新旧混凝土结合面成为受力薄弱环节原因初探.docx

简介无论是已建工程的加固修补还是工程新建中经常遇到在已硬化的混凝土上或已凿除劣化酥松部分露出坚实的混凝土基层上浇筑新混凝土或砂浆的问题象梁板柱的加大截面加固水工结构中老的坝体加高剪力墙施工缝叠合梁的施工等等涉及到新旧混凝土能否结合为整体共同工作特别是构件中承受很大剪力和拉力部位的加固新旧混凝土的结合面是一个薄弱环节其界面粘结强度一般都低于整浇混凝土的强度极大地影响了结构的可靠性此外还有大量的混凝土结构物构筑物因混凝土碳化钢筋锈蚀冻融循环而造成混凝土剥蚀破坏等的修补这类不以承受荷载为主的表面面层的修补主要是满足抗渗抗碳化抗冻融性耐腐蚀性等要求以增强结构的耐久性它们也要求与基层混凝土具有良好的粘结力这是达到修补目的的必要条件处于恶劣的自然环境下工程的修补由于修补材料粘结力过低而导致修补失败的例子很多原因之一就是修补材料与基层混凝土之间的粘结力不足以抵抗各种因素在新旧混凝土结合面处产生的附加应力而导致修补失败关键字现场施工事故处理问题的提出人们对新旧混凝土结合面的粘结强度达不到相应整浇混凝土的强度的原因还不十分清楚需要探索显然对于新旧混凝土粘结问题的根本解决需要从混凝土材料微观结构的角度阐明其粘结机理建立微观结构的分析和宏观力学性能之间的联系将有助于我们从本质上认识新旧混凝土粘结问题从而找到解决问题的途径成因的探讨以亚微观层次而论混凝土可视为由粗细骨料颗粒分散在水泥浆基体中所组成的两相复合材料以微观层次而论则显示出混凝土结构的复杂性混凝土结构的两相组成既不是彼此均匀分布而两相体本身组成也不均匀象硬化混凝土中某些区域是致密的如骨料而另外一些区域是高度多孔的在贴近大颗粒骨料表面硬化水泥浆体的结构与系统中水泥石或砂浆的结构差别很大事实上在荷载作用下混凝土力学行为的许多方面只能将水泥浆骨料界面视为混凝土结构的第三相才能作出合理的解释第三相即界面区相或称为过渡区相代表着粗骨料与硬化水泥浆体的过渡区过渡区围绕大骨科周围存在一层薄层厚约通常比混凝土的其它两相组成要弱因此界面区对混凝土力学行为的影响很大界面的结构与界面的力学性能有密切的关系现在比较一致的看法是硬化水泥浆与骨料之间存在过渡区对于过渡区人们提出了几种模型这里不详述首先我们大致了解一下界面过渡区的组成及结构界面过渡区的组成界面区中主要存在有凝胶水化硅酸钙晶体钙矾石和未水化的熟料颗粒及孔洞裂缝界面区中晶体数量多而且晶体尺寸较大同时界面区中孔洞较多时对界面粘结将产生不利影响界面过渡区形成机理马索提出界面过渡区形成机理的假说他认为在混凝土拌和过程中在骨料表面形成一层几个微米厚的水膜而无水水泥的分布密度在紧贴骨料处几乎为零然后随着距离增大而增高所以在这层水膜中可以认为基本上不存在水泥颗粒当水泥化合物溶解于水之后溶解的离子即扩散进入这层水膜如果是不溶性骨料水膜中的离子全部来自水泥熟料及石膏但如骨料是部分可溶性的则骨料所溶出的离子在骨料表面密度最大由于骨料总会有部分离子析出在靠近骨料表面处浓度最高以后有一明显缺陷处即低离子浓度区因此在这层水膜内最先形成水化产物晶核的是先扩散进入水膜的离子对普通硅酸盐水泥即是钙矾石和氢氧钙石水膜内水化产物晶体是在溶液中形成晶核而长大由于膜内过饱和度不高有充分空间让晶体生长故形成的水化产物晶体尺寸较大所形成的网状结构较为疏松以后活动性较差的铝离子硅离子陆续进入第一批晶体所遗留的空隙中逐渐形成以及尺寸较小的次生钙矾石和氢氧钙石填充其间马索上述假设中离子浓度分布曲线凹陷处可能形成大晶核及高孔隙率是界面中的薄弱区虽然目前对界面过渡区的结构及形成机理的了解还不深入但从破坏过程来看作为混凝土的内部结构界面过渡区至少具有以下几个方面的特点界面过渡区中晶体比水泥浆体中本体中的晶体粗大界面过渡区中晶体有择优取向界面过渡区中晶体比水泥浆体中本体具有更大更多的孔隙这些特点决定了界面过渡区强度低容易引发裂缝并且裂缝易于传播从而使界面过渡区成为最薄弱的环节骨料与基体界面是一个固液气三相多孔体对界面的粘结性能起决定性作用界面过渡区的性能主要取决于这些组成的性质相对含量及它们之间的相互作用由于界面过渡区的显著结构是晶体富集并产生取向性晶体平均尺寸较大孔隙尺寸和孔隙率均较大即界面存在着大量有缺陷的疏松的网络结构虽然决定界面性质的因素很多但的取向和富集形成薄弱层界面是主要物理化学原因之一它间接反映了界面层的孔结构和致密性所以要增强界面区尤其是强化最薄弱层消除和减小界面层与基体间的差异必须减少含量打乱其取向性降低孔隙率界面离子浓度及其分布与水膜层的厚度有关而水膜层的厚度在很大程度上取决于水灰比的大小它直接影响界面过渡区的性状和结构随着水灰比的增大水膜层变厚其中离子浓度降低对硅酸盐水泥而言水膜层中最先生成的晶体是钙矾石和氢氧钙石在它们生长过程中当水灰比大时将无约束地使晶体不仅生长得很大而且易于在骨料表面定向排列使晶体孔隙率增大并有碍于凝胶与骨料的接触由于离子浓度下降水化生成的凝胶也必然减少使得凝胶与骨料表面接触点减少因此界面形成疏松的网络结构原始裂缝增多变大界面粘结强度下降削弱了界面效应因此降低水灰比减小水膜层改善过渡区性状是发挥界面效应的主要措施新旧混凝土的界面同样存在类似于整浇混凝土中骨料与水泥石接触的这样一个过渡区而这恰恰是三相中最弱的界面层实际上旧混凝土界面存在露出的骨料和已硬化的水泥石旧混凝土的界面处可当作骨料部分同样是骨料与水泥石的接触界面问题可能比整浇混凝土中骨料与水泥石界面过渡区要复杂但目前过渡区理论还在探索在没有定论的情形下我们不妨简单探讨一下有助于指导我们从物质微观结构这一层次上认识界面粘结问题的本质和影响因素以采取一定的措施方法来增强新旧混凝土界面粘结性能我们认为在同样的受力条件下新旧混凝土的结合面比整浇体系中骨料与水泥石界面还要薄弱可能是以下几方面原因新旧混凝土接触界面存在一个类似于整浇混凝土中骨料与水泥石之间的界面过渡区而这个过渡区本来就是一个薄弱环节由于旧混凝土的亲水性修补时会在旧混凝土表面形成水膜使结合面处新混凝土的局部水灰比高于体系中的水灰比导致界面钙矾石和氢氧化钙晶体数量增多形态变大形成择优取向降低界面强度且由于旧混凝土的阻碍新混凝土中的泌水和气泡积聚在旧混凝土表面不仅使得新混凝土局部水灰比更高而且使得气孔和微裂缝在该区富集显著降低界面强度这是物质结构化学方面的原因是影响新旧混凝土结合本质的内因界面处露出的石子水泥石和新混凝土的界面接触与整浇混凝土中骨料与水泥浆的界面接触有差别我们知道水泥浆本身具有一定的粘结性它主要用于包裹混凝土中的骨料使之硬化成坚硬的水泥石在新混凝土中的骨料经过充分搅拌振捣被水泥浆包裹而新旧混凝土界面处新混凝土中的骨料经过振捣可能挤压在界面处是使骨料与界面突出的石子水泥石形成点接触骨料堆积在旧混凝土表面阻塞了一部分旧混凝土表面的孔隙和凹凸不平部分使具有粘结性的水泥浆不能完全渗入孔隙中去形成缺浆现象界面处水泥浆不能充分浸润骨料和水泥石而新混凝土失去一部分水泥浆这样使得粘结界面处的新混凝土中出现空隙影响了新旧混凝土的粘结强度我们知道整浇混凝土中骨料与水泥石之间粘结裂缝的延伸扩展连通最后导致混凝土破坏整浇混凝土中骨料体积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机械咬合对宏观粘结强度起主要作用从微观上看它增加了有效的真实接触面积粘结力也会大大增加同时骨料表面的凸起对界面区结构有增强作用并能改变界面裂缝扩展方向使裂缝扩散路径曲折也能消耗部分能量而新旧混凝土界面处的骨料和硬化水泥石形成一个面象一块表面比较平坦的大骨料而这块大骨料与整浇混凝土中的骨料相比不但体积大且只有一个面并且这个面很平坦修补材料与旧混凝土之间存在物理化学性质差异由于冷热交替冻融循环作用及新混凝土的收缩而在结合面处引起附加应力诱发先天裂缝从受力的角度看在整浇混凝土中骨料体积小多棱角骨料表面粗糙并且被水泥石分开分布较均匀而不象新旧混凝土界面处相对集中裂缝缺陷产生的概率较大再加上界面比较平坦不能使裂缝扩散路径曲折消耗能量所以一旦从这一区域引发了裂缝裂缝尖端处应力集中就会导致裂缝迅速开展和传播新旧混凝土界面承载能力会进一步被削弱最后导致界面处首先破坏即破坏总是从最薄弱环节开始以上几个因素综合起作用这就是在相同受力条件下新旧混凝土界面要首先破坏的原因结束语从上面的探讨中我们可以得到启示如果我们能象加强整浇体系中骨料和水泥石界面一样加强新旧混凝土的界面也许是解决新旧混凝土粘结问题的一个途径实践中我们可以从几个主要影响因素入手加强新旧混凝土的粘结实际上工程应用中也已采取了一定的实践证明是行之有效的办法解决这一问题应首先从物质结构层次方面着手使新旧混凝土接触的界面区结构得到加强根本渠道在于研制开发使用性能优异的界面剂譬如低水灰比的水泥净浆或某些复合材料或特种混凝土譬如加入硅粉的混凝土其次新旧混凝土结合面在不损伤骨料与旧混凝土粘结的前提下要经过适当的粗糙处理一是除去油污灰尘等杂物二是增大结合面面积增大机械咬合作用再次是加强施工质量这一点也不容忽视结合面处的混凝土要加强振捣使其密实减少孔隙避免泌水和气泡的不利影响同时避免大骨料堆积在旧混凝土表面形成点接触也能使水泥浆更好地渗透到旧混凝土中去最后应注意加强养护以利于水泥的充分水化