新老混凝土结合面新型界面剂的研制

新老混凝土结合面新型界面剂的研制

程润喜1 , 周厚贵2
(1 湖北葛洲坝试验检测有限公司,武汉430000 ;2 中国葛洲坝集团公司,湖北宜昌443002)

摘要:根据相关原理,研制了一种新老混凝土结合的新型界面剂,并通过试验对其效果进行了验证,表明该新型界面剂对提高新老混凝土黏结强度效果优良,同时使用方便、对人和环境无毒害。随着越来越多的建筑物需要修补和加固,使界面剂具有广阔的应用前景。

关键词:密合剂;界面材料;新老混凝土结合,水工建筑物

1 　概　述
在人为和自然环境的作用下,每年都有大量建筑物发生损伤和老化,需要修补和加固,还有许多建筑物由于环境条件和使用功能的改变及使用龄期的延长也面临着需要加固和改造的问题。在混凝土结构的修补、加固、改造中,新老混凝土的黏结状态是关系到修补、加固、改造后混凝土结构质量的关键所在。采用合适的界面材料是提高新老混凝土黏结强、
改善新老混凝土的黏结状态的重要措施之一。
目前工程中常用的界面剂主要有水泥浆、膨胀水泥浆、环氧胶等,但是使用这类界面剂维修或加固的新老混凝土的黏结强度低、抗侵蚀能力差、耐久性差,有些界面剂对人和环境有毒害性,因此,研制性能更优异的界面剂以提高新老混凝土界面黏结强度是较为迫切的任务。
丹江口大坝加高工程是南水北调中线的水源工程,丹江口工程修建于20 世纪60 年代,新老混凝土在性能上存在较大的差异,其结合面处理十分重要,尤其是在闸墩、闸室等过流面部位则尤为重要。湖北葛洲坝试验检测有限公司在长期的水电工程建设中曾多次开展了大量的新老混凝土结合面胶结性能对比试验研究,涉及的胶结材料包括各种水泥浆、砂浆、改性富浆混凝土以及有机型环氧基胶结材料等,在界面胶结性能试验方面积累了丰富的经验,对各种界面材料有较深刻的认识,在此基础上根据丹江口大坝加高工程施工技术要求,通过大量试验, 研制出一种新型的无机界面材料———HTC2 Ⅰ型密合剂,并申报了国家发明专利。

2 　影响新老混凝土界面强度的因素
影响新老混凝土结合面性能的因素主要有老混凝土的性能、老混凝土表面的粗糙度、老混凝土表面结构的破坏情况、界面剂的性能、新浇混凝土的性能、结合面的受力状况、试工工艺等,其中老混凝土表面的粗糙度至关重要,采用合适的界面剂将极大地改善新老混凝土结合面的性能。下面原因导致了新老混凝土界面的结合强度较低。
(1) 老混凝土中的水泥已经完全水化而失去活性并不再有体积收缩,但新浇混凝土自浇筑之后一段时间内体积一直在收缩,因此在黏结区的混凝土中形成了复杂的内应力,致使该区的新混凝土内存在裂纹;复杂的内应力和裂纹将影响黏结区混凝土的力学性能。
(2) 黏结区的混凝土不同于整浇混凝土,整浇混凝土是由水泥浆体产生强度并将骨料连接起来的。新老混凝土结合面处往往是新浇混凝土泌水、排气的集中处,该处与混凝土内的胶浆包裹的骨料周围存在的水囊类似:孔隙多、不密实、水胶
比大,界面区具有晶体粗大、粗大晶体(C2H、Af t) 多且具有取向性、孔隙多、孔隙大的特点。

3 　密合剂的研制
3. 1 　界面剂组成的考虑
目前常用的界面剂有水泥净浆(或砂浆) 、膨胀水泥浆(或砂浆) 、环氧树脂(或砂浆) 、掺减缩剂的水泥浆(或砂浆) 、掺活性材料及减缩剂的水泥浆(或砂浆) 、偶联剂+ 掺减缩剂的水泥浆(或砂浆) 等,它们都有各自的优点。但也存在诸多不足之处:或者效果不是很好、或者有毒害、或者施工程序较多、或者成本较高。研制的新型界面剂期望具有下列特性:无机水硬性粉剂,可操作时间长,对人和环境无毒害、早期黏结强度高、后期黏结强度稳定发展,结石体的弹性模量和线胀系数与混凝土接近并且抗侵蚀性强、耐久性高等。
综合考虑材料易得、施工方便、性能优良、环保安全等因素,新型无机界面剂HTC2 Ⅰ型密合剂的组成如下:水泥为基本组成材料,另外添加了减少新老混凝土界面收缩的成份、增加浆体黏性并具有活性的掺合料、增加材料化学能的材料、表面活性剂、保水剂等材料。因为界面剂的特殊组成,新老混凝土界面的干缩及其它收缩大大减少,降低了界面间的裂纹和初始剪应力及拉应力,界面层中将大量为水化硅酸钙胶体及细小晶体,粗大晶体很少,因此结合力提高;多种因素综合作
用,使新老混凝土界面的早期及后期黏结强度大大提高,并且耐久性能优良;纯无机的材料对人和环境没有毒害。其中对施工性能的考虑有:直接按规定加水拌制,拌制后的浆体流动度经时损失小,浆体涂刷至老混凝土面上后黏附性好、不易垂滴;涂刷完至覆盖的一定时间内不易干缩、开裂。同时其凝结时间已经充分考虑了拌制、涂刷的工作时间及新混凝土的凝结时间,可以做到与新混凝土同步凝结,允许的工作时间和开放时间较长以方便施工。

3. 2 　界面强度试验方法
工程上常用黏结强度和抗剪强度来评价新老混凝土结合性能,检测方法有:黏结面的劈拉试验、抗折试验、抗剪试验、直接拉伸试验、抗拔试验(原位试验) 。由于劈拉试验具有操作简单、试验结果直观等特点,目前在丹江口大坝加高工程中均采用劈裂抗拉试验方法进行界面剂黏结性能研究,一般都是采用立方体试件的劈裂面做黏结性能试验。但由于老混凝土面的宏观粗糙度对黏结强度有显著影响,若老混凝土面为劈裂面,难免会因为老混凝土界的宏观粗糙度不一致,影响试验精度;同时,对老混凝土进行粗糙度处理,也很难使所有对比试件具有相同的粗糙度,试验精度也会受到一定影响。
为了消除老混凝土界面的宏观粗糙度不一致对试验精度的影响,本次对比试验中,劈裂抗拉试件使用的老混凝土的黏结面处理方式为:150 cm×150 cm×150 cm的试件在35 d 时切割成两等份,再用钢丝刷刷洗干净备用,老混凝土面(黏结面) 基本为光面,黏结面宏观粗糙度一致;直接拉伸试验的老混凝土采用砂浆,用极限抗拉试模制备试件,养护到45 d 后从中间劈开,选取断面平整、粗糙度一致的砂浆块备用,这样黏结面的宏观粗糙度基本一致,但宏观粗糙度比切割面要高得多,与工程实际接近。

3. 3 　试验方案
为了缩短试验周期,合理简化试验工作量,拟定了如下研制路线:首先根据经验和材料性能分析设计出4 种材料配方;然后进行界面剂材料的基本性能试验,包括强度、凝结时间、工作性等;在基本性能满足要求的前提下进行室内黏结性能对比试验,包括劈裂抗拉、直接拉伸试验等;在室内黏结性能的基础上推荐1～2 种配方在工程现场采用工程实际材料进行模拟施工并进行原位抗拔试验,最终选定符合设计要求的界面剂。

3. 3. 1 　界面黏结材料　选择水灰比0. 40 的普通42. 5 级水泥净浆为空白;选择某改性环氧黏胶作对比试验;选择湖北葛洲坝试验检测有限公司研制的新型无机界面剂———HTC2 Ⅰ/1 号、HTC2 Ⅰ/ 2 号、HTC2 Ⅰ/ 3 号、HTC2 Ⅰ/ 4 号型4 种密合剂进行室内优选试验。

3. 3. 2 　试件形式
　(1) 老混凝土试件。劈裂抗拉试件:C35 、二级配混凝土,150 cm ×150 cm ×150 cm 的试件在35 d 时切割成两等份,再用钢丝刷刷洗干净备用。混凝土龄期为3 个月。直接拉伸试件: 采用砂浆,砂浆配比为: 灰∶砂∶水=1 ∶1. 86 ∶0. 42 ;用极限抗拉试模制备试件,养护到45 d 后从中间劈开,选取断面平整、粗糙度一致的砂浆块备用。砂浆龄
期为2 个月。
(2) 新混凝土试件。采用中热42. 5 水泥,W/ C = 0. 40 ,砂率为40 %。新混凝土龄期14 d、28 d。

3. 3. 3 　黏结试件制作　老混凝土块在水中浸泡12 h 后取出,擦洗黏结面,放置30 min 至表面干燥,用毛刷涂刷界面剂(除环氧外,其它界面剂厚度均为1～3 mm) 后晾置30 min ,再放入150 cm ×150 cm ×150 cm 的立方体试模(劈裂抗拉试验) 和极限拉伸试模中的一侧,黏结面朝新浇混凝土,另一半装入新混凝土后在振动台上震动成型,1 d (劈拉试件) 及5 d(极拉试件) 后脱模,再放入混凝土养护间养护。劈裂抗拉试验每组4 个试件、极限拉伸试件每组3 个试件。

3. 3. 4 　界面剂的对比选用　(1) 普通42. 5 级水泥净浆:水灰比0. 40 ,用毛刷蘸浆体后涂刷到老混凝土粘结面上。
(2) 某改性环氧胶:按使用说明,A ∶B = 3 ∶1 ,混合均匀后涂刷到老混凝土黏结面上。
(3) HTC2 Ⅰ/ 1 号密合剂:按水胶比0. 27 调制成浆体后涂刷到晾干的老混凝土黏结面上。
(4) HTC2 Ⅰ/ 2 号密合剂:黏结面晾干后涂刷一遍水剂1 ,晾干后再涂刷1 # 密合剂浆体。
(5) HTC2 Ⅰ/ 3 号密合剂:按水胶比0. 16 调制成浆体涂刷到晾干的老混凝土黏结面上。
(6) HTC2 Ⅰ/ 4 号密合剂:黏结面晾干后涂刷一遍水剂1 ,晾干后再涂刷3 号密合剂浆体。

3. 4 　试验结果
3. 4. 1 　黏结面劈裂抗拉试验　试验时黏结面垂直,上下垫条均与粘结缝重合。试件劈开后测量断面尺寸计算面积,黏结劈拉强度按f = 0. 637 ×P/ A 计算。试验结果见表1 ,HTC2I/ 3号试件破型后的断口情况见图1。



3. 5 　试验成果分析
从上述试验成果可知:在本试验条件下,HTC2Ⅰ/ 3 号密合剂对于提高新老混凝土结合面的黏结强度效果最好。其14 d 劈拉强度与P.O42. 5 水泥净浆(W/ C = 0. 4) 相比提高了128 %,与某改性环氧胶相比提高了78 %;其28 d 劈拉强度与普通42. 5 水泥净浆(W/ C = 0. 4)相比提高了86 %,与某改性环氧胶相比提高了73 %。其14d 轴心抗拉强度与普通42. 5 水泥净浆(W/ C = 0. 4)相比,提高了36. 9 %,与某改性环氧胶相比提高了19. 9 %;其28d轴心抗拉强度与P. O42. 5 水泥净浆(W/ C = 0. 4) 相比,提高了48 %,与某改性环氧胶相比提高了35. 8 %。
从材料组成分析, HTC2 Ⅰ/ 3 号型密合剂属于水泥基界面剂,随着龄期增长其黏结性能会更进一步提高,其中部分材料为延滞性胶凝材料,后期强度增长会更大一些。HTC2 Ⅰ/ 3 号密合剂为水泥基界面剂,其结石体的弹模、线胀系数与混凝土的弹模、线胀系数接近。

4 　结论与展望
从上述研究成果可知: HTC2 Ⅰ/ 3 号密合剂是一种新型无机胶凝材料界面剂,与同类产品比较,具有高黏结强度、抗侵蚀性强、耐久性高、环保、施工方便、成本低等优点,而且这种材料形成的结石体的弹性模量和线胀系数与混凝土接近,强度随时间有较大增长,这些在丹江口大坝加高工程的现场试验中得到了证实。
丹江口大坝加高工程中的闸墩等部位,将有1 万m2 以上的新老混凝土结合面,其它类似工程混凝土大坝的也有大面积的新老混凝土结合面,均可以采用优质的界面材料以提高结合面的黏结性能。HTC 系列密合剂不但适用于大面积大方量的新老混凝土结合处理,还可应用于混凝土裂缝处理,在混凝土施工和运行过程中经常会产生一些混凝土裂缝,及时封闭这些裂缝将有效地阻止混凝土的进一步破坏,在裂缝处理时一般都需要用凿槽嵌缝的方法对裂缝口进行封闭,采用HTC 系列密合剂涂刷处理再用普通砂浆填实,不但封闭效果好,而且施工方便、经济性好,是目前有机嵌缝材料的理想替代产品。

参考文献:
[ 1 ] 　赵志方,周厚贵,袁　群,等. 新老混凝土粘结机理研究与工程应用[M] . 北京:中国水利水电出版社,2003.
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[ 3 ] 　熊光晶,陈立强. 偶联剂、减缩剂改性新老混凝土修补界面层的性能[J ] . 建筑技术开发,2004 ,31 (10) :632108.