基于不同界面剂的新老混凝土黏结抗拉强度试验研究
董三升1，冯坤昌2，史文智3
（1. 长安大学建筑工程学院，陕西西安710061；2. 西北电建四公司，陕西西安710038；3. 长安大学基建处，陕西西安710064）
摘要： 通过对采用不同界面剂的新老混凝土界面的黏结强度进行钻芯拉拔强度试验研究，并进行试验数据分析与比较，得到了不同的界面剂对提高钻芯拉拔强度的提高幅度及其优劣，为工程实际提供依据。
关键词： 新老混凝土；界面剂；黏结抗拉强度试验；钻芯拉拔
0 引言
19世纪20年代出现波特兰水泥后，混凝土作为一种新型建筑材料以其诸多的优点广泛的应用于土木工程中。在我国，混凝土被应用于各式各样的建筑物，随着时间的流逝，既有结构必然要面对老化和破损的问题。据统计，目前我国大约有50%的建筑进入老化阶段，大批建筑物面临加固补强的问题。目前，对混凝土结构广泛采用加大截面加固法，其主要的优点为经济实用。在这一方法之中，新老混凝土的界面黏结质量是整个方法成功应用的关键环节，且加固补强后新老混凝土能否很好的共同工作在很大程度上也取决于新老混凝土界面处的黏结性能。
目前许多学者对新老混凝土黏结机理、性能和工程应用技术进行了试验研究，并取得了相应的研究成果。其中有代表性的有：田稳苓[1]提出了黏结区混凝土的破坏机理、卜良桃等对于高性能水泥复合砂浆与混凝土黏结的剪切性能进行了试验研究[2]，研究表明高性能复合砂浆加固混凝土使用界面剂后能有效提高抗剪承载力，且介绍了新老混凝土黏结补强加固的工程应用技术[3]。何伟[4]、农金龙[5]等均对新老混凝土界面黏结强度进行了研究。这些成果对实际工程的施工提供了很多理论依据。
1 新老混凝土黏结常用界面剂类型及其黏结效果
界面剂的使用可以提高黏结强度，且不同的界面剂其效果也不一样，即其界面所能承受力的大小不同。如果老混凝土表面不涂黏结剂，那么新混凝土中将有一部分水泥浆渗透到老混凝土中去，同时由于重力和机械震动力的作用使新混凝土中的骨料下沉并挤压在老混凝土的表面，使挤压部分的黏结面上出现“缺胶”现象。因此黏结面处的水泥浆浸润不均匀，而新混凝土中失去一部分水泥浆，这样使得黏结界面处的新混凝土中出现孔隙，影响了新老混凝土的黏结强度。为此，在老混凝土表面预先涂抹上一层黏结剂，这既可以使老混凝土表面充分浸润，又可不至于由于减少了新混凝土中的一部分水泥浆体而影响了新混凝土的充分凝结，且大量的试验研究表明，用界面剂的新老混凝土黏结效果优于不用界面剂的黏结效果。
新老混凝土界面黏结剂的研究主要集中在水泥浆类、掺聚合物改性水泥浆类。水泥浆本身具有一定的黏结性，它主要用于包裹混凝土中的骨料，使之凝结硬化成坚硬的水泥石。目前，常用的水泥浆类黏结剂主要有高强度等级的或与新浇混凝土同水灰比的水泥净浆及掺膨胀剂的水泥浆和水泥砂浆。
在工程中使用与新浇混凝土同水灰比的水泥净浆及掺膨胀剂的水泥浆作界面剂取得了比较好的黏结效果。利用聚合物黏结性能好的特点，将一种或多种聚合物按合适的比例掺入到水泥中对水泥净浆进行改性也取得了比较好的黏结性能。国内外用于水泥净浆改性的聚合物品种繁多，基本上分为三种类型，即聚合物乳液、水溶性聚合物和液体树脂。
2 试验设计及过程
为了研究新老混凝土接触界面的黏结强度，采用钻芯拉拔试验。由于新混凝土强度等级至少应比老混凝土高出一个等级[6]，因此试验选用老混凝土等级为C30，新混凝土等级为C35。浇筑方法为将老混凝土拌制好后浇注成3 600 mm×3 600 mm×200 mm的平板，待混凝土终凝后，用高压水冲刷表面水泥浆，使混凝土表面骨料外露，室外自然养护3 个月后，在平板表面刷涂界面剂，厚度不超过3 mm；然后浇筑新混凝土，层厚100 mm。新老混凝土黏结平板在自然条件下养护28 d、6 个月和1 年后分别做钻芯拉拔试验。考虑试验误差的影响以及试验工作量，以4个芯样试件为一组，每种类型的界面剂均做三组，一组为28 d 龄期时的试件，一组为6 个月龄期时的试件，一组为一年龄期时的试件。（拉拔仪为中国矿业大学研制的数字压力表YS-1型拉拔仪，测量精度0.1 kN，结构胶为同济大学材料实验室配置的快速固化结构胶，固化时间20 min。）
钻芯尺寸为100 mm×150 mm，在芯样钻完后，用砂轮机磨去芯样表面约1 mm左右的浮浆，用建筑结构胶黏上钢制圆盘，因偏心弯矩对轴向抗拉强度有影响，为了尽量减少其影响，应尽量用拔出仪将芯样垂直拔出，所得强度为拉拔黏结强度。
3 试验结果及分析
3.1 试验数据
通过试验过程可见芯样破坏面各异。黏结强度低的，其破坏面一般是穿越新老混凝土间的黏结面，断面平整，产生破坏的原因为新老混凝土之间的黏接强度过低；黏结强度高的新老混凝土拉拔破坏面与整块混凝土拉拔破坏面相似，一般是穿越粗骨料并将骨料整齐地拉断，而较少出现在粗骨料和水泥浆的黏结处，老混凝土则在黏结处发现有破坏现象。
本次试验在钻取芯样时，为了避免对黏结界面造成较大的扰动，并垂直混凝土表面钻入，钻芯机工作时的震动必须控制在较小的幅度。在用拉拔仪做拉拔试验时，必须保证拉拔力垂直于黏结界面。试验的部分试验结果如表1所示。
表1 列示了新老混凝土钻芯拉拔试验的试验数据及结果。
从表1中可以看出，界面处理剂为膨胀剂水泥净浆、环氧树脂、NP水泥砂浆、硅灰改性水泥砂浆的黏结性能较无界面处理剂的有所改善，但改善幅度不大，与新老砂浆抗拉黏结强度的大幅度提高不同，这可能因为以上界面处理剂的本身干缩值也较大，在黏结面积较小的、新老砂浆抗拉试件干缩影响黏结强度不大，但在大面积黏结的试件，干缩可能会严重削弱黏结强度。老混凝土表面抹膨胀剂水泥净浆、环氧树脂、NP水泥砂浆和硅灰改性水泥砂浆钻芯拉拔试验所得的芯样其断面形态和位置各异。丁苯水泥净浆不起改善黏结性能作用，这与新老砂浆界面处理剂试验中的结果一致。丁苯水泥砂浆和复合改性丁苯水泥砂浆大幅度提高新老混凝土的黏结强度，前两者与前面试验结果吻合，后者则较前面试验结果要好。同一材料在新老砂浆黏结和新老混凝土黏结中的效果存在一定差异，工程选材时应予注意。如丁苯水泥净浆在砂浆黏结中可获得较好黏结，但在混凝土中效果不理想。
3.2 试验数据分析
3.2.1 不同界面剂对黏结界面钻芯拉拔强度的改性效果
前人研究表明，水泥膨浆的黏结效果要比水泥净浆好；常温下界面剂对界面黏结的效果依次是掺膨胀剂、硅灰、高效减水剂的改性水泥浆好于同新混凝土配合比的掺膨胀剂的水泥净浆，最后是同新混凝土配合比的水泥净浆，用界面剂的界面黏结效果均优于不用界面剂。在本试验中，选用了12 种已有研究的界面剂同时做钻芯拉拔试验，龄期为28 d时的试验结果见图1，龄期为6个月时的试验结果见图2，龄期为12 个月时的试验结果见图3。可见，界面剂H2 的效果优于界面剂C 水泥膨浆，其次为界面剂B 水泥净浆，然后是界面剂H3 即复合改性丁苯水泥砂浆。最后是没用界面剂的情况。
3.2.2 龄期对黏结界面钻拉强度的影响
同种界面剂，不同龄期时的钻芯拉拔强度如图5。黏结界面钻芯拉拔强度在一定龄期范围内是随着龄期的增长而增长的，且界面钻芯拉拔强度随龄期的增长趋势随黏结界面涂刷的界面剂种类的不同而有所不同。在界面的钻芯拉拔试验中，测试了每组试件28 d、6个月和一年的钻芯拉拔强度，试验发现随着龄期的增加，新老混凝土黏结界面处的钻芯拉拔强度逐渐增大。
但在28 d 龄期时不同界面剂对黏结界面钻拉强度的影响规律显现得比较稳定，因此，在实际工程中的界面质量检验应在龄期达到28 d以后，也更便于跟工程中抗压强度的测试对应起来。
一年以后，钻芯拉拔强度基本趋于定值。
4 结论
（1）界面剂有助于新老混凝土的界面黏结，在本次钻芯拉拔强度试验中，复合改性丁苯水泥砂浆对黏结增强效果最好，界面剂C 水泥净浆其次，然后是界面剂B 水泥净浆，最后是没用界面剂的情况。
（2）黏结界面钻芯拉拔强度在一定龄期范围内是随着龄期的增长而增长的，且界面钻芯拉拔强度随龄期的增长趋势随黏结界面涂刷的界面剂种类的不同而有所不同。试验发现随着龄期的增加，新老混凝土黏结界面处的钻芯拉拔强度逐渐增大。但在一年以后，钻芯拉拔强度基本趋于定值。
参考文献：
[1] 田稳苓，赵志方，赵国藩，等.新老混凝土的黏结机理和测试方法研
究综述[J].河北理工学院学报，1998，20（1）：84-93.
[2] 卜良桃，全.高性能水泥复合砂浆与混凝土黏结的剪切性能试验
研究[J].四川建筑科学研究，2008，6（3）：64-67.
[3] 卜良桃，毛晶晶.新老混凝土补强加固界面黏结质量检验研究展望[J].
四川建筑科学研究，2006，6（3）：64-66.
[4] 何伟.新老混凝土界面黏结强度的研究[D].长沙：湖南大学，2004.
[5] 农金龙.新老混凝土界面黏结材料及强度的研究[D].长沙：湖南大
学，2003.
[6] [美]E.P.普罗德曼.聚合物基体复合材料中的界面[J].北京：中国建筑
工业出版社，1979.