新舊水泥砂漿界面粘結性能試驗研究

孟繁強，薛善彬，張 鵬，王俊潔，高世壯

(青島理工大學土木工程學院，青島 266033)

0 引 言

水泥基材料被廣泛應用于土木工程領域，是用量最大的建筑材料之一。在荷載、溫度等外部因素的反復作用下，水泥基材料產生表面剝落、內部開裂等劣化問題，嚴重影響結構安全和耐久性。據統計[1]，目前我國大約有50%的建筑進入老化階段，大批建筑物面臨補強加固問題。在受損水泥基材料表面涂抹修補砂漿是常見的補強加固措施，基體與修補砂漿間的粘結性能直接決定了修復質量和結構安全性，新舊砂漿間的粘結性能受到基體含水飽和度、界面粗糙度、后期養護條件等諸多因素的影響。因而需針對新舊砂漿界面粘結性能的影響因素開展系統研究。

國內外學者針對不同因素作用下新舊水泥基材料粘結性能的變化規律開展了一定研究，但尚未形成統一認識。如基體含水飽和度對粘結強度的影響一直存在爭議：一部分學者認為干燥的基體能夠從修補材料中吸收水分，促使修補材料中的水泥顆粒向界面區遷移，達到理想的粘結效果[2-4]；另一部分學者則認為基體飽水能阻止修補材料中的水分流失，保障修補材料充分水化，產生更致密的界面結構[5-6]；此外，還有試驗結果表明，當基體的含水飽和度控制在50%～90%的范圍內時，界面粘結強度最大[7-8]。Cleland等[9]通過改變環境條件制備了四種含水飽和度的混凝土基體，第一種為混凝土在實驗室環境下放置2～3個月，第二種為基體泡水48 h后在實驗室中放置4 h，第三種為利用105 ℃烘干混凝土，第四種為基體泡水48 h，養護完成后測試界面的抗拉強度，試驗結果表明，基體含水飽和度為第一和第二種情況時界面抗拉強度相似，基體為第三和第四種情況時界面的抗拉強度較低。Courard等[10]通過將混凝土基體放置在不同濕度環境下得到不同含水飽和度的混凝土基體，經進一步力學性能測試發現，當混凝土飽和度在50%～90%時，混凝土與修復材料間的抗拉強度最大。

界面的粗糙度同樣影響新舊混凝土間的粘結強度。界面粗糙度的處理方法有井槽法、人工鑿毛法、機械刷毛法等[11-12]。井槽法通過控制切槽的深度、寬度和切槽間隔量化舊混凝土的粗糙度，Diab等[13]通過試驗發現當舊混凝土界面切割寬6 mm、深6 mm的凹槽時，復合試件斜剪強度最大，機械鋼絲刷刷毛其次，手動鋼絲刷刷毛最小。張明杰[14]研究了界面人工鑿毛、井槽法和表面拋毛對新舊混凝土劈裂抗拉強度的影響，發現與表面拋毛相比，人工鑿毛、井槽法處理的新舊混凝土劈裂抗拉強度分別提高了11%和15%。韓菊紅等[15]采用溝槽法對新舊混凝土粘結面進行粗糙度處理，此法是用人工或機械在舊混凝土面上按一定深度間隔切槽，張雷順等[16]使用切槽法對舊混凝土界面進行切槽處理與抗剪試驗，結果均表明切槽法能較好地提高粘結面的抗剪強度。

此外，養護條件同樣影響新舊砂漿界面的粘結強度。在混凝土尚未具備足夠的強度時，水分過早的蒸發會產生較大的收縮變形，出現干縮裂紋，所以要進行適當的養護，這樣有利于提高新舊混凝土的粘結質量。周健等[17]制備了含水飽和度為99%和14.4%的混凝土基體試塊，澆筑新砂漿密封養護,結果表明，當舊混凝土含水飽和度由14.4%提高至99%時，新舊混凝土間的抗拉強度提高。Courard等[10]通過將混凝土基體放置在不同的濕度環境下得到含水飽和度為32%～100%的混凝土基體，澆筑修補砂漿后放置在20 ℃、濕度65%的條件下進行養護，試驗結果表明：當混凝土飽和度在50%～90%時，混凝土與修復材料間的拉拔強度值最大；當混凝土飽和度低于50%時，粘結強度較小。對比以上文獻發現，不同的養護條件為修復材料水化過程提供的水分含量不同，新舊混凝土之間的粘結強度也會有差異。

通過對以上文獻的總結后發現，控制基體含水飽和度的方式一般分為四種：Saturated surface wet(基體飽水界面含水)、Saturated surface dry(基體飽水界面干燥)、Laboratory dry(實驗室干燥)和Oven dry(烘箱烘干)[2,3,9]，這四種方法通過基體泡水和干燥的時間來控制基體含水飽和度，內部具體含水量不能確定且內部水分分布不均勻，這將影響基體與修復材料間水分的交換，導致界面的粘結強度有較大的離散性。此外，基體和修復材料不同時，基體的含水飽和度對界面粘結性能的影響規律也存在爭議。舊砂漿界面的粗糙度、修補砂漿的水灰比以及復合試件的養護條件對界面粘結性能的影響機理研究較少。針對以上問題，本文通過質量動態監測的方法使舊砂漿基體達到確定的含水飽和度，將舊砂漿密封靜置60 d使內部水分擴散較為均勻，得到了有利于新舊砂漿粘結的較優含水飽和度。通過切槽法改變舊砂漿界面粗糙度、改變修補砂漿水灰比及新舊砂漿復合試件的養護條件，研究了這些因素對界面粘結性能的影響規律，為實際的修復工程提出合理的建議。

1 實 驗

1.1 原材料及配合比

膠凝材料選用山水集團P·O 42.5R普通硅酸鹽水泥(C)，細骨料為最大粒徑為5 mm的青島河砂(S)，水為普通自來水(W)，減水劑選用江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產的聚羧酸系高效減水劑(SP)。舊砂漿水灰比(rW/C)為0.6，配合比見表1，制造尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm,室溫養護1 d后拆模并置于溫度(20±2) ℃、濕度≥95%的養護室中養護60 d，舊砂漿養護完成后用切割機沿非成型面平均切成兩塊，尺寸為70.7 mm×70.7 mm×35.35 mm。新砂漿水灰比有0.6和0.4兩種，配合比見表1。

表1 砂漿配合比Table 1 Mix proportion of mortar

1.2 舊砂漿的不同處理方式

1.2.1 舊砂漿不同飽和度處理

(1)舊砂漿含水飽和度0%：將切割好的舊砂漿放入烘箱中，105 ℃烘干，期間不斷對舊砂漿進行稱重，直至質量不再改變。

(2)舊砂漿含水飽和度30%和70%：將切割好的舊砂漿放入烘箱中，105 ℃下烘至恒重，記錄砂漿質量為md；將舊砂漿浸沒在水中，用濕潤的抹布抹去試塊表面水分后稱取質量，直至試件的質量不變，記為mw；將砂漿再次放入105 ℃的烘箱中，期間不斷稱重，根據式(1)，烘干至對應飽和度S時質量mi。

(1)

mi可由式(2)計算得到

(2)

(3)舊砂漿含水飽和度100%：將舊砂漿浸沒在水中，浸泡至恒重。

將制備好的含水飽和度為30%和70%的舊砂漿用保鮮膜密封，再用鋁箔膠帶密封，然后放置在溫度25 ℃、濕度60%的條件下，靜置60 d，主要是為了讓水分在砂漿內部充分擴散，分布均勻，期間不斷對密封的舊砂漿進行稱重，監測砂漿的質量變化以保證舊砂漿不與外界進行水分交換。

1.2.2 舊砂漿界面粗糙度處理

用切割機將舊砂漿從中間切開，得到的舊砂漿界面比較光滑，如圖1(a)所示。對舊砂漿切割面進行切槽處理，如圖1(b)所示，使用角磨機在舊砂漿表面切出6條井字形的凹槽，控制凹槽切割深度約為5 mm，寬度約為5 mm，每兩條凹槽間隔約為17.7 mm。同時利用灌砂法來控制粗糙度，用四塊塑料板將舊砂漿固定后，在表面灌入標準砂，使之與塑料板平齊。量出使用標準砂的體積，則平均灌砂深度可用式(3)進行計算。

圖1 舊砂漿界面的處理方式Fig.1 Treating ways of old mortar interface

(3)

1.2.3 新舊砂漿復合試件的制備

將切割好的舊砂漿放入邊長70.7 mm的立方體模具中，另一半澆入新拌砂漿并充分振搗，覆蓋保鮮膜密封并放在20 ℃室溫下養護24 h拆模，復合試件的制備過程見圖2。

圖2 復合試件的制備過程Fig.2 Process of making composite specimens

1.2.4 新舊砂漿粘結性能測試方法

在實際工程中，基體與修復材料的界面主要受剪切力的影響，因此利用剪切試驗測試新舊砂漿的粘結強度,剪切試驗夾具示意圖如圖3所示。

圖3 剪切試驗夾具圖Fig.3 Shear test device

28 d剪切強度按式(4)計算。

(4)

式中：τu為界面剪切強度，MPa；P為剪切荷載，N；A為界面面積，mm2。

選取三個試件的測試平均值作為該組試件剪切強度的試驗結果。

2 結果與討論

2.1 舊砂漿含水飽和度對新舊砂漿復合試件粘結性能的影響

將養護好的新舊砂漿復合試件用定制的樣品夾具固定，用量程為30 t的壓力機，以2.5 kN/s的速度施加壓力。

制備四種含水飽和度(0%、30%、70%、100%)的舊砂漿作為基體，澆筑水灰比為0.6的新砂漿，密封恒溫養護28 d，然后進行剪切試驗，結果如圖4所示。圖5為養護28 d的新舊砂漿復合試件。剪切后的新舊砂漿界面如圖6所示，每一幅圖片左邊為舊砂漿部分，右邊為新砂漿部分。

圖4 舊砂漿與水灰比0.6的新砂漿的剪切強度Fig.4 Shear strength between old mortar and new mortar with water cement ratio of 0.6

當舊砂漿含水飽和度為0%時，舊砂漿會迅速吸收新拌砂漿中的水分，新拌砂漿中的水分減少較多，如圖5(a)框線內所示，因為水分減少過快，新砂漿界面處更容易產生干縮裂縫，造成界面的剪切強度降低，水泥水化受到影響。由圖6(a)可以看出新砂漿界面處孔隙較多。de la Varga等[6]通過SEM試驗得到了相似的結果，當基體干燥時，修補材料失水過多，靠近界面位置，未水化的水泥和孔隙占的比例較大，因此界面層較為薄弱，在荷載作用下易被破壞。

當舊砂漿含水飽和度為30%時，舊砂漿也會吸收新拌砂漿中的水分，如圖5(b)框線內部分所示，界面處也出現了裂縫，這可能是其強度降低的原因之一。如圖6(b)所示新砂漿界面處也出現較多孔隙，但是與舊砂漿飽和度為0%的情況相比，舊砂漿含水飽和度的提高在一定程度上能夠減少新砂漿中的水分流失，推測該樣品的新砂漿水化程度更高，因為其強度有所提高。

圖5 密封養護28 d的新舊砂漿復合試件Fig.5 New and old mortar composite specimens cured in sealing condition for 28 d

當舊砂漿含水飽和度為70%時，界面剪切強度最大。Courard等[10]通過開展力學試驗發現：當基體含水飽和度在50%～90%范圍內時，修補砂漿與基體間界面的剪切強度更大。如圖5(c)框線內所示，由于新砂漿失水較少，界面處不存在干縮裂縫，新舊砂漿的剪切強度有所提高,因為新砂漿失水較少，推測其內部水化較為充分，de la Varga等[6]通過SEM試驗發現，基體飽水與干燥時相比，修補材料失水較少，靠近界面位置未水化的水泥和孔隙占的比例較少。如圖6(c)所示新砂漿界面孔隙較少。同時舊砂漿在吸水的過程中靠近界面的新砂漿被壓實，新舊砂漿之間的摩擦阻力會增大。Bentz等[18]通過中子成像和斜剪試驗發現，當基體干燥時，靠近界面部位的新砂漿失水，同時會變得更加密實，增加界面的摩擦阻力。

當舊砂漿含水飽和度為100%時，舊砂漿幾乎不會吸收新拌砂漿中的水分，新砂漿水化程度最高，靠近界面處的砂漿不會被壓實。如圖6(d)可以看出，新舊砂漿被剪切后的界面較光滑，因而界面的剪切強度較小。這與Zhou[19]得到的結果一致，基體完全飽水時的界面粘結強度小于基體非飽水時的粘結強度。

圖6 復合試件剪切破壞圖(左邊為舊砂漿，右邊為新砂漿)Fig.6 Composite specimens destroyed by shear test(left is old mortar, right is new mortar)

制備四種含水飽和度(0%、30%、70%、100%)的舊砂漿作為基體，澆筑水灰比為0.4的新砂漿，密封養護28 d進行剪切試驗，結果如圖7所示。與圖4中結果進行對比分析后發現，新砂漿水灰比選用0.4時界面剪切強度要明顯高于新砂漿水灰比選用0.6時的強度。Lukovic等[5]的試驗結果同樣表明，當水灰比較小的砂漿作為修補材料時，可以達到更好的修補效果。

圖7 舊砂漿與水灰比0.4的新砂漿的剪切強度Fig.7 Shear strength between old mortar and new mortar with water cement ratio of 0.4

從圖7可以看出，當舊砂漿含水飽和度為30%時，新舊砂漿的剪切強度最大為3.19 MPa，由于靠近界面部分的新砂漿變得更加密實，從而增加了界面的摩擦阻力，同時新砂漿失水與舊砂漿含水飽和度為0%的情況下相比較少，水化程度較大。Lukovic[20]通過試驗發現,舊砂漿從新拌砂漿中吸水達到平衡，新砂漿繼續水化水分減少，兩者之間又會出現新的勢能差，水分有回遷至舊砂漿的現象，而且水灰比0.3與0.4相比，這種現象越明顯，這提高了新砂漿的水化程度。當舊砂漿飽和度為100%時，粘結強度較小。舊砂漿含水飽和度較高時，基體不會從新砂漿中吸水，靠近界面部分的新砂漿不會變得更密實，導致新舊砂漿的粘結性能較差。

2.2 養護條件對新舊砂漿復合試件粘結性能的影響

新舊砂漿復合體試件拆模后分別進行標準(溫度(20±2) ℃、濕度≥95%)養護和密封恒溫(溫度(20±2) ℃)養護，28 d后測試新舊砂漿界面的剪切強度，試驗結果如圖8和9所示。

從圖8不難發現，當新砂漿水灰比為0.6時，在舊砂漿含水飽和度相同的條件下，標準養護下得到的界面剪切強度大于密封養護下的強度。當舊砂漿飽和度為0%時，標準養護下剪切強度約為密封養護的3倍。這是因為標準養護時，外界能為新砂漿的水化不斷提供水分，新砂漿水化充分，緩解了新拌砂漿因為失水產生干縮開裂的現象，所以得到界面的剪切強度較大。而密封養護時，新砂漿不能從外界吸收水分，新砂漿干縮現象較為嚴重，水化程度較低，所以剪切強度較小。當舊砂漿飽和度為100%時，標準養護的界面強度略高于密封養護。這是因為舊砂漿飽和度為100%時，密封與標準養護一樣可以為新砂漿水化提供較為充足的水分，保障新砂漿內部水化正常進行,所以得到的剪切強度相差較小。

如圖9所示，當新砂漿水灰比為0.4時，在舊砂漿含水飽和度相同條件下，標準養護得到的新舊砂漿剪切強度明顯大于密封養護得到的強度；當舊砂漿飽和度為0%和100%時，標準養護后界面剪切強度均約為密封養護的1.5倍。

對比圖8和圖9，當基體的含水飽和度相同時，修補砂漿最好選擇較小的水灰比同時選擇濕度較大的標準養護環境。

圖8 養護條件不同時復合試件的剪切強度(舊砂漿水灰比0.6,新砂漿水灰比0.6)Fig.8 Shear strength of composite specimens cured in different conditions (old mortar and new mortar with water cement ratio of 0.6)

圖9 養護條件不同時復合試件的剪切強度(舊砂漿水灰比0.6,新砂漿水灰比0.4)Fig.9 Shear strength of composite specimens cured in different conditions (old mortar with water cement ratio of 0.6 and new mortar with water cement ratio of 0.4)

2.3 界面粗糙度對新舊砂漿復合試件粘結性能的影響

圖10為界面粗糙度對新舊砂漿剪切強度的影響。新砂漿水灰比為0.6，舊砂漿含水飽和度為0%，試件標準條件下養護28 d。用切槽法處理舊砂漿時，新舊砂漿界面的剪切強度明顯大于界面光滑時的剪切強度。舊砂漿經過切槽處理后復合試件的剪切強度為界面光滑時的1.26倍。Tayeh[21]和Abo Sabah[12]等通過力學試驗發現，對舊混凝土界面切槽處理是提高舊混凝土與修補材料粘結強度的有效措施。

圖10 界面粗糙度不同時復合試件的剪切強度Fig.10 Shear strength of composite specimens with different interfacial roughness

圖11為舊砂漿切槽處理時，新舊砂漿剪切破壞后的界面形貌，左側為舊砂漿部分，右側為新砂漿部分。當新拌砂漿澆筑在切槽的舊砂漿上后，新拌砂漿會流入凹槽中，經過標準養護后，新砂漿嵌入舊砂漿的凹槽中，明顯提高了新舊砂漿之間的接觸面積，因此增加了新舊砂漿之間的粘結強度。

圖11 新舊砂漿剪切破壞形貌(左側為舊砂漿部分，右側為新砂漿部分)Fig.11 Characteristics of composite specimens destroyed by shear test (left is old mortar， right is new mortar)

3 結 論

本文通過試驗系統研究了舊砂漿的含水飽和度、界面粗糙度和養護條件等因素對新舊砂漿粘結性能的影響規律。試驗發現，舊砂漿界面經過切槽處理時，新舊砂漿界面的剪切強度比舊砂漿光滑時的剪切強度更大。舊砂漿含水飽和度、養護條件及修補砂漿水灰比都對新舊砂漿的剪切強度有一定的影響，具體如下：

(1)當修補砂漿水灰比為0.6時，以舊砂漿含水飽和度70%、30%、100%、0%的順序，新舊砂漿界面的剪切強度逐漸減小。當修補砂漿水灰比為0.4時，以舊砂漿含水飽和度為30%、0%、70%、100%的順序，新舊砂漿界面的剪切強度呈下降趨勢。

(2)當對舊砂漿界面進行切槽處理后，新舊砂漿界面的剪切強度較舊砂漿光滑時提高1.26倍。

(3)當新砂漿水灰比和舊砂漿含水飽和度都相同的情況下，標準養護下的新舊砂漿界面的剪切強度比密封恒溫養護下的強度大。

(4)當舊砂漿含水飽和度和養護條件都相同的情況下，新砂漿水灰比為0.4時，新舊砂漿剪切強度要明顯大于新砂漿水灰比為0.6時的強度。在實際修復工程中，在保證砂漿和易性的前提下，建議選擇水灰比較小的修補砂漿。