新旧混凝土粘结薄弱界面成因分析

摘要：新旧混凝土能否良好地共同工作取决于新旧混凝土界面粘结性能。

本文基于界面过渡区理论，从界面区的物质结构层次组成和受力角度，初步分析了薄弱界面形成的原因，旨在从理论上寻求解决新旧混凝土粘结问题的途径，并据此对加强粘结性能的措施给出一些建议，为工程实际操作提供参考。

关键词：新旧混凝土粘结性能界面结合面过渡区新旧混凝土粘结薄弱界面成因分析刘同宾1阳柳2（1.江西省高等级公路管理局质量监督站，江西南昌3300132.江西省交通设计院，江西南昌330002）!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（６）对钢板外表面进行处理时，对被加固构件外观进行相应处理。

5结束语用粘结剂粘贴钢板补强、加固的钢筋混凝土结构构件，能大大提高其原设计承载力和抗破坏能力。

这是因为粘贴钢板后，提高了原结构构件的配筋量，相应就提高了结构构件的抗拉、抗弯、抗剪等方面的力学性能，而这些性能是靠结构胶粘剂的良好粘结性能，把钢板与混凝土牢固地粘结在一起，形成整体，有效地传递应力，共同工作来保证的。

在建筑工程中，应用建筑结构胶粘剂对各类新旧建筑构件进行连接、补强、加固，与传统的加固法相比，具有技术先进，性能良好；占空间小，不影响被加固构件外观和使用空间、施工周期短、材料消耗小、工艺简便等优点。

该加固方法必将广泛运用于桥梁和建筑物结构加固工程中。

区，过渡区围绕大骨料周围存在一层薄层，厚约１０～５０μｍ，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，限于篇幅，这里不再详述。

２．１界面过渡区的组成及结构界面区中主要存在有Ｃ—Ｓ—Ｈ凝胶（水化硅酸钙）、Ｃ—Ｈ晶体、ＡＦｔ（钙矾石）和未水化熟料颗粒及孔洞、裂缝。

界面区中Ｃ—Ｈ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［１］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和石膏，如图１所示。

但如果骨料是部分可溶性的，则骨料溶出的离子在骨料表面密度最大，其离子浓度分布如图２所示。

由于骨料总会有部分离子析出，故水膜层中总离子浓度为图２中虚线所示，在靠近骨料表面处浓度最高，之后有一明显缺陷处，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化钙。

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Ｃ—Ｓ—Ｈ以及尺寸较小的次生钙矾石和氢氧化钙石填充其间。

马索的上述假设中，离子浓度分布曲线凹陷处可能形成大晶核及高孔隙率，即是界面中的薄弱区域。

２．３界面过渡区的特点虽然目前对界面过渡区的结构及形成机理还不深入了解，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：１）界面过渡区中的晶体比水泥浆本体中的晶体粗大；２）界面过渡区中的晶体有择优取向；３）界面过渡区中的晶体比水泥浆本体中的晶体具有更大、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。

２．４界面过渡区结构和性状的改善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、相对含量以及它们之间的相互作用。

由于界面过渡区的显著结构是Ｃ—Ｈ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Ｃ—Ｈ的取向和富集是形成薄弱层界面的主要的物理化学原因之一，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Ｃ—Ｈ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化钙，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Ｃ—Ｓ－Ｈ凝胶与骨料的接触，由于离子浓度下降，水化生成的Ｃ—Ｓ—Ｈ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，界面粘结强度下图1不溶性骨料离子分布示意图图2部分可溶性骨料离子分布示意图23--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。

3新旧混凝土薄弱界面成因分析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，不妨探讨一下，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，以采取一定的措施来增强新旧混凝土界面粘结性能。

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共同作用的结果。

（１）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，因而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。

而且由于旧混凝土的阻碍、新混凝土中的泌水和气泡聚积在旧混凝土表面，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，是影响新旧混凝土粘结性能本质的内因。

（２）结合面处露出的石子、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。

新混凝土中的骨料经过充分搅拌、振捣被水泥浆包裹，而在新旧混凝土界面处，新混凝土中的骨料经过振捣可能被挤压在界面处，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，而新混凝土又将失去一部分水泥浆，这样使得结合面的新混凝土中出现空隙，影响了新旧混凝土的粘结强度。

（３）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”。

新混凝土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将会进一步被削弱，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。

4结束语从上述的分析中可以得到如下启示：如果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，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些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，研制开发性能优异的界面剂或特种混凝土。

其次，在不损伤骨料与旧混凝土粘结的前提下，新旧混凝土结合面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，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。

参考文献［１］高丹莹，刘建秀，钢纤维混凝土基本理论，科学技术文献出版社［Ｍ］，１９９３．24 --。