水平施工縫粘結(jié)機(jī)理及質(zhì)量控制

蘇躍華，陳 浩，劉鵬軍，劉廷濱

（1.甘肅省建設(shè)投資（控股）集團(tuán)總公司，甘肅 蘭州 730050；2.中鐵十局集團(tuán)建筑工程有限公司，山東 濟(jì)南 250001；3.蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

0 引言

發(fā)展裝配式建筑是建造方式的重大變革，在節(jié)約資源、降低污染、提升效率，培育新產(chǎn)業(yè)、化解產(chǎn)能過(guò)剩等諸多方面均有較大戰(zhàn)略意義。近年來(lái)，我國(guó)積極探索發(fā)展裝配式建筑，但裝配比例和規(guī)模化程度與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有很大差距。

裝配式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的梁、板等構(gòu)件，以及一些工程中的截面較高的深梁和轉(zhuǎn)換梁常采用疊合施工的形式，疊合面的剪應(yīng)力主要是靠新舊混凝土之間的粘結(jié)力來(lái)承擔(dān)，但裝配部分（先期澆筑部分）與現(xiàn)澆部分新舊混凝土收縮不同步，容易在結(jié)合面處產(chǎn)生初始應(yīng)力，嚴(yán)重時(shí)會(huì)在結(jié)合面處產(chǎn)生裂縫，從而使得結(jié)合面成為整個(gè)構(gòu)件的受力薄弱環(huán)節(jié)之一［1，2］。

本文分析二次澆筑鋼筋混凝土構(gòu)件疊合面處新舊混凝土界面的粘結(jié)機(jī)理，歸納總結(jié)影響分層結(jié)合面粘結(jié)強(qiáng)度的因素，為該類工程的施工質(zhì)量控制提供建議。

1 新舊混凝土粘結(jié)機(jī)理分析

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)新舊混凝土界面粘結(jié)性能和工程應(yīng)用技術(shù)已做了大量的研究［3-10］。新舊混凝土界面粘結(jié)性能影響因素眾多。一般情況下，新舊混凝土界面處的抗剪強(qiáng)度低于混凝土整澆的抗剪強(qiáng)度。

1.1 混凝土的粘結(jié)模型

針對(duì)新舊混凝土之間的粘結(jié)，Wall J.S.等［11］提出了水泥-集料界面模型。李庚英等［12］提出了新舊混凝土界面三層粘結(jié)模型。

趙志方等［13］提出了雙界面-多層區(qū)粘結(jié)模型。王振領(lǐng)［14］在趙志芳模型的基礎(chǔ)上提出了五區(qū)-三層粘結(jié)模型。現(xiàn)有理論模型微觀和宏觀力學(xué)分析普遍認(rèn)為影響新舊混凝土粘結(jié)強(qiáng)度的因素主要包括新舊混凝土的物理力學(xué)性能（如混凝土的強(qiáng)度、配合比、水化產(chǎn)物等）、箍筋及后插鋼筋、界面劑等。

1.2 新舊混凝土粘結(jié)破壞機(jī)理

新舊混凝土的宏觀力學(xué)性能是粘結(jié)面微觀結(jié)構(gòu)的具體表現(xiàn)，因此對(duì)微觀的粘結(jié)機(jī)理的研究就是從本質(zhì)上對(duì)新舊混凝土粘結(jié)性能的揭示。從力學(xué)層面國(guó)內(nèi)外研究成果普遍認(rèn)為界面粘結(jié)力主要由化學(xué)膠著力、機(jī)械咬合力和范德瓦爾斯力（van der Waals force）組成。主要以骨料與水泥漿之間的機(jī)械咬合力為主，而范德瓦爾斯力與化學(xué)力對(duì)界面之間的粘結(jié)基本可以忽略不計(jì)。

對(duì)于新舊混凝土粘結(jié)面，由于新舊混凝土材料性能之間的差異、收縮不一致以及對(duì)粘結(jié)面處理不當(dāng)?shù)纫蛩兀瑫?huì)在粘結(jié)面處產(chǎn)生附加應(yīng)力，這與老混凝土中的應(yīng)力疊加，從而使得粘結(jié)面處應(yīng)力復(fù)雜，造成潛在的缺陷及裂縫。

機(jī)械咬合力即是在舊混凝土表面處理好之后，澆筑新澆筑的混凝土，其中新澆筑的混凝土中細(xì)骨料及水泥漿會(huì)填補(bǔ)原表面縫隙，因此當(dāng)混凝土養(yǎng)護(hù)完成后，新舊混凝土就依靠這樣的鏈接粘結(jié)在一起，并具有一定抗剪能力。

范德瓦爾斯力（van der Waals force）是水泥石中的晶體之間與粗細(xì)砂石骨料之間產(chǎn)生的分子作用力，分為色散力、誘導(dǎo)力及靜電力，其中色散力及靜電力占主要部分，范德瓦爾斯力（van der Waals force）取決于分子間的距離大小，分子間距離越大，范德瓦爾斯力越小，而由于新舊混凝土在粘結(jié)面處晶體間隔較大，因此范德瓦爾斯力很小。

化學(xué)膠著力主要來(lái)源于新混凝土的水泥和舊混凝土的水化物發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，這些對(duì)粘結(jié)面抗剪性能的貢獻(xiàn)較少。

對(duì)于有植筋或配有較多箍筋的新舊混凝土界面，外力較小時(shí)，剪應(yīng)力主要由新舊混凝土間的粘結(jié)力承擔(dān)，此時(shí)植筋幾乎不受力，而隨著外力的增大，粘結(jié)界面發(fā)生破壞，此時(shí)植入的鋼筋產(chǎn)生剪應(yīng)力以抵消外部荷載。

2 新舊混凝土粘結(jié)的影響因素

從上述新舊混凝土粘結(jié)機(jī)理的分析中可看出，粘結(jié)面是由舊混凝土、新混凝土和界面粘結(jié)劑組成的，影響混凝土截面粘結(jié)的因素有很多，但是主要因素有：結(jié)合面的粗糙度；新舊混凝土的強(qiáng)度等級(jí)；新舊混凝土的技術(shù)性能與齡期；界面劑的類型；植入的鋼筋等。

2.1 結(jié)合面粗糙程度的影響

在舊混凝土表面處理時(shí)，對(duì)混凝土粘結(jié)性能影響最大的是混凝土表面的粗糙程度。因此在實(shí)際工程中需要對(duì)界面認(rèn)真處理，使之形成堅(jiān)固可靠并且輕度粗糙的粘結(jié)面。在表面處理中需要使舊混凝土表面形成凹凸不平的凹槽，并清理掉舊混凝土上損壞、松動(dòng)、附著的骨料、砂漿等，露出堅(jiān)固部分的骨料，使之與新澆混凝土有足夠的粘結(jié)。

雖然普遍認(rèn)為舊混凝土表面越粗糙，截面的粘結(jié)性能越好，但是也不意味著粗糙程度越大越好，因?yàn)檫^(guò)大的粗糙程度，會(huì)造成舊混凝土損傷，降低粘結(jié)性能。常見(jiàn)的界面處理方法分為噴射處理與機(jī)械處理兩種，其中噴射處理有高壓水射法、噴砂法及噴蒸汽法等；機(jī)械處理法有鋼刷劃毛法、人工鑿毛法等。目前來(lái)說(shuō)，采用噴射處理一般比機(jī)械處理的效果要好，因?yàn)闄C(jī)械處理對(duì)界面的損傷較大，在舊混凝土中產(chǎn)生的微裂縫多，但是由于機(jī)械處理較為經(jīng)濟(jì)方便，因此在實(shí)際工程中應(yīng)用較多。

2.2 結(jié)合面界面劑的影響

在界面處理之后，涂刷界面劑可以提高新舊混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度，但涂刷不同的界面劑，對(duì)粘結(jié)效果的影響是不同的。

水泥漿類界面劑是目前使用最多的一種界面劑。水泥凈漿可將水泥水化物滲透到舊混凝土的孔洞中，增加兩者的機(jī)械咬合力，同時(shí)使過(guò)渡層的密度得到提高，有效地改善新舊混凝土過(guò)渡層的微觀結(jié)構(gòu)，從而提高其粘結(jié)強(qiáng)度。

2.3 混凝土強(qiáng)度等級(jí)的影響

舊混凝土的強(qiáng)度對(duì)新舊混凝土結(jié)合面的粘結(jié)也有很大的影響，老混凝土的硬化程度、老化程度等都與粘結(jié)強(qiáng)度相關(guān)。國(guó)內(nèi)的界面剪切實(shí)驗(yàn)也證明了隨著新舊混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高，混凝土粘結(jié)面的粘結(jié)強(qiáng)度也會(huì)隨之提高。

2.4 混凝土養(yǎng)護(hù)條件的影響

新舊混凝土的養(yǎng)護(hù)齡期與養(yǎng)護(hù)條件也直接影響著結(jié)合面的粘結(jié)強(qiáng)度。通常，良好的養(yǎng)護(hù)條件以及較長(zhǎng)的養(yǎng)護(hù)齡期能夠提高結(jié)合面的粘結(jié)強(qiáng)度。而隨著新舊混凝土的齡期越長(zhǎng)，其粘結(jié)面的粘結(jié)強(qiáng)度也越大，主要是前 28 d 增長(zhǎng)較快，后續(xù)的增長(zhǎng)就會(huì)放緩。

2.5 植入鋼筋及箍筋的影響

沒(méi)有植入鋼筋的結(jié)合面抗剪強(qiáng)度均低于整澆的混凝土構(gòu)件，在構(gòu)件破壞時(shí)，結(jié)合面處會(huì)產(chǎn)生分層錯(cuò)位的現(xiàn)象，而植入鋼筋可以約束結(jié)合面的開(kāi)展，增強(qiáng)新舊混凝土結(jié)合面間的粘結(jié)力，對(duì)結(jié)合面的抗剪承載力有明顯的提高。此外植入鋼筋后的抗剪強(qiáng)度還與植入鋼筋的錨固深度、植筋率等因素有關(guān)。

3 提高新舊混凝土水平施工縫施工質(zhì)量的措施

根據(jù)對(duì)新舊混凝土粘結(jié)機(jī)理及影響因素的分析，在實(shí)際工程中，為改善并提高新舊混凝土粘結(jié)性能，可采用如下措施：

1）增加舊混凝土表面粗糙度，以增大機(jī)械咬合力、范德瓦爾斯力及化學(xué)力；

2）由于界面劑對(duì)界面的抗剪強(qiáng)度也有突出的貢獻(xiàn)，因此采用品質(zhì)較好的界面劑能有效提高界面粘結(jié)性能；

3）對(duì)新舊混凝土進(jìn)行合理地養(yǎng)護(hù)，保證新舊混凝土有足夠的粘結(jié)強(qiáng)度；

4）通過(guò)在新舊混凝土粘結(jié)面增加豎向鋼筋，如梅花形插筋，提高配箍率等措施彌補(bǔ)界面粘結(jié)的損失。

4 多種界面處理方式在蘭州地鐵 1# 線東崗車輛段運(yùn)用庫(kù)上蓋開(kāi)發(fā)工程中的應(yīng)用

4.1 工程概況

蘭州地鐵 1 號(hào)線一期工程?hào)|崗車輛段運(yùn)用庫(kù)位于蘭州市城關(guān)區(qū)東部，基底面積 60 871.3m2，總長(zhǎng) 318.40 m，總寬 198.2 m，建筑高度 9.50 m。運(yùn)用庫(kù)上蓋開(kāi)發(fā)工程的 2 層層高 7.2 m，3～5 層層高 5.5 m。運(yùn)用庫(kù)上蓋開(kāi)發(fā)時(shí)將整個(gè)建筑劃分為 16 個(gè)結(jié)構(gòu)單元，如圖 1 所示。運(yùn)用庫(kù)上部結(jié)構(gòu)框架梁的跨度主要有 17.4、11.0、8.1 m 等，主要截面尺寸為 600 mm×1 200 mm，次梁跨度主要為 17.4 m，11.0 m 截面尺寸為400 mm×1 150 mm。抗震設(shè)防烈度為 8 度（0.2 g），框架抗震等級(jí)一級(jí)（部分特一級(jí)），抗震設(shè)防類別為乙類，上蓋開(kāi)發(fā)一層框架梁和次梁采用用疊合澆筑的施工方式。

圖1 運(yùn)用庫(kù)上蓋開(kāi)發(fā)結(jié)構(gòu)單元?jiǎng)澐?/p>

4.2 疊合面處理方式及效果

為確保工程疊合梁的施工質(zhì)量，在該工程中復(fù)合采用了水沖鑿毛法、噴涂界面劑法和界面插筋法等提高疊合梁界面粘結(jié)性能的措施。

首先在澆筑下層混凝土?xí)r，混凝土表面噴灑緩凝時(shí)間 18 h 的緩凝劑溶液，自然滲透，人為制造表面約5 mm 厚緩凝層，混凝土終凝后 1.5～2.5 h 時(shí)間段內(nèi)，用壓力為 0.4～0.6 MPa 的壓力水槍將未終凝的混凝土表層砂漿沖走，留下嵌入終凝混凝土內(nèi)的粗骨料，從而達(dá)到鑿毛的施工目的。

為確保鑿毛的施工質(zhì)量，提前通過(guò)試樣進(jìn)行試驗(yàn)，確定緩凝劑的用量及緩凝時(shí)間、沖刷時(shí)間、水壓等。詳細(xì)試驗(yàn)步驟為：材料、機(jī)具準(zhǔn)備→試件模板制作及安裝→混凝土澆筑→緩凝劑噴灑→高壓水槍沖洗→數(shù)據(jù)收錄→試驗(yàn)結(jié)果分析→形成工藝性試驗(yàn)總結(jié)。試件采用與框架梁同強(qiáng)度的混凝土，試件尺寸為：H×B×L=600 mm×300 mm×1 500 mm。混凝土緩凝劑、高壓水槍按照工法要求配備齊全。

在試件制作施工過(guò)程中要嚴(yán)格控制溫度及配合比，振搗密實(shí)、保證混凝土質(zhì)量均勻；及時(shí)養(yǎng)護(hù)，避免混凝土在陽(yáng)光下暴曬。振搗棒振搗要做到“快插慢拔”，在振搗過(guò)程中振搗棒要上下略有抽動(dòng)，使上下振動(dòng)均勻。每點(diǎn)振搗時(shí)間一般為 20～30 s，但還要視混凝土表面成水平不再顯著下沉、不再出現(xiàn)氣泡、表面泛出灰漿為準(zhǔn)，振點(diǎn)間距不得超過(guò) 400 mm。混凝土澆筑完成后，在每個(gè)試件表面噴灑不同比例的緩凝劑，待表層以下混凝土初凝后采用高壓水槍將試件表面的浮槳進(jìn)行沖洗，并記錄好每個(gè)試件在噴灑不同比例緩凝劑后的沖洗鑿毛效果。

同時(shí)在初次澆筑的混凝土初凝前，按照梅花型插入螺紋鋼筋至梁底面，間距約 300 mm；在澆筑疊合層之前在界面處噴涂界面劑。復(fù)合處理后的界面如圖 2 所示。

圖2 界面處理后的效果

疊合層澆筑前后切實(shí)加強(qiáng)對(duì)混凝土的養(yǎng)護(hù)，施工完成后雖然在疊合界面處有水平縫線，但梁整體無(wú)夾渣、漏筋，平整度及外觀質(zhì)量良好，如圖 3 所示。

圖3 施工完成后梁的施工質(zhì)量

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)裝配式鋼筋混凝土疊合梁新舊混凝土的粘結(jié)機(jī)理及其影響因素進(jìn)行了探討研究，得到以下結(jié)論。

1）新舊混凝土的粘結(jié)模型從水泥-集料界面模型開(kāi)始，隨著研究的不斷深入，有了三區(qū)粘結(jié)模型、雙界面-多層區(qū)粘結(jié)模型，以及五區(qū)-三層粘結(jié)模型等能夠詳細(xì)闡述混凝土界面粘結(jié)微觀結(jié)構(gòu)機(jī)理的理論模型。

2）新舊混凝土界面粘結(jié)力主要由：機(jī)械咬合力、范德瓦爾斯力及化學(xué)力組成，以機(jī)械咬合力為主。

3）提高新舊混凝土水平施工縫施工質(zhì)量的措施主要有：結(jié)合面的粗糙度；界面劑的類型；新舊混凝土的強(qiáng)度等級(jí)；新舊混凝土的技術(shù)性能與齡期；植入的鋼筋等。

4）通過(guò)對(duì)多種復(fù)合界面處理方式在蘭州具體工程中的應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，施工質(zhì)量良好。