水平施工缝粘结机理及质量控制

苏跃华，陈 浩，刘鹏军，刘廷滨

（1.甘肃省建设投资（控股）集团总公司，甘肃 兰州 730050；2.中铁十局集团建筑工程有限公司，山东 济南 250001；3.兰州交通大学 土木工程学院，甘肃 兰州 730070）

0 引言

发展装配式建筑是建造方式的重大变革，在节约资源、降低污染、提升效率，培育新产业、化解产能过剩等诸多方面均有较大战略意义。近年来，我国积极探索发展装配式建筑，但装配比例和规模化程度与发达国家相比还有很大差距。

装配式钢筋混凝土结构中的梁、板等构件，以及一些工程中的截面较高的深梁和转换梁常采用叠合施工的形式，叠合面的剪应力主要是靠新旧混凝土之间的粘结力来承担，但装配部分（先期浇筑部分）与现浇部分新旧混凝土收缩不同步，容易在结合面处产生初始应力，严重时会在结合面处产生裂缝，从而使得结合面成为整个构件的受力薄弱环节之一［1，2］。

本文分析二次浇筑钢筋混凝土构件叠合面处新旧混凝土界面的粘结机理，归纳总结影响分层结合面粘结强度的因素，为该类工程的施工质量控制提供建议。

1 新旧混凝土粘结机理分析

目前国内外对新旧混凝土界面粘结性能和工程应用技术已做了大量的研究［3-10］。新旧混凝土界面粘结性能影响因素众多。一般情况下，新旧混凝土界面处的抗剪强度低于混凝土整浇的抗剪强度。

1.1 混凝土的粘结模型

针对新旧混凝土之间的粘结，Wall J.S.等［11］提出了水泥-集料界面模型。李庚英等［12］提出了新旧混凝土界面三层粘结模型。

赵志方等［13］提出了双界面-多层区粘结模型。王振领［14］在赵志芳模型的基础上提出了五区-三层粘结模型。现有理论模型微观和宏观力学分析普遍认为影响新旧混凝土粘结强度的因素主要包括新旧混凝土的物理力学性能（如混凝土的强度、配合比、水化产物等）、箍筋及后插钢筋、界面剂等。

1.2 新旧混凝土粘结破坏机理

新旧混凝土的宏观力学性能是粘结面微观结构的具体表现，因此对微观的粘结机理的研究就是从本质上对新旧混凝土粘结性能的揭示。从力学层面国内外研究成果普遍认为界面粘结力主要由化学胶着力、机械咬合力和范德瓦尔斯力（van der Waals force）组成。主要以骨料与水泥浆之间的机械咬合力为主，而范德瓦尔斯力与化学力对界面之间的粘结基本可以忽略不计。

对于新旧混凝土粘结面，由于新旧混凝土材料性能之间的差异、收缩不一致以及对粘结面处理不当等因素，会在粘结面处产生附加应力，这与老混凝土中的应力叠加，从而使得粘结面处应力复杂，造成潜在的缺陷及裂缝。

机械咬合力即是在旧混凝土表面处理好之后，浇筑新浇筑的混凝土，其中新浇筑的混凝土中细骨料及水泥浆会填补原表面缝隙，因此当混凝土养护完成后，新旧混凝土就依靠这样的链接粘结在一起，并具有一定抗剪能力。

范德瓦尔斯力（van der Waals force）是水泥石中的晶体之间与粗细砂石骨料之间产生的分子作用力，分为色散力、诱导力及静电力，其中色散力及静电力占主要部分，范德瓦尔斯力（van der Waals force）取决于分子间的距离大小，分子间距离越大，范德瓦尔斯力越小，而由于新旧混凝土在粘结面处晶体间隔较大，因此范德瓦尔斯力很小。

化学胶着力主要来源于新混凝土的水泥和旧混凝土的水化物发生的化学反应，这些对粘结面抗剪性能的贡献较少。

对于有植筋或配有较多箍筋的新旧混凝土界面，外力较小时，剪应力主要由新旧混凝土间的粘结力承担，此时植筋几乎不受力，而随着外力的增大，粘结界面发生破坏，此时植入的钢筋产生剪应力以抵消外部荷载。

2 新旧混凝土粘结的影响因素

从上述新旧混凝土粘结机理的分析中可看出，粘结面是由旧混凝土、新混凝土和界面粘结剂组成的，影响混凝土截面粘结的因素有很多，但是主要因素有：结合面的粗糙度；新旧混凝土的强度等级；新旧混凝土的技术性能与龄期；界面剂的类型；植入的钢筋等。

2.1 结合面粗糙程度的影响

在旧混凝土表面处理时，对混凝土粘结性能影响最大的是混凝土表面的粗糙程度。因此在实际工程中需要对界面认真处理，使之形成坚固可靠并且轻度粗糙的粘结面。在表面处理中需要使旧混凝土表面形成凹凸不平的凹槽，并清理掉旧混凝土上损坏、松动、附着的骨料、砂浆等，露出坚固部分的骨料，使之与新浇混凝土有足够的粘结。

虽然普遍认为旧混凝土表面越粗糙，截面的粘结性能越好，但是也不意味着粗糙程度越大越好，因为过大的粗糙程度，会造成旧混凝土损伤，降低粘结性能。常见的界面处理方法分为喷射处理与机械处理两种，其中喷射处理有高压水射法、喷砂法及喷蒸汽法等；机械处理法有钢刷划毛法、人工凿毛法等。目前来说，采用喷射处理一般比机械处理的效果要好，因为机械处理对界面的损伤较大，在旧混凝土中产生的微裂缝多，但是由于机械处理较为经济方便，因此在实际工程中应用较多。

2.2 结合面界面剂的影响

在界面处理之后，涂刷界面剂可以提高新旧混凝土的粘结强度，但涂刷不同的界面剂，对粘结效果的影响是不同的。

水泥浆类界面剂是目前使用最多的一种界面剂。水泥净浆可将水泥水化物渗透到旧混凝土的孔洞中，增加两者的机械咬合力，同时使过渡层的密度得到提高，有效地改善新旧混凝土过渡层的微观结构，从而提高其粘结强度。

2.3 混凝土强度等级的影响

旧混凝土的强度对新旧混凝土结合面的粘结也有很大的影响，老混凝土的硬化程度、老化程度等都与粘结强度相关。国内的界面剪切实验也证明了随着新旧混凝土强度等级的提高，混凝土粘结面的粘结强度也会随之提高。

2.4 混凝土养护条件的影响

新旧混凝土的养护龄期与养护条件也直接影响着结合面的粘结强度。通常，良好的养护条件以及较长的养护龄期能够提高结合面的粘结强度。而随着新旧混凝土的龄期越长，其粘结面的粘结强度也越大，主要是前 28 d 增长较快，后续的增长就会放缓。

2.5 植入钢筋及箍筋的影响

没有植入钢筋的结合面抗剪强度均低于整浇的混凝土构件，在构件破坏时，结合面处会产生分层错位的现象，而植入钢筋可以约束结合面的开展，增强新旧混凝土结合面间的粘结力，对结合面的抗剪承载力有明显的提高。此外植入钢筋后的抗剪强度还与植入钢筋的锚固深度、植筋率等因素有关。

3 提高新旧混凝土水平施工缝施工质量的措施

根据对新旧混凝土粘结机理及影响因素的分析，在实际工程中，为改善并提高新旧混凝土粘结性能，可采用如下措施：

1）增加旧混凝土表面粗糙度，以增大机械咬合力、范德瓦尔斯力及化学力；

2）由于界面剂对界面的抗剪强度也有突出的贡献，因此采用品质较好的界面剂能有效提高界面粘结性能；

3）对新旧混凝土进行合理地养护，保证新旧混凝土有足够的粘结强度；

4）通过在新旧混凝土粘结面增加竖向钢筋，如梅花形插筋，提高配箍率等措施弥补界面粘结的损失。

4 多种界面处理方式在兰州地铁 1# 线东岗车辆段运用库上盖开发工程中的应用

4.1 工程概况

兰州地铁 1 号线一期工程东岗车辆段运用库位于兰州市城关区东部，基底面积 60 871.3m2，总长 318.40 m，总宽 198.2 m，建筑高度 9.50 m。运用库上盖开发工程的 2 层层高 7.2 m，3～5 层层高 5.5 m。运用库上盖开发时将整个建筑划分为 16 个结构单元，如图 1 所示。运用库上部结构框架梁的跨度主要有 17.4、11.0、8.1 m 等，主要截面尺寸为 600 mm×1 200 mm，次梁跨度主要为 17.4 m，11.0 m 截面尺寸为400 mm×1 150 mm。抗震设防烈度为 8 度（0.2 g），框架抗震等级一级（部分特一级），抗震设防类别为乙类，上盖开发一层框架梁和次梁采用用叠合浇筑的施工方式。

图1 运用库上盖开发结构单元划分

4.2 叠合面处理方式及效果

为确保工程叠合梁的施工质量，在该工程中复合采用了水冲凿毛法、喷涂界面剂法和界面插筋法等提高叠合梁界面粘结性能的措施。

首先在浇筑下层混凝土时，混凝土表面喷洒缓凝时间 18 h 的缓凝剂溶液，自然渗透，人为制造表面约5 mm 厚缓凝层，混凝土终凝后 1.5～2.5 h 时间段内，用压力为 0.4～0.6 MPa 的压力水枪将未终凝的混凝土表层砂浆冲走，留下嵌入终凝混凝土内的粗骨料，从而达到凿毛的施工目的。

为确保凿毛的施工质量，提前通过试样进行试验，确定缓凝剂的用量及缓凝时间、冲刷时间、水压等。详细试验步骤为：材料、机具准备→试件模板制作及安装→混凝土浇筑→缓凝剂喷洒→高压水枪冲洗→数据收录→试验结果分析→形成工艺性试验总结。试件采用与框架梁同强度的混凝土，试件尺寸为：H×B×L=600 mm×300 mm×1 500 mm。混凝土缓凝剂、高压水枪按照工法要求配备齐全。

在试件制作施工过程中要严格控制温度及配合比，振捣密实、保证混凝土质量均匀；及时养护，避免混凝土在阳光下暴晒。振捣棒振捣要做到“快插慢拔”，在振捣过程中振捣棒要上下略有抽动，使上下振动均匀。每点振捣时间一般为 20～30 s，但还要视混凝土表面成水平不再显著下沉、不再出现气泡、表面泛出灰浆为准，振点间距不得超过 400 mm。混凝土浇筑完成后，在每个试件表面喷洒不同比例的缓凝剂，待表层以下混凝土初凝后采用高压水枪将试件表面的浮桨进行冲洗，并记录好每个试件在喷洒不同比例缓凝剂后的冲洗凿毛效果。

同时在初次浇筑的混凝土初凝前，按照梅花型插入螺纹钢筋至梁底面，间距约 300 mm；在浇筑叠合层之前在界面处喷涂界面剂。复合处理后的界面如图 2 所示。

图2 界面处理后的效果

叠合层浇筑前后切实加强对混凝土的养护，施工完成后虽然在叠合界面处有水平缝线，但梁整体无夹渣、漏筋，平整度及外观质量良好，如图 3 所示。

图3 施工完成后梁的施工质量

5 结语

本文通过对装配式钢筋混凝土叠合梁新旧混凝土的粘结机理及其影响因素进行了探讨研究，得到以下结论。

1）新旧混凝土的粘结模型从水泥-集料界面模型开始，随着研究的不断深入，有了三区粘结模型、双界面-多层区粘结模型，以及五区-三层粘结模型等能够详细阐述混凝土界面粘结微观结构机理的理论模型。

2）新旧混凝土界面粘结力主要由：机械咬合力、范德瓦尔斯力及化学力组成，以机械咬合力为主。

3）提高新旧混凝土水平施工缝施工质量的措施主要有：结合面的粗糙度；界面剂的类型；新旧混凝土的强度等级；新旧混凝土的技术性能与龄期；植入的钢筋等。

4）通过对多种复合界面处理方式在兰州具体工程中的应用发现，施工质量良好。