混凝土層面結合性能影響因素研究進展

王玉璞 李家正 石妍 張超

摘 要：混凝土層面結合性能受諸多因素的控制影響，如澆筑間隔時間、干濕狀態、表面粗糙度、界面劑、新澆筑混凝土性能和外部環境等。通過對國內外文獻的總結分析發現，在澆筑時采用盡可能短的間隔時間，采用相對潮濕的基體，層面采用中等水平的粗糙度，涂刷合適的界面劑，采用性能優異的混凝土，選擇適宜的澆筑環境，都會對層面結合性能起到明顯提升的作用。對特殊界面劑的使用、制備工藝的優化、層面性能評價等方面進行了展望。研究成果可為混凝土層面結合的理論及試驗研究提供參考。

關鍵詞：混凝土；層面結合性能；強度

中圖分類號：TV544；TV431 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標志碼：A

0 引言

大體積混凝土在澆筑施工時，往往采用分層澆筑混凝土的方式，其中會涉及到混凝土層面的結合問題[1]。混凝土結構在服役過程中會出現劣化或強度降低的情況，后期對混凝土結構加固和修復的過程中，也會涉及到新老混凝土界面結合問題[2]。如何提高新老混凝土結合面的粘結質量是工程施工中需要重點關注的問題。

近些年來許多國內外學者圍繞混凝土層面結合性能展開了研究。Fan等[3]、Santos等[4]研究了新老普通混凝土層面的結合性能，王楠等[5]研究了ECC與普通混凝土的粘結，Diab等[6]研究了自密實混凝土層面的結合性能，Farzad等[7]研究了UHPC與普通混凝土層面的結合性能，他們對層面結合性能的影響因素的研究主要包括澆筑間隔時間、干濕狀態、表面粗糙度、界面劑、新澆筑混凝土性能和外部環境等。

以下首先對混凝土層面薄弱的原因進行分析，總結相關層面研究模型，然后對混凝土層面結合性能的主要影響因素進行總結，分析各種影響因素的影響程度及大小，以期為混凝土層面結合的理論及試驗研究提供參考。

1 混凝土層面結構性能薄弱原因

Baloch等[8]認為粘結作用使混凝土層面產生一層水膜，新混凝土層面的水灰比變高，同時使層面上的鈣礬石和氫氧鈣石結晶增加，阻礙了膠凝材料與骨料之間的接觸，從而降低了層面的強度。高劍平等[9]認為新老混凝土之間難以相互水化融合，新老混凝土層面可能存在骨料的擠壓問題，使得層面處的水泥漿不能滲入到老混凝土的孔隙內，造成新混凝土中粘結過渡區域不夠緊密，降低了新老混凝土的粘結強度。

在細觀尺度上，硬化后的水泥基材料通常被看成是由骨料、水泥漿體以及兩者之間的界面過渡區構成的三相復合材料，界面過渡區的形成主要發生在混凝土的成型、水化和硬化過程3個階段[10]。Pigeon等[11]同樣指出，新老混凝土之間的界面非常類似于骨料和水泥之間結合的界面，在新澆筑混凝土層和老混凝土基底之間存在壁效應，導致出現薄弱面形成過渡區。

關于混凝土層面研究的模型，目前主要有以下幾種：趙志方等[12]提出了雙界面—多層區粘結模型，新老混凝土粘結由新混凝土區、老混凝土區，新老混凝土粘結過渡區組成；Xie等[13]提出新老混凝土界面過渡區分為三層，靠近老混凝土為滲透層，中間為強烈影響層，靠近新混凝土為弱影響層；He等[14]將過渡區分為反應層和滲透層兩層；謝慧才等[15]研究的過渡區則包括滲透層、反應層和漸變層。

2 層面結合性能影響因素研究進展

2.1 澆筑間隔時間對層面結合性能的影響

大體積混凝土是分層澆筑施工的，在層間往往會形成各種接縫，根據混凝土初凝終凝時間，將在初凝之前澆筑形成的接縫稱為熱縫，介于初凝終凝時間形成的接縫稱為溫縫，終凝之后形成的接縫稱為冷縫，混凝土施工中的各種接縫會顯著影響性能和耐久性[2]。

關于熱縫和溫縫，Lee等[16]研究表明澆筑一個小時內，隨著間隔時間的增加，剪切強度逐漸下降，同時壓實能有所改善。Liu等[17]通過庫倫準則研究不同間隔時間下剪切試驗的規律，發現對應于峰值剪應力的狀態而言，隨著間隔時間的增加，剪應力逐漸減小，而粘聚力的變化沒有固定趨勢。Qian等[18]同樣發現，隨著間隔時間的延長，界面粘結強度逐漸降低，其中冷縫強度僅有無間隔時間條件下的60%。不同層面間隔時間時劈拉試驗的結果[19]見圖1。

目前的研究更多針對冷縫，主要包括冷縫對混凝土抗壓強度的影響[20]，冷縫的斷裂性能[21]，以及冷縫粘結剪切性能評估[22]。Baloch等[8]研究了不同材料和特殊環境中混凝土的冷縫，包括冷縫對使用再生骨料的混凝土性能的影響，高溫環境對普通混凝土、自密實混凝土和碾壓混凝土中的冷縫的影響。

上述研究中的冷縫，更多地關注于混凝土剛剛經過終凝時所形成的接縫。隨著間隔時間的繼續增加，基體混凝土開始硬化，層面結合性能也會減弱。Fan等[3]在研究普通混凝土粘接時，對不同齡期硬化后的混凝土表面采取添加界面劑、鑿毛的措施，均發現新舊混凝土的劈裂強度隨著舊混凝土的齡期增長而不斷降低，舊混凝土齡期達到10 d時，劈拉強度相比于1 d時下降20%～30%，之后隨著齡期的增加，劈拉強度下降趨于緩慢。

2.2 干濕狀態對層面結合性能的影響

干燥界面會導致交界面附近的水泥水化不完全，產生大量氣泡，形成薄弱區域，減小粘結強度[5]；不同飽水狀態下，新舊界面過渡區微觀分析有明顯的差別，含水量高的表面，增加了界面過渡區的水灰比，孔隙率增加，而含水量低的表面，界面過渡區水灰比小，孔隙率低[23-24]。拉拔試驗、抗折試驗中，含水量高的界面具有更高的界面粘結強度；但在剪切試驗中，含水量高的界面并不一定會產生更高的粘結強度[26]（見圖2），而有些試驗中，含水量高的界面反而會產生較低的粘結強度，甚至不會對粘結強度產生影響[8，23-26]。

Varga等[23]發現處于飽和面干的試樣與新混凝土進行粘結后，其拉拔強度比未經過處理的高；Dale等[24]的研究表明表面含水量較高的基體比含水量較低的基體具有更高的剪切強度；Farzad等[7]發現干燥界面的抗彎強度要低于濕界面的基材混凝土試件。而Beushausen等[26]使用類似雙面剪切的方法研究水分的影響時候，發現數據存在很大差異；Dale等[24]在斜剪試驗中發現濕度低的界面反而擁有更高的剪切強度，可能是因為水從修復材料流向干燥的基體。

大多數力學試驗中，濕度較高的基體具有更好的粘結強度，但這種增強背后的機制并不明確；盡管學者們已經做了大量的研究，但除Mokarem等[27]的研究外，其他所有研究都是在實驗室條件下進行的，與實際的室外環境存在差異，基體實際的干濕狀態和粘結強度之間的直接關系仍有待進一步考量。

2.3 表面粗糙度對層面結合性能的影響

表面粗糙度使得兩層混凝土之間的接觸面積更大，從而實現更好的層面結合。研究表明：隨著粗糙度的增加，粘結強度增大，但粗糙度不能無限制增大，否則會對混凝土表面造成損傷；粗糙度在較低和較高水平時對粘結強度的提升比較明顯[28]。

Hu等[28]采用劈拉試驗、直剪試驗、斜剪試驗均發現在灌砂深度在中等水平時對強度提升較大，較高水平之后強度甚至會出現下降。Ayinde等[29]通過齒角、齒深、齒分布等控制粗糙度，進行了剪切試驗、劈拉試驗、拉伸試驗，發現這些措施均可以提高層面粘結強度，但過大的齒深或齒角則會降低強度。Momayez等[30]在斜剪試驗中同樣發現粗糙的表面對層面有積極的影響。以上研究均都表明在劈拉和剪切試驗中，粗糙度會對層面粘結強度提升50%～90%，而在斜剪試驗中甚至可以達到3倍以上。

也有學者的試驗結果表明粗糙度的影響很小。Carreno等[31]通過直接拉伸試驗發現粗糙度對自密實高性能混凝土與普通混凝土之間的粘接幾乎沒有影響。結果與Momayez等[32]的結果一致，即粗糙度對拉拔試驗的影響可以忽略不計。然而，在實際環境中，拉伸載荷可能間接來源于壓應力，Tayeh等[33]研究“間接”拉伸載荷和表面粗糙度的關系，同樣發現隨著表面粗糙度的增加，粘結強度有增加的趨勢。

2.4 界面劑對層面結合性能的影響

涂刷界面劑可改善界面區微觀結構的密實度、水化產物形貌及其分布特征，增大機械咬合作用，提高粘結強度[34]。

使用水泥砂漿作為界面劑在工程實際中比較常見。許多學者的研究都表明砂漿界面劑可以提升界面的粘結強度[35]，但Delatte等[36]的研究發現，使用砂漿作為界面劑可能會產生一個薄弱面。

環氧樹脂同樣也作為常用的界面劑，使粘結強度較砂漿顯著提高。在眾多學者的研究中[8，37-40]，使用環氧樹脂分別將新拌和硬化的混凝土粘結到硬化的混凝土上，分析了它們的界面參數，表明環氧樹脂界面劑的使用可以等效于表面粗糙度的處理，且獲得的粘結強度更高。Manzur等[35]的研究表明，如果使用具有快速硬化特性的環氧樹脂，可以提高斜剪粘結強度。Newlands等[41]發現，當環氧樹脂的厚度從2 mm增加到4 mm時，會降低冷縫的影響，顯著提高抗剪和抗拉強度。但環氧樹脂在某些惡劣環境下粘結強度會產生損失[42]，Alachek等[43]報道了凍融作用下接縫混凝土粘接區出現的微裂縫，而浸入水中的高溫會導致聚合物的塑化，這是一個不可逆的過程，導致粘結強度的損失。不同界面劑下劈拉試驗的結果[44]見圖3。

還有學者對各種新型界面劑開展研究，陳建國等[45]用水泥凈漿作為界面劑，單摻硅灰或聚丙烯纖維以及兩種材料復摻。馮穎慧等[46]研究一種新型AS界面劑，即在硅溶膠中添加硅粉和粉煤灰。Fahim等[47]研究了地質聚合物水泥漿作為界面劑。Xiong等[48]發現硅烷偶聯劑可以有效改善修復材料與舊混凝土之間界面過渡區的微觀結構。Pang等[49]應用納米二氧化硅改性硅烷作為環氧改性砂漿和混凝土結構之間的界面偶聯劑，提高了粘結強度和韌性。

2.5 新澆筑混凝土性能對層面結合性能的影響

（1）新澆筑混凝土的工作性對粘結強度的影響。通過提高新澆混凝土和易性，可以提高其對基體混凝土和相關接觸區域（互鎖）的附著力和粘合強度[8]。Megid等[50]認為流動性大的混凝土可以增強毛細吸力，從而改善其機械錨固并最終改善粘合強度。Diab等[6]加入聚丙烯纖維，使得自密實混凝土流動性提高，粘結強度增加。Farzad等[7]發現UHPC可以通過表面孔隙及裂紋滲透，提高附著力并產生耐久性較好的界面。

（2）新澆筑混凝土的強度對粘結強度的影響。Julio等[51]通過斜剪試驗發現，相對于基體混凝土的抗壓強度，增加修復混凝土的抗壓強度可以提高粘結強度。Gao等[52]使用抗壓強度不同的兩種膠凝復合材料加固舊混凝土，拉伸試驗結果表明，抗壓強度越高對應的粘結強度越高。Bonaldo等[53]研究了不同強度等級的新澆筑混凝土，得出了同樣的結論。關于新澆混凝土的抗拉強度，Farzad等[7]的結果也表明抗拉強度增加，粘合強度增加。

（3）新澆筑混凝土的早期收縮對粘結強度的影響。Vagra等[54]認為收縮會在界面處產生剪切應力，導致過早開裂，粘合強度降低。Beushausen等[55]認為軸向應力和彎曲應力過大，極端限制可能導致新澆混凝土脫粘和卷曲。Hossain等[56]認為低收縮響應有利于形成持久的粘結，且新澆混凝土的干燥和固化引起的裂縫可能會促進水和侵蝕性離子的進入，使耐久性降低。

2.6 外部環境對層面結合性能的影響

Zhang等[57]開展了常溫和高溫蒸汽養護條件下混凝土的粘結研究，發現高溫蒸汽養護會導致粘結強度的下降，可能的原因是收縮發展趨勢的差異性。Pandey等[58]對比了在實驗室養護和在戶外養護的混凝土粘結性能，發現差距較大，主要原因在于溫度和濕度變異性較大，以及雨水等一些條件的干擾。

高溫環境會對混凝土層面的物理力學性能和耐久性能產生不利的、不可逆轉的影響，對混凝土結構的安全構成嚴重威脅[52]。Memon等[59]指出，高溫可能導致界面差動膨脹、蠕變。Khan等[60]認為這種不利影響主要與混凝土材料本身的性能有關，在100℃以上，游離水開始迅速蒸發，緊接著是鈣礬石脫水，使得層面結合性能減弱。

硫酸鹽會對層面結合性能產生不利影響，主要是由于鈣礬石的產生使層面產生膨脹，從而使層面分離。Gao等[61]發現NC-NC在90次硫酸鹽暴露循環后分離，而SHCC-NC由于其緊密的粘結面積和較低的鈣礬石形成，即使在120次循環后仍能提供粘附性和化學吸附性。合適的抗硫酸鹽水泥（低C3A），或者水泥中含有較高的C4AF也可以減少膨脹鈣礬石的形成，適當添加硅灰、粉煤灰、高爐爐渣和偏高嶺土等輔助膠凝材料同樣可以抑制這種膨脹現象[8]。

3 結論與展望

混凝土層面結合性能受諸多因素的影響，如澆筑間隔時間、干濕狀態、表面粗糙度、界面劑、新澆筑混凝土性能和外部環境等。隨著間隔時間的延長，層面結合性能逐漸降低；含水量高的界面在部分試驗中具有更高的界面粘結強度；中等水平的粗糙度會提高層面結合性能；選取合適的界面劑，如有機界面劑，能夠大幅提升界面粘結強度；選取性能優異的混凝土，澆筑時避免高溫、硫酸鹽等外部環境的影響，都能在一定程度上改善層面結合性能。

基于對混凝土層面結合性能影響因素的分析、歸納和總結，針對混凝土層面結合性能的研究，進行了如下構想和展望。

（1）特殊界面劑的使用。綜合以上無機界面劑和有機界面劑各自的優缺點，有必要設計出兼具強度和耐久性的界面劑，更好地提升層面結合性能。

（2）制備工藝的優化。振動臺高、中、低頻振搗的組合，尤其是在混凝土終凝之前，通過振搗對層面性能產生影響，從而消除界面；低頻和高頻攪拌方式的組合，會不同程度影響混凝土層面性能，可以從制備工藝角度提出優化解決方案。

（3）層面性能的評價指標。對于表面濕度和粗糙度，可以提出諸如折壓比、拉折比等指標進行合理評價，更好地描述層面性能。

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Abstract：The bonding performance of concrete is influenced by various factors such as pouring interval，dry/wet state，surface roughness，interfacial agent，properties of the newly poured concrete，and external environment. A summary and analysis of literature in China and abroad reveal that the bonding performance of concrete can be significantly improved by using short pouring intervals，relatively humid matrix，moderately rough surface，suitable interfacial agents，high-quality concrete，and appropriate pouring environment. Prospects for the use of special interface agents，optimization of preparation technology，and evaluation of bonding performance are also discussed. The research results may provide reference for theoretical and experimental research on the bonding of concrete surfaces.

Key words：concrete；interlayer bonding performance；strength