影响新老混凝土粘结性能因素的研究

李雯霞（酒泉职业技术学院建筑工程系，甘肃 酒泉 735000）

随着混凝土材料的广泛使用及对其性质认识的逐步深化,混凝土结构的耐久性问题日益受到重视。在实际工程中,由于设计、施工、事故、环境等因素的影响,大量的混凝土结构需要进行补强加固。混凝土修补加固已成为结构工程中的一个重要分支,其中新老混凝土粘结课题的研究又备受学术界和工程界的关注。新老混凝土粘结存在一个薄弱环节,就是新老混凝土之间的结合面，一般结合面粘结强度都低于整浇混凝土的粘结强度,极大地影响了结构的可靠性,究竟是什么原因使新旧混凝土结合面的粘结性能达不到整浇混凝土的粘结性能？我们常采取哪些措施弥补这一缺陷？本文简要进行了阐述。

1 新老混凝土的粘结破坏机理

在实际的补强加固工程中,由于老混凝土中的水泥水化过程一般已基本完成,新老混凝土之间的粘结主要依靠范德华力与机械咬合力(由新老混凝土晶体互相交错抱合而成)维系,而这种粘结的连接作用较弱。新老混凝土粘结破坏是发生在“新老混凝土粘结破坏区”中的。整浇混凝土结构组织中有其固有的潜在缺陷,这些缺陷表现为混凝土结构组织中的孔隙及加载前骨料周边发展了裂缝,成为混凝土中最薄弱的环节。混凝土结构组织的破坏是在荷载作用下,在这些潜在的裂缝周边产生高度的应力集中引起的起裂开始,经过比较稳定的裂缝发展过程,扩展到不稳定的裂缝,最后导致混凝土结构组织完全破坏。而新老混凝土的“粘结破坏区”的内部潜在缺陷比整浇混凝土更严重,且内部初应力(应变)更复杂。导致粘结区混凝土内部缺陷更严重的因素可能是新老混凝土结合不良、新混凝土浇筑不实或在进行粘结界面凿毛处理时,老混凝土石子受到扰动。内部复杂的初应力(应变)的产生是由于新浇混凝土中的温度应力及收缩应力交织在一起造成的。另外,混凝土的硬化通常伴随有体积收缩的产生,由于老混凝土的约束作用,新混凝土中会形成拉应力,粘结界面的边界附近会产生剪应力和拉应力,粘结层内出现收缩微裂缝,这也降低了新老混凝土的粘结强度,造成粘结区破坏。

2 影响新老混凝土粘结性能的因素

近几年国内外众多学者对新老混凝土的粘结性能进行了较为深入的研究。大量实验结果表明，新混凝土的收缩、老混凝土表面粗糙度、界面剂、老混凝土强度等为影响界面粘结强度的主要因素。

2.1 新老混凝土的收缩不一致性对新老混凝土粘结性能的影响

大量混凝土修补工程实践表明，新老混凝土的修复效果往往不理想，常常会出现修补的新混凝土开裂或在新老混凝土的粘结界面出现裂缝的现象，这是因为老混凝土经过长期使用，其收缩基本趋于稳定，而新补混凝土的干燥收缩大，使修补粘结界面层成为最薄弱环节[1]。

混凝土的收缩可分为塑性收缩、温度收缩、自收缩、干燥收缩和碳化收缩五类，其中干燥收缩最为普遍。混凝土干缩的机理比较复杂，一般认为，混凝土的干缩主要由水泥石的收缩引起，已有水泥收缩理论主要有表面吸附学说、拆开引力学说和毛细孔张力学说。

混凝土硬化以后，随着表层水分逐步蒸发，湿度逐步降低，混凝土体积减小，称为缩水收缩（干缩）。因混凝土表层水分损失快，内部损失慢，因此产生表面收缩大、内部收缩小的不均匀收缩，表面收缩变形受到内部混凝土的约束，致使表面混凝土承受拉力，当表面混凝土承受拉力超过其抗拉强度时，便产生收缩裂缝。相对湿度越低，水泥浆体干缩越大，干缩裂缝越易产生。干缩裂缝多为表面性的平行线状或网状浅细裂缝，宽度多在0.05 ～0.2mm 之间，大体积混凝土中平面部位多见，较薄的梁板中多沿其短向分布。干缩裂缝通常会影响混凝土的抗渗性，引起钢筋的锈蚀影响混凝土的耐久性，在水压力的作用下会产生水力劈裂影响混凝土的承载力等等。混凝土干缩主要和混凝土的水灰比、水泥的成分、水泥的用量、集料的性质和用量、外加剂的用量等有关。已经水化的水泥与空气中的自身收缩是混凝土在硬化过程中，水泥与水发生水化反应，这种收缩与外界湿度无关，且可以是正的（即收缩），也可以是负的（即膨胀）。已经水化的水泥和大气中的二氧化碳反应而引起的碳化收缩也可以作为干燥收缩的的特殊情况。收缩是浆体的特性，在混凝土中，集料对浆体发生的体积变化有抑制作用。

2.2 老混凝土表面的粗糙度对粘结性能的影响

粗糙度对新老混凝土的粘结性能有明显的影响,提高粘结界面的粗糙度能明显地改善新老混凝土的粘结性能。一般来讲,粘结面粗糙度越大,新老混凝土粘结强度越高。但是,当粗糙度达到一定程度后,其对新老混凝土粘结性能的影响程度减弱。因此老混凝土表面粗糙程度与粘结强度有一定关系。对结合面进行一定程度的粗糙处理，即可以除去表面附着的异物，又可使表面积增大，这两点对增加粘结强度是有利的。同时界面粗糙，将增大骨料间的机械咬合力，在有正压力作用时，滑动摩阻力也会有一定程度的提高。迄今为止，国内外还没有相应的规范或规程对新老混凝土结合面的粗糙度处理方法做出明确的规定。

2.2.1 工程中修补混凝土一般步骤

1)进行表面处理；2)涂界面剂；3)浇筑新混凝土；4)养护。老混凝土表面处理是混凝土修补的第一步,也是关键的一步,表面处理的粗糙度是影响粘结性的主要因素。表面处理是指清除掉老混凝土结合面上所有损坏的、松动的和附着的骨料、砂浆及杂质杂物,并使坚固的部分骨料露出表面,构成粗糙面以提高粘结性。

2.2.2 表面处理方法应用种类

1）高压水射法:为得到干净、理想的结合面,高压水射法是最好的方法。该方法工作效率高,没有振动、噪声和灰尘；此外,使用该方法处理老混凝土表面,不搅动周围保留的混凝土，同时混凝土表面被清洁干净、湿润，这是获得良好粘结的最有利条件。更重要的一点是高压水射法适用于任何情况，在有钢筋的情况下，不但不会损伤钢筋且能为钢筋除锈。但是高压喷水设备昂贵,工程费用大。

2）喷砂(丸)法:喷砂(丸)法是用喷射机向新老混凝土粘结面喷射不同直径的小钢球,控制其喷射速度和喷射密度,可以喷射出不同粗糙度的粘结面。采用喷砂法处理老混凝土表面时,得到平均深度为4 ～5mm 时粘结效果最为理想。但这种方法由于施工不便,在实际工程中一般很少应用。

3）人工凿毛法：人工凿毛法是用铁锤和凿子对新老混凝土粘结面进行凿毛，这种方法使新老混凝土粘结面变粗糙的同时，在老混凝土中会伴随有新的微裂缝产生，扰动周围混凝土，使其粘结强度降低，而且会带来噪声和粉尘等污染。但由于不需要昂贵的设备，在小型工程中用得较多。

4)钢刷划毛法：钢刷划毛法只能对新老混凝土粘结面做轻度处理,而不是表面处理,用该法清理的表面粘结性能差，这种方法还较易损伤周围的老混凝土。

5）酸浸蚀法：以一定浓度的盐酸与老混凝土中的水泥石反应，来改善已经经过宏观粗糙处理的老混凝土界面的微细观粗糙度，该方法可以增加新旧混凝土接触面积，改善界面层微细观结构，从而显著提高粘结界面的机械咬合力和范德华力，大幅度提高粘结强度和耐久性。但是一些酸侵蚀液中含有氯化物,这些氯化物会腐蚀钢筋。

2.3 界面剂对新老混凝土粘结性能的影响

新老混凝土粘结的基本条件之一是界面剂对老混凝土表面充分浸润。经过粗糙度处理的老混凝土表面涂刷界面剂可改善老混凝土的粘结微观结构，提高粘结性能，提高的幅度随界面剂种类的不同而异，一般达8%～60%[2]。常用的界面剂有水泥净浆、水泥砂浆、快硬铁铝酸盐水泥浆、水泥膨浆及聚合物类界面剂等，均能改善新老混凝土粘结性能，而水泥净浆具有经济实用的优点，且其提高新老混凝土粘结断裂韧度效果较好，因此在工程中应用较多。界面剂厚度一般不超过3mm，以0.5mm ～1.5mm 为宜。

汕头大学的李庚英[3]等人以粉煤灰、细砂为改性材料配制了新型界面剂：水灰比为0.4，水泥和砂比为1:1，磨细粉煤灰掺量为水泥的15%并加适量表面活性剂。进行劈拉试验与同水灰比的水泥净浆、水泥膨浆相比较。试验结果显示，新型界面剂显著提高了界面粘结强度，其剂较水泥净浆和水泥膨浆分别提高了25.6%和34.2%，且界面层结构密实。常用的界面剂有如下几种：

1）水泥净浆。如果用42.5 硅酸盐水泥净浆与严格处理的C20 旧混凝土面相结合，结合面的粘结力将等于或超过C20 混凝土本身的抗拉强度，就能形成“等强结合面或超强结合面”。水泥净浆的水灰比可选用0.45 ～0.5，涂抹厚度1～2mm。若在水泥净浆中加入水泥含量50%的苯二烯丁二烯乳液或丙烯乳液，还可以提高粘结效果。

2）高标号（M30、M40、M50）水泥砂浆。用42.5 以上硅酸盐水泥或普通水泥拌和的水泥砂浆涂抹在新旧混凝土的界面。水泥用量为700 ～800kg/m3；水灰比0.3 ～0.4；灰砂比1：1.5 ～2.5。

3）掺铝粉的纯水泥浆。铝粉掺量为水泥重量的0.5/10000 ～0.2/20000。掺入铝粉后，水泥的凝固具有膨胀快、硬性强等特性。当膨胀受到阻碍后使新老混凝土界面的粘结更加牢固。

4）环氧树脂胶与环氧砂浆。环氧树脂胶的粘结特性良好，其本身的抗压强度在169MPa 以上，抗弯强度在800MPa 以上。用环氧树脂胶与砂浆配制成的环氧砂浆，其抗压强度可达79.5MPa，抗拉强度可达14MPa，与混凝土的粘结力可达22MPa。

5）膨胀界面剂。膨胀剂是在混凝土和砂浆中引起膨胀的外加剂，膨胀剂分为三大类：硫铝酸盐（CSA）系，石灰系和铁粉系。它是依靠本身的化学反应和水泥中的其它成分反应，在水化期产生限制膨胀，以补偿混凝土的收缩。

6）聚合物改性砂浆界面剂。水溶性聚合物种类很多，主要包括三类：Ⅰ、聚合物乳液，如：丁苯乳胶、丁胶乳、氯丁乳液、天然胶乳等；Ⅱ、水溶性树脂，如:聚乙烯醇、水溶性酚醛、环氧树脂、水溶性淀粉等；Ⅲ、聚合物电解质，该类又分为酸型、碱型和两性型，酸型如：聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸；碱型如：聚乙烯毗唆等，两性型如：水解蛋白质等。聚合物外加剂通常能改善混凝土的各种性质。非常小的球状聚合物颗粒，使胶乳起到类似加气剂的作用以增加其工作性能并减少水泥浆的泌水。只有分散在水泥浆体中的胶乳转换成连续的聚合物薄膜时，乳液改性才能获得最佳性能[4]。

2.4 老混凝土强度对新老混凝土粘结性能的影响

老混凝土的强度是新老混凝土粘结良好的前提条件。老混凝土强度较高，没有薄弱的外皮，则一般都能得到很好的粘结面，粘结强度也较高。否则，老混凝土强度较低，施工质量很差，存在酥松、脆弱的薄皮，就难以凿毛露出坚实的混凝土基层。这时破坏会发生在老混凝土表面的一层，这种情况下不管界面剂的粘结性能如何好，界面剂的粘结效果也发挥不出来，因为强度很低的老混凝土己成为新的薄弱环节。

施工中在新浇混凝土中加入碳纤维、钢纤维、尼龙纤维和聚合物，或采用一些特殊混凝土如预铺骨料混凝土、自密实微膨胀混凝土、树脂混凝土、聚合物混凝土、快速修补掺合料PFAC 高性能混凝土等，或在新混凝土中加入微膨胀外加剂，均能不同程度地减小新混凝土的收缩，提高新老混凝土的粘结强度。

2.5 修补方位对新老混凝土粘结性能的影响

补强加固时，新老混凝土的粘结方位对粘结效果有一定的影响。研究结果表明[5]，侧补试件的劈拉强度明显高于上补。侧补试件的劈拉强度为上补的85%左右。在采用老混凝土表面凿毛和界面剂的条件下,斜下补试件的压剪强度为斜上补的76.2%，斜下补试件的压剪强度明显高于斜上补。在老混凝土表面凿毛,使用界面剂并改进振捣方法的条件下,下补试件的劈拉强度为上补的81%，劈拉强度也高于上补。

图1 界面修补方位示意图

3 结语

新老混凝土的粘结问题是工程中常见的问题，随着时间的推移，新建工程会越来越少，而对混凝土的加固修补工程将会越来越多。现在对混凝土结构的加固都是采用植入钢筋的方法，此方法已广泛的应用于工程中，但是此方法费时费力成本高，如果能只从材料的角度，通过采用某种高粘结的混凝土粘结剂对混凝土进行修补与加固，这将产生巨大的经济与社会效益。

[1]郝娟,余红发,白康,韩丽娟,周鹏,曹文涛.混杂纤维对大掺量矿物掺合料混凝土干燥收缩的影响.材料科学与工程学报.2008,Vol.26(4):574-578。

[2]管大庆，陈章洪.界面处理对新老混凝土粘结性能的影响.混凝土，1994，（5）：16-22

[3]李庚英，谢慧才，熊光晶.新老混凝土粘结界面的微结构及与宏观力学性能的关系.混凝土，1999(6):13-18

[4]申豫斌，熊光晶.新老混凝土修补界面粘结质量的改善方法.四川建筑科学研究，2003，29(2):79-80

[5]刘金伟，熊光晶.新老混凝土修补界面方位对粘结强度的影响.工业建筑，2001，31(5):68-69