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抗裂防水剂对新旧混凝土界面结合的影响研究
水中和1 , 秦明强1 , 刘 佳2 , 陈秋林2
(1. 武汉理工大学硅酸盐材料工程教育部重点实验室,湖北武汉 430070 ;2. 中铁十八局集团武九铁路工程指挥部,天津300222)
1 前言
随着我国铁道运力的增加和速度的提升,许多既有铁路隧道面临改建。在既有隧道的改建过程中,新老混凝土的结合和防水抗渗是最常见的工程问题。为了避免新旧混凝土结合不良而出现渗漏,在实际工程中常掺加防水剂、膨胀剂和界面结合剂等,这些外加剂中不乏集抗渗剂、膨胀剂、减水剂于一身的复合型外加剂。这些外加剂的掺入会提高混凝土的抗渗能力,或有效补偿混凝土的收缩,提高新旧混凝土的界面结合强度。但抗裂防水剂的掺量与新旧混凝土界面结合强度之间的关系没有进行过系统的研究。在武九铁路既有陈家冲隧道改建工程中采用了具有微膨胀功能的HEA – JL 型抗裂防水剂,取得了良好的界面结合和防水抗渗效果。本研究结合该工程实际,采用拉拔强度、劈裂强度和抗折强度等方式评价新旧混凝土界面结合状态,并通过测量掺抗裂防水剂胶砂试件的线膨胀性质,结合显微硬度测量对结果进行验证和分析,试图找出防水剂掺量与界面结合强度之间的关系,用以确定抗裂防水剂的最佳掺量。
2 试验
211 主要原材料及性质
试验中水泥采用华新保垒牌32.5R 早强型普通硅酸盐水泥。砂选用江西瑞昌码头江砂,细度模数为2.90 ,属中砂。粗骨料选用阳新岩下单粒径碎石,粒径在19mm～3115mm 范围内。抗裂防水剂选用江西晶磊建材新技术开发有限公司生产的HEA – JL 型高效抗裂防水剂,抗渗标号大于S30 ,7d 水中限制膨胀率大于0.025 % ,减水率大于12 %。
212 试验过程
21211 新旧混凝土结合状态试验
试验中老混凝土选用龄期超过半年的老混凝土和胶砂试块。混凝土试件的尺寸为150mm ×150mm×150mm , 胶砂试件的尺寸为40mm ×40mm ×160mm。参照混凝土劈裂强度试验方法,先将老试块劈开,然后对断面采用人工凿毛的方法处理,使之暴露出新鲜表面。考虑到隧道内潮湿的环境,老混凝土界面预处理至湿饱和状态,即将老试块用水浸泡24小时。待取出试件界面无自由水后放入试模中,修补时采用侧补,旧混凝土试件大约占据模具的一半,新拌制的混凝土浇筑至模具的另一半。修补时分成三组,每组配合比见表1 。胶砂试块用类似的处理方式,修补时采用的配合比(质量比) 为:水∶水泥∶砂= 0.48∶1∶2.3 ,抗裂防水剂掺量分别取5 % ,6 % ,7 %。试块脱模后放入标准养护室养护至规定龄期。
胶砂试块采用弯曲试验测量抗折强度,混凝土试块分别测量劈裂强度和拉拔强度。拉拔试验装置和测量过程如图1 、2 所示。在制得新旧混凝土结合的试件后,在垂直界面的方向上用钻芯机钻孔,其深度超过界面1cm～2cm。取出钻头后用环氧树脂粘结剂将试件表面和中心带螺母的圆形钢盘连接起来。进一步,试件与Bond – test 装置连接,可将新旧混凝土沿界面直接拉开,测得新旧混凝土界面的结合力。
21212 胶砂试件收缩试验
按表2 中的配比制作砂浆试件,水灰比取0.48 ,防水剂掺量分别取0 ,5 % ,6 % ,7 %。测量砂浆干缩率试件的尺寸为40mm ×40mm ×160mm ,有效长度为140mm ,成型后砂浆带模在标准养护条件下养护1d 后拆模。为了模拟混凝土在较为潮湿的隧道中的变形行为,将用于测定收缩的砂浆试件和支架罩在塑料袋内,并通过塑料袋上的一个小孔经常向试件补充水分保证里面足够的湿度。用胶砂收缩膨胀仪和数据采集系统测量砂浆试件长度的变化量。砂浆的线膨胀率按式εst =ΔL ×106/ 140 计算,式中εst为砂浆所测龄期的收缩率(μm/ m) , 140 为砂浆试块基长(mm) 。
21213 界面显微硬度测量
显微硬度法被广泛用于评价混凝土材料界面性质,根据显微硬度的不同可以判断混凝土骨料与水泥石界面过渡区的宽度和结合状况。一般情况下,混凝土中水泥石与骨料结合越好其界面过渡区的显微硬度值越高。本研究中采用HXS – 1000 型数字式智能显微硬度仪,利用界面处的平均显微硬度来评价新旧混凝土界面处的结合情况。研究中选取带有新旧混凝土界面的试样,对试样进行抛光处理,测量时选取界面两边均是水泥石的点测量(避免一边是骨料的情况) ,一个样本试块测量6 个点,取其平均值作为该试件的显微硬度。另外该仪器附带的显微镜可以观察样本试块中新旧混凝土界面处的结合情况。
图4 显微硬度仪
3 试验结果与分析
补强后混凝土和胶砂试件的7d、28d 抗折强度、劈裂强度、拉拔强度如图5 、6 所示。
图5 不同掺量的抗裂防水剂对7d 强度的影响
图6 不同掺量的抗裂防水剂对28d 强度的影响
从图5 、6 可以看出当抗裂防水剂掺量为6 %、7 %时,无论是7d 还是28d 的抗折强度均大于抗裂防水剂掺量为5 %时的强度,由此可知抗裂防水剂掺量对新旧混凝土界面结合强度有一定影响,当掺量过小时结合强度较低、效果不明显。另一方面,抗折强度并不随着抗裂防水剂掺量的增加而增加。这说明抗裂防水剂的掺量与新旧混凝土界面的结合强度之间存在一个最佳掺量。图5 、6 中抗裂防水剂掺量为6 % ,7 %时的7d 和28d 的劈裂和拉拔强度明显高于抗裂防水剂掺量为5 %时,抗裂防水剂掺量为6 %的7d 和28d 劈裂和拉拔强度和掺量为7 %时非常接近。这也验证了抗裂防水剂的掺量与新旧混凝土界面的结合强度之间存在一个最佳掺量。
高剑平[1 ]研究表明,新旧混凝土界面处新混凝土中的骨料经过振捣可能挤压在界面处,使得骨料与新老混凝土界面形成“点接触”并堆积在旧混凝土表面,阻塞了一部分水泥浆渗入孔隙当中去,形成局部缺浆,使得粘结界面处的新混凝土中出现空隙,影响了新旧混凝土的粘结强度。当掺入7 %的抗裂防水剂,由于抗裂防水剂具有减水剂的功能,掺量为7 %时新混凝土的流动性和和易性能要好于另外两组,这样能够避免大骨料堆积在旧混凝土表面形成“点接触”,水泥浆能更好地渗透到旧混凝土中去,减少孔隙,使得新老混凝土界面处密实,增加了新老混凝土的机械咬合力,提高了界面结合强度。
对此,从A、B、C 三组中各选取了三块试件,其28d 拉拔强度分别为1.1MPa 、1.6MPa 、1.7MPa ,这与各组平均值较为接近,用显微硬度仪观察界面结合状态并测量界面处的显微硬度(图7) 。当用400 倍镜头观察时发现:A 界面结合不紧密,有明显的裂纹,并连续贯穿整个观测区域,其界面处平均显微硬度(6点平均) 为116MPa ,为三组中的最低值;B 界面结合较为紧密, 裂缝不连续, 界面平均显微硬度为166MPa ;C 界面结合紧密,无明显裂缝,界面平均显微硬度(6 点平均) 为178MPa ,比B 略大,为三组之最。这与28d 拉拔强度对应较好。
图7 混凝土界面过渡区平均显微硬度值(6 点平均)
图8 不同抗裂防水剂掺量下试件的线膨胀率随时间变化曲线
另一方面,从图8 可以看出,掺入抗裂防水剂后胶砂试件发生了一定的膨胀,随着抗裂防水剂掺量的增加,试件的膨胀量增大。当掺量由5 %增加到6 %时,膨胀增幅较大,但由6 %到7 %时,增幅明显减弱。这也表明抗裂防水剂掺量过低时补偿收缩的效果也不太明显。研究表明[2～4 ] :为提高新旧混凝土界面结合强度,需降低两者之间的相对变形,减少新混凝土的收缩。当新老混凝土结合时,由于新混凝土的收缩在界面处产生不均匀的变形,而老混凝土由于经过长期使用,体积已经基本趋于稳定,从而约束阻止新混凝土的收缩,使新混凝土中出现拉应力。当拉应力大于新混凝土自身的抗拉强度或新老混凝土的粘结强度,就不可避免地会有裂缝产生,从而降低新老混凝土的粘结强度[5 ] 。因此,减小新混凝土的收缩能够提高界面结合强度。当抗裂防水剂掺量为6 %和7 %时新混凝土的收缩要明显小于5 %时,这也是前两组试件的强度高于后者的一个重要原因。
4 结论
在新混凝土中掺加一定量的抗裂防水剂能有效改善新旧混凝土界面结合状态,提高界面的拉拔、劈裂和抗折强度。综合抗裂防水剂对界面结合强度、混凝土变形性的影响以及成本因素,可以认为该抗裂防水剂的最佳掺量为6 %。
