混凝土結(jié)合面的受力分析

【摘要】 文章對已建工程的加固、修補(bǔ)還是工程新建中經(jīng)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進(jìn)行了全面的說明。

【關(guān)鍵詞】 混凝土結(jié)合面 加固 修補(bǔ)等

Abstract :The paper explans comprehen-sivly the engineering reinforcement and already built repair and the problem of casting concrete or mortar on the concrete base which has been hardening or is part of the concrete exposed frequently encountered in the construction engineering.

無論是已建工程的加固、修補(bǔ)還是工程新建中經(jīng)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，象梁、板、柱的加 大截面加固、水工結(jié)構(gòu)中老的壩體加高、剪力墻施工縫、疊合梁的施工等等，涉及到新舊 混凝土能否結(jié)合為整體共同工作，特別是構(gòu)件中承受很大剪力和拉力部位的加固。新舊混 凝土的結(jié)合面是一個薄弱環(huán)節(jié)，其界面粘結(jié)強(qiáng)度一般都低于整澆混凝土的強(qiáng)度，極大地影 響了結(jié)構(gòu)的可靠性。

1.問題的提出

人們對新舊混凝土結(jié)合面的粘結(jié)強(qiáng)度達(dá)不到相應(yīng)整澆混凝土的強(qiáng)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(jié)問題的根本解決需要從混凝土材料微觀結(jié)構(gòu)的 角度闡明其粘結(jié)機(jī)理，建立微觀結(jié)構(gòu)的分析和宏觀力學(xué)性能之間的聯(lián)系，將有助于我們從本質(zhì)上認(rèn)識新舊混凝土粘結(jié)問題，從而找到解決問題的途徑。

2.成因的探討

2.1界面過渡區(qū)的組成

界面區(qū)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(qū)中C-H晶體數(shù)量多而且晶體尺寸較大，同時界面區(qū)中孔洞較多時，對界面粘結(jié)將產(chǎn)生不利影響。

2.2界面過渡區(qū)形成機(jī)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(rèn)為基本上不存在水泥顆粒。當(dāng)水泥化合物溶解于水之后，溶解的離子即擴(kuò)散進(jìn)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(qū)。因此，在這層水膜內(nèi)，最先 形成水化產(chǎn)物晶核的是先擴(kuò)散進(jìn)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(nèi)水化產(chǎn)物晶體是在溶液中形成晶核而長大，由于膜內(nèi)過飽和度不高，有充分空間讓晶體生長，故形成的水化產(chǎn)物晶體尺寸較大，所形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)較為疏松，以后活動 性較差的鋁離子、硅離子陸續(xù)進(jìn)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(shè)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(qū)。

雖然目前對界面過渡區(qū)的結(jié)構(gòu)及形成機(jī)理的了解還不深入，但從破壞過程來看作為混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，界面過渡區(qū)至少具有以下幾個方面的特點:

(1)界面過渡區(qū)中晶體比水泥 漿體中本體中的晶體粗大。

(2)界面過渡區(qū)中晶體有擇優(yōu)取向。

(3)界面過渡區(qū)中晶體比水泥漿體中本體具有更大、更多的孔隙。這些特點決定了界面過渡區(qū)強(qiáng)度低，容易引發(fā)裂縫， 并且裂縫易于傳播，從而使界面過渡區(qū)成為最薄弱的環(huán)節(jié)。骨料與基體界面是一個固-液 -氣三相多孔體，對界面的粘結(jié)性能起決定性作用。界面過渡區(qū)的性能主要取決于這些組 成的性質(zhì)相對含量及它們之間的相互作用。由于界面過渡區(qū)的顯著結(jié)構(gòu)是C-H晶體富集并產(chǎn)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(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。雖然決定界面性質(zhì)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(xué)原因之一，它間接反映了界面層的孔結(jié)構(gòu)和致密性。所以要增強(qiáng)界面區(qū) 尤其是強(qiáng)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。

我們認(rèn)為在同樣的受力條件下，新舊混凝土的結(jié)合面比整澆體系中骨料與水泥石界面還要薄弱，可能是以下幾方面原因:

(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(qū)，而這個過渡區(qū)本來就是一個薄弱環(huán)節(jié)。由于舊混凝土的親水性，修補(bǔ)時會在舊混凝土表面形成水膜，使結(jié)合面處新混凝土的局部水灰比高于體系中的水灰比，導(dǎo)致界面鈣礬石和氫氧化鈣晶體數(shù)量增多，形態(tài)變大，形成擇優(yōu)取向，降低界面強(qiáng)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(qū)富集，顯著降低界面強(qiáng)度。這是物質(zhì)結(jié)構(gòu)化學(xué)方面的原因，是 影響新舊混凝土結(jié)合本質(zhì)的內(nèi)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(jié)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(jīng)過充分?jǐn)嚢琛⒄駬v被水泥漿包裹，而新舊混凝土界面處新混凝土中的骨料經(jīng)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(jié)性的水泥漿不能完全滲入孔隙中去，形成“缺漿”現(xiàn)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(jié)界面處的新混凝土中出現(xiàn)空隙，影響了新舊混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度。

以上幾個因素綜合起作用，這就是在相同受力條件下，新舊混凝土界面要首先破壞的原因。

結(jié)束語

從上面的探討中我們可以得到啟示:如果我們能象加強(qiáng)整澆體系中骨料和水泥石界面一樣加強(qiáng)新舊混凝土的界面，也許是解決新舊混凝土粘結(jié)問題的一個途徑。實踐中，我們 可以從幾個主要影響因素入手加強(qiáng)新舊混凝土的粘結(jié)。實際上，工程應(yīng)用中也已采取了一定的實踐證明是行之有效的辦法。解決這一問題應(yīng)首先從物質(zhì)結(jié)構(gòu)層次方面著手，使新舊 混凝土接觸的界面區(qū)結(jié)構(gòu)得到加強(qiáng)。根本渠道在于研制開發(fā)使用性能優(yōu)異的界面劑(譬如 低水灰比的水泥凈漿或某些復(fù)合材料)或特種混凝土(譬如加入硅粉的混凝土)。其次，新舊混凝土結(jié)合面在不損傷骨料與舊混凝土粘結(jié)的前提下要經(jīng)過適當(dāng)?shù)拇植谔幚恚皇浅ビ臀刍覊m等雜物，二是增大結(jié)合面面積，增大機(jī)械咬合作用;再次是加強(qiáng)施工質(zhì)量，這一點也不容忽視，結(jié)合面處的混凝土要加強(qiáng)振搗，使其密實，減少孔隙，避免泌水和氣泡的不利影響，同時避免大骨料堆積在舊混凝土表面形成“點接觸”，也能使水泥漿更好地滲透到舊混凝土中去。最后應(yīng)注意加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)以利于水泥的充分水化。

(作者單位:大慶油田創(chuàng)業(yè)騰飛建筑安裝工程有限公司第六工程處)