新旧混凝土粘结面水稳定性试验

时间：2024-07-28

黄华

（重庆交通大学土木工程学院，重庆 400074）

0 引言

水泥混凝土作为一种常用的建筑材料，被广泛应用于我国的道路建设行业中。目前，我国水泥混凝土路面建设规模已超过2.5 万公里/年，是世界上水泥混凝土路面建设里程数最多的国家之一。但随着交通量的增加，水泥路面的轴向荷载增大，路面出现不同程度的破坏和功能缺陷[1-2]，严重影响道路服务水平和车辆行驶安全，水泥混凝土路面的老化修复和病害恢复越来越引起国内外学者的关注[3-4]。

对于水泥混凝土路面修复技术，普遍使用的是在现有水泥混凝土路面上加铺水泥混凝土层修复技术，新旧水泥混凝土粘结面的研究是该技术的关键所在，部分学者已对影响新旧混凝土粘结强度的主要因素进行了大量研究[5-8]。在这些因素中，混凝土基材的特性，界面剂的选择对新旧混凝土的粘结有很大影响。

秦明强等[9]研究了在不同的界面干湿状态下，几种修补材料和界面剂对新旧混凝土界面结合强度的影响，结果表明，在修补材料中加入纤维会明显提高界面结合强度。李斌等[10]提出一种新型三维钢筋网垫用于新老混凝土界面的锚固连接，并对不同界面连接形式的新老混凝土进行了直剪试验，结果表明，通过三维钢筋垫网进行界面锚固后，结构的抗剪强度得到较大提升。黄璐等[11]通过未涂刷界面剂与4 种不同界面剂的Z 型试件的直剪试验，并采用显微硬度仪与扫描电子显微镜对界面过渡区的显微硬度值进行分析，结果表明，界面剂在一定程度上能优化界面结构，提高界面的粘结强度。陈建国[12]等，将硅灰和聚丙烯纤维单掺、复掺净浆作为界面剂，对新老混凝土进行粘结，并进行了劈裂抗拉试验，结果表明，该界面剂作用效果良好，能显著提高界面的粘结强度。

影响新旧混凝土粘结面粘结强度的因素中，水损害也是其中重要的一个因素，目前国内外对于新旧混凝土粘结面的水稳定性研究较少，但在实际工程中粘结面的水损害很常见，因此对于粘结面的水稳定性进行一定研究很有意义。本文对经水浸、冻融处理过后的新旧混凝土试件进行劈裂抗拉试验，通过对试件处理前后的劈裂抗拉强度进行对比，研究了水浸、冻融对试件水稳定的影响，分析了两种不同界面剂和不使用界面剂粘结强度的差异，以期为冻土、水浸地区的混凝土修复研究提供一定的参考。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

本次试验的新旧混凝土均采用42.5R 普通硅酸盐水泥，试验用砂细度模数为2.85,属河砂。粗骨料粒径为5～20mm 的连续级配。

1.2 试件制备

根据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082-2009)要求，混凝土加固时所用混凝土强度等级应比原结构混凝土的强度等级提高一级，且不应低于C20，因此确定本试验新、旧混凝土强度设计等级分别取为C30 和C25，其材料配合比见表1所示。

本次试验主要分析新旧混凝土粘结面的水稳定性，试件制作过程如下：首先制备大小为100mm×100mm×100mm 的C25 混凝土试件，将立方体试件在标准养护室（养护温度为20℃、湿度为95%）内养护28 天；然后将养护后的立方体试件用岩石切割机切割成两个尺寸为100mm×100mm×50mm 的长方体试件作为旧混凝土试件；将旧混凝土试件表面做人工凿毛处理后放入立方体试模中，处理面朝上，然后浇筑C30 水泥混凝土，浇筑C30 水泥混凝土时，新、旧水泥混凝土粘结面分别采用下列三种粘结方式：

（1）直接粘结：不使用界面剂直接浇注新混凝土对旧混凝土进行粘结。

（2）水泥净浆粘结：采用与新混凝土同种水泥制备的水泥浆(水灰比0.5 )作为界面剂涂覆在粘结面上，再浇注新混凝土对旧混凝土进行粘结。

（3）环氧树脂粘结：采用环氧树脂（成品，市场上销售）作为界面剂涂抹于粘结面，再浇筑新混凝土对旧混凝土进行粘结。

将浇筑粘结后的新旧混凝土试件编号，分别放于标准养护室（养护温度为20℃、湿度为95%）中养护28d 和24d。

1.3 试验方法

试件达到养护条件后，对试件进行水浸和冻融处理，处理要求如下：①将养护28d 的物理粘结、水泥净浆粘结、环氧树脂粘结混凝土试件置于温度为20℃的水槽中分别浸泡0h、12h、36h 和72h；②将养护24d 的物理粘结、水泥净浆粘结、环氧树脂粘结混凝土试件放入温度为20℃的水槽中浸泡4d，取出试件并擦干表面，然后将每种粘结试件分别按照0 次、3 次、8 次、12 次进行冻融处理，一次冻融循环时间为3h。每次试验进行三组平行试验。

对新旧混凝土试件粘结面的研究采用劈裂抗拉试验，将试件取出后，擦干表面，检查外表无破损严重状况，用记号笔标示出新旧粘结面的位置，作为试验面如图1所示。劈裂试验按照规范《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》JTG E30-2005 中的相关规定进行。

图1 新旧混凝土试件劈裂抗拉试验 Fig.1 New and old concrete spiltting tensile test

根据劈裂试验，测出新旧混凝土试件的破坏荷载，按照式1 进行计算，取每组3 个试件的平均值作为试验值（MPa），将水浸、冻融循环处理后的界面劈裂抗拉强度与初始强度进行对比，以强度比作为新旧水泥混凝土间结合水稳定性的性能指标，由于本次试验试件规格为100mm×100mm×100mm，因此计算时需要乘以折算系数0.85。

式中：tsf为新旧混凝土黏结试件劈拉强度( MPa)；F为破坏荷载( N)；A为试件界面面积( mm2)，粘结面的面积近似按100mm * 100mm 计算。试验结果见表2、表3。

表2 水浸劈裂抗拉试验 Table.2 Water immersion splitting tensile test

表3 冻融劈裂抗拉试验 Table.3 Freeze-thaw splitting tensile test

2 试验结果分析

2.1 界面剂的影响

由于混凝土是水硬性材料，技术完整的混凝土浸泡水中不会有什么变化，但是新旧混凝土粘结界面是一个薄弱的环节，存在大量空隙以及渗水通道，渗入的水对粘结面有一定的影响。图2为两种处理方式的劈裂抗拉强度柱状图。

图2 劈裂抗拉强度柱状图 Fig.2 Splitting tensile strength histogram

从图2可以看出，无论新旧混凝土是否使用界面剂，其劈裂抗拉强度都随着处理时长的增加而减少，水泥净浆作为界面剂的新旧混凝土试件劈裂抗拉强度相比于物理粘结，强度提升基本保持在5%左右，而环氧树脂作为界面剂时劈裂抗拉强度明显要高出另外两组试件15%以上。

环氧树脂含有多种极性基因和活性很大的的环氧基，水泥属于极性材料，因此能与环氧树脂产生极大的粘接力。同时，环氧固化物的线膨胀系数很小，因此内应力小，对胶接的影响也比较小，加上环氧固化物的蠕变小，所以胶层的尺寸稳定性好。因此环氧树脂作为界面剂时其粘结能力要高于另外两种粘结方式。

在水渗透的环境下，水分子逐渐渗入到环氧树脂与混凝土界面中，降低环氧树脂与混凝土界面的分子间相互作用力，减小界面的粘结强度。分子间的范德华力会阻碍环氧树脂分子在空间的链段移动，增大了环氧树脂与混凝土界面的结合自由能。相反，环氧树脂分子与水分子间存在库仑力，两分子间可形成氢键。在界面粘结状态下，环氧树脂的部分链段脱离混凝土表面的粘结，使环氧树脂与混凝土接触面积降低，所以环氧树脂作为粘结剂的试件劈裂抗拉强度也会随着水浸时间的增加而降低。同时环氧树脂在受到冻融时，内部的自由水会不断地受膨胀和融化收缩，使环氧基体内部网格结构逐渐发生破坏，从而导致抗剪强度降低，不断收缩膨胀也会导致环氧树脂与混凝土的粘结面逐渐减少，但是其劣化速率远低于普通水泥混凝土，因此在相同冻融次数下，环氧树脂作为界面剂也比另外两种方式的粘结强度高。

新旧混凝土粘结面的机械作用力及粘结力会因界面在冻融循环作用下产生的微小裂缝而降低，同时，原本为致密状态的界面剂结构因冻融循环变得疏松多孔。新旧混凝土结合面性能在微裂纹继续产生和发展下不断恶化。另一方面，旧混凝土对新混凝土硬化过程中的体积收缩有一定的限制作用，在新旧混凝土界面会产生收缩应力。在冻融循环过程中，由收缩产生的拉压应力与温度变化交替产生的拉压应力叠加作用，当超过结合面的粘结强度时，粘结面开裂，结合强度降低。在融化过程中，水将再次进入这些开裂的缝隙。再次冻结时，缝隙中的水冻结体积膨胀，破裂面将产生新的更大的拉应力，粘结面将进一步受损。这种重复作用最终将导致宏观裂缝、不稳定和膨胀以及冻融破坏。冻融循环对新旧混凝土的粘结强度和水稳定性有很大影响。随着冻融循环次数的增加，新旧混凝土界面的粘结强度和水稳定性大大降低。因此，冻融循环对新旧混凝土的粘结强度和水稳定性有巨大的破坏作用。

2.2 处理时长的影响

前面探讨了不同界面剂之间的的相互大小关系，但是并未涉及到处理时长对于粘结性能影响的相关讨论，新旧混凝土之间的粘结力也会随着处理时长呈现出不同的衰减速率，图3表示各种处理方式的劈裂抗拉强度随着处理时长的变化关系。

图3 劈裂抗拉强度比值折线图 Fig.3 Splitting tensile strength ratio line chart

如图3所示，三种界面处理方式的劈裂抗拉强度均随着处理时长的延长而减小，物理粘结与水泥净浆粘结随着处理时长的增加减小得更加剧烈，在水浸处理中，物理与水泥净浆粘结在实验最后均只有初始强度的80%以下，而环氧树脂粘结达到了82%。

在冻融处理中，物理粘结与水泥净浆粘结方式在经过12 次冻融循环过后只有初始强度的45%左右，环氧树脂粘结方式可以停留在56%左右。说明环氧树脂粘结方式相比其他两种粘结方式抗水浸和冻融能力更强，从长期使用性能来看，用环氧树脂作为界面粘结剂比其他两种方式具有更好的抗疲劳性能。

在新旧水泥混凝土试件中，旧混凝土的水泥几乎完成水化而失去了活力，因此新旧混凝土的粘结主要是靠机械啮合力和范德华力产生。水泥净浆在一定程度上有微弱改善，与混凝土水灰比不同的水泥净浆会促进界面的水化反应，提高界面区微观结构密实度，改善水化产物形貌以及分布特征，能阻止一部分自由水进入粘结面，从而影响新旧混凝土的粘结力。而环氧树脂的粘结机理一方面是环氧树脂与混凝土界面的粘结力，另一方面是环氧树脂内部的聚合力。当自由水进入环氧树脂与混凝土的粘结面时，会破坏两者的分子粘结力，由于环氧树脂自身的紧密性，进入环氧树脂内部的自由水很少，因此内部的聚合力几乎不受影响，因此环氧树脂作为界面剂的试件随着水浸时长的增加抗拉强度下降速率较缓。

在经过冻融处理时，一方面物理粘结方式的试件粘结面会存在不密实的情况，导致大量自由水在粘结面处不断冻融循环，破坏粘结面的内部结构，另一方面新浇筑的混凝土其膨胀性与旧混凝土不同，冻融时其体积变化与旧混凝土不相同，会导致粘结面形成更多孔隙接纳更多的自由水形成破坏，因此破坏最为严重。而水泥净浆作为界面剂从一定程度上会改善界面密实度，有效防止自由水的进入，但是会形成三层结构，即旧混凝土—界面剂—新混凝土面，这个结构存在两个结合面，每一层的膨胀收缩系数也不相同，因此也会出现膨胀收缩不同导致界面出现更多孔隙的问题，其劈裂抗拉强度也会随着冻融次数的增加而急剧下降。环氧树脂一方面密实性较好，加上环氧树脂本身具有一定的可塑性、收缩性，在受到冻融时，会随着自由水的体积变化而变化，但是环氧树脂本身在受到冻融时其收缩性也会受到一定影响，因此其试件劈裂抗拉强度也会随着冻融次数的增加而降低，由于环氧树脂本身的优势，其下降速率相比其他两种联系方式要小一些。