新舊混凝土結(jié)合面成為受力薄弱環(huán)節(jié)原因初探

　　1 問題的提出

　　人們對新舊混凝土結(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

　　以亞微觀層次而論，混凝土可視為由粗細(xì)骨料顆粒分散在水泥漿基體中所組成的兩相復(fù)合材料。以微觀層次而論，則顯示出混凝土結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，混凝土結(jié)構(gòu)的兩相組成，既不是彼此均勻分布，而兩相體本身組成也不均勻，象硬化混凝土中某些區(qū)域是致密的，如骨料；而另外一些區(qū)域是高度多孔的。在貼近大顆粒骨料表面硬化水泥漿體的結(jié)構(gòu)與系統(tǒng) 中水泥石或砂漿的結(jié)構(gòu)差別很大。事實(shí)上，在荷載作用下混凝土力學(xué)行為的許多方面只能將水泥漿-骨料界面視為混凝土結(jié)構(gòu)的第三相才能作出合理的解釋。第三相，即界面區(qū)相， 或稱為過渡區(qū)相，代表著粗骨料與硬化水泥漿體的過渡區(qū)，過渡區(qū)圍繞大骨科周圍存在一層薄層，厚約10～50μm，通常比混凝土的其它兩相組成要弱，因此，界面區(qū)對混凝土力學(xué) 行為的影響很大，界面的結(jié)構(gòu)與界面的力學(xué)性能有密切的關(guān)系，現(xiàn)在比較一致的看法是硬化水泥漿與骨料之間存在過渡區(qū)，對于過渡區(qū)人們提出了幾種模型，這里不詳述。首先我 們大致了解一下界面過渡區(qū)的組成及結(jié)構(gòu)。

　　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)2〕、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，同時界面區(qū)中孔洞較多時，對界面粘結(jié)將產(chǎn)生不利影響。

　　2.2　界面過渡區(qū)形成機(jī)理

　　馬索〔1〕提出界面過渡區(qū)形成機(jī)理的假說。他認(rèn)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(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料表面密度最大。

　　由于骨料總會有部分離子析出，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 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固—液 —?dú)馊喽嗫左w，對界面的粘結(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)相對含量及它們之間的相互作用。由于界面過渡區(qū)的顯著結(jié)構(gòu)是C—H晶體富集并產(chǎn)生取向性，晶體平均尺寸較大，孔隙尺寸和孔隙率均較大，即界面存在著大量有缺陷 的疏松的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。雖然決定界面性質(zhì)的因素很多，但C—H的取向和富集形成薄弱層界面是主要物理化學(xué)原因之一，它間接反映了界面層的孔結(jié)構(gòu)和致密性。所以要增強(qiáng)界面區(qū) 尤其是強(qiáng)化最薄弱層，消除和減小界面層與基體間的差異，必須減少C—H含量，打亂其取向性，降低孔隙率。

　　界面離子濃度及其分布與水膜層的厚度有關(guān)，而水膜層的厚度在很大程度上取決于水灰比的大小，它直接影響界面過渡區(qū)的性狀和結(jié)構(gòu)。隨著水灰比的增大，水膜層變厚，其 中離子濃度降低。對硅酸鹽水泥而言，水膜層中最先生成的晶體是鈣礬石和氫氧鈣石，在它們生長過程中，當(dāng)水灰比大時，將無約束地使晶體不僅生長得很大，而且易于在骨料表面定向排列，使晶體孔隙率增大，并有礙于C—S-H凝膠與骨料的接觸，由于離子濃度下降，水化生成的C—S—H凝膠也必然減少，使得凝膠與骨料表面接觸點(diǎn)減少。因此，界面 形成疏松的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，原始裂縫增多變大，界面粘結(jié)強(qiáng)度下降,削弱了界面效應(yīng)。因此，降低水灰比，減小水膜層，改善過渡區(qū)性狀，是發(fā)揮界面效應(yīng)的主要措施。

　　新舊混凝土的界面同樣存在類似于整澆混凝土中骨料與水泥石接觸的這樣一個過渡區(qū)，而這恰恰是三相中最弱的界面層。實(shí)際上,舊混凝土界面存在露出的骨料和已硬化的 水泥石，舊混凝土的界面處可當(dāng)作骨料部分，同樣是骨料與水泥石的接觸界面，問題可能比整澆混凝土中骨料與水泥石界面過渡區(qū)要復(fù)雜，但目前過渡區(qū)理論還在探索，在沒有定論 的情形下，我們不妨簡單探討一下，有助于指導(dǎo)我們從物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)這一層次上認(rèn)識界面粘結(jié)問題的本質(zhì)和影響因素，以采取一定的措施、方法來增強(qiáng)新舊混凝土界面粘結(jié)性能。

　　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)，而這個過渡區(qū)本來就是一個薄弱環(huán)節(jié)。由于舊混凝土的親水性，修補(bǔ)時會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?、振搗被水泥漿包裹，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，是使骨料與界面突 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。

　?。?）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)力也會大大增加。同時，骨料表面的凸起對界面區(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“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“面”，并且這個“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，就會導(dǎo)致裂縫迅速開展和傳播，新舊混凝土界面承載能力會進(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)問題的一個途徑。實(shí)踐中，我們 可以從幾個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?，一是除去油污灰塵等雜物，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。