新老混凝土界面处理技术与工程应用

新老混凝土界面处理技术与工程应用

刘小明　　侯发亮　　朱培喜

摘要

新老混凝土界面往往是混凝土结构的薄弱界面。新老混凝土能否很好地共同工作，取决于新老混凝土界面粘结性能。探讨了新老混凝土粘结机理以及影响新老混凝土粘结性能的主要因素，其中包括新老混凝土结合面处理方法、修补材料的选用、粘结剂的种类等方面的问题。

1问题的提出

　　近年来，混凝土修补已成了结构工程的一个分支，新老混凝土粘结性研究受到了广大工程界的关注。无论是已建工程的加固、修补还是工程兴建中经常遇到在已硬化的混凝土上或已凿除劣化、酥松部分露出坚实的混凝土基层上浇筑新混凝土或砂浆的问题，象梁、板、柱的加大截面加固、水工结构中老的坝体加高、剪力墙施工缝、叠合梁的施工等等，涉及到新旧混凝土能否结合为整体共同工作，特别是构件中承受很大剪力和拉力部位的加固。新旧混凝土的结合面是一个薄弱环节，其界面对于自吸泵，应尽可能放置在通风较好的地方运行，以利于快速散热，降低电机温度。否则，长时间运行，极易烧毁电机。如某农户在使用自吸泵时，由于忘记拿掉覆盖在电机上的塑料薄膜，而致使电机过热，烧坏了线圈，造成了一定的经济损失。另外，在启动之前，一定要检查泵体内的存水量，否则，不仅影响自吸性能，而且易烧毁轴封部件。在正常情况下，水泵启动后3～5min即应出水，否则应立即停机检查。

　　当水泵或电机一旦出现了故障，切忌自己动手拆卸。因为自己拆卸时，一是不知故障在何处而造成盲目的乱拆一通；二是无专用工具而往往损害了本来完好的零部件，反而造成更大的经济损失。**的办法是到有经验、有规模的维修点进行维修，并及时更换“超龄”零部件及某些易损件。正常情况下，水泵每半年应维修一次，杜绝有“病”不治，带“病”工作。

　　水泵在非使用期，应及时将水泵提离水源，并放净泵内的积水，尤其在寒冷的冬季。然后将其放置在干燥处，有条件的用户也可以在水泵的重点部位涂上黄油，在轴承内加上润滑油，以防零部件锈蚀。另外，水泵的非使用期，并非越长越好。

　　粘结强度一般都低于整浇混凝土的强度，极大地影响了结构的可靠性。此外还有大量的混凝土结构物、构筑物因混凝土碳化、钢筋锈蚀、冻融循环而造成混凝土剥蚀破坏等的修补，这类不以承受荷载为主的表面、面层的修补，主要是满足抗渗、抗碳化、抗冻融性、耐腐蚀性等要求以增强结构的耐久性，它们也要求与基层混凝土具有良好的粘结力，这是达到修补目的的必要条件。处于恶劣的自然环境下工程的修补由于修补材料粘结力过低而导致修补失败的例子很多，原因之一就是修补材料与基层混凝土之间的粘结力不足以抵抗各种因素在新旧混凝土结合面处产生的附加应力而导致修补失败。人们对新旧混凝土结合面的粘结强度达不到相应整浇混凝土的强度的原因还不十分清楚，需要探索。

2影响新老混凝土界面粘结性能因素分析

　　混凝土可视为由粗细骨料颗粒分散在水泥浆基体中所组成的两相复合材料。以微观层次而论，则显示出混凝土结构的复杂性，混凝土结构的两相组成，既不是彼此均匀分布，而两相体本身组成也不均匀，象硬化混凝土中某些区域是致密的，如骨料；而另外一些区域是高度多孔的。在贴近大颗粒骨料表面硬化水泥浆体的结构与系统中水泥石或砂浆的结构差别很大。事实上，在荷载作用下混凝土力学行为的许多方面只能将水泥浆—骨料界面视为混凝土结构的第三相才能作出合理的解释。第三相，即界面区相，或称为过渡区相，代表着粗骨料与硬化水泥浆体的过渡区，过渡区围绕大骨料周围存在一层薄层，厚约10～50µm，通常比混凝土的其他两相组成要弱，因此，界面区对混凝土力学行为的影响很大，界面的结构与界面的力学性能有密切的关系，现在比较一致的看法是硬化水泥浆与骨料之间存在过渡区；界面过渡区的组成界面区中主要存在有水化硅酸钙、钙矾石和未水化的熟料颗粒及孔洞、裂缝。界面区中C-H晶体数量多而且晶体尺寸较大，同时界面区中孔洞较多时，对界面粘结将产生不利影响。界面过渡区中晶体比水泥浆体中本体中的晶体粗大。界面过渡区中晶体有择优取向。界面过渡区中晶体比水泥浆体中本体具有更大、更多的孔隙。这些特点决定了界面过渡区强度低，容易引发裂缝，并且裂缝易于传播，从而使界面过渡区成为最薄弱的环节。骨料与基体界面是一个固—液—气三相多孔体，对界面的粘结性能起决定性作用。所以要增强界面区尤其是强化最薄弱层，消除和减小界面层与基体间的差异，必须减少C-H含量，打乱其取向性，降低孔隙率。界面离子浓度及其分布与水膜层的厚度有关，而水膜层的厚度在很大程度上取决于水灰比的大小，它直接影响界面过渡区的性状和结构。随着水灰比的增大，水膜层变厚，其中离子浓度降低。对硅酸盐水泥而言，水膜层中**生成的晶体是钙矾石和氢氧钙石，在它们生长过程中，当水灰比大时，将无约束地使晶体不仅生长得很大，而且易于在骨料表面定向排列，使晶体孔隙率增大，并有碍于C-S-H凝胶与骨料的接触，由于离子浓度下降，水化生成的C-S-H凝胶也必然减少，使得凝胶与骨料表面接触点减少。因此，界面形成疏松的网络结构，原始裂缝增多变大，界面粘结强度下降，消弱了界面效应。因此，降低水灰比，减小水膜层，改善过渡区性状，是发挥界面效应的主要措施。新旧混凝土的界面同样存在类似于整浇混凝土中骨料与水泥石接触的这样一个过渡区，而这恰恰是三相中最弱的界面层。

3新老混凝土结合面处理方法

　　影响新老混凝土结合面粘接性能的因素较多，但处理新老混凝土结合面方法需掌握以下几个原则：合理有效的表面处理；根据实际情况针对性地选择粘结剂；严格控制新混凝土浇筑时间；及时的养护措施。

　　老混凝土表面处理是混凝土修补的**步，也是关键的一步，表面处理的粗糙度是影响粘结性的主要因素。表面处理是指清除掉老混凝土结合面上所有损坏的、松动的和附着的骨料、砂浆及杂质杂物，并使坚固的部分骨料露出表面，构成粗糙面以提高粘结性。表面处理方法有：人工打毛法；喷丸（砂）法；高压水射法；钢刷刷净法。关于这方面的研究，国外学者做了工作，其中日本的足立一郎就老混凝土表面处理方法对新老混凝土粘结的影响做了较全面的研究。为得到干净、理想的结合面，高压水射法是**的方法。该方法具有许多优点：工作进行得迅速，有成效，没有振动、噪声和灰尘；此外，使用该法处理老混凝土表面，不挠动周围保留的混凝土，同时混凝土表面被清洁干净、湿润，这是获得良好粘结的最有利条件。更重要的一点是高压水射法适用于任何情况，在有钢筋的情况下，不但不会损伤钢筋且能为钢筋除锈。采用高压水射法，压力为147MPa。研究结果表明高压水射法不损伤周围混凝土，因周围混凝土中没有微裂缝产生，故界面粘结强度高。人工凿毛法，使表面粗糙的同时，在表面下会同时伴有裂缝出现，挠动周围混凝土使粘结强度降低，而且带来噪声和粉尘等污染。钢刷刷净法实际上只是做表面清理，而不是表面处理，用该法清理的表面粘结性能差。

　　为了使混凝土结构在修补后能够耐久，修补用材料的范围是很有限的，**量应用的材料是与原结构中相同的混凝土和砂浆，其水泥和骨料的品种则力求与原有混凝土所用相同，如结构是因化学侵蚀而损坏，则可能要改用其他品种的水泥和保护涂层，以便在钢筋周围重新形成耐久的保护性环境。修补后结构的耐久性取决于新老混凝土粘结的耐久性和修补材料的耐久性。因此，根据不同情况选择不同的合适的修补材料非常重要。一般情况下，对修补材料来说，最重要的性质是它与老混凝土的粘结力，此外，还要求其热膨胀系数及弹性模量与原混凝土相接近，而且耐久，强度至少要与原混凝土相等。选择收缩小的材料作为修补材料，混凝土修补常常因为新老混凝土之间的粘结失效而导致破坏，虽然在开始时新老混凝土之间有较好的粘结性，但由于新混凝土的收缩在新老混凝土粘结面上产生应变，该应变大得足以能使粘结破坏，为此应选择收缩小的材料。粘结剂的种类及研究状况结构修补的失效，大多数情况下都是由于新老混凝土之间局部或全部未粘结好。而两者之间所产生的粘结力则直接与老混凝土是否经过妥善处理有关。近年来对粘结剂的发展

　　很重视。新老混凝土的粘结力不仅与粘结剂的物理性质有关，而且与老混凝土表面处理方法、粘结剂的施工方法和优质粘结剂的选择有关。粘结砂浆的主要性质：在材料搅拌后，最重要的是材料在料斗中不离析，不发生任何沉淀。良好的粘结砂浆要有很好的浸入性。除此之外，砂浆的适用期也至关重要。适用期指把粘结剂涂在老混凝土基层上，至新混凝土浇筑时允许的时间间隔，适用期与周围温度有关，若周围温度高则适用期短。粘结剂的物理特性应与混凝土的相一致。W.Steiner采用4种不同类型粘结剂做了关于其物理特性的试验：抗压强度、抗弯强度、粘结强度、弹性模量、热膨胀效应、收缩等试验。4种粘结剂为水泥净浆CC、聚合物浆体PC、聚合物水泥浆PCC和环氧水泥浆ECC。试验结果：粘结剂ECC粘结强度**，粘结剂PC的弹模较其余低2/3～3/4，它的热膨胀系数约为混凝土的2倍，与水泥产品相比它的收缩很低，且不需养护。粘结剂ECC具有很好的保水性，能防止施工养护期间失水干裂。为使粘结砂浆牢固地粘结在老混凝土上，采用喷射施工法把粘结剂喷到老混凝土处理面上，在粘结剂适用期内浇筑新混凝土。

4工程应用

（1）工程概况。大黑汀水库位于唐山市迁西县滦河干流上，是开发滦河的大型骨干工程。工程于1973年动工兴建，1986年竣工。大坝为宽缝混凝土重力坝，

坝项全长1354.5m，**坝高52.8m。工程运行十多年来，陆续出现了坝基帷幕失效，溢流面混凝土冻融剥蚀，混凝土碳化破损。大黑汀水库溢流坝面混凝土设计标号为R28200S6D100，强度指标和抗冻标号均不符合现行规范的要求。原溢流面混凝土浇筑质量不均，施工冷缝多，堰面平整度极差。由于闸门及横缝漏水渗入混凝土内部，冬季混凝土发生冻胀，形成大面积脱空剥蚀。溢流面混凝土补强即去除已损坏的表层混凝土，重新浇筑新的抗冲耐磨层，形成新的溢流面。混凝土修补范围为1～28号坝段。

（2）溢流坝面除去老混凝土20cm。因需修补的混凝土面约为3万m3，为高质、高效、安全考虑，水利部天津水利水电勘测设计研究院与武汉长江加固技术有限公司，提出溢流面混凝土开挖的可行方案，在25号坝段溢流面进行了混凝土开挖生产性爆破试验，试验要求剥离20cm混凝土，下部保留混凝土面平整，强度和爆后波降率均小于10%，且保证原有建筑物不受影响，启闭机房、闸墩牛腿处振动速度小于5cm/s。采用风钻钻孔，孔深20cm，排距20cm，孔距20～25cm，单段起爆药量控制在1～5kg。采用微差起爆网络，爆后保留混凝土波速为0.39万m/s，其爆降率为5%～7%，基本达到了技术要求。

（3）混凝土界面胶。该项新老混凝土界面处理技术，采用武汉长江加固技术有限公司生产的YZJ-4型新老混凝土界面胶，它是一种水泥类的无机材料，与新老混凝土接触，具有很强的亲和力和粘结力，其强度随养护时间而增长，该产品已广泛用于混凝土改造、二期混凝土工程浇筑、混凝土冷缝表面处理、桥面路面修补、锚杆生根、机座浇筑以及混凝土大坝、水闸或砖混结构裂缝灌浆等。

（4）施工要点。涂胶前采用高压水冲刷混凝土表面，除去

混凝土表面污物与松散颗粒。在现场按比例配制界面胶，为保证工程质量，采用高压喷浆机将界面胶均匀地喷涂在老混凝土表面，界面胶厚度保持3mm左右。在界面胶初凝之前，将新混凝土浇筑上去，因该产品为无机材料，具有与混凝土相同的特性，在水性养护下，随时间增长强度不断提高，不容易老化，与混凝土同等寿命，所以原则上要求边喷界面胶，边浇筑混凝土，随混凝土一起养护，时间间隔不能超过界面胶初凝时间，YZJ-4界面胶线膨胀系数与混凝土相同，

在温度升高或降低时，与混凝土变形协调，不会产生附加温度应力，不会在两者之间开裂。经施工现场钻芯取样试验证：在正拉或剪切力作用下，破坏面不会发生在界面处，而是发生在新混凝土或老混凝土内部。

该项新老混凝土界面处理技术、界面胶、施工方法以及施工质量得到了业主与监理的认可。

5结语

在我国，现存大量的水库大坝、涵闸、水电站等水利设施严重老化，急需进行修补加固。随着经济的发展，交通量的增大，及各种超载事故等情况的增多，交通设施受损日趋严重。用于道路、交通设施的混凝土修补费用日益增多，如何使这类设施得到长久有效的修补，是一个非常重要的研究课题。实际上，工程应用中也已采取了一定的实践证明是行之有效的办法。解决这一问题应首先从物质结构层次方面着手，使新旧混凝土接触的界面区结构得到加强。首先在于研制开发使用性能优异的界面剂（譬如低水灰比的水泥净浆或某些复合材料）或特种混凝土（譬如加入硅粉的混凝土）。其次，新旧混凝土结合面在不损伤骨料与旧混凝土粘结的前提下要经过适当的粗糙处理，一是除去油污灰尘等杂物，二是增大结合面面积，增大机械咬合作用；再次是加强施工质量，这一点也不容忽视。结合面处的混凝土要加强振捣，使其密实，减少孔隙，避免泌水和气泡的不利影响，同时避免大骨料堆积在旧混凝土表面形成“点接触”，也能使水泥浆更好地渗透到旧混凝土中去。目前有一些实际工程中常用的修补方法，但修补失败的例子也很多，有必要进一步进行以下几个方面的研究工作：新老混凝土之间粘结的耐久性研究；振动荷载对粘结性影响的研究；收缩、温度应力对粘结性的影响的研究；粘结抗剪机理研究。