煤灰可以作为活性混合材掺入水泥以改善混凝土和易 性和耐久性等一些性能。 将粉煤灰掺入水泥浆中作为界面剂用于新旧混凝土修补，具有如下几个 优点【5 0 l ： 1 ) 粉煤灰颗粒较小( i 级灰的粒径大部分在1 z m 4 5 z m 之间) ，可以填 充水泥水化后产生的微细孔，提高修补界面的密实性、抗渗性。 2 ) 减少了水泥用量，降低水化热，防止新旧混凝土因温度差而产生温 度裂缝。 3 ) 粉煤狄具有火山灰活性，可提高混凝土后期强度。 研究中采用湖北阳逻电厂i 级粉煤灰，其检测结果见下表： 表2 - 6 粉煤灰检测结果 2 2 5 碳纤维和聚丙烯纤维 为了改善修补混凝土结构的耐久性，首先必须解决好影响其耐久性的两 个主要问题：( 1 ) 新旧混凝土的收缩差；( 2 ) 新旧混凝土粘结界面形成的疲 1 1 武汉琏工大学硕士学 i 7 ：论文 势裂缝。根据文献报道p 1 1 ，疆凝土中掺入一定量的筑切纤维后，能够有效 地减小收缩和控制混凝土开裂。并且当混凝土开裂后，纤维通过桥接作用为 游凝土撼供开裂稻静延稚，款两改善了混凝主静牲麓。 但是由于碳纤维直径细小、表面光滑、表面不含活性基豳且呈疏水性。 它与隶滋石界覆：i 的牯绪主要借韵于范德华力，阂焉碳纾维与水泥界西静藉结 较差，这影响了碳纤维混凝土的力学性能。因此需要对碳纤维的表面进行处 撰，改变其蔬永缝，撵离萁与东混磊赛嚣的穗绣缝藐。 本研究中选用的碳纤维都经过了处理，其处理过程为：将碳纤维浸泡在 3 0 煮沸过懿双氯隶溶液中，德浸泡2 4 夺时嚣取蹬，矮承海淀惹教入1 1 0 的烘箱中干燥1 小时，经过处理后的碳纤维的分散性得到明屁改善。 碳纾维选j l 上海酸索厂生产酶p a n 蓥碳纾缝，獒密度为l + 6 7 9 c m 3 ，其 体性能指标如下： 表2 - 7 碳纾绻熬幢筑撰穰 聚荫烯纤维县有良好的抗控性能、离弹性模量，冀比较容易在混凝土中 分散等特性，因而被应用到混凝土工程中，来改善混凝土的抗裂性能，减小 混凝的收绩。本研究选用武汉天汇纾维誊孝料霄艰公羽生产的聚霹烯终维。 主要性能指标见下表： 袭2 - 8 璇焉烯终维的性能指标 2 ，2 。6 外加剂 减水剂选用武钢浩源公司生产的f d n 一2 减水剂，减水率为1 5 。 抗裂驻东荆罴鼹江程鑫磊建材薮技术开发霉限公髑生产的h e a - j i 。型离 散抗裂防水剂。该防水荆属混凝土膨胀剂类型，集抗裂、防渗、减水等多种 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 功能于体。在混凝中掺入定量酌h e a - s l 墅高效抗裂防水帮，可使混 凝土产生适度膨胀，从丽有效补偿混凝土的于缩和冷缩。同时抗裂防水剂在 水亿过稳中，畿够形成的一定量麓钙砜石磊体，填充在混凝主结构毛缎孔缝 之中，使混凝土总空隙率减小，大大改藩混凝士中孔隙分布，使混凝土更加 密实。冀主要技术淫麓籀标觅表2 - 9 。 表2 - 9 抗裂防水剂主要技术性能指标 2 。2 ，7 獒它 为了提高碳纤维的分散性，试验中添加了消泡剂和分散剂。其中，消泡 裁选爱武汉联碱厂生产豹磷酸三丁骚，分数裁为甲基纾维素。茂雏，澎鞭裁 选用u 型膨胀剂。硅灰为埃肯公司生产的一级灰，比表面积为2 0 1 0 0 m 2 k g 。 表2 一1 0 撩获的纯学成分( w t ) 2 。3 老混凝土试件的设计和制备 2 3 1 老混凝土的配比 袭2 - 1 l 老混凝主设计酝合院 注：上袭所示的强度为莱以换算系数修正届的强度。 本磷究选丽翠裁铡俸的渴凝作为老混凝，龄期超过年。萁酝跣( 藏 武汉理工人学硕十学位论文 量篦) 为；w 求：w 承糯；w 蜘集辩：w 瓤龋科= o 4 7 ：l ：2 + l ：4 2 ，减永裁选嗣f d n 一2 ， 掺量为o 6 5 ，试件尺寸为1 0 0 r a m 1 0 0 r a m x l 0 0 m m 和1 0 0 r a m 1 0 0 r a m 4 0 0 m m 两种，2 8 天抗压强度和抗折强度见袭2 11 。 2 。3 ，2 老淹凝主的爨嚣薤毽 进行新旧混凝土粘结补强加固时，老混凝土的表面状况被认为是影响粘 结性能最重要的因索。研究表明【5 2 l ，粘结飚的粗糙度为影响界面结合强度 豹最量要因素。一般蘩援下，拳譬缀露蘧蘧麓对象l 霾潼凝器蠹结合越蠢巅。 因此，在浇注新混凝土之前，应对老棍凝土粘结面进行处理，使之形成坚固 完整、干净、轻度糨糙的表面，以得到较好的粘结面。 为了获餐较为翔霹的粳糙发，研究中处壤老混凝土舆嚣鲍方式为：先穗 老温凝士试件瘸石树切割瓤从中间切开，羽冲击电锚对断面进行人工凿毛 ( 如圈2 2 所示) ，并通过控制凿出的孔洞的数量和深魔来保持表面糨糙度 基本相同，凿毛时鼹尽量不对老混凝土界面造成破坏。激毛完毕后，将老混 凝袭瑟清理干净，然螽薅嚣鞭分别楚理簸予潦、塞然、湿邃霸三耱状态。 干燥的界面状态即为将老混凝试件放在7 0 。c 的烘箱中，直至基本达到恒 重。自然界面状态鼹将老混凝土鼹于室内。溉饱和界面状态是将试件鼢于水 中浸泡2 4 小时蓐敬爨，用漫奄擦干其表露。 匾2 2 界两处理看的情形图2 - 3 拉拔试件装模后的情形 图2 4 抗折试件修补后的情形图2 - 5 拉拔试件修补后的情形 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 本研究目的在于揭示界面湿度状态对界面结合强度的影响规律，因此必 须很好的控制外部水分对老混凝土的影响，研究中将老混凝土试件除用于浇 注新混凝土的表面外都用环氧树脂密封。涂抹环氧树脂时，先将处理好的老 混凝土界面用塑料袋封好，然后在四周涂抹树脂。为了确保试件完全被密封， 一般分为两次涂抹。待树脂凝固后，将塑料袋取走，露出用于新旧混凝土结 合的界面。 2 4 界面结合强度测试方法 2 4 1 混凝土抗压强度、抗折强度和劈裂强度试验 混凝土抗压强度、抗折强度和劈裂强度试验按普通混凝土力学性能试 验方法标准( g b t 5 0 0 8 1 2 0 0 2 ) 进行测试。混凝土抗压试件采用尺寸为1 0 0 m m 1 0 0 m m 1 0 0m m 立方体；抗折试件采用1 0 0m m 1 0 0 m m 4 0 0m m 梁。劈裂试件尺寸1 5 0m m 1 5 0m m 1 5 0m m 。测试所用的压力机为意大利 c o n t r o l s 公司生产的5 d c 8 8 2 2 型多功能动态液压伺服试验机( 最大载荷为 3 0 0 0 k n ) 。 2 4 2 拉拔试验 用拉拔试验来测定混凝土强度的方法是由l e s h c h i n s k y m 在2 0 世纪6 0 年代后期首次提出。这种局部破损方法【5 3 】的基本概念主要是建立在混凝土 抗压强度与拉拔强度之间存在的相互关系上，因为该方法能使粘结面直接承 受拉力，直观地反映了粘结界面的抗拉性能和粘结的好坏，因而具有比劈裂、 张拉和弯曲试验更为直观的优点。目前广泛应用的拉拔系统有s o v i e tp u l l o f f 系统、l i m p e t 系统、t e a r o f f 系统、d y n a 系统和b o n d - t e s t 系统。 本研究采用由丹麦g e r m a ni n s t r u m e n t sa s 公司生产的邦德测试仪 ( b o n d t e s t ) ，其装置和示意图分别见图2 - 6 、图2 7 。测量过程为：在制 得新旧混凝土结合试件后，先用石材切割机将试件表层切掉，这样试件表面 比较光滑、平整，减小因为平整度对测试结果的不良影响；然后用钻芯机沿 界面中心线在垂直界面的方向上取芯，芯样直径为7 5m m ，取芯时须穿过修 补界面层深入老混凝土中约为l 2e m 。取出钻头后用吹风机将组合( 图2 8 ) 试件的表面吹干，涂上环氧树脂粘结剂将试件表面和中心带螺母的圆形钢盘 连接起来( 图2 - 9 ) 。待达到环氧树脂粘结强度后，将试件与b o n d t e s t 装 置连接，可将新e t 混凝土沿界面直接拉开，测得新旧混凝土界面的结合力。 1 5 武汉理：i = 大学硕士学位论文 p f a = 0 ，2 2 6f公式( 2 - 1 ) 式中：p 为拉拔强度，m p a ； f 为试件破坏时的载荷，k n ； 蠢为试 孛敬受力囊穗，本硕究孛壹经为7 5 m m 鳃潮嚣鬏，r n 2 。 图2 - 6 拉墩试验装置 图2 7 拉拔试验示意图 圈2 - 8 舞露榉燕裁童箬 蚕2 - 9 拉援单元遣援赛嚣一铡 图2 1 0 避行界面拉拔 圈2 1 1 界面拉拔完成 2 。4 。3 显微硬度的测定 硬度反映了材料弹性塑性变形特性，楚一项重要的力学性能指标。硬度 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 测定是将特定形状和尺寸的压头以一定压力作用于材料表面，测定材料在变 形过程中所表现出来的抗力。载荷大于9 8 1 n ( 1 k g f ) 时的硬度称为宏观硬 度，而压力载荷小于9 8 1 n ( 1 k g f ) 时的硬度称为微观硬度。一般运用维氏 硬度来表征混凝土界面的显微硬度。 j 户 图2 1 2 维氏硬度的金刚石棱锥压头图2 1 3 维氏硬度的测试原理图 维氏硬度是用金刚石正四棱锥作为压头( 见图2 - 1 2 ) 。正四棱锥两对面 的夹角为1 3 6 。，底面为正方形，维氏硬度所用的载荷有l k g 、3 k g 、5 k g 、 1 0 k g 、2 0 k g 、3 0 k g 、5 0 k g 、1 0 0 k g 、1 2 0 k g 等，负载的选择主要取决于试件 的厚度，而显微硬度的载荷一般为1 0 9 、2 5 9 、5 0 9 、1 0 0 9 、2 0 0 9 、3 0 0 9 、5 0 0 9 、 1 0 0 0 9 。选择一定的载荷，把压头压入试件表面并保持一定时间，然后卸去 载荷，在试样表面压出一个底面为正方形的正四棱锥压痕，测量方坑的两条 对角线的长度取其平均值得d ，计算出压痕面积，算出载荷与压痕面积的比 值，这个比值所表示的硬度就是维氏硬度，用符号h v 表示。压痕的面积f 为： f = d2 2 s i n6 8 。 贝0 ： 删= p f = p 2 s i n 6 8 。d2 = 1 8 5 4 4 -