冻融条件下新老混凝土粘结后抗折性能

黄 伟，方张平

(淮南联合大学 建筑与艺术学院，安徽 淮南 232001)

1 前 言

水泥混凝土路面扩建工程、结构修补及装配式混凝土结构中存在很多新老混凝土黏结问题，在环境和外荷载的作用下这些问题将会影响混凝土结构的正常使用，因此新老混凝土连接后的性能指标值得研究和关注。目前许多学者已开展新老混凝土粘结性能、力学性能和耐久性等方面研究，如田稳苓等[1]对新老混凝土粘结性影响因素和结合面处理方法开展试验分析；马芹永等[2]、程红强等[3]对粘结面的粗糙度、新老混凝土强度等因素进行了试验研究；赵志方等[4]选择接口处理方法、接口剂种类和混凝土类型为分析因子，研究新老混凝土粘结抗折性能和粘结机理；袁群等[5]对新混凝土与碳化混凝土之间添加不同接口粘结剂，试验分析其粘结抗折性能，得出水泥净浆接口剂可以有效提高混凝土粘结后抗折性能。韩霄峰[6]在冻融条件下，研究了玄武岩掺量变化对混凝土进行抗折和抗冲击性能的影响，分析了混凝土各项冻融性能指标；HANJARI等[7]利用混凝土相对动弹性模量和抗压强度来定量分析混凝土冻害；卢梦婷等[8]采用快冻法测定混凝土质量损失率和相对动弹性模量等冻融指标，利用环境扫描电镜分析混凝土结构微观形貌和损伤情况；PENTTALA[9]建立冻融条件下混凝土的水灰比、含气体积和养护时间与损伤变量之间线性回归关系；朱红光等[10]利用无损测试提出了粘结面冻融损伤指针和抗冻融性能表征方法；秦拥军等[11]研究冻融条件下锂渣再生混凝土抗压强度与动弹性模量之间劣化关系。但上述都只集中常态下或高温条件下新老混凝土粘结后的抗折强度以及整体状态下混凝土冻融试验研究，对冻融环境下新老混凝土的抗折性能没有系统研究。本研究选择四种不同粗糙度的粘结面制作新老混凝土试件，对不同冻融循环次数下试件的抗折强度、质量损失率和动弹性模量等进行系统试验研究。

2 材料与方法

2.1 原材料及配合比

水泥采用八公山牌P.O 42.5普通硅酸盐水泥；粗骨料采用连续级配碎石，最大粒径不超过15 mm；细骨料为河砂，细度模数2.1；采用自来水搅拌；新老混凝土接口处理剂采用硅酸盐膨胀水泥，比表面积为350 m2/kg，3 d和28 d胶砂强度分别为23和52.5 MPa，初凝时间大于40 min、终凝时间小于300 min，采用标准稠度水泥净浆试件试验时，其限制膨胀率水中7 d不小于0.025%、空气中28 d不小于0.02%。新老混凝土试件采用的配合比如表1所示。

表1 混凝土配合比

2.2 试验设计

新老混凝土粘结后抗折试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm，预先制作100 mm×100 mm×200 mm老混凝土半体，在混凝土浆体硬化前对接口粘结面进行处理，得到Ⅰ(木模板面)、Ⅱ(钢丝球打毛法)、Ⅲ(刻槽法)和Ⅳ(断裂面)等四种不同效果的粘结面，如图1所示。采用灌砂法[12]测定试件粘结面的平均灌砂深度h(即表面粗糙度)。

图1 不同粘结面效果图 (a) Ⅰ型粘结面h=0.21～0.54 mm; (b) Ⅱ型粘结面h=1.15～1.82 mm; (c) Ⅲ型粘结面h=2.67～4.16 mm和(d) Ⅳ型粘结面h=4.23～6.95 mm

预制老混凝土半体养护28 d后放入模具中，再浇筑新混凝土得到新老混凝土试件，浇筑前对所有类型老混凝土粘结面涂刷高强膨胀水泥浆(水泥浆水灰比为0.47，涂刷量要求4 kg/m2)。所有试件采用带模湿养7d，确保新老混凝土接口处理剂中膨胀剂充分水化。每组3个混凝土试件，根据冻融循环方案设计测定6次，每一种粘结面制作18个试件，养护28 d后进行冻融试验，冻融次数设定为0、10、20、30、40、50次，冻融循环结束后进行动弹性模量、质量和抗折强度测试，抗折强度按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081-2002)中三分点法进行测试，试验装置如图2所示。

图2 混凝土粘结抗折试验装置

2.3 试验

根据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》(GB/T 50082-2009)中的快冻法，采用KDR-2型混凝土快速冻融试验机对所有混凝土试件进行试验，分别设置混凝土试件冻结和融化终了时的中心温度为(-18±2) ℃和(+5±2) ℃，2～4 h完成一次冻融循环，确保融化的时间达到整个冻融周期的1/4以上。测试前所有试件用温度为20～25 ℃水浸泡4 d，试件放置在冻融箱盒中始终保持水面高度超过试件表面5 mm左右。采用DT-20W测定仪对混凝土试件的动弹性模量进行测试，测试时在试件中部位置放置声波发射端，在其平行表面距离端部5 mm处放置接收端来测试混凝土横向自振频率和动弹性模量。

3 结果及分析

3.1 试验结果

表2为新老混凝土冻融循环后抗折强度平均值试验结果。为了分析新老混凝土与整体混凝土强度之间的关系，定义α为冻融作用下新老混凝土抗折强度fZ与整体老混凝土抗折强度平均值fcz,m的比值。

表2 新老混凝土冻融循环后抗折试验结果

3.2 冻融次数和粗糙度对抗折强度的影响

从图3可以看出，冻融试验前，随粘结面粗糙度的增加，抗折强度显著提高，四种截面类型的α值分别为49.6%、52.8%、60.0%和69.6%，Ⅳ型截面新老混凝土抗折强度明显高于其他三种，表明新老混凝土接口粗糙程度对混凝土抗折强度影响显著。当接口粗糙度增大，接口接触的表面积增大，宏观上有效地增加了接口咬合力，从而提高抗折强度，特别是Ⅳ型截面，表面粗糙度较大，涂抹高强膨胀水泥浆接口处理剂到截面后，因早龄期试模的约束作用以及膨胀水泥水化反应产生钙矾石的连接作用，使得新老混凝土试件之间的粘结力良好，文献[13]中采用扫描电镜发现钙矾石辐射生长到老混凝土界面的孔穴中，正好加以验证；随着冻融次数的增加，四种粘结面类型的新老混凝土抗折强度都呈现逐渐减小趋势。

图3 新老混凝土抗折强度与冻融次数之间关系

考虑到新老混凝土抗折强度、老混凝土抗折强度和冻融循环次数特征参数影响，对试验数据进行拟合，分别得到四种不同粗糙度截面的计算公式，所拟合的方程见表3。

表3 不同截面fz/fcz，m与冻融次数n拟合方程

随冻融次数的增加，Ⅰ型和Ⅱ型粘结面新老混凝土冻融循环后抗折破坏裂缝基本沿粘结面展开，表明这两种类型混凝土试件由于接口粗糙度较小，粘结面为试件受力薄弱面。从图4可以看出，当冻融10次至30次时，新老混凝土试件的破坏主要集中在粘结面处，试件直接断裂，断裂面呈部分凸凹；当冻融40次及以后，新老混凝土试件的抗折破坏主要集中在老混凝土一侧，试件破坏面呈压剪斜截面破坏。表明冻融初期，新老混凝土强度高于粘结面水泥浆的强度，试件破坏直接沿粘结面发生断裂破坏，随着冻融次数增加，可以从图5中看出40次后老混凝土结构表层发生疏松剥落，试件端部出现许多微裂缝，冻胀破坏比较严重，导致抗折承载力的降低，而粘结面处由于早期模具约束力以及界面剂水化反应产生膨胀力和化学粘结力，再加上粘结面粗糙度的增加，使得新老混凝土试件之间的咬合力显著增强，导致试件受力薄弱面慢慢向老混凝土一侧转移。

图4 Ⅲ型和Ⅳ型混凝土试件抗折破坏图

3.3 冻融试件表观与性能参数分析

混凝土耐久性评价指标常用动弹性模量和质量损失率来评价。本研究采用DT-20W试验机对冻融循环后新老混凝土两侧分别进行动弹性模量测试，测试结果如表4所示。

表4 新老混凝土动弹性模量试验结果

对表4中的试验数据进行回归分析，可以得出不同冻融次数下新老混凝土动弹性模量的回归曲线如下式，

Eo=31.389-0.334n-0.0029n2(R2=0.991)

(1)

En=32.006-0.324n-0.0032n2(R2=0.993)

(2)

式中：En、Eo表示新、老混凝土动弹性模量，GPa；n为冻融次数。

从表4试验数据可以发现，增加冻融循环次数，新老混凝土的动弹性模量降低明显，当冻融循环到达30次时，新、老混凝土实测动弹性模量与初始动弹性模量之比分别为0.582和0.602，动弹性模量降幅较大，表明新老混凝土耐久性下降较快，与其抗折强度相比，混凝土抗折强度变化比动弹性模量降幅明显，主要是因为混凝土结构破坏是由外及里慢慢发展的，抗折强度降幅较快是混凝土表层结构的破坏最直接反映，相比对混凝土的动弹性模量的影响则较小[14]，结果与试验数据吻合。

图5显示随着冻融循环次数的增加，混凝土试件初始表面由光滑逐渐变得粗糙，有少量的水泥浆剥蚀，出现了很多微小的孔洞。新老混凝土试件两端的表观也出现显著对比，老混凝土一端，由于强度低于新混凝土，经过多次冻融循环破坏，试件一侧表现为粗骨料外露较多，孔洞较大，局部有碎石的剥落，混凝土表面砂浆剥离程度相对比新混凝土严重，说明此时老混凝土的冻融损伤程度比新混凝土严重，根据试件质量测试可知，混凝土试样的质量损失率呈现初期略有降低、后期快速增长的趋势，主要因为新老混凝土在冻融过程中随着外层水泥浆光滑面的破坏，内部孔洞生长、扩展反映较为敏感，混凝土初期的吸水率增加较为明显，质量损失率呈现负值；随冻融次数增加，混凝土内部组织结构在冻胀力与孔隙水压力双重作用下，引发混凝土结构空隙贯穿成微裂缝，造成混凝土结构内部损伤积累、扩展和加剧，从而导致混凝土外观侵蚀剥落严重、材料内部的微裂缝不断扩展，后期质量损失率的快速增长。

图5 Ⅲ型试件冻融循环后表观特征(上部为老混凝土，下部为新混凝土)

3.4 冻融作用下的损伤和耐久性指标分析

根据损伤力学理论，混凝土冻融损伤劣化程度可以采用抗折强度和动弹性模量两个指标来评价[15]。定义冻融作用下新老混凝土抗折强度损伤变量DZ和动弹性模量损伤变量DE，公式如下：

DZ=1-fzi/fz0

(3)

DE=1-Ei/E0

(4)

式中：fzi、Ei为第i次冻融循环后新老混凝土抗折强度和动弹性模量；fz0、E0为冻融试验前所测得新老混凝土抗折强度和动弹性模量。

利用式(3)、(4)计算可以得出DZ和DE与冻融次数之间的关系，如图6所示。

图6 损伤变量与冻融次数之间关系

DZ和DE与冻融次数之间函数表达式为：

DZ=0.0001n2+0.0111n-0.0132

(5)

DE=0.0001n2+0.0106n-0.0169

(6)

式中：n为冻融循环次数。

图6为新老混凝土损伤变量与冻融次数散点回归关系。从图可见，随着冻融次数的增加，新老混凝土冻融损伤变量DZ和DE逐渐增加；冻融循环10次时，DZ和DE损伤变量仅为0.085和0.081，30次时DZ和DE损伤变数达到0.423和0.407，抗折强度损伤变量和动弹性模量损伤变量变化规律表现出良好的相关性。此外，从图中曲线变化规律和走势看出，前20次冻融循环造成混凝土损伤变量增加较缓，30次后损伤变量增速较快，抗折强度损伤略高于动弹性模量损伤，表明此时新老混凝土结构从初始的表面破坏已经慢慢向结构内部演化，混凝土内部损伤逐步加剧。

4 结 论

冻融初期新老混凝土尚未产生严重剥蚀，仅表观光滑面被破坏，造成吸水率增加，质量损失率处于负值，随冻融循环的不断深入，混凝土试件外观出现明显剥落与破坏，质量损失率逐渐增大，新、老混凝土动弹性模量也快速衰减。

新老混凝土黏结后抗折强度与混凝土粘结面粗糙度成正比，冻融初始阶段四种不同粘结界面新老混凝土抗折强度分别为整体抗折强度的49.6%、52.8%、60.0%和69.6%；冻融次数增加时，新老混凝土抗折强度比动弹模量衰减较快，从抗折试件破坏特征可以发现，Ⅰ型和Ⅱ型粘结面新老混凝土试件抗折破坏面主要集中粘结面处，Ⅲ型和Ⅳ型粘结面混凝土试件，由于粗糙度和高强微膨胀粘结剂的双重因素影响下，新老混凝土抗折试件的破坏面从粘结面处逐渐向老混凝土一侧转移。