新老混凝土界面剂及界面处理总结报告

新老混凝土界面剂及界面处理总结报告1概述1.1背景当大型混凝土工程进入老化病害期之后、新建混凝土工程中的新老混凝土界面出现的各种质量问题时,需补强加固。混凝土结构加固修复工程通常包括结构检测与鉴定评估、加固设计与施工等多个环节,涉及材料、技术和管理等多方面的因素。常用的加固方法有:粘钢加固、加大截面加固、外包钢加固、预应力加固以及碳纤维(CFRP)加固等,这些方法已被列入国家标准,其中加大截面法是最为传统的一种加固方法,具有成熟的设计和丰富的施工经验,工程成本相对较低,适用于水利工程和大体积混凝土结构,以及建筑工程中的梁、板、柱、墙和一般构筑物等多种混凝土结构的加固,但该方法中涉及新老混凝土的粘结面的问题。新老混凝土的粘结性能之所以重要的另一个原因,是水利工程中如溢洪道,交通运输工程方面的机场跑道、桥梁面板以及混凝土路面等大面积混凝土的补强修复,是在老混凝土表面补浇新混凝土,这种方法成功的关键是新老混凝土的粘结质量。1.2研究现状对于新老混凝土粘结状况的研究较多，大多集中在界面剂的种类、界面处理、界面剂的耐久性、界面部位、测试方法、龄期、新混凝土的性能、界面干湿状态等方向。①界面剂的种类：新老混凝土界面目前作为工程使用的黏结剂按组分可以分为无机类和有机类。类型内容无机类硅酸盐类、磷酸盐类、其他有机类环氧树脂及改性环氧树脂类、丙烯酸酯树脂类、不饱和聚酯树脂类、聚氨基甲酸酯类、有机硅树脂类、其他②混凝土的表面处理方式：进行新旧混凝土粘结补强加固时,老混凝土的表面状况被认为是影响粘结性能的最重要因素。因此,在浇筑新混凝土之前,应对老混凝土粘结面进行处理,使之形成坚固完整、干净、轻度粗糙的表面,以得到较好的粘结面。在新旧混凝土补强加固实践中,己研究并应用了一些方法对新旧混凝土粘结界面进行粗糙处理,如:人工凿毛法、高压水射法、机械刻痕法、喷砂法、喷气法、气锤凿毛法、化学腐蚀法等。③粘结方位：补强加固时,新旧混凝土的粘结方位对粘结效果有一定的影响。研究结果表明,侧补试件的劈拉强度明显高于上补。在采用老混凝土表面凿毛和界面剂的条件下,斜下补试件的压剪强度明显高于斜上补,劈拉强度也高于上补。③龄期：新老混凝土的粘结性能随粘结龄期的不同而有所差异,在粘结初期,粘结强度随粘结龄期的增长而增加,达到一定时间后,粘结强度又会随着粘结龄期的增长而降低。④新混凝土的性能：在老混凝土表面补浇新混凝土时,除使用界面剂外,还应使新浇的混凝土比老混凝土高一个强度等级,以减小新混凝土的收缩,降低收缩应力,保证新老混凝土之间的粘结质量。采用低收缩、低徐变、高强度、低孔隙率的新混凝土,是获得良好粘结面的关键。另外,在新浇筑的混凝土中加入碳纤维、钢纤维和尼龙纤维,或采用预铺骨料混凝土等,均可不同程度地减少新混凝土的收缩。⑤粘结的耐久性：粘结混凝土的耐久性主要包括抗冻性、高温性能、抗渗性、抗疲劳性能。研究表明，新老混凝土的粘结劈裂抗拉强度随冻融循环次数的增加而降低,特别对先粘结后冻融试件的劈裂拉强度受冻融循环的影响尤为明显。引气剂可明显提高新老混凝土粘结面的抗冻融性能,对所试验的试件,在同样的条件下,其抗冻融性能可提高一倍。新老混凝土粘结面的渗透性大于新、老混凝土本体的渗透性,粘结面是其渗水的主要通道。⑦界面干湿状态：界面干湿状态会影响界面结合强度,干燥状态对新旧混凝土结合最为有利。对于湿饱和界面,在与修补材料结合时容易在界面处形成水分集中,从而降低了界面结合强度。当界面干燥时,界面处集中的水分被界面吸收,减小了界面过渡区的宽度,从而提高了新旧混凝土之间的结合力。⑧测试方法：主要为粘结劈裂抗拉强度试验和直接抗拉强度试验。1.3存在问题水泥净浆(或砂浆)、膨胀水泥浆(或砂浆)、环氧树脂(或砂浆)、掺减缩剂的水泥浆(或砂浆)、掺活性材料及减缩剂的水泥浆(或砂浆)、偶联剂+掺减缩剂的水泥浆(或砂浆)等,都有各自的优点。但也存在诸多不足之处:或者效果不是很好、或者有毒害、或者施工程序较多、或者成本较高。2界面剂种类及效果2.1界面剂的原理从宏观层次分析,砼可视为粗细骨料颗粒分散在水泥浆基体中所组成的两相复合材料.从微观层次分析,砼结构的两相复合材料的分布不是均匀的,两相体本身组成也是不均匀的.硬化砼中的某些区域是致密的,如骨料;而另外一些区域是高度多孔的.在贴近大颗粒骨料表面,硬化水泥浆体的结构与系统中水泥石或砂浆的结构差别很大.事实上,在荷载作用下砼力学行为的许多方面只能将水泥浆-骨料界面视为砼结构的第三相才能作出合理的解释.第三相,即界面区相,或称为过渡区相,代表着粗骨料与硬化水泥浆体的过渡区,过渡区围绕大骨料周围存在一层薄层,通常比砼的其它两相组成要弱,因此,界面区对砼力学行为的影响很大,界面的结构与界面的力学性能有密切的关系.新老砼的界面同样存在类似于整浇砼中骨料与水泥石接触的这样一个过渡区,而这恰拾是三相中最弱的界面层,原因在于:⑴由于老砼的亲水性,修补时会在老砼表面形成水膜,使结合面处新砼的局部水灰比高于体系中的水灰比,导致界面钙矾石和氢氧化钙晶体数量增多,形态变大,降低界面强度.且由于老砼的阻碍,新砼中的泌水和气泡积聚在老砼表面,不仅使得新砼局部水灰比更高,而且使得气孔和微裂缝在该区富集,显著降低界面强度.⑵水泥浆本身具有一定的粘结性,它主要用于包裹砼中的骨料,使之硬化成坚硬的水泥石.在新砼中的骨料经过充分搅拌、振捣,被水泥浆包裹,而新老砼界面处新砼中的骨料经过振捣可能挤压在界面处,使骨料与界面突出的石子、水泥石形成“点接触”,骨料堆积在老砼表面,阻塞了一部分老砼表面的孔隙和凹凸不平区域,使具有粘结性的水泥浆不能完全渗入孔隙中去,从而形成“缺浆”现象,界面处水泥浆不能充分浸润骨料和水泥石,而新砼失去一部分水泥浆,这样使得粘结界面处的新砼中出现空隙,影响了新老砼的粘结强度.⑶整浇砼中骨料体积小、多棱角、骨料表面粗糙,使水泥石可嵌固在骨料表面的凹坑中,机械咬合对宏观粘结强度起主要作用.从微观上看,它增加了有效的真实接触面积,粘结力也会大大增加,同时,骨料表面的凸起对界面区结构有增强作用,并能改变界面裂纹扩展方向,使裂纹扩散“路径”曲折,也能消耗部分能量.而新老砼界面处的骨料和硬化水泥石形成一个“面”,象一块表面比较平坦的“大骨料”,而这块“大骨料”与整浇砼中的骨料相比不但体积大且只有一个“面”,且这个“面”很平坦无法改变裂纹扩展方向.在新老砼界面处骨料相对集中,裂缝、缺陷产生的几率较大,新老砼界面承载能力进一步被削弱.使用界面剂主要是从物质结构层次方面着手,使新老砼接触的界面区结构得到加强.界面剂喷涂在老砼表面后,一方面能够很好地渗入其表面的孔隙,与老砼形成良好的结合,另一方面又与部分新浇砼产生化学结合,从而提高了新老砼的界面结合力.综上所述，界面剂的所起的作用主要为：①可能性的吸收在新老混凝土界面和空隙中富集的CH和钙矾石，在老混凝土表面孔隙和界面形成对界面粘结强度有贡献的水化产物。②减小新老混凝土界面的空隙来增加粘结强度，比如能更好的优化新混凝土的流动性和粘聚性，采用微膨胀水泥来抵消因收缩而产生的空隙。③增大新老混凝土之间的粗糙度，使得界面紧密接触，增大粘结强度。2.2界面剂的种类和机理一般情况下,界面剂应满足如下要求:弹性模量与混凝土接近,热膨胀系数与混凝土接近;在修补混凝土存在的情况下能固化,干燥收缩比砂浆或混凝土小。界面剂厚度与粘结性能有着密切的关系。一般粘结剂的最大涂刷厚度不应超过3mm,以.0.5mm一1.5mm为宜。Ⅰ水泥净浆类：界面剂水灰比与新混凝土相同。粘结性能一般，但较为经济。Ⅱ掺入膨胀剂的改性水泥净浆：U型膨胀剂，简写UEA，它是以硫酸铝、氧化铝、硫酸铝钾等为主要多种膨胀源，其为较常用的膨胀剂。当其与水拌和后,生成大量水化硫铝酸钙,即钙矾石.钙矾石在胶粒间以辐射状生长,细微的钙矾石晶体进入了旧混凝土粘结面上的孔穴,这将提供一种销栓力，宏观上提高了新旧混凝土的粘结强度.由于钙矾石的形成,界面剂产生一定的体积膨胀,两侧的新旧混凝土对界面剂的膨胀具有一定的约束作用,使水泥浆中更多的水泥颗粒与老混凝土表面相接触；若膨胀较大,粘结面在限制其膨胀的同时,受到压力作用,这种压力作用将增加集料与水泥浆的机械咬合力,因而增大集料与水泥浆的界面粘结强度；界面剂产生膨胀可以消除或部分消除新混凝土的体积收缩对粘结的不利影响;这些都有利于界面处粘结强度的提高.Ⅲ掺掺合料的改性水泥浆：掺合料一般为粉煤灰和硅灰。粉煤灰的粒径较小，能够填充界面处混凝土的细小微孔，减小“点接触”造成的缺陷，而且粉煤灰有火山灰活性，在后期可提高界面处的强度。硅灰是一种具有活性的矿物掺合料,与水泥水化生成的Ca(OH)2能发生二次反应,生成C-S-H凝胶.界面剂中的硅灰可与旧混凝土表面的Ca(OH)2发生反应,提高了新旧混凝土之间的化学作用力;由于二次反应的发生减少了界面区中大晶体的数量,同时生成的C-S-H凝胶填充于水泥石的空隙中提高了界面区的密实程度;C-S-H凝胶的形态是毛刺状,向外辐射生长的,可以长入旧混凝土表面的微裂缝中,由于硅灰的二次反应作用,掺硅灰后较不掺硅粉的可以生成更多的C-S-H凝胶,提高了新旧混凝土之间的粘结强度.Ⅳ掺聚合物胶粉的改性水泥浆：此处的聚合物主要指纤维素醚、可再分散乳胶粉、塑化剂等有机外加剂，它们主要起到增稠保水作用，都能较好的优化砂浆的性能。聚合物乳胶粉由于含有极性基团如-OH、-COOH等,在与混凝土等无机材料接触时,这些极性基团便在混凝土界面生成氢键,产生螯合等作用,从而使其具有优良的粘结性能。正是由于聚合物乳胶粉含有-OH、-COOH等基团,因此将聚合物乳胶粉添加到界面处理剂中,当水泥水化后,聚合物乳胶粉在整个无机材料中形成一个连续的有机高分子膜,与旧基材的接触面比较大,同时,聚合物所含的极性基团与基材表面的极性基团发生作用而大大提高界面剂性能。纤维素醚可以起到保水剂增稠作用，主要起到以下两种作用:一是防止界面剂在施工过程中失水过快,导致水泥水化不完全,从而影响性能;二是增加界面剂的粘性,使界面剂易于附着在基材表面。Ⅴ掺聚丙烯纤维、碳纤维等纤维改性水泥浆：聚丙烯纤维水泥浆可以降低界面剂的收缩,这样减小因界面剂收缩而产生的应力。掺入聚丙烯纤维后,聚丙烯纤维分散在水泥浆体中,形成网状结构,阻碍混凝土在破坏时产生的微裂纹的扩展,在一定程度上保持了新旧混凝土之间的咬合作用,从而提高了界面结合强度。而碳纤维相对来说效果较差，因为碳纤维属于疏水结构，与混凝土的粘结力较小，起到的作用较弱。Ⅵ在水泥浆中掺入外加剂：如消泡剂、分散剂、防水剂：当掺入聚丙烯纤维、聚合物胶粉时，加入分散剂能较好的将其分散，有效的增大它们的作用。加入消泡剂可以防止界面剂气泡较多而产生粘结力学性能下降。同时外加剂的掺入可以提高界面剂的流动性，可以增大界面剂与新老新混凝土的接触面积，增大粘结力。Ⅶ以超细硅酸盐水泥代替普通硅酸盐水泥：超细硅酸盐水泥相比于普通水泥来讲，具有较大的比表面积，能够更完全的水化，故而强度高于普通水泥，这样作界面剂时便可以提高界面剂的强度。Ⅷ在水泥净浆中掺入聚合物乳液：可有效的改善水泥净浆的性能，聚合物乳液所形成的聚合物薄膜将起到较大的作用，增大新老混凝土之间的粘结力。Ⅸ有机类胶：环氧树脂，缺点一是脆性较大，韧性较差;二是耐热温度相对较低，使用温度一般不超出150ºC,故而需要进行改性处理。重庆大学朱红梅指出，纯环氧树脂粘结界面机械性能不良，通过在树脂中添加偶联剂KH-550来活化碳酸钙来提高其性能。随着碳酸钙添加量的增加,复合材料的冲击强度逐渐提高,当碳酸钙与环氧树脂质量比为5∶100时出现了最大值。通过对文献的总结，认为当采用水泥净浆,掺膨胀剂的水泥浆以及采用丁苯乳液的水泥混凝土来粘结新老混凝土时,都能取得较好的粘结效果,其界面剪切强度都能达到整体混凝土剪切强度的75%以上。同时掺入一定量的聚合物胶粉，纤维均可提高粘结界面的性能。3界面处理方法在新老混凝土的粘结中，除了选用较好的界面剂外，界面的处理对于新老混凝土之间的粘结也起到至关重要的作用。因为整体来说，新