新旧界面的研究

1、 水泥新旧界面的研究（综述）摘要：本文主要从两方面对于水泥结构的新旧界面进行了研究，一是新旧界面薄弱机理以及在使用过程中的破坏机理，二是从三个方面着手改善新旧界面的性能，这三个方面分别是，第一，对旧界面的处理，其中包括界面粗糙度，干湿状况以及碳化情况对界面粘结强度的影响，第二，不同修补材料对界面性能的影响，第三，不同界面剂的使用对界面性能的影响。关键词：新旧界面 粘结强度 表面处理 界面剂随着公路运输负荷的加重, 混凝土路面和桥涵破坏日趋严重, 用新混凝土和砂浆对毁损的混凝土结构进行修补加固已成为一项经常性的工作，混凝土修补已成了结构工程的一个分支, 新旧混凝土的粘结性研究也受到了广大工程界的

2、关注。1 991 年美国混凝土协会( A CI ) 曾在香港召开过专门的国际会议讨论旧有建筑物的检测, 维修和加固。 新旧混凝土粘结性能是讨论内容之一。 1 993 年 4 月瑞士也举行了新旧混凝土粘结的专题学术会议, 日本 19 95 年阪神大地震后, 建设省专门组织了有关建筑物修复加固的研究, 新旧混凝土结合是研究内容之一。凡此种种，可见对界面的研究已成为现在的一个关键问题，亟待解决。（一）界面的类型 水泥水泥界面可能出现在新建的结构体中也可能出现在修复或是加强的结构体中，通常是将新拌水泥砂浆或已硬化的水泥部件加在已硬化的水泥结构体上。第一种情况通常出现在修补工程中，如，路面修补，表面处理

3、。第二种情况通常出现在预制结构中，如桥梁中的预制梁。本文中主要讨论第一种新旧水泥界面的性能。（2） 新旧界面薄弱的理论原因通过对界面进行的大量的研究，目前主要形成两种理论。高剑平9等认为界面过渡区域的破坏机理与整体混凝土的破坏机理基本相同，所不同的是其内部潜在的缺陷比整浇混凝土更为严重，这是过渡区力学性能较低的主要原因，造成内部潜在缺陷的原因：粘结面附近旧混凝土的强度劣化及粘结面凿毛处理对老混凝土骨料的扰动;粘结面处新旧混凝土结合不良;新混凝土浇筑不实及新混凝土本身固有的结构组织特性。李冰法8等认为过渡区域的破坏不同于整浇混凝土，其破坏机理是由于界面过渡区域本身的特点及界面生成物造成的，通过S

4、EM照片可以发现，界面区主要存在C-Si-H凝胶，C-H晶体，钙矾石，未水化的孰料及孔洞，裂缝，界面区中C-H晶体数量多且较大，且孔洞多对界面产生不利影响，界面过渡区域的特点有1.晶体比水泥晶体中的粗大2.晶体有择优取向3.界面过渡区中晶体比水泥砂浆具有更大更多孔隙。这两种理论都有一定的合理性，但从界面微观结构上来看，似乎第二种理论更为成熟一些。（三）提高界面性能的措施1.界面处理在旧混凝土结构的修补过程中，旧混凝土表面处理是混凝土修补的第一步, 也是关键的一步, 表面处理也会直接影响新旧界面的粘结性。其中主要的影响因素包括表面粗糙度，表面干湿状况，表面碳化程度。对于表面粗糙度，目前, 处于研

5、究中的方法有: 1 ) 人工打毛法; 2) 喷丸( 砂) 法; 3 ) 高压水射法; 4) 钢刷刷净法。高丽萍等10采用高压水射法（压力约为9×107 Pa），用表面骨料暴露的百分比（对此只靠经验观察而定）来度量表面粗糙度,即A级粗糙度：约有10%的粗骨料可见。B级粗糙度：约有30%40%的粗骨料可见。C级粗糙度：约有60%80%的粗骨料可见。根据其实验结果可知：A 级粘结性差, B 级粘结性好, 且证明了高压水射法处理混凝土表面是一种好方法。 C 级界面抗剪强度比 B 级略有增大。故 B 级粗糙度较合适, B 级粗糙度试件的粘结破坏强度较高。张晓光11等也研究了粗糙度对界面性能的影

6、响，实验结果表明新旧混凝土经过凿毛处理后的结合面上的承载力比整浇混凝土低, 是其承载力的 67 % 。 新旧混凝土结合面凿毛后开槽能较为有效地提高结合面的粗糙程度。承载力比仅凿毛的结合面提高 12 % , 但仍比整浇混凝土低, 是其承载力的 7 5 % 。由此可知，粗糙度对界面表面干湿状况对新旧界面的粘结性也有一定的影响，秦明强等2研究了在不同的界面干湿情况下, 界面的结合强度, 试图找出新旧混凝土界面处于不同的干湿状态对界面结合强度的影响规律, 通过对新老混凝土界面处水分的控制来改善界面结合强度。实验表明：干燥状态时拉拔强度高于自然状态和湿饱和状态。造成这种结果的原因可能是界面经过干燥处理后

7、，当新混凝土浇筑时，旧混凝土会吸收水分，使界面处水灰比降低，使界面结合强度提高。并且，界面处于干燥状态时，在养护过程中会吸水膨胀，补偿了新混凝土的收缩。混凝土的碳化是混凝土所受到的一种化学腐蚀。空气中CO2气渗透到混凝土内，与其碱性物质起化学反应后生成碳酸盐和水，使混凝土碱度降低的过程称为混凝土碳化，又称作中性化，其化学反应为：Ca（OH）2 CO2=CaCO3 H2O。水泥在水化过程中生成大量的氢氧化钙，使混凝土空隙中充满了饱和氢氧化钙溶液，其碱性介质对钢筋有良好的保护作用，使钢筋表面生成难溶的Fe2O3和Fe3O4，称为钝化膜。碳化后使混凝土的碱度降低，当碳化超过混凝土的保护层时，在水与空

8、气存在的条件下，就会使混凝土失去对钢筋的保护作用，钢筋开始生锈。可见，混凝土碳化作用一般不会直接引起其性能的劣化，对于素混凝土，碳化还有提高混凝土耐久性的效果，但对于钢筋混凝土来说，碳化会使混凝土的碱度降低，同时，增加混凝土孔溶液中氢离子数量，因而会使混凝土对钢筋的保护作用减弱。Karim Benzarti等3研究了碳化作用对界面粘结性能的影响，实验表明没有碳化层的界面粘结力更低。2. 高性能修补材料研制高性能的修补砂浆是改善新旧界面性能的最主要的方法。在过去的半个世纪中，聚合物砂浆或水泥由于其工作性好，粘结性强，耐磨性，防水和其它一些优异的性能而被广泛的运用于表面处理和修补工程中。但聚合物砂

9、浆或水泥也存在一些缺点，比如聚合物的加入会使得抗压强度和抗拉强度有所降低，并且影响材料的弹性模量。对此Hongyan Ma7等人在新的合成方法条件下做了新的探索。使用两种聚丙烯酸乳液（PA和PU/PA)对砂浆进行改性，使其抗折强度和韧性提高，且不会明显降低抗压强度。实验表明，当加入少量聚合物时，抗压强度会提高，聚合物过量时则会降低抗压强度，故聚合物的掺量有一个最适值。弹性模量的变化也是类似的。M.M. Al-Zahrani8等人也对聚合物水泥基修补材料的力学性能和耐久性做了研究，实验表明与水泥砂浆相比，聚合物水泥基修补材料力学性能没有明显的改变，但其弹性模量有所降低，这就导致了它的干缩减小。试

10、验还显示聚合物水泥基修补材料电阻率提高，抗氯离子渗透率提高。Karim Benzarti5等人研究了碳纤维强化聚合物（CFRP)作为修补材料时，新旧界面的粘结强度。黄从运6等人对聚丙烯纤维聚合物乳液改性硫铝酸盐水泥砂浆的力学性能和粘结性能等方面进行研究，选用羧基丁苯胶乳(SBR)和聚丙烯纤维(PPF)对具有高强、快硬、抗冻、微膨胀、耐蚀和粘结性好等特点的硫铝酸盐水泥进行改性，研制出高性能的修补砂浆。秦明强2等人也研究了掺碳纤维和聚丙烯纤维的砂浆作为修补材料时的性能。实验结果表明：当掺入纤维后, 由于纤维能够降低新混凝土的收缩并控制收缩裂缝的发展, 同时纤维分散在混凝土中交织在一起可以形成网状结

11、构, 传递和分散应力, 优化了界面区的力学性能。由于碳纤维的分散性较聚丙烯纤维差, 故效果没有聚丙烯纤维混凝土理想。除此之外，一种更新颖的想法是研制生物基改性修补材料，M. Guadalupe Sierra-Beltran12等人在水泥基材中加入一种细菌和其营养源，细菌通过新陈代谢产生的二氧化氮与水泥孰料中的氢氧化钙反应生成碳酸钙，从而提高材料的强度。3. 界面剂的选择选择一种界面剂来提高新旧水泥间的粘结力是一种常用的方法，界面剂在其中起到的作用主要是：1.界面区域水泥砂浆增多，使得这一区域收缩变大2.界面生成物中C-H晶体和钙矾石等大晶体增多3.使大晶体分布更均匀，孔洞分布更均匀。目前国内使

12、用的界面剂主要有水泥砂浆，水泥净浆，膨浆，YJ-302,YJ-303,国外使用较多的则是环氧树脂界面剂，这些界面剂虽能提供短期强度但其耐久性差。Guangjing Xiong4等人提出将飞灰引入常用的界面剂中，以此来改善界面处的性能。实验分五组进行，分别以水泥净浆，膨浆，水泥砂浆，水溶性环氧树脂，飞灰改性砂浆作为界面剂，对试件新旧界面的力学性能进行测试，并观察界面出的微观结构，结果表明，飞灰改性砂浆作为界面剂时界面处的结构更加密实，且抗劈裂强度明显提高。飞灰改性砂浆之所以能提高界面抗劈裂强度是由于飞灰中的SiO2与水泥水化产物中的Ca(OH)2发生化学反应，界面间原来是靠分子力结合现在变成以化

13、学键相结合，所以界面间强度大大提高。参考文献1田稳苓，赵志方，赵国藩，黄承逵，新老砼的粘结机理和测试方法研究综述，河北理工学院学报，1998，20（1）：84942秦明强, 水中和, 张建纲，新旧混凝土界面结合状态研究，武汉理工大学学报，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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15、taigner, Marc Quiertant, Céline Marty, Christophe Aubagnac,Accelerated ageing behaviour of the adhesive bond between concrete specimens and CFRP overlays,Construction and building meterials,25(2011)523-5386黄从运，陈超，陈川，何维帅，聚丙烯纤维聚合物乳液改性修补砂浆及界面处理对其粘结性能的影响，化学建材2009年第25卷第2期24-287Hongyan Ma, Zongjin Li

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17、aterials，Cement & Concrete Composites 25 (2003) 5275378李法冰 , 潘绍伟,关于新旧混凝土界面性能的探索,施 工 技 术,1007 - 8983 ( 2003) 06 - 0078 - 02 9 高剑平等. 新旧混凝土结合面成为受力薄弱环节原因初探J . 混凝土 , 2001 ( 6) 10M . H. F ieb r ich , I nf lu enc e o f t he s ur f ac e r o ug hne ss o n t he a dhe r enc e be tw e en co nc r et e a nd g unit e mo r t a r ov e r la y s,A dhe r enc e of y o un g o n o ld co nc r et e , e dit ed b y F o lke r H. Wit t ma nn , A ED I F I CA T I O