水泥基界面剂粘结抗剪强度研究

方　萍1 ,黄政宇1 ,尚守平1 ,张瑞文2
(1. 湖南大学建筑结构安全与建筑节能教育部重点实验室,湖南长沙　410082 ;
2. 湖南省建筑设计院,湖南长沙　410011)

　　摘　要:研究了在采用不同的界面剂处理下,水泥基砂浆加固混凝土构件的界面粘结抗剪强度, 并进行了加固砂浆和基层混凝土的界面处的微观结构观测分析. 研究结果表明:界面剂能提高界面粘结抗剪强度. 超细水泥是一种很好的界面剂原材料. 通过加入膨胀剂、硅灰和高效减水剂改性后的超细水泥界面剂,有很高的粘结抗剪强度. 可再分散聚合物胶粉对界面粘结抗剪强度的改善效果很明显.

关键词:超细水泥;聚合物胶粉;粘结抗剪强度;水泥基界面剂

　钢筋网水泥基砂浆加固工程中, 砂浆同老混凝土之间能否良好地结合为整体而共同工作主要取决于其界面的粘结性能. 目前,为了增强这类薄弱结合面, 工程中常使用界面剂来提高界面间的粘结力[1 ] .
本文采用高性能水泥基材料的配制方法,研究了采用普通硅酸盐水泥和超细硅酸盐水泥配制的水泥基界面剂的粘结抗剪强度,并从中挑选了几组界面剂,应用于水泥复合砂浆同老混凝土的粘结. 通过Z型直剪试验,研究了水泥基界面剂的粘结抗剪强度.

1 　试　验
111 　原材料
普通硅酸盐水泥:湖南韶峰水泥集团有限公司生产的“韶峰牌”强度等级为42. 5 MPa 的普通硅酸盐水泥,其化学组成见表1 , 物理力学性能见表2.超细硅酸盐水泥:上海双鹤水泥厂生产的U 型超细硅酸盐水泥,平均粒径10. 5μm ,粒径小于20μm 的质量分数为90 % ,其化学组成如表1 , 物理力学性能见表2.
减水剂:北京城建混凝土外加剂厂生产的高浓型萘系高效减水剂,简称DFS-2 ,掺量为2 %时减水率达25 %以上.
膨胀剂(UEA) :江西瑞州特种建材集团生产,比表面积280 m2/ kg , 0. 08 mm 筛筛余8 % , 限制膨胀率(空气中28 d) 0. 02 %.硅灰(SF) :贵州遵义铁合金厂生产,SiO2 的质量分数≥90 % , 平均粒径0. 1μm.可再分散聚合物胶粉:VINNAPAS4 (5010) , 为德国瓦克化学公司生产.

112 　界面剂品种
实验共分三大组,其中每一大组中分两小组,小组组号为大写字母的界面剂所用水泥为普通硅酸盐水泥, 小组组号为小写字母的界面剂所用水泥为超细硅酸盐水泥, 界面剂品种见表3.

113 　试验方法
1. 3. 1 　试件制备
实际加固工程中,水泥基砂浆同老混凝土结合面应力比较复杂. 对于破坏面主要以剪力为主的剪切滑移破坏,选择Z 形试件作为直剪试验的试件形式[2 ] , 如图1. 其中老混凝土的龄期在3 年以上,粘结面采用人工凿毛. 加固砂浆的材料配合比及其在标准条件养护下7 d ,28 d 抗压强度见表4.

1. 3. 2 　界面剂的选用
( Ⅰ) 不涂任何界面剂; ( Ⅱ) 选择表1 中1 – B 组界面剂,即掺有高效减水剂的普通水泥净浆界面剂;( Ⅲ) 表1 中的2 – C 组界面剂,即掺有硅粉、膨胀剂和高效减水剂的普通水泥净浆界面剂; ( Ⅳ) 表1 中的2 – c 组界面剂,即掺有硅粉、膨胀剂和高效减水剂的超细水泥净浆界面剂; ( Ⅴ) 表1 中的3 – D 组界面剂,即掺有硅粉、膨胀剂、高效减水剂和可再分散胶粉的普通水泥净浆界面剂.

1. 3. 3 　试件制作
在老混凝土粘结面凿毛之后用清水冲洗干净,使不留水泥浮浆,同时使水自然浸透,待结合面不留水迹,仅保持稍微湿润状态. 接着将老混凝土试块放回100 mm ×100 mm ×300 mm 的试模中,取两块50 mm ×100 mm ×5 mm 的木板搁置于Z 型的两端,再在老混凝土粘结处理面上均匀地涂上一层拌和好的界面剂,其涂抹厚度约0. 5～1 mm. 最后在空缺处填浇表4 中的复合砂浆. 将试件置于温度为(23 ±2) ℃, 相对湿度45 %～75 %的室内养护,24h 后脱模,并取出两块小木板. 28 d 后, 在量程为50吨的万能试验机上测抗剪强度. 其中每组界面剂制备三个试块,为便于比较,同时制作整浇老混凝土和新混凝土抗剪试件,整浇试件中配置钢筋,防止过早地发生弯曲破坏.

1. 3. 4 　粘结抗剪强度
试件粘结抗剪强度按下式计算:
τp = P/ A .
式中:τp 为Z 型试件剪切强度(MPa) ; P 为破坏荷载(N) ; A 为试件剪切面积(mm2) .

2 　试验结果及分析
粘结抗剪强度试验结果见表5.

由表5 可知: 不使用界面剂时,水泥基加固砂浆同老混凝土粘结抗剪强度最低. 刷改性后的超细水泥基界面剂, 界面粘结抗剪强度最高达到了整浇混凝土的70. 8 %. 加入可再分散聚合物胶粉改性后的聚合物普通水泥基界面剂, 界面粘结抗剪强度也达到了整浇混凝土的63. 5 %. 界面剂对粘结抗剪强度的影响也可以从试件剪切破坏面观察到. 不刷任何界面剂的( Ⅰ) 组试件和刷普通水泥净浆界面剂的( Ⅱ) 组试件, 剪切破坏面几乎完全发生在老混凝土原界面,见图2 和图3. 而采用( Ⅳ) , ( Ⅴ) 组界面剂的试件, 从图4 和图5 中可见,剪切破坏发生在砂浆层,复合砂浆与老混凝土粘结得非常好

3 　电子显微观察与分析
超细水泥因其颗粒细小, 对细微孔隙、裂缝的渗透性强于普通水泥[3 – 10 ] . 电镜显微观测发现,在超细水泥中加入硅灰, 其渗透性进一步改善, 两者共同渗入到基层砂浆的小的孔隙中水化生成大量的钙矾石,使得界面剂层与基层砂浆连成一个整体,从而产生了高强粘结. 图6 是2 -C 组和2 – c 组界面剂同基层砂浆界面过渡区90 d 的电镜显微观察图. 从图6 (a) 可以看到:界面过渡区存在大量的孔隙,并且可以清晰地看到大尺寸的Ca (OH) 2 晶体定向生长入基层砂浆中,而图6 ( b) 中两者结合得非常好,过渡区结构密实, 界面剂与基层砂浆几乎融为一整体. 2 -c 比2 -C 的抗剪强度大57 %的原因还在于2-c 和2 -C 的水泥品种的不同, 2 -c 中的超细水泥颗粒更细,水泥水化更快,与硅粉作用也更快、更完全,相应的界面中的Ca (OH) 2 量要少.可见超细水泥的界面增强效果非常好,能弥补普通水泥的不足.在加入胶粉后,由于聚合物与基层材料的附着粘结力增大,使得界面剂在后期粘结强度增大明显,而在早期由于聚合物颗粒的分散包裹作用,影响水泥的水化,界面剂早期强度较不掺聚合物略有下降.

4 　结　论
1) 界面剂对提高水泥基砂浆加固混凝土构件界面抗剪粘结强度有利.
2) 通过加入膨胀剂、硅灰和高效减水剂改性后的超细水泥界面剂,有很高的粘结抗剪强度.
4) 超细水泥是一种很好的界面剂原材料.
5) 可再分散聚合物胶粉对界面粘结抗剪强度的改善效果很明显.

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