新舊混凝土界面粘結材料與性能分析

葛 琦 龍麗琴

(1.重慶交通大學，重慶 400074; 2.招商局重慶交通科研設計院有限公司，重慶 400074)

近年來我國大量興建的建筑、公路等混凝土結構已經(jīng)在不斷的使用過程中出現(xiàn)了較多病害問題，裂縫、坑槽、沉陷、傾斜等病害均需要進行修補和加固，因而新舊混凝土界面粘結強度的可靠性被不斷重視，眾多的界面粘結材料也層出不窮，但新舊混凝土界面粘結不牢靠，粘結力作用原理分析不透徹，解決方案不夠有效等仍然是我們現(xiàn)在面對的重要問題。因此本文全面歸納了現(xiàn)有國內(nèi)外研究學者對于新舊混凝土界面粘結材料和技術的研究成果，綜合論述了界面粘結材料作用機理和性能表征方式，為工程設計和施工的經(jīng)驗總結提供參考。

1 新舊混凝土界面粘結力作用機理

新舊混凝土界面粘結的整體宏觀力學性能實質(zhì)是微觀力學表現(xiàn)的集合，充分研究微觀力學性能的表現(xiàn)形式和作用方式具有重要作用。現(xiàn)階段研究學者較為達成共識的觀點為，新舊混凝土界面粘結力主要由范德華力、機械咬合力及化學作用力等構成。

有研究表明，已建混凝土的強度越高，密度越大，相應的空隙率則越小，新舊混凝土間的作用面越光滑，界面粘結力越弱，同時新舊混凝土的粘結界面屬于不穩(wěn)定不協(xié)調(diào)不吻合界面，為避免眾多不利于界面粘結的因素，界面前期需要進行一定物理加工處理，如高壓水射法、鋼刷劃毛法、人工鑿毛法、噴砂(丸)法、酸浸蝕法等，使界面具有更有效的機械咬合力[1]。新舊混凝土界面粘結作用中，水分含量對其作用力大小具有重要影響。新混凝土的澆筑,會因為舊混凝土的飽水狀態(tài)而缺失水分子間的范德華力作用，而且舊混凝土表面原有的水膜還會削弱新舊混凝土界面的粘結，也會減低聚合物粘結材料對新舊混凝土的粘結作用，適當?shù)暮縿t會促進水化產(chǎn)物的粘結作用。對于界面粘結作用機理研究，形成的較為統(tǒng)一的認識為：機械咬合力為主要的粘結作用力，范德華力次之，而化學作用力的貢獻效果則最小。

對于新舊混凝土的界面粘結問題，實際上類似于混凝土澆筑中，水泥石與骨料的接觸和粘結牢固問題，只是混凝土較骨料來說，其為多相多孔的復合材料，硬化后的混凝土中骨料與水泥石界面由C-H晶體組成，使得界面處比骨料本身脆弱松散很多，所以界面粘結的強度需要牢固機械咬合力或者化學作用力支撐。

2 新舊混凝土界面粘結增強材料

在已有的眾多工程實際中，混凝土結構加固或修補工作的保障往往因為新舊混凝土之間的粘結性能失效而受阻。新舊混凝土的界面在進行表面結構處理提供合理的機械咬合力的同時，充分研發(fā)和利用可以促進界面粘結化學作用力的修補材料也是有效之舉，選擇適當?shù)慕缑嬲辰Y劑可以大幅度提高新舊混凝土過渡區(qū)的粘結力，防止結構過早失效。

目前，市場上界面粘結修補增強材料總體上分為以下幾類。

2.1 無機水泥基類材料

無機材料在要求不高的工程中得到了普遍利用，也是新舊混凝土界面粘結的常用方法，其主要包括水泥砂漿、水泥凈漿、伴有各種摻合料和外加劑的水泥(相關摻合料目前有粉煤灰、硅灰等材料，外加劑包括減水劑、減縮劑、膨脹劑等)[2]。相關研究結果顯示，水泥砂漿與水泥漿的界面粘結增強效果差距不大，摻硅灰的水泥漿則效果相對較好，摻有其他摻合料和外加劑水泥漿的效果則參差不齊。如大連理工大學趙國藩院士的相關研究表明，使用水泥漿界面劑可使粘結界面的抗折強度比不涂界面劑的提高13%，而采用同一配合比的快硬性鐵鋁酸鹽類水泥漿作為界面劑，抗折強度則比不涂界面劑的效果提高23%，采用類似U型膨脹劑的水泥漿作為界面劑的抗折強度則比不涂界面劑的提高效果不夠顯著；鄭州大學有關學者對水泥基類界面劑的抗凍、抗?jié)B進行了系統(tǒng)的研究，認為其抗凍性能很差，同時其抗侵蝕性能與耐久性能方面表現(xiàn)也較差。

2.2 有機材料

有機類界面修補粘結增強材料是指使用相關聚合物高分子材料來全部替代水泥作為膠結材料，有機類材料主要以環(huán)氧基結構膠為主，與骨料結合成為聚合物混凝土/砂漿(Polymer concrete and mortars，簡稱PC和PM)。此修補材料的性能特點主要有：耐久性較好，與混凝土的粘結強度高，可提高養(yǎng)護速度，縮減施工周期。有機環(huán)氧基類界面劑與舊混凝土具有較好的粘結性能，但由于環(huán)氧類材料是憎水性材料，新混凝土澆筑中會存在較多的水分和水膜，使得其與新澆筑混凝土粘結性能較差，因此環(huán)氧類界面劑的整體粘結效果并不明顯。有機聚合物砂漿界面劑主要包括丙乳砂漿、丁苯砂漿等材料。聚合物界面劑一般會產(chǎn)生較多氣泡，造成粘結區(qū)密實度下降，使得粘結強度和粘結效果變差。

2.3 有機—無機復合修補材料

隨現(xiàn)代混凝土結構具有多樣性，其表面及內(nèi)部損壞的形式與原因也復雜多變，僅僅憑已有的有機和無機兩類修補材料，很難保證新舊混凝土界面的粘結強度，并且耐久性也較差，在混凝土修補中很容易導致修補過早失效，或出現(xiàn)其他病害問題。所以，在已有的成果基礎上出現(xiàn)了有機—無機復合修補材料，有效彌補了現(xiàn)有材料的缺陷，改善了無機材料的粘結強度和耐久性不足等問題。同時在某些具體情況下為改善其特定性能，必要時會通過加入短纖維、減縮劑、偶聯(lián)劑、阻燃劑、防老劑等外加劑來進行復合材料的性能改進。已有研究表明，如聚合物

膠結混凝土一類的有機—無機復合修補材料早期及后期強度均較高，對舊混凝土具有高強粘結力，并且其抗凍融性和抗?jié)B性表現(xiàn)均較好，吸水率小，但是價格昂貴。對于其強度的影響因素研究表明，骨料與膠結料的性能以及配合比均具有顯著性影響，同時其也受到工藝與養(yǎng)護方式的影響。對溫度的較大敏感性使其固化收縮率比水泥混凝土要大幾倍甚至十幾倍，變形量大。

3 新舊混凝土粘結界面力學性能研究

目前，對于新舊混凝土界面粘結材料及其力學性能的相關研究，國內(nèi)學者已經(jīng)做了大量的試驗和理論分析，但是至今仍然沒有得出完整統(tǒng)一的理論，因此對新舊混凝土界面粘結力學性能的研究依然具有重要意義。

已有的新老混凝土界面粘結力學性能研究方向主要包括粘結的抗折性能、抗剪性能、抗拉性能、抗收縮性能、斜剪性能、抗?jié)B性能以及粘結抗凍性能等技術指標的研究[3]，粘結界面在不同的處理方式情況下，力學表現(xiàn)差異較大，而在不同界面劑使用情況下，力學表現(xiàn)則差異有限，且粘結力提高幅度明顯低于界面粗糙處理。對于提高新混凝土強度的觀點，大連理工大學的相關研究表明，為促進新舊混凝土界面粘結力而提高新混凝土的強度是性價比極低的舉措，既不有效也不經(jīng)濟[4]。在上述相關試驗研究的基礎上，有關學者還采用塑性理論、人工神經(jīng)網(wǎng)絡等方法建立了粘結強度的理論預估模型，同時在今后的相關研究領域中，宜針對粘結界面影響因素進行相關統(tǒng)計方法分析，如灰關聯(lián)度分析、主成分分析等，在此基礎上進行回歸分析方法的運用，來對界面壽命進行預估或規(guī)律評價，為實際工程加固設計和建設工作做出更多有效參考。

[1] 劉艷萌.新舊混凝土粘結技術研究[D].重慶：重慶大學，2006.

[2] 黃 新，陳 楠.新老混凝土結合面粘結問題的分析和探討[J].山西建筑，2008，34(30)：154-155.

[3] 李平先，趙國藩，張雷順.新老混凝土粘結面的抗凍融劈拉性能試驗研究[J].土木工程學報，2006，39(4)：20-25.

[4] 郭進軍.高溫后新老混凝土粘結的力學性能研究[D].大連：大連理工大學，2009.