新舊混凝土結(jié)合面成為受力薄弱環(huán)節(jié)原因初探

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摘要：無論是已建工程的加固、修補(bǔ)還是工程新建中經(jīng)常遇到在已硬化的混凝土上或已鑿除 劣化、酥松部分露出堅(jiān)實(shí)的混凝土基層上澆筑新混凝土或砂漿的問題，象梁、板、柱的加 大截面加固、水工結(jié)構(gòu)中老的壩體加高、剪力墻施工縫、疊合梁的施工等等，涉及到新舊 混凝土能否結(jié)合為整體共同工作，特別是構(gòu)件中承受很大剪力和拉力部位的加固。新舊混 凝土的結(jié)合面是一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，其界面粘結(jié)強(qiáng)度一般都低于整澆混凝土的強(qiáng)度，極大地影 響了結(jié)構(gòu)的可靠性。此外還有大量的混凝土結(jié)構(gòu)物、構(gòu)筑物因混凝土碳化、鋼筋銹蝕、凍 融循環(huán)而造成混凝土剝蝕破壞等的修補(bǔ)，這類不以承受荷載為主的表面、面層的修補(bǔ)，主 要是滿足抗?jié)B、抗碳化、抗凍融性、耐腐蝕性等要求以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的耐久性，它們也要求與 基層混凝土具有良好的粘結(jié)力，這是達(dá)到修補(bǔ)目的的必要條件。處于惡劣的自然環(huán)境下工 程的修補(bǔ)由于修補(bǔ)材料粘結(jié)力過低而導(dǎo)致修補(bǔ)失敗的例子很多，原因之一就是修補(bǔ)材料與 基層混凝土之間的粘結(jié)力不足以抵抗各種因素在新舊混凝土結(jié)合面處產(chǎn)生的附加應(yīng)力而導(dǎo) 致修補(bǔ)失敗。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)場(chǎng)施工 事故處理

1 問題的提出

　　人們對(duì)新舊混凝土結(jié)合面的粘結(jié)強(qiáng)度達(dá)不到相應(yīng)整澆混凝土的強(qiáng)度的原因還不十分清楚，需要探索。顯然，對(duì)于新舊混凝土粘結(jié)問題的根本解決需要從混凝土材料微觀結(jié)構(gòu)的 角度闡明其粘結(jié)機(jī)理，建立微觀結(jié)構(gòu)的分析和宏觀力學(xué)性能之間的聯(lián)系，將有助于我們從本質(zhì)上認(rèn)識(shí)新舊混凝土粘結(jié)問題，從而找到解決問題的途徑。

2　成因的探討

　　 以亞微觀層次而論，混凝土可視為由粗細(xì)骨料顆粒分散在水泥漿基體中所組成的兩相復(fù)合材料。以微觀層次而論，則顯示出混凝土結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，混凝土結(jié)構(gòu)的兩相組成，既不是彼此均勻分布，而兩相體本身組成也不均勻，象硬化混凝土中某些區(qū)域是致密的，如骨料；而另外一些區(qū)域是高度多孔的。在貼近大顆粒骨料表面硬化水泥漿體的結(jié)構(gòu)與系統(tǒng) 中水泥石或砂漿的結(jié)構(gòu)差別很大。事實(shí)上，在荷載作用下混凝土力學(xué)行為的許多方面只能將水泥漿-骨料界面視為混凝土結(jié)構(gòu)的第三相才能作出合理的解釋。第三相，即界面區(qū)相， 或稱為過渡區(qū)相，代表著粗骨料與硬化水泥漿體的過渡區(qū)，過渡區(qū)圍繞大骨科周圍存在一層薄層，厚約10～50μm，通常比混凝土的其它兩相組成要弱，因此，界面區(qū)對(duì)混凝土力學(xué) 行為的影響很大，界面的結(jié)構(gòu)與界面的力學(xué)性能有密切的關(guān)系，現(xiàn)在比較一致的看法是硬化水泥漿與骨料之間存在過渡區(qū)，對(duì)于過渡區(qū)人們提出了幾種模型，這里不詳述。首先我 們大致了解一下界面過渡區(qū)的組成及結(jié)構(gòu)。

2.1 界面過渡區(qū)的組成

　　界面區(qū)中主要存在有C—S—H凝膠(水化硅酸鈣)、C—H晶體〔Ca(OH)2〕、AFt(鈣礬石) 和未水化的熟料顆粒及孔洞、裂縫。界面區(qū)中C—H晶體數(shù)量多而且晶體尺寸較大，同時(shí)界面區(qū)中孔洞較多時(shí)，對(duì)界面粘結(jié)將產(chǎn)生不利影響。

2.2　界面過渡區(qū)形成機(jī)理

馬索〔1〕提出界面過渡區(qū)形成機(jī)理的假說。他認(rèn)為在混凝土拌和過程中，在骨料表面形成一層幾個(gè)微米厚的水膜，而無水水泥的分布密度在緊貼骨料處幾乎為零，然后隨著 距離增大而增高。所以在這層水膜中可以認(rèn)為基本上不存在水泥顆粒。當(dāng)水泥化合物溶解于水之后，溶解的離子即擴(kuò)散進(jìn)入這層水膜。如果是不溶性骨料，水膜中的離子全部來自水泥 熟料及石膏。但如骨料是部分可溶性的，則骨料所溶出的離子在骨料表面密度最大。

　　由于骨料總會(huì)有部分離子析出，在靠近骨 料表面處濃度最高，以后有一明顯缺陷處，即低離子濃度區(qū)。因此，在這層水膜內(nèi)，最先 形成水化產(chǎn)物晶核的是先擴(kuò)散進(jìn)入水膜的離子，對(duì)普通硅酸鹽水泥即是鈣礬石和氫氧鈣石。

　　 水膜內(nèi)水化產(chǎn)物晶體是在溶液中形成晶核而長(zhǎng)大，由于膜內(nèi)過飽和度不高，有充分空間讓晶體生長(zhǎng)，故形成的水化產(chǎn)物晶體尺寸較大，所形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)較為疏松，以后活動(dòng) 性較差的鋁離子、硅離子陸續(xù)進(jìn)入第一批晶體所遺留的空隙中，逐漸形成C—S—H以及尺 寸較小的次生鈣礬石和氫氧鈣石填充其間。馬索上述假設(shè)中離子濃度分布曲線凹陷處可能 形成大晶核及高孔隙率，是界面中的薄弱區(qū)。

　　 雖然目前對(duì)界面過渡區(qū)的結(jié)構(gòu)及形成機(jī)理的了解還不深入，但從破壞過程來看作為混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，界面過渡區(qū)至少具有以下幾個(gè)方面的特點(diǎn)：(1)界面過渡區(qū)中晶體比水泥 漿體中本體中的晶體粗大。(2)界面過渡區(qū)中晶體有擇優(yōu)取向。(3)界面過渡區(qū)中晶體比水泥漿體中本體具有更大、更多的孔隙。這些特點(diǎn)決定了界面過渡區(qū)強(qiáng)度低，容易引發(fā)裂縫， 并且裂縫易于傳播，從而使界面過渡區(qū)成為最薄弱的環(huán)節(jié)。骨料與基體界面是一個(gè)固—液 —氣三相多孔體，對(duì)界面的粘結(jié)性能起決定性作用。界面過渡區(qū)的性能主要取決于這些組 成的性質(zhì)相對(duì)含量及它們之間的相互作用。由于界面過渡區(qū)的顯著結(jié)構(gòu)是C—H晶體富集并產(chǎn)生取向性，晶體平均尺寸較大，孔隙尺寸和孔隙率均較大，即界面存在著大量有缺陷 的疏松的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。雖然決定界面性質(zhì)的因素很多，但C—H的取向和富集形成薄弱層界面是主要物理化學(xué)原因之一，它間接反映了界面層的孔結(jié)構(gòu)和致密性。所以要增強(qiáng)界面區(qū) 尤其是強(qiáng)化最薄弱層，消除和減小界面層與基體間的差異，必須減少C—H含量，打亂其取向性，降低孔隙率。