混凝土結(jié)合面的受力分析

王　俊　龍欣宇

摘要：本文對(duì)在施工中新舊混凝土的結(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)的可靠性進(jìn)行了闡述。

關(guān)鍵詞：加固修補(bǔ)

0引言

在建筑施工中，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。

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

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)M₂]、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科表面密度最大。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大，由于膜內(nèi)過飽和度不高，有充分空間讓晶體生長，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。

我們認(rèn)為在同樣的受力條件下，新舊混凝土的結(jié)合面比整澆體系中骨料與水泥石界面還要薄弱，可能是以下幾方面原因：①新舊混凝土接觸界面存在一個(gè)類似于整澆混凝土中骨料與水泥石之間的界面過渡區(qū)，而這個(gè)過渡區(qū)本來就是一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)。由于舊混凝土的親水性，修補(bǔ)時(shí)會(huì)在舊混凝土表面形成水膜，使結(jié)合面處新混凝土的局部水灰比高于體系中的水灰比，導(dǎo)致界面鈣礬石和氫氧化鈣晶體數(shù)量增多，形態(tài)變大，形成擇優(yōu)取向，降低界面強(qiáng)度。且由于舊混凝土的阻礙，新混凝土中的泌水和氣泡積聚在舊混凝土表面，不僅使得新混凝土局部水灰比更高，而且使得氣孔和微裂縫在該區(qū)富集，顯著降低界面強(qiáng)度。這是物質(zhì)結(jié)構(gòu)化學(xué)方面的原因，是影響新舊混凝土結(jié)合本質(zhì)的內(nèi)因。②界面處露出的石子、水泥石和新混凝土的界面接觸與整澆混凝土中骨料與水泥漿的界面接觸有差別。我們知道，水泥漿本身具有一定的粘結(jié)性，它主要用于包裹混凝土中的骨料，使之硬化成堅(jiān)硬的水泥石。在新混凝土中的骨料經(jīng)過充分?jǐn)嚢琛⒄駬v被水泥漿包裹，而新舊混凝土界面處新混凝土中的骨料經(jīng)過振搗可能擠壓在界面處，是使骨科與界面突出的石子、水泥石形成“點(diǎn)接觸”，骨料堆積在舊混凝土表面，阻塞了一部分舊混凝土表面的孔隙和凹凸不平部分，使具有粘結(jié)性的水泥漿不能完全滲入孔隙中去，形成“缺漿”現(xiàn)象，界面處水泥漿不能充分浸潤骨料和水泥石，而新混凝土失去一部分水泥漿，這樣使得粘結(jié)界面處的新混凝土中出現(xiàn)空隙，影響了新舊混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度。③我們知道，整澆混凝土中骨料與水泥石之間粘結(jié)裂縫的延伸、擴(kuò)展、連通最后導(dǎo)致混凝土破壞。整澆混凝土中骨料體積小、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，機(jī)械咬合對(duì)宏觀粘結(jié)強(qiáng)度起主要作用。從微觀上看，它增加了有效的真實(shí)接觸面積，粘結(jié)力也會(huì)大大增加。同時(shí)，骨料表面的凸起對(duì)界面區(qū)結(jié)構(gòu)有增強(qiáng)作用，并能改變界面裂縫擴(kuò)展方向，使裂縫擴(kuò)散“路徑”曲折，也能消耗部分能量。而新舊混凝土界面處的骨料和硬化水泥石形成一個(gè)“面”，象一塊表面比較平坦的“大骨料”，而這塊“大骨料”與整澆混凝土中的骨料相比不但體積大且只有一個(gè)“面”，并且這個(gè)“面”很平坦。修補(bǔ)材料與舊混凝土之間存在物理化學(xué)性質(zhì)差異，由于冷熱交替、凍融循環(huán)作用及新混凝土的收縮而在結(jié)合面處引起附加應(yīng)力，誘發(fā)“先天”裂縫。從受力的角度看，在整澆混凝土中骨料體積小、多棱角、骨料表面粗糙，并且被水泥石分開，分布較“均勻”而不象新舊混凝土界面處相對(duì)集中，裂縫、缺陷產(chǎn)生的概率較大，再加上界面比較“平坦”不能使裂縫擴(kuò)散“路徑”曲折，消耗能量，所以一旦從這一區(qū)域引發(fā)了裂縫，裂縫尖端處應(yīng)力集中，就會(huì)導(dǎo)致裂縫迅速開展和傳播，新舊混凝土界面承載能力會(huì)進(jìn)一步被削弱，最后導(dǎo)致界面處首先破壞，即破壞總是從最薄弱環(huán)節(jié)開始。

以上幾個(gè)因素綜合起作用，這就是在相同受力條件下，新舊混凝土界面要首先破壞的原因。

3結(jié)束語

從上面的探討中我們可以得到啟示：如果我們能象加強(qiáng)整澆體系中骨料和水泥石界面一樣加強(qiáng)新舊混凝土的界面，也許是解決新舊混凝土粘結(jié)問題的一個(gè)途徑。實(shí)踐中，我們可以從幾個(gè)主要影響因素入手加強(qiáng)新舊混凝土的粘結(jié)。實(shí)際上，工程應(yīng)用中也已采取了一定的實(shí)踐證明是行之有效的辦法。解決這一問題應(yīng)首先從物質(zhì)結(jié)構(gòu)層次方面著手，使新舊混凝土接觸的界面區(qū)結(jié)構(gòu)得到加強(qiáng)。根本渠道在于研制開發(fā)使用性能優(yōu)異的界面劑(譬如低水灰比的水泥凈漿或某些復(fù)合材料)或特種混凝土(譬如加入硅粉的混凝土)。其次，新舊混凝土結(jié)合面在不損傷骨料與舊混凝土粘結(jié)的前提下要經(jīng)過適當(dāng)?shù)拇植谔幚恚皇浅ビ臀刍覊m等雜物，二是增大結(jié)合面面積，增大機(jī)械咬合作用；再次是加強(qiáng)施工質(zhì)量，這一點(diǎn)也不容忽視，結(jié)合面處的混凝土要加強(qiáng)振搗，使其密實(shí)，減少孔隙，避免泌水和氣泡的不利影響，同時(shí)避免大骨料堆積在舊混凝土表面形成“點(diǎn)接觸”，也能使水泥漿更好地滲透到舊混凝土中去。最后應(yīng)注意加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)以利于水泥的充分水化。