硅灰和聚丙烯纤维净浆界面剂对新老混凝土粘结力学性能的影响研究

陈建国 ，吴光军 ，孙桂山 ，濮琦

（1.广西壮族自治区水利科学研究院，广西水工程材料与结构重点实验室 广西 南宁 530023；2.苏州混凝土水泥制品研究院有限公司，江苏 苏州 215000）

目前用于新老混凝土粘结的界面剂较多，不同的界面剂材料组成对新老混凝土粘结性能影响显著[1]。工程上使用最多的无机类界面剂以水泥为主要胶凝材料，常掺入化学外加剂及矿物外加剂，如减水剂、膨胀剂、减缩剂、粉煤灰、硅灰、偏高岭土、地质聚合物等[2-3]。无机类界面剂能在一定程度上改善粘结情况，但无机类界面剂的收缩容易导致新老混凝土粘结层面产生微裂纹，粘结质量提高程度有限。大量研究表明[4-6]，聚合物纤维可减小界面剂收缩变形。为此，本文采用在净浆界面剂中复掺硅灰和纤维的方法来改善新老混凝土界面的粘结性能，采用劈拉强度、抗弯强度、抗剪强度评价硅灰和纤维在单掺或复掺情况下对新老混凝土界面粘结性能的作用效果，并对粘结机理进行分析。

1 试验

1.1 原材料

（1）水泥：扶绥新宁海螺水泥有限责任公司生产的海螺牌P·O42.5水泥，安定性合格，主要性能指标见表1。

表1 水泥的主要性能指标

（2）细骨料：南宁本地产的河砂，细度模数2.6。

（3）粗骨料：粒径为 5～20 mm 和 20～40 mm 碎石按 4∶6 的质量比混合使用。

（4）减水剂：江苏苏博特新材料股份有限公司生产的PCAI聚羧酸高性能减水剂，减水率为26%，固含量为21%。

（5）硅灰：贵州海天铁合金磨料有限责任公司生产的S95级硅灰，其中粒径0.5～1.0 μm占81.09%，SiO2含量95%，需水量比为135%，比表面积为22300 m2/kg。

（6）纤维：江苏恒神纤维材料有限公司生产的聚丙烯单丝纤维，密度为900 kg/m3，弹性模量为3700 MPa，抗拉强度为265 MPa。

1.2 界面剂及新老混凝土配合比

试验选用水灰比0.40的水泥净浆为界面剂的基础配比，同时选用硅灰、聚丙烯纤维单掺或复掺界面剂，对于单掺硅灰和单掺聚丙烯纤维界面剂，硅灰掺量选为胶凝材料质量的0、3%、6%、9%、15%，聚丙烯纤维的掺量为 0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 kg/m3；选用上述单掺硅灰、聚丙烯纤维的最佳掺量作为复掺界面剂中硅灰和聚丙烯纤维的掺量。

试验选用强度等级C30的老混凝土，配合比为m（水泥）∶m（水）∶m（砂）∶m（石）=311∶165∶764∶1185，28 d 抗压强度为 39.6 MPa。为使修补后结构满足安全性与耐久性要求，修补用新混凝土应与原结构的混凝土相同，强度与老混凝土相同或提高1个强度等级。本研究选用提高1个强度等级的C35新混凝土，配合比为：m（水泥）∶m（水）∶m（砂）∶m（石）=344∶165∶734∶1205，28 d抗压强度为 43.5 MPa。

1.3 试验方法

采用C30强度等级的老混凝土试件，劈裂得到尺寸为150 mm×150 mm×75 mm 和 100 mm×100 mm×200 mm 试件，并对劈裂面进行处理，去掉断裂面松动和开裂部分，再涂刷1层厚度为2.5～3.0 mm的界面剂，然后侧向浇筑C35强度等级的新混凝土，得到新老混凝土粘结劈裂抗拉强度试件和抗弯强度试件。在新老混凝土粘结劈裂抗拉强度试件的基础上，垂直于粘结面钻取直径和高度均为100 mm的新老混凝土抗剪强度试件。试件浇筑后的剖面如图1所示。新老混凝土粘结劈裂抗拉强度、抗弯强度、抗剪强度参照SL 352—2006《水工混凝土试验规程》进行测试。

图1 新老混凝土粘结试件浇筑示意

采用扫描电镜观察样品的微观形貌和结构特征，在试块养护至规定龄期时，用小锤敲去水泥试块表皮，挑选便于试验观察的水泥块作备选样品，并使用乙醇终止水化，后对样品表面进行抛光、树脂固化、磨平处理，在真空干燥环境下观察样品。

2 试验结果及分析

2.1 界面剂对新老混凝土粘结劈裂抗拉强度的影响

使用硅灰界面剂、聚丙烯纤维界面剂时，硅灰、聚丙烯纤维掺量对新老混凝土粘结劈拉强度的影响分别见图2、图3。

图2 硅灰掺量对新老混凝土粘结劈裂抗拉强度的影响

从图2可以看出，随着硅灰界面剂中硅灰掺量的增加，新老混凝土的粘结劈裂抗拉强度逐渐提高，当硅灰掺量为胶凝材料质量的9%时，新老混凝土7 d、28 d、90 d粘结劈裂抗拉强度分别达到1.78、2.15、2.35 MPa，比不掺硅灰的分别提高了22.8%、18.1%、15.2%；当硅灰掺量大于9%时，新老混凝土粘结劈裂抗拉强度增幅较小或有所降低，从经济性考虑，硅灰掺量宜选为胶凝材料质量的9%。

图3 纤维掺量对新老混凝土粘结劈裂抗拉强度的影响

从图3可以看出，随着聚丙烯纤维界面剂中纤维掺量的增加，新老混凝土的粘结劈裂抗拉强度先提高后降低，当聚丙烯纤维掺量为0.6 kg/m3时，新老混凝土的28 d、90 d粘结劈裂抗拉强度达到最大值，分别为1.98、2.21 MPa，比不掺纤维的分别提高了10.0%、11.6%；在聚丙烯纤维掺量为0.8 kg/m3时，新老混凝土的7 d粘结劈裂抗拉强度达到最大值。考虑界面剂使用效果的长期性，聚丙烯纤维掺量宜选用0.6 kg/m3。

2.2 几种界面剂对新老混凝土粘结力学性能的影响比较

单独使用硅灰掺量为9%的硅灰界面剂，聚丙烯纤维掺量为0.6 kg/m3的纤维界面剂，以及二者复掺界面剂，并与水灰比为0.40的净浆界面剂作对比，新老混凝土的粘结劈裂抗拉强度、粘结抗弯强度随龄期的变化如图4、图5所示，28 d龄期粘结抗剪强度如表2所示。

图4 几种界面剂对新老混凝土粘结劈裂抗拉强度的影响

图5 几种界面剂对新老混凝土粘结抗弯强度的影响

从图4可以看出，使用界面剂的新老混凝土粘结劈裂抗拉强度均随着龄期的延长而提高，早期增长较快，28 d龄期后趋于平稳；各龄期下，使用界面剂的新老混凝土粘结劈裂抗拉强度由高到低依次是：复掺硅灰及聚丙烯纤维界面剂＞硅灰界面剂＞聚丙烯纤维界面剂＞水泥净浆界面剂；与单掺水泥净浆界面剂的粘结劈裂抗拉强度相比，7、14、28、56、90 d 龄期时，单掺聚丙烯纤维界面剂分别提高了14.2%、18.2%、29.9%、23.2%、18.7%，单掺硅灰界面剂分别提高了20.0%、25.8%、39.6%、29.9%、23.5%，复掺硅灰及聚丙烯纤维界面剂分别提高了23.2%、32.7%、43.9%、35.6%、29.4%。复掺硅灰及聚丙烯纤维界面剂各龄期的新老混凝土粘结劈裂抗拉强度分别是新混凝土劈裂抗拉强度的81.6%、84.1%、83.4%、81.6%、80.4%。

从图5可以看出，新老混凝土粘结抗弯强度变化规律与新老混凝土粘结劈裂抗拉强度类似，新老混凝土粘结抗弯强度随着龄期延长不断提高，且复掺硅灰及聚丙烯纤维界面剂比单掺硅灰、单掺聚丙烯纤维及净浆界面剂的新老混凝土粘结抗弯效果都要好，使用硅灰、纤维界面剂新老混凝土28 d粘结抗弯强度比净浆界面剂提高了29.8%，是新混凝土的88.4%。

表2 几种界面剂对新老混凝土28 d粘结抗剪强度的影响

从表2可以看出，使用不同界面剂的新老混凝土28 d粘结抗剪强度由高到低依次是：复掺硅灰及聚丙烯纤维界面剂＞硅灰界面剂＞聚丙烯纤维界面剂＞水泥净浆界面剂；与单掺净浆界面剂相比，使用单掺聚丙烯纤维界面剂的新老混凝土粘结抗剪强度提高了14.7%，单掺硅灰界面剂的新老混凝土粘结抗剪强度提高了16.5%，复掺硅灰及聚丙烯纤维界面剂提高了20.8%。28 d龄期时，单掺聚丙烯纤维界面剂、单掺硅灰界面剂及复掺硅灰及聚丙烯纤维界面剂的新老混凝土粘结抗剪强度分别为新混凝土的65.6%、66.7%、69.1%。

3 机理分析

与水泥净浆界面剂相比，硅灰界面剂的主要特点之一是更均匀的微观结构。掺入硅灰，Ca（OH）2转变为硅酸钙水化物的量增加，水泥石中的Ca（OH）2含量随硅灰掺量的增大而降低，剩余的Ca（OH）2与不含硅灰的硅酸盐水泥相比，易于形成更细小的晶粒，如图6、图7所示。在普通硅酸盐水泥中掺入硅灰，水化物中Ca/Si减小，水化物能与其他离子结合，形成更加均匀致密的结构。同时掺有硅灰的界面剂能使新老混凝土周围充满致密的无定形的C-S-H相，从而使新老混凝土与界面剂之间的界面过渡区得到明显改善，如图8所示。在界面剂中掺入聚丙烯纤维对抵抗收缩有明显作用，尤其对早期界面剂收缩有明显的改善效果。由于聚丙烯纤维的掺入改善了界面剂的保水性能，减少界面剂水分蒸发。由于纤维直径细，长度适中，经过搅拌后分散均匀，在界面剂中成二维乱向分布，纤维呈弯曲状态，增大了纤维与界面剂及界面剂与新老混凝土之间的粘接强度，减少了界面剂中水溢出而形成的毛细通道，延缓了裂缝的产生并控制裂缝的发展，如图9所示。

图6 净浆界面剂28 d龄期SEM照片

图7 单掺硅灰界面剂28 d龄期SEM照片

图8 单掺硅灰界面剂与骨料过渡区28 d龄期SEM照片

图9 单掺纤维界面剂28 d龄期SEM照片

4 结论

（1）在净浆界面剂中掺入硅灰，有利于提高界面粘结层的均匀性、致密性，改善新老混凝土与界面剂之间的界面过渡区，提高新老混凝土粘结力学性能；随着硅灰掺量的增加，单掺硅灰净浆界面剂的粘结劈拉强度逐渐提高，硅灰掺量宜选为胶凝材料质量的9%。

（2）在界面剂中掺入聚丙烯纤维，有助于提高界面剂的抗收缩能力和保水性能，聚丙烯纤维均匀分布于界面剂中，增强了界面剂与新老混凝土之间的粘接强度,延缓了裂缝的产生和发展；随着聚丙烯纤维掺量的增加，单掺聚丙烯纤维界面剂的粘结劈裂抗拉强度先提高后降低，当聚丙烯纤维掺量为0.6 kg/m3时，28 d龄期粘结劈裂抗拉强度达到最大值，综合考虑，单掺聚丙烯纤维界面剂中聚丙烯纤维掺量宜选0.6 kg/m3。

（3）在净浆界面剂、单掺硅灰界面剂、单掺聚丙烯纤维界面剂及复掺硅灰及聚丙烯纤维界面剂中，新老混凝土粘结效果由好到次排序为：复掺硅灰及聚丙烯纤维界面剂＞单掺硅灰界面剂＞单掺聚丙烯纤维界面剂＞水泥净浆界面剂；其中，复掺硅灰及聚丙烯纤维界面剂综合了单掺硅灰、聚丙烯纤维的优点，较单掺硅灰界面剂、单掺聚丙烯纤维界面剂更适合用于混凝土结构修补。

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