改性低热硅酸盐水泥制备水工混凝土界面剂

陈雪梅 吴 勇 阳运霞

（嘉华特种水泥股份有限公司， 四川 乐山 614003）

0 引言

在结构维护、改造和加固工程以及部分新建混凝土工程中，经常涉及到新老混凝土的界面粘结问题，新老混凝土界面粘结的好坏直接影响到工程质量。在很多工程中，新老混凝土粘结面在工作一段时间后就出现裂缝，新补混凝土也出现翘皮、剥落现象，使整体结构的使用功能和安全性再次受损，达不到理想的效果[1]～[5]。尤其在水工环境中，受潮汐冲击，经常有大量的工程需要修补。要使新老混凝土真正成为一个整体来共同工作，其界面的良好粘结是关键所在。选择一种粘结性能优异的胶凝材料又是其核心问题，在前期的试验工作中优选出了以改性低热硅酸水泥为基材的界面剂具有良好的粘结效果。采用该水泥水化热低、后期强度增进率大、弹性模量低，耐久性好，通过进一步的改性可明显改善其早期强度，提高施工性能。同时，该水泥在生产过程中石灰石用量低，煅烧温度低，可以有效的降低碳排放量，降低能耗，是高性能绿色水泥之一。本文重点介绍采用改性低热水泥制备的界面剂在混凝土中的性能验证，通过与中热水泥拌和的混凝土进行基本性能比对，与新老混凝土粘结面的粘结效果比对比，尤其是水工混凝土的粘结效果对比，进一步验证了采用改性低热水泥制备的混凝土界面剂具有优异的粘结性能。

1 原材料

本项目所用的主要原材料如表1-1。

表1-1 原材料及厂家

2 试验

2.1 界面剂本体性能比对试验

采用该改性低热硅酸盐水泥制备的界面剂作为胶凝材料和用中热水泥掺20%粉煤灰作为胶凝材料配置二级配流态混凝土，水胶比为0.30，坍落度控制为120mm-150mm，含气量控制2%-4%，进行混凝土拌和物和硬化混凝土性能对比试验，混凝土做性能对比实验。混凝土配合比如表2-1所示。其中HZ为中热水泥和粉煤灰作为胶凝材料的混凝土，HJ为界面剂作为胶凝材料的混凝土。

表2-1 对比混凝土配合比

不同龄期的抗压和劈拉实验结果见表2-2和表2-3。

在相同的水胶比、含气量和塌落度范围也均相同的情况下，从表2-2中可以看到，以界面剂作为胶凝材料制备的混凝土早期抗压强度（7d前）都略低于中热水泥作为胶凝材料的混凝土，这主要取决于胶凝材料中的早强矿物含量，低热水泥的早强矿物含量低于中热水泥中的早强矿物含量；而在14d龄期时，界面剂作为胶凝材料的混凝土强度超过了中热水泥作为混凝土的强度，正是因为在低热水泥中含有较高量的硅酸二钙，且在低温烧成的硅酸二钙具有较高的活性，在14d龄期中，强度变得到明显的发挥，到28d龄期时，其强度远大于中热水泥作为胶凝材料的混凝土。

同样结合表2-3和图2.2可以看到，以界面剂作为胶凝材料的混凝土在3d时劈拉强度略低于中热水泥，而在7d时赶上了中热水泥，在后期的劈拉强度也在稳步增长，都比中热水泥作为胶凝材料制备的混凝土强度高。同时，也对两种混凝土的后期弹性模量进行了测试（表2-4），从结果中可以看到，在28d时，界面剂的弹性模量高于中热水泥的弹性模量，但在28d后界面剂制备的混凝土的弹性模量基本处于稳定状态，不再发生变化，而中热水泥的弹性模量继续增加，界面剂的弹性模量低于中热水泥的弹性膜，且但二者间的差距在减小。

表2-3 混凝土劈拉强度(MPa)

图2.2 不同混凝土的劈拉强度

表2-4 混凝土的弹性模量

图2.3 不同混凝土的弹性模量

综合以上试验数据可以知道，在水胶比、含气量和塌落度范围均相同的情况下，该界面剂作为胶凝材料制备混凝土的强度对比于中热水泥与粉煤灰作胶凝材料制备混凝土的优良。

2.2 界面粘结效果比对试验

采用混凝土、改性低热硅酸水泥界面剂、使用改性环氧、市售界面剂作为界面处理混凝土做粘结效果对比实验。

2.2.1 直剪试验

采用表2-1的HZ-1混凝土配方成型一批150×150×75mm混凝土基体试样，人工打毛至露出骨料，标准养护龄期至28d，对其表面的杂物、油污进行清理，然后分别均匀的涂刷上2mm～3mm厚的界面剂、改性环氧、市售界面剂以及不涂刷界面剂，再浇筑新混凝土，考虑到粘结面初期强度偏低，故试件在成型后2d脱模，然后置于养护室内养护(温度20±2℃，相对湿度为95%以上)至一定龄期，进行抗剪强度测试（其中JH为不涂刷界面剂的试样，JM为项目研发高标号混凝土用界面剂，MH为市售界面剂，HY为改性环氧树脂）。

结合面抗剪强度成果见表2-3，剪切断裂面见图2.9。

表2-3 直剪试验成果

图2.9 混凝土不同粘结处理剂方式的直剪断裂图

抗剪强度测试新老混凝土粘结试件均从粘结面处破坏，且破坏面较为平直。刚开裂时荷载由未开裂部分的粘结力和裂缝两边骨料的机械咬合力共同承担，最后沿粘结面发生突然性的剪切破坏。从图2.9可以看出，新混凝土的砂浆包裹在老混凝土凸出的骨料上，受到剪应力作用而被剪断。在破坏面上老混凝土一侧骨料突出，基本上无骨料被剪断；而新混凝土一侧则有凹坑，在应力较大处有硬化水泥浆体被剪断。

从表2-3可以看到，无论是抗剪断强度还是抗剪强度，JM在四种不同界面剂粘结处理方式中都是最高的。因为采用的是改性低热硅酸盐水泥，且掺有纳米材料，有效的降低水泥石的孔隙率，使孔结构得到改善。掺入适量的粉煤灰，界面上粘结力不但来源于范德华力与新老混凝土之间的咬合力，还有粉煤灰二次水化反应所产生的化学作用力。在水泥硬化后，未水化的粉煤灰继续水化，水化物填充水泥石中的孔隙，从而使粘结面的过渡层结构更加密实。并且粉煤灰与混凝土中的氢氧化钙反应生成大量C-S-H凝胶，有利于提高界面的机械咬合力和范德华力。以上因素均能使新混凝土与老混凝土之间具有较好的粘结性能。由于基础混凝土采用的是中热混凝土，其中混凝土也含有一部分的粉煤灰，使其抗剪强度也得到了一定的提高。

2.2.2 粘结劈拉试验

按照2.2.1的粘结抗剪试样的成型方法进行成型并养护试样（试件尺寸为150mm*150mm*150mm）至龄期进行粘结抗压与劈拉强度测试。

混凝土不同粘结处理方式情况下，可以看到JM的界面粘结处无明显的交界，而其他试样都有明显交界处。图2.10中在如箭头所示的压力力方向下，可以看到JM和MH均在新混凝土上发生了破坏，而JH和HY则在界面产生了裂缝破坏，新老混凝土完好。劈拉实验中的试样均从粘结面处断裂，，新混凝土的水泥浆体包裹在老混凝土凸出的骨料上，由于劈拉应力的作用，二者被拉脱，在劈拉应力较大的截面上，水泥浆体被拉断，粘结劈拉试件骨料被拉断的较少断面整齐。

图2.10 混凝土不同界面粘结处理抗压试样

不同粘结处理的试件粘结抗压、劈拉强度见表2-4。

从数据中可以看到，本项目界面剂JM和市售界面剂MH的抗压强度相差不大，且试样均在新混凝土处发生了破坏，由此可以判定数据应为新混凝土强度。没有界面粘结剂处理的JH由于老混凝土养护龄期较长，强度发挥较充分，而新混凝土的强度发展导致其粘结处产生了一定的张力，使得粘结面成了粘结的薄弱环节，导致在受到外界压力的情况下极易产生破坏。界面处用环氧树脂粘结剂处理后，其粘结强度比较低。仅靠混凝土本身对粘结剂产生压力，不能使其很好地通过混凝土中的微孔结构渗入到混凝土内部，因而固化后产生的(锚合)强度也较低。另外，水分对环氧树脂与混凝土的粘结性能也产生影响，树脂与混凝土干燥表面粘结良好，界面上没有明显的粘结缺陷。与新混凝土粘结时，在混凝土表面形成了一层水膜，妨碍界面粘结，形成界面缝隙，而且由于水分的作用使树脂本身的硬化中出现许多微孔微泡，使界面粘结十分不良。所以，在常温和潮湿条件下不宜采用环氧树脂粘结剂来粘结新旧混凝土。

表2-4 不同粘结处理的粘结抗压、劈拉强度

3 结语

分别使用采用改性低热硅酸盐水泥制备的界面剂作为胶凝材料和用中热水泥掺20%粉煤灰作为胶凝材料，配置二级配混凝土，坍落度控制为120mm-150mm，含气量控制2%-4%，进行混凝土拌和物和硬化混凝土性能对比试验；以及使用基础混凝土、市售界面剂作为界面处理混凝土、使用改性环氧作为界面处理混凝土、使用成品界面剂作为界面处理混凝土进行相关性能的对比实验。通过实验可以得出以下结论：

（1）在相同水胶比、塌落度和含气量范围内，该界面剂的综合力学性能优于中热水泥与粉煤灰作为胶凝材料制备的混凝土；

（2）采用界面剂作为胶凝材料制备的混凝土的弹性模量与大坝常用的中热水泥的弹性模量在施工上非常匹配；

（3）通过与改性环氧树脂、市售界面剂以及不涂刷任何界面剂处理新老混凝土粘结面进行对比，从直观的抗剪强度可以看到，混凝土新型无机界面处理剂的强度高于其它三种，从而体现出该界面粘结处理剂的粘结效果最佳；

（4）通过不同界面处理的试样的抗压和劈拉实验结果也同样验证了混凝土新型无机界面处理剂的粘结性能优异。

综上所述，采用改性低热水泥制备混凝土界面剂不仅具有优异的新老混凝土粘结性能、抗压、劈拉强度、弹性模量，作为无机界面剂，其还具有良好的耐久性，降低了新老混凝土结合面不匹配而出现二次破坏的的险。同时采用该水泥还能降低碳排放量、降低生产能耗，实现工程绿色化。

[1]程润喜,周厚贵.新老混凝土结合面新型界面剂的研制[J],南水北调与水利科技,2007,(6).

[2]管大庆.界面处理对新老混凝土粘结性能的影响[J],混凝土,1994,(5):16-23

[3]高剑平，潘景龙，王雨光.不同界面剂对新旧混凝土粘结强度影响的试验研究[J],哈尔滨建筑大学学报,2001,(5):25-29

[4]高剑平，潘景龙,检验新旧混凝土粘结强度合适的试件形式[J],哈尔滨建筑大学学报,2001,(2):32-35

[5]高剑平.不同界面剂对新旧混凝土粘结强度影响的试验研究[J],哈尔滨：哈尔滨建筑大学,1999