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新舊混凝土結合面成為受力薄弱環節原因初探

時間:2007-06-19  來源:  瀏覽:9239次
關鍵詞現場施工事故處理問題的提出人們對新舊混凝土結合面的粘結強度達不到相應整澆混凝土的強度的原因還不十分清楚,需要探索…由于舊混凝土的親水性,修補時會在舊混凝土表面形成水膜,使結合面處新混凝土的局部水灰比高于體系中的水灰比,導致界面鈣礬石和氫氧化鈣晶體數量增多,形態變大,形成擇優取向,降低界面強度…成因的探討以亞微觀層次而論,混凝土可視為由粗細骨料顆粒分散在水泥漿基體中所組成
新舊混凝土結合面成為受力薄弱環節原因初探摘要:無論是已建工程的加固、修補還是工程新建中經常遇到在已硬化的混凝土上或已鑿除劣化、酥松部分露出堅實的混凝土基層上澆筑新混凝土或砂漿的問題,象梁、板、柱的加大截面加固、水工結構中老的壩體加高、剪力墻施工縫、疊合梁的施工等等,涉及到新舊混凝土能否結合為整體共同工作,特別是構件中承受很大剪力和拉力部位的加固。新舊混凝土的結合面是一個薄弱環節,其界面粘結強度一般都低于整澆混凝土的強度,極大地影響了結構的可靠性。此外還有大量的混凝土結構物、構筑物因混凝土碳化、鋼筋銹蝕、凍融循環而造成混凝土剝蝕破壞等的修補,這類不以承受荷載為主的表面、面層的修補,主要是滿足抗滲、抗碳化、抗凍融性、耐腐蝕性等要求以增強結構的耐久性,它們也要求與基層混凝土具有良好的粘結力,這是達到修補目的的必要條件。處于惡劣的自然環境下工程的修補由于修補材料粘結力過低而導致修補失敗的例子很多,原因之一就是修補材料與基層混凝土之間的粘結力不足以抵抗各種因素在新舊混凝土結合面處產生的附加應力而導致修補失敗。

關鍵詞:現場施工事故處理



1、問題的提出

人們對新舊混凝土結合面的粘結強度達不到相應整澆混凝土的強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問題的根本解決需要從混凝土材料微觀結構的角度闡明其粘結機理,建立微觀結構的分析和宏觀力學性能之間的聯系,將有助于我們從本質上認識新舊混凝土粘結問題,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骨料顆粒分散在水泥漿基體中所組成的兩相復合材料。以微觀層次而論,則顯示出混凝土結構的復雜性,混凝土結構的兩相組成,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域是致密的,如骨料;而另外一些區域是高度多孔的。在貼近大顆粒骨料表面硬化水泥漿體的結構與系統中水泥石或砂漿的結構差別很大。事實上,在荷載作用下混凝土力學行為的許多方面只能將水泥漿-骨料界面視為混凝土結構的第三相才能作出合理的解釋。第三相,即界面區相,或稱為過渡區相,代表著粗骨料與硬化水泥漿體的過渡區,過渡區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,界面區對混凝土力學行為的影響很大,界面的結構與界面的力學性能有密切的關系,現在比較一致的看法是硬化水泥漿與骨料之間存在過渡區,對于過渡區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的組成及結構。

2.1界面過渡區的組成

界面區中主要存在有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。界面區中C—H晶體數量多而且晶體尺寸較大,同時界面區中孔洞較多時,對界面粘結將產生不利影響。

2.2界面過渡區形成機理

馬索〔1〕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。因此,在這層水膜內,最先形成水化產物晶核的是先擴散進入水膜的離子,對普通硅酸鹽水泥即是鈣礬石和氫氧鈣石。

水膜內水化產物晶體是在溶液中形成晶核而長大,由于膜內過飽和度不高,有充分空間讓晶體生長,故形成的水化產物晶體尺寸較大,所形成的網狀結構較為疏松,以后活動性較差的鋁離子、硅離子陸續進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。

雖然目前對界面過渡區的結構及形成機理的了解還不深入,但從破壞過程來看作為混凝土的內部結構,界面過渡區至少具有以下幾個方面的特點:(1)界面過渡區中晶體比水泥漿體中本體中的晶體粗大。(2)界面過渡區中晶體有擇優取向。(3)界面過渡區中晶體比水泥漿體中本體具有更大、更多的孔隙。這些特點決定了界面過渡區強度低,容易引發裂縫,并且裂縫易于傳播,從而使界面過渡區成為最薄弱的環節。骨料與基體界面是一個固—液—氣三相多孔體,對界面的粘結性能起決定性作用。界面過渡區的性能主要取決于這些組成的性質相對含量及它們之間的相互作用。由于界面過渡區的顯著結構是C—H晶體富集并產生取向性,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絡結構。雖然決定界面性質的因素很多,但C—H的取向和富集形成薄弱層界面是主要物理化學原因之一,它間接反映了界面層的孔結構和致密性。所以要增強界面區尤其是強化最薄弱層,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,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的性狀和結構。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減少。因此,界面形成疏松的網絡結構,原始裂縫增多變大,界面粘結強度下降,削弱了界面效應。因此,降低水灰比,減小水膜層,改善過渡區性狀,是發揮界面效應的主要措施。

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,而這恰恰是三相中最弱的界面層。實際上,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要復雜,但目前過渡區理論還在探索,在沒有定論的情形下,我們不妨簡單探討一下,有助于指導我們從物質微觀結構這一層次上認識界面粘結問題的本質和影響因素,以采取一定的措施、方法來增強新舊混凝土界面粘結性能。

我們認為在同樣的受力條件下,新舊混凝土的結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,而這個過渡區本來就是一個薄弱環節。由于舊混凝土的親水性,修補時會在舊混凝土表面形成水膜,使結合面處新混凝土的局部水灰比高于體系中的水灰比,導致界面鈣礬石和氫氧化鈣晶體數量增多,形態變大,形成擇優取向,降低界面強度。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富集,顯著降低界面強度。這是物質結構化學方面的原因,是影響新舊混凝土結合本質的內因。

(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性,它主要用于包裹混凝土中的骨料,使之硬化成堅硬的水泥石。在新混凝土中的骨料經過充分攪拌、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,使具有粘結性的水泥漿不能完全滲入孔隙中去,形成“缺漿”現象,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,這樣使得粘結界面處的新混凝土中出現空隙,影響了新舊混凝土的粘結強度。

(3)我們知道,整澆混凝土中骨料與水泥石之間粘結裂縫的延伸、擴展、連通最后導致混凝土破壞。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,機械咬合對宏觀粘結強度起主要作用。從微觀上看,它增加了有效的真實接觸面積,粘結力也會大大增加。同時,骨料表面的凸起對界面區結構有增強作用,并能改變界面裂縫擴展方向,使裂縫擴散“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。修補材料與舊混凝土之間存在物理化學性質差異,由于冷熱交替、凍融循環作用及新混凝土的收縮而在結合面處引起附加應力,誘發“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、缺陷產生的概率較大,再加上界面比較“平坦”不能使裂縫擴散“路徑”曲折,消耗能量,所以一旦從這一區域引發了裂縫,裂縫尖端處應力集中,就會導致裂縫迅速開展和傳播,新舊混凝土界面承載能力會進一步被削弱,最后導致界面處首先破壞,即破壞總是從最薄弱環節開始。

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:如果我們能象加強整澆體系中骨料和水泥石界面一樣加強新舊混凝土的界面,也許是解決新舊混凝土粘結問題的一個途徑。實踐中,我們可以從幾個主要影響因素入手加強新舊混凝土的粘結。實際上,工程應用中也已采取了一定的實踐證明是行之有效的辦法。解決這一問題應首先從物質結構層次方面著手,使新舊混凝土接觸的界面區結構得到加強。根本渠道在于研制開發使用性能優異的界面劑(譬如低水灰比的水泥凈漿或某些復合材料)或特種混凝土(譬如加入硅粉的混凝土)。其次,新舊混凝土結合面在不損傷骨料與舊混凝土粘結的前提下要經過適當的粗糙處理,一是除去油污灰塵等雜物,二是增大結合面面積,增大機械咬合作用;再次是加強施工質量,這一點也不容忽視,結合面處的混凝土要加強振搗,使其密實,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“點接觸”,也能使水泥漿更好地滲透到舊混凝土中去。最后應注意加強養護以利于水泥的充分水化。

(王小闖)

來源:中國論文下載中心

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