[摘 要] 通过斜剪试验方法,对比了新老混凝土采用四种不同界面剂的粘结效果,提出了性能较优的新老混凝土界面处理材料,为实际工程中的应用提供参考。
[关键词] 新老混凝土; 粘结; 界面
Experimental study on the new-to-old concrete interfacial bond
HE Wei , PENG Bo
(College of Civil Engineering ,Hunan University ,Changsha Hunan 410082 ,China)
Abstract : In this paper four interfacial agent for the new2to2old concrete were used and their bond effects were evaluated by slant shear experiment . Meanwhile several interfacial agent with good adhensive performance were put forward for providing reference in practice.
Key words : new2to2old concrete ; bond ; interface
1 前言
新老混凝土的粘结在现代建筑工程实践中是经常遇到的实际问题,是不可避免的,而修补后新老混凝土能否共同工作,主要取决于新老混凝土的粘结性能,国内外专家学者对影响界面粘结性能的因素进行了一系列研究,认为界面剂是影响界面粘结性能的重要因素之一。新老混凝土粘结好后,如何评价新老混凝土的粘结,目前国内还缺乏统一的标准,用于混凝土与混凝土之间粘结性能测试的试验方法有多种,常见的有拉伸试验,剪切试验,弯曲强度试验,拉拔试验,斜剪试验,抗渗性能试验。由于新老混凝土粘结层应力状态依结构形式及使用情况不同发生极大变化,因此没有一种试验方法能包容反应实际使用结构新老混凝土粘结处复杂多变的应力状态,但是,一种试验方法应该完全包括一种典型的应力状态,同时能敏感的反映粘结强度的变化。Wall ,Shrive 通过对粘结的强度和变形的敏感程度的测量,评定了斜剪、间接拉伸和弯曲强度试验,认为斜剪试验是最合适的试验方法[ 1 ] 。斜剪试验实为抗压试验,它的试件为一长方体,该试件具有一斜向粘结面,该平面与水平面成60°角,见图1 。用斜剪方法对新老混凝土的粘结性能进行评价,具有操作简单、效果显著的特点。采用斜剪的试验方法对涂刷四种不同界面剂的新老混凝土的粘结性能进行了试验研究,提出了新老混凝土粘结性能好的界面剂,为实际工程中的应用提供参考。
1 新老混凝土原材料及配比
1.1 新老混凝土原材料
水泥: 湖南韶峰水泥集团有限公司生产的“韶峰牌”强度等级为4215MPa 的普通硅酸盐水泥。
砂: 细度模数为213～216 ,属中砂;
石子: 5mm～20mm 的碎石;
石子: 5mm～20mm 的碎石;
水: 自来水。
1.2 新老混凝土配合比
老混凝土配合比见表1[ 2 ] ,设计强度等级为C30 。根据规范规定,混凝土加固时所用强度等级,设计时宜比原结构、构件的设计混凝土强度提高一级,且不应低于C20 ,所以我们设计的新混凝土立方体抗压强度为C35 ,新混凝土的配合比见表2[ 2 ] 。实测28d 棱柱体(100mm ×100mm ×300mm) 轴心抗压强度为31.4MPa ,其坍落度为80mm。
表1 老混凝土配合比表
|
设计强度等级 |
水灰比 |
砂率 |
骨灰比 |
每m3混凝土材料用量/(kg/m3) | |||
|
水泥 |
砂 |
石子 |
水 | ||||
|
C30 |
0.55 |
38% |
4.44 |
391 |
659 |
1075 |
215 |
|
1 |
1.69 |
2.75 |
0.55 | ||||
2 试件制备
2.1 界面剂处理材料
2.1.1 界面剂原材料
表2 新混凝土配合比表
|
设计强度等级 |
水灰比 |
砂率 |
骨灰比 |
每m3混凝土材料用量/(kg/m3) | |||
|
水泥 |
砂 |
石子 |
水 | ||||
|
C35 |
0.49 |
35% |
3.86 |
439 |
592 |
1100 |
215 |
|
1 |
1.35 |
2.51 |
0.49 | ||||
界面剂中使用的水泥品种同新老混凝土,其余材料如下所示:
硅灰:山西忻州铁合金有限公司硅粉分厂生产的硅灰;
膨胀剂:江西瑞州特种建材集团有限公司生产的高效混凝土膨胀剂,编号为UEA - E;
高效减水剂:湖南株洲外加剂厂生产的高浓缩型萘系高效减水剂,褐黄色粉末,主要成分为β- 萘磺酸甲醛高缩合物,简称为FDN ;
丁苯胶乳(SBR) :自配,含固量为4713 % ,pH 值为9138 ,粘度为15 ×10 - 3 Pas ,表面张力为34 ×10 - 3N/ m。
2.1.2 界面剂的选用
A :同新混凝土水灰比的水泥净浆,根据规范[ 3 ] ,测定其流动度为170mm;
B :掺10 %膨胀剂的水泥净浆,水灰比同(A) ;
C:掺10 %膨胀剂,8 %硅灰,1 %高效减水剂的水泥浆,用水量为与(A) 同稠度的用水量;
D :掺12 %(固体含量占水泥比重) 丁苯乳液的水泥浆,用水量为与(A) 同稠度用水量。
2.2 老混凝土粘结试块的成型
将按表1 配合比设计的混凝土拌和好后,放入试模中成型,老混凝土自浇筑24 小时后即脱模,用钢丝刷对老混凝土粘结面进行刷糙处理,去掉表面的水泥浆至露出粗骨料,凿毛面积为(100 ×100) mm2 。把凿毛后的试块放入(20 ±3) ℃,湿度为90 %以上的标准养护室中养护28 天。经测定这种老混凝土棱柱体( 100mm ×100mm ×300mm) 轴心抗压强度为2616MPa。其名义粘结强度fo (破坏荷载除以与水平面成60°角的斜截面面积) 为1313MPa。
2.3 粘结斜剪试件的成型
把经28 天标准养护的老混凝土试块的粘结面用清水冲洗干净,然后放入干燥通风处,表面为饱和面干状态。如图2 所示是一些老混凝土粘结试块。然后将按要求处理好的老混凝土试块置于标准规格的钢模内, 钢模尺寸采用100mm ×100mm ×300mm ,内壁涂刷矿物油,如果涂刷界面剂,用毛刷蘸取配置好的界面剂,在处理好的粘结面上刷涂均匀,厚度约为015mm～115mm ,而后浇上新混凝土进行新老混凝土粘结。试件成型后,24 小时脱模,脱模后将试件置于温度为(20 ±3) ℃,湿度为90 %以上的标准养护室中养护。
3 试验结果及分析
3.1 试验方法
图2 老混凝土粘结试块
待粘结试块养护14 天,28 天后,进行试验,测定它的14d、28d 粘结强度。图3 是粘结斜剪试块,新老混凝土粘结斜剪试验是在600kN 压力试验机进行的。根据规范[ 4 ] 的规定,按下述步骤进行试验:
(1) 将粘结斜剪试块擦拭干净;
图3 粘结斜剪试块
(2) 将试件直立放置在试验机的下压板上,试件的轴心与压力机板的中心对准, 开动试验机,当上压板与试件接近时,调整球铰,使接触平衡。以3kN/ s～5kN/ s 的速度连续而均匀地加荷。当试件接近破坏时停止调整油门,直至试件破坏,记录破坏荷载及破坏形式。
根据规范[ 5 ] ,新老混凝土的粘结强度用名义粘结强度衡量,名义粘结强度按下式计算:
式中 fn —名义粘结强度,MPa ;
P —破坏荷载,N ;
A —粘结面积理论数值为(100 ×200) mm2 ,计算按实际面积取值,mm2 。
3.2 试验结果及分析
3.2.1 试验结果
本试验测试了斜剪粘结试块的14d、28d 粘结强度,试验数据经处理后列于表3 中。
表3 新老混凝土名义粘结强度试验结果
|
试件编号 |
f14/MPa |
f14/fo/% |
f28/MPa |
f28/fo/% |
|
O |
5.72 |
43 |
6.08 |
45.8 |
|
A |
6.86 |
51.6 |
8.17 |
61.4 |
|
B |
5.57 |
41.8 |
9.68 |
72.8 |
|
C |
11.29 |
84.8 |
11.65 |
87.6 |
|
D |
11.25 |
84.6 |
12.08 |
90.8 |
注:1. 表3 中试件编号O :指老混凝土粘结试块表面不刷界面剂直接粘结新混凝土;A、B、C、D :分别为老混凝土粘结试块表面刷涂界面剂A、B、C、D 后粘结新混凝土;2.f 14、f 28、fo :分别为新老混凝土14d、28d 名义粘结强度及老混凝土28d 名义粘结强度。
图4 为不同界面剂对名义粘结强度的影响的对比图,从图中可以看出:
(1) 用10 %膨胀剂,8 %硅灰,1 %高效减水剂的水泥浆和掺12 %丁苯乳液的水泥浆作界面剂取得了很好的粘结效果,前者14d 的名义粘结强度为11.29MPa ,就已达到老混凝土28d 名义粘结强度的84.8 %; 后者的名义粘结强度为11.25MPa ,达到老混凝土28d 名义粘结强度的84.6 % ,分别为以A 作界面剂的14d 名义粘结强度的1.65 和1.64 倍,为以B作界面剂的14d 名义粘结强度的2.03 和2.02 倍,两者均具有很高的早期粘结强度;前者28d 的名义粘结强度为11.65MPa ,达到老混凝土28d 名义粘结强度的87.6 %;后者的名义粘结强度为12.08MPa ,达到老混凝土名义粘结强度的90.8 % ,分别为以A 作界面剂的14d 名义粘结强度的1.43 和1.47 倍,为以B 作界面剂的14d 名义粘结强度的1.20 和1.24 倍。
(2) 不使用界面剂的新老混凝土的28d 名义粘结强度最低,仅为涂刷界面剂的新老混凝土28d 名义粘结强度的0.5～0.75 倍。
(3)用掺10 %膨胀剂的水泥浆作界面剂早期粘结强度较低,甚至低于用同新混凝土水灰比的水泥净浆作界面剂和不使用界面剂直接粘新混凝土的粘结强度。
图4 不同界面剂对粘结强度的影响对比图
3.2.2 机理分析
新老混凝土之间存在一个过渡层,该过渡层分为三个薄层,即渗透层,强效应层,弱效应层。其中强效应层对界面的粘结起主要作用,强效应层由一层粗大的氢氧化钙晶体和钙矾石及毛刺状的C - S - H 组成,该层水灰比比新混凝土的高,高水灰比使得界面的钙矾石和氢氧化钙晶体的数量增多,形态变大,粗大的氢氧化钙晶体和钙矾石择优取向,这些粗大的晶体形成的结构的孔隙较混凝土本体多,结晶差的C - S - H 以及氢氧化钙和钙矾石的较小的二次结晶体填充其内。一般来说强效应层越薄则界面性能越好,宏观强度就越高[ 6 ] 。另外水泥浆的硬化收缩产生的微裂缝使得界面成为薄弱环节。
新老混凝土界面之间起作用的主要是机械咬合作用,其次才是范德华力。所以要提高界面的粘结强度必须从减少界面氢氧化钙晶体数量,提高机械咬合作用,减少界面缺陷着手。水泥浆中掺硅粉后,由于硅粉的二次水化反应,消耗了界面过渡区的氢氧化钙,生成C - S - H ,填充水泥石的孔隙,提高了界面的机械咬合作用和范德华力,从而使得界面过渡层的结构密实,另外硅粉是一种非常细的粉末,能够减少界面水分的积聚,减少氢氧化钙晶体在界面的富集,改善界面的粘结性能。丁苯改性水泥浆具有很好的粘结能力,聚合物会渗透进入旧混凝土的孔隙中,在新混凝土硬化及聚合物成膜后,在新旧混凝土之间就形成了穿插于新旧混凝土之间的联结桥,大大增强了新旧混凝土之间的粘结作用;丁苯胶乳水泥浆的硬化收缩小,并且刚度小,变形能力大,减少了水泥浆收缩引起的微裂缝,并且丁苯的保水作用使得水泥能够充分水化,生成更多的水化产物填充于旧混凝土的孔隙中,加强了新旧混凝土的机械咬合作用;同时丁苯为聚合物可减少泌水,减少强效应层的厚度,强化界面。就掺膨胀剂的水泥浆而言,早期强度低可能是界面粘结强度的增长与膨胀剂产生的膨胀效应不同步,彼此制约所致;在28d 龄期时,界面粘结强度的增长与膨胀剂产生的膨胀效应基本保持同步,同时由于膨胀剂的膨胀效应抵消了水泥水化过程中的干缩,从而使过渡层的结构较密实,所以粘结强度较高。
4 结论
(1) 不同的界面剂对界面的粘结效果是不同的,选用适当的界面剂能改善界面的粘结性能,提高界面的粘结强度;
(2) 用丁苯改性水泥浆和掺10 %膨胀剂,8 %硅灰,1 %高效减水剂的水泥浆作界面剂能起到很好的粘结效果;
(3) 用斜剪方法来检验界面粘结强度效果是显著的、行之有效的。
[参考文献]
[ 1 ]J . S. Wall and N. G. Shrive. Factors affecting bod between new and old concrete[J ] . ACI Materials Journal. ,1988 ,85 (3 - 4) :117 - 125.
[ 2 ]黄政宇,赵俭英. 混凝土配合比速查手册(第二版) [M] . 中国建筑工业出版社,2001 ,12.
[3 ] GB8077 - 87. 混凝土外加剂匀质性试验方法[ S] . 中华人民共和国国家标准.
[4 ] GBJ81 - 85. 普通混凝土力学性能方法[ S] . 中华人民共和国国家标准.
[ 5 ]C1042 - 99. Standard Test Method for Bond Strength of Latex System Used With Concrete By Slant Shear[ S] . 美国ASTM 标准.
[6 ]李庚英,谢慧才,熊光晶. 混凝土修补界面的微观结构及与宏观力学性能的关系[J ] . 混凝土,1999 (06) :13 - 18.
[作者简介] 何伟(1973 - ) ,江西萍乡,湖南大学土木工程学院硕士研究生;彭勃(1968 - ) ,湖南大学土木工程学院,副教授。
[单位地址] 湖南大学土木工程学院(410082)
[联系电话] 13077304973 ; E - mail :hw98219 @163. com
