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摘 要:从粘结机理分析入手,对影响层间粘结的因素进行分析,采用A 聚合物乳液作为界面剂,对界面处理、界面剂施工方法进行研究,得出采用论文推荐的界面剂和工艺施工,新旧混凝土界面粘结强度不低于整体C35 混凝土的结论,突破了超薄混凝土罩面的层间粘结关键技术。
关键词:超薄混凝土,层间粘结,聚合物乳液
由于路基的工后沉降导致混凝土路面板的沉降是高速公路在运营的前期经常遇到的问题,这种沉降随着时间的推移会逐渐稳定下来,但沉降造成的路面平整度下降将影响路面的行驶质量,传统的维修方法一般是凿除沉降的混凝土路面,再浇筑新的混凝土面板,以恢复路面的标高。传统的方法由于工期太长将严重影响到高速公路的运营,而且凿掉混凝土面板既浪费资源,又增加维修成本,凿掉的混凝土还要找地方堆放,对环境将产生二次污染。超薄水泥混凝土罩面研究是基于对现有水泥混凝土路面板的充分利用,在对现有路面的表面进行必要的处理后加铺早强超薄混凝土结构层,该混凝土的厚度最小8 cm ,达到恢复路面标高并实现快速通车的目的。笔者将介绍其关键的核心技术之一即新旧混凝土板之间的粘结技术。
1 超薄混凝土及层间粘结技术综述
超薄水泥混凝土罩面是指罩面厚度为50 mm～100 mm 之间的混凝土,英文名为Ultra2Thin Whitetopping ,简称UTW,主要用于路面的维修罩面工程,混凝土层间粘结技术是其核心技术之一。
对于混凝土层间粘结技术,国外在20 世纪末和21 世纪初进行过相应的研究。其中主要以马索,Wall ,Bijien ,Frebrich M. H 等人提出的研究成果最具代表性。马索提出界面过渡区形成机理的假说,他认为在混凝土拌和过程中,在骨料表面形成一层几个微米厚的水膜,而无水水泥的分布密度在紧贴骨料处几乎为零,然后随着距离增大而增高。所以在这层水膜中可以认为基本上不存在水泥颗粒。当水泥化合物溶解于水之后,溶解的离子即扩散进入这层水膜。如果是不溶性骨料,水膜中的离子全部来自水泥熟料及石膏,但如果骨料是部分可溶性的,则骨料所溶出的离子在骨料表面密度最大。马索上述假设中离子浓度分布曲线凹陷处可能形成大晶核及高孔隙率,是界面中的薄弱区。Wall[6 ]提出新旧混凝土的粘结界面状况与水泥—集料的界面状况相类似,也就是说可以把旧水泥混凝土看作大的集料。Bi2jien[7 ]曾提出新旧混凝土粘合是以范德华力、机械咬合力、表面张力等各种各样的物理力共同作用来实现的。同时,Bijien 等[7 ]还认为2312356水泥颗粒(平均细度为30μm) 在毛细孔(nm) 中水化是不可能的,所以新旧混凝土界面的机械咬合作用很弱。Frebrich M. H[8 ]同样根据润湿有利于提高粘结强度的试验结果,认为界面粘结是一种热力学作用,也就是说,界面作用是由于物质的表面张力引起的。同样Bruyne N. A[9 ]和Smorjai G. [10 ]通过光谱仪分析发现在硅胶和玻璃之间存在化学粘结作用。然而还未见到对新混凝土与龄期很长的旧混凝土之间的粘结界面是否存在化学作用的报道。
从以上国外对新旧混凝土界面区性能的研究我们可以发现,目前国外对于新旧混凝土界面区粘结理论还不成熟,主要分为
4 种观点:1) 马索的观点;2) Wall 等人认为的新旧混凝土的界面粘结类似于整体混凝土中骨料与水泥浆的粘结的观点;3) Bijien等人认为新旧混凝土是以范德华力、机械咬合力、表面张力等各种各样的物理力来实现粘结的观点;4) Frebrich M. H 等人提出的认为界面作用是由于物质的表面张力引起的,新旧混凝土的界面粘结作用力不仅有物理作用力还有化学作用力的观点。
国内对新旧混凝土之间的粘结研究主要集中在以下两种观点[123 ] :一种观点是汕头大学提出的将新旧水泥混凝土的粘结界面分成三个过渡层的理论:第一层为扩散层,第二层为强效应层,第三层为弱效应层,这三个效应层中的强效应层的性能又由界面剂的性能、修补材料类型和表面状况决定。由于水泥混凝土是亲水性物质,修补时会在旧混凝土的表面形成一层薄薄的水膜,使得旧水泥混凝土表面的水灰比比新水泥混凝土的本体高。高水灰比使得其界面的钙矾石和氢氧化钙晶体的数量增多,形态变大,粗大的氢氧化钙晶体和钙矾石往往导致形成择优取向层,也就是说形成强效应层。这些粗大的晶体形成的结构的孔隙较新水泥混凝土本体多,结晶差的C2S2H 以及氢氧化钙和钙矾石的较小的二次结晶体便填充在这些空隙内。强效应层的厚薄和性能对界面粘结的影响显著,一般来说强效应层越薄则界面粘结性能越好,宏观粘结强度就越高。另外该层的孔隙率越少,C2S2H 以及氢氧化钙和钙矾石二次结晶体进入空隙的越多,则界面的粘结性能越好。另一种观点是哈尔滨建筑大学的博士生高剑平等人提出的,他们认为界面区中主要存在有C2S2H 凝胶、C2H 晶体、Aft 和未水化的熟料颗粒及孔洞、裂缝。界面区中C2H 晶体数量多而且尺寸较大,同时界面区中孔洞较多时,对界面粘结将产生不利影响。
2 新旧水泥混凝土粘结机理及影响因素分析
2. 1 界面区的粘结力分析
综合国内外的研究成果,笔者认为对于新旧水泥混凝土板的粘结,可以将旧水泥混凝土板的粘结界面看作一个大的集料,情况与新水泥混凝土中水泥与其本身集料之间的界面类似。新旧水泥混凝土板之间的粘结力是由范德华力、机械咬合力、表面张力等物理力和化学键力组成的。其中范德华力要达到较高水平,那么旧水泥混凝土板必须与现浇水泥混凝土有充分密切地接触,因此,新浇筑的水泥混凝土必须有良好的振实工艺。
机械咬合力的大小,主要由3 个方面决定:1) 新水泥混凝土与旧水泥混凝土界面板的接触面积越大,则机械咬合力越大。为此,必须增加旧水泥混凝土板粘结界面的粗糙度,当旧水泥混凝土板的粘结面被处理成凸凹不平的表面时,其咬合面积远大于未处理前的面积。2) 新旧水泥混凝土界面处浆体的数量。由于水泥混凝土的流动性和工作性能等因素影响,浇筑新水泥混凝土时,新水泥混凝土中的粗骨料在振捣过程中容易在新旧水泥混凝土界面处聚集,导致粗骨料和旧水泥混凝土板接触,水泥浆体上浮,即形成所谓“点接触”,造成界面处缺浆而有效接触面积降低,而且界面处新浇筑的水泥混凝土不密实。3) 界面浆体的强度。其主要由浆体的水灰比,孔结构,浆体的收缩性能等决定。因为这些因素影响着新水泥混凝土的水化产物,包括Ca (OH) 2 ,Aft ,C2S2H 等在旧水泥混凝土板中大的孔隙(或裂缝) 中的生长,影响着新水泥混凝土中的C2S2H 凝胶的毛刺向外辐射进入旧水泥混凝土板的毛细孔内,影响着针状钙矾石长入其毛细孔中,影响着新水泥混凝土的C2S2H 毛刺状物与旧水泥混凝土板的C2S2H 凝胶相互交错(即C2S2H 进入旧水泥混凝土的胶凝孔中) ,影响着旧水泥混凝土板中未水化部分或未完全水化部分在新水泥混凝土中生长长大(尤其旧水泥混凝土板的龄期较短时) 。
2. 2 界面区新水泥混凝土收缩对粘结的影响
新旧水泥混凝土板之间存在收缩差,新水泥混凝土的收缩主要由水泥石的生成引起。由于集料相对于水泥石来说基本无收缩,而且刚度大,水泥石生成产生的收缩作用使得集料受压,也使得界面附近生成的水泥石沿集料表面法向受压、切向受拉,见图1。应力场由集料表面向生成的水泥石深处逐渐减小,界面位置承受的应力最大。如果收缩应力足够大,界面首先出现沿集料表面法向的裂缝,见图1 。
正是由于界面处新旧水泥混凝土不同的收缩量使得界面处产生了拉应力,当拉应力达到水泥混凝土的极限承受力时,结构就被破坏。因此,在配制新旧水泥混凝土粘结的界面剂时应当考虑使用收缩尽可能小的材料。这样,使得新旧水泥混凝土界面处不产生或仅产生很小的位移,使界面处的应力在水泥混凝土的极限应力以内,以达到良好粘结的目的。
2. 3 旧水泥混凝土板粘结面粗糙度对粘结的影响
现代光谱分析技术对硬化后水泥混凝土抛光面的能谱透射电镜分析表明:骨料与水泥石之间有一过渡层,主要由C2H 结晶组成,与其他部分的水泥石相比,界面过渡区多孔、稀疏,它是混凝土中最薄弱的部位。界面过渡区的形成与骨料大小、形态及表面结构有关,其强度是由骨料和水泥浆体间的粘结决定的。
在外部荷载作用下,水泥混凝土内部的界面裂缝尖端形成应力集中,并使微裂缝沿混凝土内的最薄弱区———水泥石与集料界面扩展,并随着荷载的增大而扩展到基材中,当荷载达到某一临界状态时,水泥混凝土中的主裂缝发生不稳定扩展,相互贯通形成破坏面,从而导致混凝土整体失去承载力[4 ] 。
2. 4 聚合物对粘结的影响
在水泥基界面剂中掺入聚合物后,会使水泥基界面剂的性质发生一系列变化,例如:抗折强度、抗压强度、弹性模量、柔性、变形能力、耐磨性、粘结强度、耐久性等都会发生变化。由于聚合物,特别是高活性聚合物,容易与水泥水化产物及其新旧水泥混凝土产生化学键,化学键的键能比一般极性力、范德华力大得多,因此,对于新旧水泥混凝土的界面粘结技术研究,应当主要研究分析聚合物使新旧水泥混凝土的粘结强度发生的变化。
关于聚合物乳液对水泥基界面剂的改性作用,目前比较一致的看法是,改性作用是通过聚合物在水泥浆与骨料间形成具有较高粘结力的膜,并堵塞砂浆内的空隙来实现的。水泥水化与聚合物成膜同时进行,最后形成水泥浆与聚合物膜相互交织在一起的互穿网络结构。含有化学反应活性基团的聚合物可能会与水泥水化生成的氢氧化钙表面或集料表面的硅酸盐发生化学反应,这种化学反应可改进水泥水化产物与骨料之间的粘结,从而改善新旧水泥混凝土的粘结性能。
3 聚合物乳液改性水泥基界面剂研究
据资料报道,可用来对水泥进行改性的聚合物乳液有多种,例如:橡胶乳液(包括天然橡胶乳液、合成橡胶乳液等) 、丙烯酸酯乳液、丙烯酸乳液、改性合成橡胶乳液、聚醋酸乙烯酯乳液等。课题组通过分析和实验研究,开发出改良的A 聚合物乳液,用于界面粘结,下面介绍相关的实验研究。
3. 1 A 聚合物乳液涂刷方法研究
实验选用纯水泥浆做对比分析,对于A 聚合物乳液分别采用直接涂刷和稀释后涂刷两种方法做对比,实验结果见表1 。
表1 A 乳液不同使用方法对新旧水泥混凝土界面的粘结强度试验
从表1 可以看出,相对于普通的水泥浆,用A 聚合物乳液可以提高界面的粘结强度,提高幅度平均为18 % ,当把A 聚合物乳液先稀释后再涂刷,效果非常明显,相对于普通的水泥浆,粘结强度可提高48 %。
3. 2 A 聚合物乳液水泥砂浆界面剂研究
1) 纯水泥浆与纯水泥浆+ 水泥砂浆对新旧水泥混凝土粘结强度对比实验。根据前述新旧水泥混凝土粘结机理的分析研究,在旧水泥混凝土的粘结面上直接浇筑新水泥混凝土,在新浇筑的水泥混凝土被振实的过程中,水泥浆液由于比重较小,便上浮,有些还上浮到表面,而粗骨料由于比重较大,便下沉,而且有些已经下沉至底,直接落在旧水泥混凝土的粘结面上。由于新水泥混凝土中粗骨料的支撑作用,在新旧水泥混凝土的界面上就会形成疏松,甚至空隙,使新旧水泥混凝土之间不能充分接触,直接降低了新旧水泥混凝土间范德华力、极性力和化学键力的形成,最终降低了新旧水泥混凝土应有的粘结力[5 ] 。这一机理的分析,已被对纯水泥浆液和纯水泥浆液+ 水泥砂浆两种界面剂的对比使用试验初步证实(见表2) 。表2 证明,纯水泥浆+ 水泥砂浆形成的界面剂的粘结强度远高于纯水泥浆作为界面剂的粘结强度,提高幅度达11. 1 %。
2) 聚合物乳液A 改性水泥砂浆使用效果比较。通过配合比实验,确定了聚合物乳液A 改性水泥砂浆的初步配合比,下面研究改变该水泥砂浆的使用方法,看其对新旧水泥混凝土粘结效果的影响。
由表3 可以看出:a. 将界面剂1 和2 的试验结果对比。在纯水泥浆界面剂的基础上,加用1 cm～2 cm 厚未经聚合物乳液改性的水泥砂浆,组成复合界面剂,比单用纯水泥浆的效果好,使新旧水泥混凝土的粘结劈裂抗拉强度提高了9 % ,可以证实水泥砂浆可以填充由于新水泥混凝土的粗骨料在混凝土振实过程中下沉、水泥浆上浮,在新旧水泥混凝土的界面区形成的疏松和空隙;b. 比较界面剂3 和4 。界面剂4 使用了1 cm～2 cm 厚用聚合物乳液A 改性的水泥砂浆,使新旧水泥混凝土的粘结劈裂抗拉强度又提高了28 % ,达到和超过了C35 新水泥混凝土整体试件的劈裂抗拉强度。进一步证实了水泥砂浆可以填充新水泥混凝土的粗骨料在混凝土振实过程中下沉、水泥浆上浮,在新旧水泥混凝土的界面区形成的疏松和空隙,使新旧水泥混凝土的粘结力得到明显的实质性的提高;c. 比较界面剂2 和4 。界面剂4 不仅在先涂层,而且在其后的聚合物乳液改性水泥砂浆中都使用了聚合物乳液A ,因此,使新旧水泥混凝土的粘结劈裂抗拉强度比完全不使用聚合物乳液A ,但都使用先涂层和砂浆的界面剂4 提高了49 % ,足以说明聚合物乳液A 能非常显著地提高新旧水泥混凝土的粘结力;d. 比较界面剂4 和C35 新水泥混凝土整体试件。界面剂4 由于在先涂层和其后的水泥砂浆中都使用了聚合物乳液A ,使新旧水泥混凝土的粘结劈裂抗拉强度不低于C35 新水泥混凝土整体试件的劈裂抗拉强度,说明界面剂4 可以用于水泥混凝土超薄层罩面,其层间粘结强度不低于整体混凝土的强度要求。
4 结语
通过对新旧混凝土界面粘结机理分析和聚合物乳液界面剂的应用研究,得出如下结论:1) 新旧混凝土界面的机械咬合力与接触面积、浆体的数量和强度有关,研究形成了加大界面粗糙度,采用聚合物界面剂先封闭界面的孔隙,再用聚合物砂浆作为界面剂的整套界面处理技术方案。2) 开发出了A 聚合物乳液界面剂,用于超薄混凝土罩面的混凝土层间粘结,其劈裂抗拉强度可达到3. 5 MPa ,大于完整的C35 混凝土试件的劈裂抗拉强度。该界面剂的开发成功,解决了超薄混凝土罩面的关键技术。3) 实验研究证明聚合物乳液砂浆优于单纯的聚合物乳液的粘结性能,从涂刷的不同方法入手,找出了A 聚合物乳液的使用方法,研究表明,采用论文推荐的方法,使用A 聚合物乳液处理后的混凝土界面粘结强度不小于整体混凝土的劈裂抗拉强度,具有优良的路用性能,可满足超薄混凝土罩面的工程需要。
参考文献:
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