基于粘接理論探究新老混凝土粘接性能的改善

(汕頭大學(xué)環(huán)境與土木工程系 廣東 汕頭 515021)

引言

混凝土結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)加固時(shí)通常會(huì)鑿除掉修補(bǔ)界面處的部分老混凝土，導(dǎo)致修補(bǔ)界面原有的化學(xué)鍵斷裂。澆筑修補(bǔ)用新混凝土后，新老混凝土必將在粘接界面處產(chǎn)生新的化學(xué)鍵。新老混凝土粘接性能的研究是對(duì)新化學(xué)鍵的性能恢復(fù)效果的評(píng)估，是混凝土結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)加固的基本工作。對(duì)于新建及在建工程的局部修改與裂縫修補(bǔ)等作業(yè)具有重要的工程應(yīng)用意義。

新老混凝土粘接性能的影響因素非常多，有內(nèi)因和外因之分。內(nèi)因側(cè)重于混凝土的組成材料，主要是膠凝材料水泥對(duì)新老混凝土粘接性能的影響；外因則聚焦于新老混凝土的修補(bǔ)工藝方面，包括對(duì)老混凝土表面粗糙度的處理、界面劑的使用、粘接界面植入鋼筋等。目前，國(guó)內(nèi)外在“新老混凝土粘接性能的影響因素”方面已進(jìn)行了許多試驗(yàn)研究，但主要側(cè)重于外在影響因素的研究。然而，混凝土之母——水泥對(duì)新老混凝土粘接性能的影響，仍處于空白階段。

因此，本文對(duì)前人的研究成果進(jìn)行了簡(jiǎn)要的概括，然后首次提出了一種改善新老混凝土粘接性能研究的新思路，即基于粘接理論探究?jī)?nèi)在因素水泥對(duì)新老混凝土粘接性能的影響，希望為后續(xù)的理論研究提供一個(gè)新的研究方向。

一、對(duì)以往研究成果的簡(jiǎn)要概括

新老混凝土的粘接層是由老混凝土、新混凝土和界面粘接劑組成的結(jié)合體。目前，普遍認(rèn)為“新老混凝土的粘接力由機(jī)械咬合力貢獻(xiàn)”，而老混凝土表面的粗糙狀況直接影響了機(jī)械嵌合作用的強(qiáng)弱。因此老混凝土的表面粗糙狀態(tài)決定了新老混凝土粘接性能的優(yōu)劣。此外，新老混凝土的粘接性能還受到粘接方位、界面劑種類以及是否植筋等因素的影響。

(一)老混凝土的表面粗糙度

新老混凝土粘接表面的粗糙處理是粘接程序的第一步，也是最為關(guān)鍵的一步。新老混凝土粘接時(shí)，表面粗糙處理是保證其較強(qiáng)粘接性能的一個(gè)重要前提[1]，粘接面粗糙處理不當(dāng)會(huì)直接影響新老混凝土粘接性能的優(yōu)劣。目前，工程中普遍存在的粘接表面粗糙處理方法有：高壓射水法[2][3]、鋼刷刷凈法[4][5]、人工鑿毛法[6][7]以及酸蝕法[8]等。

在對(duì)新老混凝土粘接面進(jìn)行物理粗糙處理時(shí)：應(yīng)優(yōu)先考慮高壓射水法，因?yàn)椴捎迷摲ǔ丝梢垣@得干凈的粘接面外，還不會(huì)對(duì)周圍混凝土造成擾動(dòng)；此外，采用高壓射水法得到的老混凝土表面清潔、潤(rùn)濕，是良好粘接產(chǎn)生的前提；況且，即使在有鋼筋存在的條件下，不但不會(huì)損傷鋼筋，還能為鋼筋除銹[9]。其次，應(yīng)選擇人工鑿毛法，這種方法操作簡(jiǎn)單、成本低，但是易造成混凝土結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)破壞，石混凝土表面產(chǎn)生新的微裂縫。最后，才是酸蝕法，但這種方法對(duì)結(jié)構(gòu)中的鋼筋具有腐蝕作用，因此一般不建議采用化學(xué)酸洗法，除非不能采用別的粗糙處理方法。

(二)粘接方位

1994年，Uherkovich[10]于工程實(shí)際中發(fā)現(xiàn)：下補(bǔ)時(shí)，界面的粘結(jié)質(zhì)量最難保證。1995年，Robins等人[11]對(duì)粘結(jié)方位與新老混凝土粘結(jié)性能關(guān)系的研究，多側(cè)重于上補(bǔ)和斜上補(bǔ)。2001年，劉金偉等人[12]首次提出并系統(tǒng)地研究了修補(bǔ)方位對(duì)粘結(jié)界面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響，并指出有上補(bǔ)、斜上補(bǔ)、側(cè)補(bǔ)、斜下補(bǔ)、下補(bǔ)五種粘結(jié)方位，如圖1所示。結(jié)合實(shí)際修補(bǔ)工程與研究試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：斜下補(bǔ)、下補(bǔ)時(shí)效果最不理想。

圖1 新老混凝土修補(bǔ)方位是意圖[12]

(三)界面劑的使用研究

Carles&Talbot等[13][14]通過(guò)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)界面劑是影響粘結(jié)性能的重要因素之一。但是至今為止界面劑的使用效果并不是十分令人滿意[15]。因此，人們開始研究如何改善界面劑的作用效果。李庚英等提出以粉煤灰、細(xì)砂作為改性材料配制新型界面劑的設(shè)想，經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：經(jīng)改性的界面劑較常用界面劑更能顯著提高界面的粘結(jié)強(qiáng)度[16]。減縮劑是一種表面活化劑，靠降低混凝土或砂漿的毛細(xì)管液相的表面張力來(lái)減小干縮，并減小毛細(xì)管孔徑[17][18][19]，羅白云等[20]設(shè)想以國(guó)產(chǎn)減縮劑對(duì)水泥砂漿界面劑進(jìn)行改性。經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，減縮劑可以改善界面層的微細(xì)觀結(jié)構(gòu)并提高界面粘結(jié)強(qiáng)度。

(四)植筋

新老混凝土粘接結(jié)構(gòu)的承載能力一般低于整體澆筑構(gòu)件的承載能力，因?yàn)檎辰咏缑嫣幰装l(fā)生界面分層破壞等現(xiàn)象。我們往往通過(guò)植筋來(lái)限制粘接界面的分層破壞。沒(méi)有植筋的粘接結(jié)構(gòu)發(fā)生的是脆性破壞，植筋后則由脆性破壞轉(zhuǎn)變成延性破壞，所以承載力也得到明顯提高。然而，若植筋是為承受橫向力時(shí)，此為功能剪力筋；若為承受正向拉力時(shí)，則必須考率錨定深度，此皆為以植筋來(lái)彌補(bǔ)新老混凝土界面連接強(qiáng)度的不足。但是，利用植筋來(lái)改善新老混凝土的粘接性能時(shí)，植筋會(huì)對(duì)老混凝土造成擾動(dòng)破壞，這是該方法不可忽視的缺點(diǎn)。

二、新的研究思路的提出

作者發(fā)現(xiàn)新老混凝土的粘接與被粘物、粘接劑的粘接過(guò)程非常相似。于是就查閱了粘接劑的相關(guān)粘接理論，發(fā)現(xiàn)：硅酸鹽水泥本質(zhì)上還是一種粉狀的水固型無(wú)機(jī)粘接劑。此外，還發(fā)現(xiàn)：(1)在被粘物表面上的粘接劑充分地鋪展開，是粘接接頭具有良好粘接性能的先決條件(即粘接劑本身具有良好的潤(rùn)濕性能是先決條件)；(2)粘接劑通過(guò)微布朗運(yùn)動(dòng)與被粘接物表面接觸，是產(chǎn)生粘接的關(guān)鍵(即距離近是關(guān)鍵)；(3)粘接劑自身固化后強(qiáng)度也決定了粘接性能的優(yōu)劣。以上三點(diǎn)我稱之為實(shí)現(xiàn)良好粘接的“三要素”。仔細(xì)觀察思考不難發(fā)現(xiàn)，良好的潤(rùn)濕狀態(tài)為粘接劑與被粘物近距離接觸提供了條件，即條件(1)為條件(2)創(chuàng)造了條件。

因?yàn)楣杷猁}水泥是一種無(wú)機(jī)粘接劑，那么水泥同樣應(yīng)遵循上述粘接理論的“三要素”。此外，水泥還是混凝土的核心原材料，而且混凝土使用近兩百年來(lái)，水泥的性能對(duì)混凝土性能的影響一直是直接和巨大的。那么，基于粘接理論，用粘接劑實(shí)現(xiàn)良好粘接的“三要素”來(lái)指導(dǎo)“改善新老混凝土粘接性能”的研究，理論上應(yīng)是可行的。

(一)粘接體系的簡(jiǎn)化

改善粘接劑與被粘物的粘接效果，主要從粘接劑實(shí)現(xiàn)良好粘接的“三要素”入手。那么，改善新老混凝土的粘接性能理應(yīng)如此。眾所周知：新老混凝土粘接時(shí)起決定作用的，是混凝土的核心原材料——硅酸鹽水泥。硅酸鹽水泥，土木工程學(xué)科中對(duì)它的定義為“它是一種粉狀的水硬性膠凝材料，加水?dāng)嚢韬蟪蔀闈{體，能在空氣或水中硬化，并能把砂、石等材料牢固地膠結(jié)在一起的物質(zhì)”；而作為自然界中的一種存在，硅酸鹽水泥本質(zhì)上則是一種無(wú)機(jī)粘接劑，這也說(shuō)明了“基于粘接理論探究新老混凝土粘接性能的改善”這一研究思路是可行的。

為了簡(jiǎn)化新老混凝土粘接體系，明確探究水泥對(duì)粘接性能的影響效果，有必要去除無(wú)粘接效應(yīng)的次要因素(即粗、細(xì)骨料)后再進(jìn)行粘接性能的改善研究。再者，水泥是混凝土之母，其性能直接決定了混凝土的性能優(yōu)劣。因此我們有理由相信，當(dāng)新舊水泥石的粘接性能改善時(shí)新老混凝土的粘接性能必然隨之增強(qiáng)。我們把去除了無(wú)粘接效應(yīng)的次要因素后的粘接體系稱為新舊水泥石粘接體系。

(二)根據(jù)粘接理論改善新舊水泥石的粘接性能

粘接劑充分潤(rùn)濕被粘物表面是實(shí)現(xiàn)良好粘接的先決條件，也就是說(shuō)，新拌水泥漿充分潤(rùn)濕舊水泥石表面方有可能實(shí)現(xiàn)新舊水泥石的良好粘接。因此，本研究的重點(diǎn)在于如何提高新拌水泥漿對(duì)舊水泥石表面的潤(rùn)濕能力，以及如何評(píng)定潤(rùn)濕能力的高低，此外，還需制作新舊水泥石粘接試塊并進(jìn)行拉伸強(qiáng)度測(cè)試，利用該試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證粘接性能隨潤(rùn)濕能力提高而增強(qiáng)。

于是，筆者進(jìn)一步提出：可用聚羧酸高性能減水劑(Polycarboxylates High Performance Water-reducing Admixture,簡(jiǎn)記為PCA)改變新拌水泥漿的流動(dòng)性，進(jìn)而使其在舊水泥石表面充分鋪展開來(lái)并潤(rùn)濕舊水泥石表面，以此來(lái)檢驗(yàn)筆者提出的研究新思路“基于粘接理論，用粘接劑實(shí)現(xiàn)良好粘接的‘三要素’來(lái)指導(dǎo)‘改善新老混凝土粘接性能’的研究”是否可行。

三、結(jié)論與建議

以往對(duì)于新老混凝土粘接性能的研究，主要集中在外在影響因素的試驗(yàn)探究上，并未涉及內(nèi)在因素水泥的影響。而此文中，筆者首次引入粘接理論并提出從混凝土的核心原材料——水泥出發(fā)，基于粘接理論探究水泥對(duì)新老混凝土粘接性能的影響。此外，筆者還提出對(duì)新老混凝土粘接體系進(jìn)行簡(jiǎn)化，以便通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證水泥性能與新老混凝土粘接性能改善二者間的相關(guān)性。最后，還提出可利用PCA改變水泥漿的潤(rùn)濕性能，以此驗(yàn)證新思路用于“改善新老混凝土粘接性能研究”中是否可行。

文中，筆者提出用PCA對(duì)新拌水泥漿的潤(rùn)濕性能進(jìn)行改性，希望以此來(lái)驗(yàn)證新拌水泥漿潤(rùn)濕性能大小與新舊水泥石粘接性能優(yōu)劣之間的相關(guān)性。但是，并未明確提出潤(rùn)濕能力大小的衡量方法以及新舊水泥石粘接性能優(yōu)劣的判斷方法。此處，筆者為后續(xù)試驗(yàn)驗(yàn)證提出了幾點(diǎn)建議：

(1)因?yàn)檎辰觿?rùn)濕能力的大小，可以通過(guò)接觸角來(lái)衡量。因此，可以設(shè)計(jì)一個(gè)接觸角測(cè)量試驗(yàn)裝置，利用接觸角的變化趨勢(shì)驗(yàn)證PCA對(duì)水泥漿潤(rùn)濕性能的改性效果。

(2)利用改性水泥漿灌制新舊水泥石粘接試塊，養(yǎng)護(hù)至一定齡期后用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸強(qiáng)度測(cè)試。然后，分析PCA改性后接觸角大小與新舊水泥石粘接試塊的拉伸強(qiáng)度大小之間的相關(guān)性。

(3)設(shè)計(jì)試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)設(shè)置不摻PCA改性的試驗(yàn)對(duì)照組。