混凝土結合面的受力分析

　　摘要：無論是已建工程的加固、修補還是工程新建中，經常遇到在已硬化的混凝土上或已鑿除劣化、酥松部分露出堅實的混凝土基層上澆筑新混凝土或砂漿的問題。新舊混凝土的結合面是一個薄弱環節，其界面粘結強度一般都低于整澆混凝土的強度，極大地影響了結構的可靠性，對其受力進行分析有著重要意義。
　　關鍵詞：新舊；結合；分析
　　人們對新舊混凝土結合面的粘結強度達不到相應整澆混凝土的強度的原因還不十分清楚，需要探索。顯然，對于新舊混凝土粘結問題的根本解決需要從混凝土材料微觀結構的角度闡明其粘結機理，建立微觀結構的分析和宏觀力學性能之間的聯系，將有助于我們從本質上認識新舊混凝土粘結問題，從而找到解決問題的途徑。
　　
　　一、界面過渡區的組成
　　
　　界面區中主要存在有C—S—H凝膠(水化硅酸鈣)、C—H晶體〔Ca(OH)2〕、AFt(鈣礬石)和未水化的熟料顆粒及孔洞、裂縫。界面區中C—H晶體數量多而且晶體尺寸較大，同時界面區中孔洞較多時，對界面粘結將產生不利影響。
　　
　　二、界面過渡區形成機理
　　
　　在混凝土拌和過程中，在骨料表面形成一層幾個微米厚的水膜，而無水水泥的分布密度在緊貼骨料處幾乎為零，然后隨著距離增大而增高。所以在這層水膜中可以認為基本上不存在水泥顆粒。當水泥化合物溶解于水之后，溶解的離子即擴散進入這層水膜。如果是不溶性骨料，水膜中的離子全部來自水泥熟料及石膏。但如骨料是部分可溶性的，則骨料所溶出的離子在骨料表面密度最大。由于骨料總會有部分離子析出，在靠近骨料表面處濃度最高，以后有一明顯缺陷處，即低離子濃度區。因此，在這層水膜內，最先形成水化產物晶核的是先擴散進入水膜的離子，對普通硅酸鹽水泥即是鈣礬石和氫氧鈣石。
　　水膜內水化產物晶體是在溶液中形成晶核而長大，由于膜內過飽和度不高，有充分空間讓晶體生長，故形成的水化產物晶體尺寸較大，所形成的網狀結構較為疏松，以后活動性較差的鋁離子、硅離子陸續進入第一批晶體所遺留的空隙中，逐漸形成C—S—H以及尺寸較小的次生鈣礬石和氫氧鈣石填充其間。馬索上述假設中離子濃度分布曲線凹陷處可能形成大晶核及高孔隙率，是界面中的薄弱區。
　　界面過渡區強度低，容易引發裂縫，并且裂縫易于傳播，從而使界面過渡區成為最薄弱的環節。由于界面過渡區的顯著結構是C—H晶體富集并產生取向性，晶體平均尺寸較大，孔隙尺寸和孔隙率均較大，即界面存在著大量有缺陷的疏松的網絡結構。雖然決定界面性質的因素很多，但C—H的取向和富集形成薄弱層界面是主要物理化學原因之一，它間接反映了界面層的孔結構和致密性。所以要增強界面區尤其是強化最薄弱層，消除和減小界面層與基體間的差異，必須減少C—H含量，打亂其取向性，降低孔隙率。
　　
　　三、新舊混凝土結合面薄弱的原因
　　
　　在同樣的受力條件下，新舊混凝土的結合面比整澆體系中骨料與水泥石界面還要薄弱，有以下幾方面原因：(1)新舊混凝土接觸界面存在一個類似于整澆混凝土中骨料與水泥石之間的界面過渡區，而這個過渡區本來就是一個薄弱環節。由于舊混凝土的親水性，修補時會在舊混凝土表面形成水膜，使結合面處新混凝土的局部水灰比高于體系中的水灰比，導致界面鈣礬石和氫氧化鈣晶體數量增多，形態變大，形成擇優取向，降低界面強度。且由于舊混凝土的阻礙，新混凝土中的泌水和氣泡積聚在舊混凝土表面，不僅使得新混凝土局部水灰比更高，而且使得氣孔和微裂縫在該區富集，顯著降低界面強度。這是物質結構化學方面的原因，是影響新舊混凝土結合本質的內因。(2)界面處露出的石子、水泥石和新混凝土的界面接觸與整澆混凝土中骨料與水泥漿的界面接觸有差別。我們知道，水泥漿本身具有一定的粘結性，它主要用于包裹混凝土中的骨料，使之硬化成堅硬的水泥石。在新混凝土中的骨料經過充分攪拌、振搗被水泥漿包裹，而新舊混凝土界面處新混凝土中的骨料經過振搗可能擠壓在界面處，是使骨料與界面突出的石子、水泥石形成“點接觸”，骨料堆積在舊混凝土表面，阻塞了一部分舊混凝土表面的孔隙和凹凸不平部分，使具有粘結性的水泥漿不能完全滲入孔隙中去，形成“缺漿”現象，界面處水泥漿不能充分浸潤骨料和水泥石，而新混凝土失去一部分水泥漿，這樣使得粘結界面處的新混凝土中出現空隙，影響了新舊混凝土的粘結強度。（3）整澆混凝土中骨料體積小、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，機械咬合對宏觀粘結強度起主要作用。從微觀上看，它增加了有效的真實接觸面積，粘結力也會大大增加。修補材料與舊混凝土之間存在物理化學性質差異，由于冷熱交替、凍融循環作用及新混凝土的收縮而在結合面處引起附加應力，誘發“先天”裂縫。從受力的角度看，在整澆混凝土中骨料體積小、多棱角、骨料表面粗糙，并且被水泥石分開，分布較“均勻”而不象新舊混凝土界面處相對集中，裂縫、缺陷產生的概率較大，再加上界面比較“平坦”不能使裂縫擴散“路徑”曲折，消耗能量，所以一旦從這一區域引發了裂縫，裂縫尖端處應力集中，就會導致裂縫迅速開展和傳播，新舊混凝土界面承載能力會進一步被削弱，最后導致界面處首先破壞，即破壞總是從最薄弱環節開始。
　　綜上所述，可以得到啟示：如果我們能象加強整澆體系中骨料和水泥石界面一樣加強新舊混凝土的界面，也許是解決新舊混凝土粘結問題的一個途徑。
　　（作者單位：亳州市建設工程質量監督站）