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新旧混凝土结合面成为受力薄弱环节原因初探

时间:2007-06-19  来源:  编辑:  浏览:9207次
关键词现场施工事故处理问题的提出人们对新旧混凝土结合面的粘结强度达不到相应整浇混凝土的强度的原因还不十分清楚,需要探索…由于旧混凝土的亲水性,修补时会在旧混凝土表面形成水膜,使结合面处新混凝土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,形成择优取向,降低界面强度…成因的探讨以亚微观层次而论,混凝土可视为由粗细骨料颗粒分散在水泥浆基体中所组成
新旧混凝土结合面成为受力薄弱环节原因初探摘要:无论是已建工程的加固、修补还是工程新建中经常遇到在已硬化的混凝土上或已凿除劣化、酥松部分露出坚实的混凝土基层上浇筑新混凝土或砂浆的问题,象梁、板、柱的加大截面加固、水工结构中老的坝体加高、剪力墙施工缝、叠合梁的施工等等,涉及到新旧混凝土能否结合为整体共同工作,特别是构件中承受很大剪力和拉力部位的加固。新旧混凝土的结合面是一个薄弱环节,其界面粘结强度一般都低于整浇混凝土的强度,极大地影响了结构的可靠性。此外还有大量的混凝土结构物、构筑物因混凝土碳化、钢筋锈蚀、冻融循环而造成混凝土剥蚀破坏等的修补,这类不以承受荷载为主的表面、面层的修补,主要是满足抗渗、抗碳化、抗冻融性、耐腐蚀性等要求以增强结构的耐久性,它们也要求与基层混凝土具有良好的粘结力,这是达到修补目的的必要条件。处于恶劣的自然环境下工程的修补由于修补材料粘结力过低而导致修补失败的例子很多,原因之一就是修补材料与基层混凝土之间的粘结力不足以抵抗各种因素在新旧混凝土结合面处产生的附加应力而导致修补失败。

关键词:现场施工事故处理



1、问题的提出

人们对新旧混凝土结合面的粘结强度达不到相应整浇混凝土的强度的原因还不十分清楚,需要探索。显然,对于新旧混凝土粘结问题的根本解决需要从混凝土材料微观结构的角度阐明其粘结机理,建立微观结构的分析和宏观力学性能之间的联系,将有助于我们从本质上认识新旧混凝土粘结问题,从而找到解决问题的途径。

2、成因的探讨

以亚微观层次而论,混凝土可视为由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。以微观层次而论,则显示出混凝土结构的复杂性,混凝土结构的两相组成,既不是彼此均匀分布,而两相体本身组成也不均匀,象硬化混凝土中某些区域是致密的,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,在荷载作用下混凝土力学行为的许多方面只能将水泥浆-骨料界面视为混凝土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,过渡区围绕大骨科周围存在一层薄层,厚约10~50μm,通常比混凝土的其它两相组成要弱,因此,界面区对混凝土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,现在比较一致的看法是硬化水泥浆与骨料之间存在过渡区,对于过渡区人们提出了几种模型,这里不详述。首先我们大致了解一下界面过渡区的组成及结构。

2.1界面过渡区的组成

界面区中主要存在有C—S—H凝胶(水化硅酸钙)、C—H晶体〔Ca(OH)2〕、AFt(钙矾石)和未水化的熟料颗粒及孔洞、裂缝。界面区中C—H晶体数量多而且晶体尺寸较大,同时界面区中孔洞较多时,对界面粘结将产生不利影响。

2.2界面过渡区形成机理

马索〔1〕提出界面过渡区形成机理的假说。他认为在混凝土拌和过程中,在骨料表面形成一层几个微米厚的水膜,而无水水泥的分布密度在紧贴骨料处几乎为零,然后随着距离增大而增高。所以在这层水膜中可以认为基本上不存在水泥颗粒。当水泥化合物溶解于水之后,溶解的离子即扩散进入这层水膜。如果是不溶性骨料,水膜中的离子全部来自水泥熟料及石膏。但如骨料是部分可溶性的,则骨料所溶出的离子在骨料表面密度最大。

由于骨料总会有部分离子析出,在靠近骨料表面处浓度最高,以后有一明显缺陷处,即低离子浓度区。因此,在这层水膜内,最先形成水化产物晶核的是先扩散进入水膜的离子,对普通硅酸盐水泥即是钙矾石和氢氧钙石。

水膜内水化产物晶体是在溶液中形成晶核而长大,由于膜内过饱和度不高,有充分空间让晶体生长,故形成的水化产物晶体尺寸较大,所形成的网状结构较为疏松,以后活动性较差的铝离子、硅离子陆续进入第一批晶体所遗留的空隙中,逐渐形成C—S—H以及尺寸较小的次生钙矾石和氢氧钙石填充其间。马索上述假设中离子浓度分布曲线凹陷处可能形成大晶核及高孔隙率,是界面中的薄弱区。

虽然目前对界面过渡区的结构及形成机理的了解还不深入,但从破坏过程来看作为混凝土的内部结构,界面过渡区至少具有以下几个方面的特点:(1)界面过渡区中晶体比水泥浆体中本体中的晶体粗大。(2)界面过渡区中晶体有择优取向。(3)界面过渡区中晶体比水泥浆体中本体具有更大、更多的孔隙。这些特点决定了界面过渡区强度低,容易引发裂缝,并且裂缝易于传播,从而使界面过渡区成为最薄弱的环节。骨料与基体界面是一个固—液—气三相多孔体,对界面的粘结性能起决定性作用。界面过渡区的性能主要取决于这些组成的性质相对含量及它们之间的相互作用。由于界面过渡区的显著结构是C—H晶体富集并产生取向性,晶体平均尺寸较大,孔隙尺寸和孔隙率均较大,即界面存在着大量有缺陷的疏松的网络结构。虽然决定界面性质的因素很多,但C—H的取向和富集形成薄弱层界面是主要物理化学原因之一,它间接反映了界面层的孔结构和致密性。所以要增强界面区尤其是强化最薄弱层,消除和减小界面层与基体间的差异,必须减少C—H含量,打乱其取向性,降低孔隙率。

界面离子浓度及其分布与水膜层的厚度有关,而水膜层的厚度在很大程度上取决于水灰比的大小,它直接影响界面过渡区的性状和结构。随着水灰比的增大,水膜层变厚,其中离子浓度降低。对硅酸盐水泥而言,水膜层中最先生成的晶体是钙矾石和氢氧钙石,在它们生长过程中,当水灰比大时,将无约束地使晶体不仅生长得很大,而且易于在骨料表面定向排列,使晶体孔隙率增大,并有碍于C—S-H凝胶与骨料的接触,由于离子浓度下降,水化生成的C—S—H凝胶也必然减少,使得凝胶与骨料表面接触点减少。因此,界面形成疏松的网络结构,原始裂缝增多变大,界面粘结强度下降,削弱了界面效应。因此,降低水灰比,减小水膜层,改善过渡区性状,是发挥界面效应的主要措施。

新旧混凝土的界面同样存在类似于整浇混凝土中骨料与水泥石接触的这样一个过渡区,而这恰恰是三相中最弱的界面层。实际上,旧混凝土界面存在露出的骨料和已硬化的水泥石,旧混凝土的界面处可当作骨料部分,同样是骨料与水泥石的接触界面,问题可能比整浇混凝土中骨料与水泥石界面过渡区要复杂,但目前过渡区理论还在探索,在没有定论的情形下,我们不妨简单探讨一下,有助于指导我们从物质微观结构这一层次上认识界面粘结问题的本质和影响因素,以采取一定的措施、方法来增强新旧混凝土界面粘结性能。

我们认为在同样的受力条件下,新旧混凝土的结合面比整浇体系中骨料与水泥石界面还要薄弱,可能是以下几方面原因:

(1)新旧混凝土接触界面存在一个类似于整浇混凝土中骨料与水泥石之间的界面过渡区,而这个过渡区本来就是一个薄弱环节。由于旧混凝土的亲水性,修补时会在旧混凝土表面形成水膜,使结合面处新混凝土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,形成择优取向,降低界面强度。且由于旧混凝土的阻碍,新混凝土中的泌水和气泡积聚在旧混凝土表面,不仅使得新混凝土局部水灰比更高,而且使得气孔和微裂缝在该区富集,显著降低界面强度。这是物质结构化学方面的原因,是影响新旧混凝土结合本质的内因。

(2)界面处露出的石子、水泥石和新混凝土的界面接触与整浇混凝土中骨料与水泥浆的界面接触有差别。我们知道,水泥浆本身具有一定的粘结性,它主要用于包裹混凝土中的骨料,使之硬化成坚硬的水泥石。在新混凝土中的骨料经过充分搅拌、振捣被水泥浆包裹,而新旧混凝土界面处新混凝土中的骨料经过振捣可能挤压在界面处,是使骨料与界面突出的石子、水泥石形成“点接触”,骨料堆积在旧混凝土表面,阻塞了一部分旧混凝土表面的孔隙和凹凸不平部分,使具有粘结性的水泥浆不能完全渗入孔隙中去,形成“缺浆”现象,界面处水泥浆不能充分浸润骨料和水泥石,而新混凝土失去一部分水泥浆,这样使得粘结界面处的新混凝土中出现空隙,影响了新旧混凝土的粘结强度。

(3)我们知道,整浇混凝土中骨料与水泥石之间粘结裂缝的延伸、扩展、连通最后导致混凝土破坏。整浇混凝土中骨料体积小、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,并能改变界面裂缝扩展方向,使裂缝扩散“路径”曲折,也能消耗部分能量。而新旧混凝土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”与整浇混凝土中的骨料相比不但体积大且只有一个“面”,并且这个“面”很平坦。修补材料与旧混凝土之间存在物理化学性质差异,由于冷热交替、冻融循环作用及新混凝土的收缩而在结合面处引起附加应力,诱发“先天”裂缝。从受力的角度看,在整浇混凝土中骨料体积小、多棱角、骨料表面粗糙,并且被水泥石分开,分布较“均匀”而不象新旧混凝土界面处相对集中,裂缝、缺陷产生的概率较大,再加上界面比较“平坦”不能使裂缝扩散“路径”曲折,消耗能量,所以一旦从这一区域引发了裂缝,裂缝尖端处应力集中,就会导致裂缝迅速开展和传播,新旧混凝土界面承载能力会进一步被削弱,最后导致界面处首先破坏,即破坏总是从最薄弱环节开始。

以上几个因素综合起作用,这就是在相同受力条件下,新旧混凝土界面要首先破坏的原因。

3、结束语

从上面的探讨中我们可以得到启示:如果我们能象加强整浇体系中骨料和水泥石界面一样加强新旧混凝土的界面,也许是解决新旧混凝土粘结问题的一个途径。实践中,我们可以从几个主要影响因素入手加强新旧混凝土的粘结。实际上,工程应用中也已采取了一定的实践证明是行之有效的办法。解决这一问题应首先从物质结构层次方面着手,使新旧混凝土接触的界面区结构得到加强。根本渠道在于研制开发使用性能优异的界面剂(譬如低水灰比的水泥净浆或某些复合材料)或特种混凝土(譬如加入硅粉的混凝土)。其次,新旧混凝土结合面在不损伤骨料与旧混凝土粘结的前提下要经过适当的粗糙处理,一是除去油污灰尘等杂物,二是增大结合面面积,增大机械咬合作用;再次是加强施工质量,这一点也不容忽视,结合面处的混凝土要加强振捣,使其密实,减少孔隙,避免泌水和气泡的不利影响,同时避免大骨料堆积在旧混凝土表面形成“点接触”,也能使水泥浆更好地渗透到旧混凝土中去。最后应注意加强养护以利于水泥的充分水化。

(王小闯)

来源:中国论文下载中心

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