層間粘結機理及聚合物乳液界面劑的研發

張東長 袁登瓊 劉茂光

由于路基的工后沉降導致混凝土路面板的沉降是高速公路在運營的前期經常遇到的問題,這種沉降隨著時間的推移會逐漸穩定下來,但沉降造成的路面平整度下降將影響路面的行駛質量,傳統的維修方法一般是鑿除沉降的混凝土路面,再澆筑新的混凝土面板,以恢復路面的標高。傳統的方法由于工期太長將嚴重影響到高速公路的運營,而且鑿掉混凝土面板既浪費資源,又增加維修成本,鑿掉的混凝土還要找地方堆放,對環境將產生二次污染。超薄水泥混凝土罩面研究是基于對現有水泥混凝土路面板的充分利用,在對現有路面的表面進行必要的處理后加鋪早強超薄混凝土結構層,該混凝土的厚度最小8 cm,達到恢復路面標高并實現快速通車的目的。筆者將介紹其關鍵的核心技術之一即新舊混凝土板之間的粘結技術。

1 超薄混凝土及層間粘結技術綜述

超薄水泥混凝土罩面是指罩面厚度為50 mm～100 mm之間的混凝土,英文名為 Ultra-Thin Whitetopping,簡稱 UTW,主要用于路面的維修罩面工程,混凝土層間粘結技術是其核心技術之一。

對于混凝土層間粘結技術,國外在20世紀末和21世紀初進行過相應的研究。其中主要以馬索,Wall,Bijien,Frebrich M.H等人提出的研究成果最具代表性。馬索提出界面過渡區形成機理的假說,他認為在混凝土拌和過程中,在骨料表面形成一層幾個微米厚的水膜,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為基本上不存在水泥顆粒。當水泥化合物溶解于水之后,溶解的離子即擴散進入這層水膜。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,但如果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。

馬索上述假設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。

Wall[6]提出新舊混凝土的粘結界面狀況與水泥—集料的界面狀況相類似,也就是說可以把舊水泥混凝土看作大的集料。Bijien[7]曾提出新舊混凝土粘合是以范德華力、機械咬合力、表面張力等各種各樣的物理力共同作用來實現的。同時,Bijien等[7]還認為水泥顆粒(平均細度為30 μ m)在毛細孔(nm)中水化是不可能的,所以新舊混凝土界面的機械咬合作用很弱。Frebrich M.H[8]同樣根據潤濕有利于提高粘結強度的試驗結果,認為界面粘結是一種熱力學作用,也就是說,界面作用是由于物質的表面張力引起的。同樣Bruyne N.A[9]和SmorjaiG.[10]通過光譜儀分析發現在硅膠和玻璃之間存在化學粘結作用。然而還未見到對新混凝土與齡期很長的舊混凝土之間的粘結界面是否存在化學作用的報道。

從以上國外對新舊混凝土界面區性能的研究我們可以發現,目前國外對于新舊混凝土界面區粘結理論還不成熟,主要分為4種觀點:1)馬索的觀點;2)Wall等人認為的新舊混凝土的界面粘結類似于整體混凝土中骨料與水泥漿的粘結的觀點;3)Bijien等人認為新舊混凝土是以范德華力、機械咬合力、表面張力等各種各樣的物理力來實現粘結的觀點;4)Frebrich M.H等人提出的認為界面作用是由于物質的表面張力引起的,新舊混凝土的界面粘結作用力不僅有物理作用力還有化學作用力的觀點。

國內對新舊混凝土之間的粘結研究主要集中在以下兩種觀點[1-3]:一種觀點是汕頭大學提出的將新舊水泥混凝土的粘結界面分成三個過渡層的理論:第一層為擴散層,第二層為強效應層,第三層為弱效應層,這三個效應層中的強效應層的性能又由界面劑的性能、修補材料類型和表面狀況決定。由于水泥混凝土是親水性物質,修補時會在舊混凝土的表面形成一層薄薄的水膜,使得舊水泥混凝土表面的水灰比比新水泥混凝土的本體高。高水灰比使得其界面的鈣礬石和氫氧化鈣晶體的數量增多,形態變大,粗大的氫氧化鈣晶體和鈣礬石往往導致形成擇優取向層,也就是說形成強效應層。這些粗大的晶體形成的結構的孔隙較新水泥混凝土本體多,結晶差的C-S-H以及氫氧化鈣和鈣礬石的較小的二次結晶體便填充在這些空隙內。強效應層的厚薄和性能對界面粘結的影響顯著,一般來說強效應層越薄則界面粘結性能越好,宏觀粘結強度就越高。另外該層的孔隙率越少,C-S-H以及氫氧化鈣和鈣礬石二次結晶體進入空隙的越多,則界面的粘結性能越好。另一種觀點是哈爾濱建筑大學的博士生高劍平等人提出的,他們認為界面區中主要存在有C-S-H凝膠、C-H晶體、Aft和未水化的熟料顆粒及孔洞、裂縫。界面區中C-H晶體數量多而且尺寸較大,同時界面區中孔洞較多時,對界面粘結將產生不利影響。

2 新舊水泥混凝土粘結機理及影響因素分析

2.1 界面區的粘結力分析

綜合國內外的研究成果,筆者認為對于新舊水泥混凝土板的粘結,可以將舊水泥混凝土板的粘結界面看作一個大的集料,情況與新水泥混凝土中水泥與其本身集料之間的界面類似。新舊水泥混凝土板之間的粘結力是由范德華力、機械咬合力、表面張力等物理力和化學鍵力組成的。其中范德華力要達到較高水平,那么舊水泥混凝土板必須與現澆水泥混凝土有充分密切地接觸,因此,新澆筑的水泥混凝土必須有良好的振實工藝。

機械咬合力的大小,主要由3個方面決定:1)新水泥混凝土與舊水泥混凝土界面板的接觸面積越大,則機械咬合力越大。為此,必須增加舊水泥混凝土板粘結界面的粗糙度,當舊水泥混凝土板的粘結面被處理成凸凹不平的表面時,其咬合面積遠大于未處理前的面積。2)新舊水泥混凝土界面處漿體的數量。由于水泥混凝土的流動性和工作性能等因素影響,澆筑新水泥混凝土時,新水泥混凝土中的粗骨料在振搗過程中容易在新舊水泥混凝土界面處聚集,導致粗骨料和舊水泥混凝土板接觸,水泥漿體上浮,即形成所謂“點接觸”,造成界面處缺漿而有效接觸面積降低,而且界面處新澆筑的水泥混凝土不密實。3)界面漿體的強度。其主要由漿體的水灰比,孔結構,漿體的收縮性能等決定。因為這些因素影響著新水泥混凝土的水化產物,包括Ca(OH)2,Aft,C-S-H等在舊水泥混凝土板中大的孔隙(或裂縫)中的生長,影響著新水泥混凝土中的C-S-H凝膠的毛刺向外輻射進入舊水泥混凝土板的毛細孔內,影響著針狀鈣礬石長入其毛細孔中,影響著新水泥混凝土的C-S-H毛刺狀物與舊水泥混凝土板的C-S-H凝膠相互交錯(即C-S-H進入舊水泥混凝土的膠凝孔中),影響著舊水泥混凝土板中未水化部分或未完全水化部分在新水泥混凝土中生長長大(尤其舊水泥混凝土板的齡期較短時)。

2.2 界面區新水泥混凝土收縮對粘結的影響

新舊水泥混凝土板之間存在收縮差,新水泥混凝土的收縮主要由水泥石的生成引起。由于集料相對于水泥石來說基本無收縮,而且剛度大,水泥石生成產生的收縮作用使得集料受壓,也使得界面附近生成的水泥石沿集料表面法向受壓、切向受拉,見圖1。應力場由集料表面向生成的水泥石深處逐漸減小,界面位置承受的應力最大。如果收縮應力足夠大,界面首先出現沿集料表面法向的裂縫,見圖1。

正是由于界面處新舊水泥混凝土不同的收縮量使得界面處產生了拉應力,當拉應力達到水泥混凝土的極限承受力時,結構就被破壞。因此,在配制新舊水泥混凝土粘結的界面劑時應當考慮使用收縮盡可能小的材料。這樣,使得新舊水泥混凝土界面處不產生或僅產生很小的位移,使界面處的應力在水泥混凝土的極限應力以內,以達到良好粘結的目的。

2.3 舊水泥混凝土板粘結面粗糙度對粘結的影響

現代光譜分析技術對硬化后水泥混凝土拋光面的能譜透射電鏡分析表明:骨料與水泥石之間有一過渡層,主要由C-H結晶組成,與其他部分的水泥石相比,界面過渡區多孔、稀疏,它是混凝土中最薄弱的部位。界面過渡區的形成與骨料大小、形態及表面結構有關,其強度是由骨料和水泥漿體間的粘結決定的。

在外部荷載作用下,水泥混凝土內部的界面裂縫尖端形成應力集中,并使微裂縫沿混凝土內的最薄弱區——水泥石與集料界面擴展,并隨著荷載的增大而擴展到基材中,當荷載達到某一臨界狀態時,水泥混凝土中的主裂縫發生不穩定擴展,相互貫通形成破壞面,從而導致混凝土整體失去承載力[4]。

2.4 聚合物對粘結的影響

在水泥基界面劑中摻入聚合物后,會使水泥基界面劑的性質發生一系列變化,例如:抗折強度、抗壓強度、彈性模量、柔性、變形能力、耐磨性、粘結強度、耐久性等都會發生變化。由于聚合物,特別是高活性聚合物,容易與水泥水化產物及其新舊水泥混凝土產生化學鍵,化學鍵的鍵能比一般極性力、范德華力大得多,因此,對于新舊水泥混凝土的界面粘結技術研究,應當主要研究分析聚合物使新舊水泥混凝土的粘結強度發生的變化。

關于聚合物乳液對水泥基界面劑的改性作用,目前比較一致的看法是,改性作用是通過聚合物在水泥漿與骨料間形成具有較高粘結力的膜,并堵塞砂漿內的空隙來實現的。水泥水化與聚合物成膜同時進行,最后形成水泥漿與聚合物膜相互交織在一起的互穿網絡結構。含有化學反應活性基團的聚合物可能會與水泥水化生成的氫氧化鈣表面或集料表面的硅酸鹽發生化學反應,這種化學反應可改進水泥水化產物與骨料之間的粘結,從而改善新舊水泥混凝土的粘結性能。

3 聚合物乳液改性水泥基界面劑研究

據資料報道,可用來對水泥進行改性的聚合物乳液有多種,例如:橡膠乳液(包括天然橡膠乳液、合成橡膠乳液等)、丙烯酸酯乳液、丙烯酸乳液、改性合成橡膠乳液、聚醋酸乙烯酯乳液等。課題組通過分析和實驗研究,開發出改良的A聚合物乳液,用于界面粘結,下面介紹相關的實驗研究。

3.1 A聚合物乳液涂刷方法研究

實驗選用純水泥漿做對比分析,對于A聚合物乳液分別采用直接涂刷和稀釋后涂刷兩種方法做對比,實驗結果見表1。

表1 A乳液不同使用方法對新舊水泥混凝土界面的粘結強度試驗MPa

從表1可以看出,相對于普通的水泥漿,用A聚合物乳液可以提高界面的粘結強度,提高幅度平均為18%,當把A聚合物乳液先稀釋后再涂刷,效果非常明顯,相對于普通的水泥漿,粘結強度可提高48%。

3.2 A聚合物乳液水泥砂漿界面劑研究

1)純水泥漿與純水泥漿+水泥砂漿對新舊水泥混凝土粘結強度對比實驗。根據前述新舊水泥混凝土粘結機理的分析研究,在舊水泥混凝土的粘結面上直接澆筑新水泥混凝土,在新澆筑的水泥混凝土被振實的過程中,水泥漿液由于比重較小,便上浮,有些還上浮到表面,而粗骨料由于比重較大,便下沉,而且有些已經下沉至底,直接落在舊水泥混凝土的粘結面上。由于新水泥混凝土中粗骨料的支撐作用,在新舊水泥混凝土的界面上就會形成疏松,甚至空隙,使新舊水泥混凝土之間不能充分接觸,直接降低了新舊水泥混凝土間范德華力、極性力和化學鍵力的形成,最終降低了新舊水泥混凝土應有的粘結力[5]。這一機理的分析,已被對純水泥漿液和純水泥漿液+水泥砂漿兩種界面劑的對比使用試驗初步證實(見表2)。表2證明,純水泥漿+水泥砂漿形成的界面劑的粘結強度遠高于純水泥漿作為界面劑的粘結強度,提高幅度達11.1%。用聚合物乳液A,但都使用先涂層和砂漿的界面劑4提高了49%,足以說明聚合物乳液A能非常顯著地提高新舊水泥混凝土的粘結力;d.比較界面劑4和C35新水泥混凝土整體試件。界面劑4由于在先涂層和其后的水泥砂漿中都使用了聚合物乳液A,使新舊水泥混凝土的粘結劈裂抗拉強度不低于C35新水泥混凝土整體試件的劈裂抗拉強度,說明界面劑4可以用于水泥混凝土超薄層罩面,其層間粘結強度不低于整體混凝土的強度要求。

表2 純水泥漿與純水泥漿+水泥砂漿對新舊水泥混凝土粘結強度對比

4 結語

2)聚合物乳液A改性水泥砂漿使用效果比較。通過配合比實驗,確定了聚合物乳液A改性水泥砂漿的初步配合比,下面研究改變該水泥砂漿的使用方法,看其對新舊水泥混凝土粘結效果的影響。

通過對新舊混凝土界面粘結機理分析和聚合物乳液界面劑的應用研究,得出如下結論:1)新舊混凝土界面的機械咬合力與接觸面積、漿體的數量和強度有關,研究形成了加大界面粗糙度,采用聚合物界面劑先封閉界面的孔隙,再用聚合物砂漿作為界面劑的整套界面處理技術方案。2)開發出了A聚合物乳液界面劑,用于超薄混凝土罩面的混凝土層間粘結,其劈裂抗拉強度可達到3.5 MPa,大于完整的C35混凝土試件的劈裂抗拉強度。該界面劑的開發成功,解決了超薄混凝土罩面的關鍵技術。3)實驗研究證明聚合物乳液砂漿優于單純的聚合物乳液的粘結性能,從涂刷的不同方法入手,找出了A聚合物乳液的使用方法,研究表明,采用論文推薦的方法,使用A聚合物乳液處理后的混凝土界面粘結強度不小于整體混凝土的劈裂抗拉強度,具有優良的路用性能,可滿足超薄混凝土罩面的工程需要。

表3 聚合物乳液A改性水泥砂漿使用效果比較

由表3可以看出:a.將界面劑1和2的試驗結果對比。在純水泥漿界面劑的基礎上,加用1 cm～2 cm厚未經聚合物乳液改性的水泥砂漿,組成復合界面劑,比單用純水泥漿的效果好,使新舊水泥混凝土的粘結劈裂抗拉強度提高了9%,可以證實水泥砂漿可以填充由于新水泥混凝土的粗骨料在混凝土振實過程中下沉、水泥漿上浮,在新舊水泥混凝土的界面區形成的疏松和空隙;b.比較界面劑3和 4。界面劑4使用了 1 cm～2 cm厚用聚合物乳液A改性的水泥砂漿,使新舊水泥混凝土的粘結劈裂抗拉強度又提高了28%,達到和超過了C35新水泥混凝土整體試件的劈裂抗拉強度。進一步證實了水泥砂漿可以填充新水泥混凝土的粗骨料在混凝土振實過程中下沉、水泥漿上浮,在新舊水泥混凝土的界面區形成的疏松和空隙,使新舊水泥混凝土的粘結力得到明顯的實質性的提高;c.比較界面劑2和4。界面劑4不僅在先涂層,而且在其后的聚合物乳液改性水泥砂漿中都使用了聚合物乳液A,因此,使新舊水泥混凝土的粘結劈裂抗拉強度比完全不使

[1] 劉 健.新老混凝土粘結的力學性能研究[D].大連:大連理工大學,2000.

[2] 農金龍.新老混凝土界面粘結材料及強度的研究[D].長沙:湖南大學,2003.

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[5] 吳敬龍.聚合物改性砂漿性能研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學,2006.

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