基于粘接理论探究新老混凝土粘接性能的改善

(汕头大学环境与土木工程系 广东 汕头 515021)

引言

混凝土结构补强加固时通常会凿除掉修补界面处的部分老混凝土，导致修补界面原有的化学键断裂。浇筑修补用新混凝土后，新老混凝土必将在粘接界面处产生新的化学键。新老混凝土粘接性能的研究是对新化学键的性能恢复效果的评估，是混凝土结构补强加固的基本工作。对于新建及在建工程的局部修改与裂缝修补等作业具有重要的工程应用意义。

新老混凝土粘接性能的影响因素非常多，有内因和外因之分。内因侧重于混凝土的组成材料，主要是胶凝材料水泥对新老混凝土粘接性能的影响；外因则聚焦于新老混凝土的修补工艺方面，包括对老混凝土表面粗糙度的处理、界面剂的使用、粘接界面植入钢筋等。目前，国内外在“新老混凝土粘接性能的影响因素”方面已进行了许多试验研究，但主要侧重于外在影响因素的研究。然而，混凝土之母——水泥对新老混凝土粘接性能的影响，仍处于空白阶段。

因此，本文对前人的研究成果进行了简要的概括，然后首次提出了一种改善新老混凝土粘接性能研究的新思路，即基于粘接理论探究内在因素水泥对新老混凝土粘接性能的影响，希望为后续的理论研究提供一个新的研究方向。

一、对以往研究成果的简要概括

新老混凝土的粘接层是由老混凝土、新混凝土和界面粘接剂组成的结合体。目前，普遍认为“新老混凝土的粘接力由机械咬合力贡献”，而老混凝土表面的粗糙状况直接影响了机械嵌合作用的强弱。因此老混凝土的表面粗糙状态决定了新老混凝土粘接性能的优劣。此外，新老混凝土的粘接性能还受到粘接方位、界面剂种类以及是否植筋等因素的影响。

(一)老混凝土的表面粗糙度

新老混凝土粘接表面的粗糙处理是粘接程序的第一步，也是最为关键的一步。新老混凝土粘接时，表面粗糙处理是保证其较强粘接性能的一个重要前提[1]，粘接面粗糙处理不当会直接影响新老混凝土粘接性能的优劣。目前，工程中普遍存在的粘接表面粗糙处理方法有：高压射水法[2][3]、钢刷刷净法[4][5]、人工凿毛法[6][7]以及酸蚀法[8]等。

在对新老混凝土粘接面进行物理粗糙处理时：应优先考虑高压射水法，因为采用该法除了可以获得干净的粘接面外，还不会对周围混凝土造成扰动；此外，采用高压射水法得到的老混凝土表面清洁、润湿，是良好粘接产生的前提；况且，即使在有钢筋存在的条件下，不但不会损伤钢筋，还能为钢筋除锈[9]。其次，应选择人工凿毛法，这种方法操作简单、成本低，但是易造成混凝土结构的扰动破坏，石混凝土表面产生新的微裂缝。最后，才是酸蚀法，但这种方法对结构中的钢筋具有腐蚀作用，因此一般不建议采用化学酸洗法，除非不能采用别的粗糙处理方法。

(二)粘接方位

1994年，Uherkovich[10]于工程实际中发现：下补时，界面的粘结质量最难保证。1995年，Robins等人[11]对粘结方位与新老混凝土粘结性能关系的研究，多侧重于上补和斜上补。2001年，刘金伟等人[12]首次提出并系统地研究了修补方位对粘结界面结构强度的影响，并指出有上补、斜上补、侧补、斜下补、下补五种粘结方位，如图1所示。结合实际修补工程与研究试验发现：斜下补、下补时效果最不理想。

图1 新老混凝土修补方位是意图[12]

(三)界面剂的使用研究

Carles&Talbot等[13][14]通过试验研究发现界面剂是影响粘结性能的重要因素之一。但是至今为止界面剂的使用效果并不是十分令人满意[15]。因此，人们开始研究如何改善界面剂的作用效果。李庚英等提出以粉煤灰、细砂作为改性材料配制新型界面剂的设想，经试验发现：经改性的界面剂较常用界面剂更能显著提高界面的粘结强度[16]。减缩剂是一种表面活化剂，靠降低混凝土或砂浆的毛细管液相的表面张力来减小干缩，并减小毛细管孔径[17][18][19]，罗白云等[20]设想以国产减缩剂对水泥砂浆界面剂进行改性。经试验发现，减缩剂可以改善界面层的微细观结构并提高界面粘结强度。

(四)植筋

新老混凝土粘接结构的承载能力一般低于整体浇筑构件的承载能力，因为粘接界面处易发生界面分层破坏等现象。我们往往通过植筋来限制粘接界面的分层破坏。没有植筋的粘接结构发生的是脆性破坏，植筋后则由脆性破坏转变成延性破坏，所以承载力也得到明显提高。然而，若植筋是为承受横向力时，此为功能剪力筋；若为承受正向拉力时，则必须考率锚定深度，此皆为以植筋来弥补新老混凝土界面连接强度的不足。但是，利用植筋来改善新老混凝土的粘接性能时，植筋会对老混凝土造成扰动破坏，这是该方法不可忽视的缺点。

二、新的研究思路的提出

作者发现新老混凝土的粘接与被粘物、粘接剂的粘接过程非常相似。于是就查阅了粘接剂的相关粘接理论，发现：硅酸盐水泥本质上还是一种粉状的水固型无机粘接剂。此外，还发现：(1)在被粘物表面上的粘接剂充分地铺展开，是粘接接头具有良好粘接性能的先决条件(即粘接剂本身具有良好的润湿性能是先决条件)；(2)粘接剂通过微布朗运动与被粘接物表面接触，是产生粘接的关键(即距离近是关键)；(3)粘接剂自身固化后强度也决定了粘接性能的优劣。以上三点我称之为实现良好粘接的“三要素”。仔细观察思考不难发现，良好的润湿状态为粘接剂与被粘物近距离接触提供了条件，即条件(1)为条件(2)创造了条件。

因为硅酸盐水泥是一种无机粘接剂，那么水泥同样应遵循上述粘接理论的“三要素”。此外，水泥还是混凝土的核心原材料，而且混凝土使用近两百年来，水泥的性能对混凝土性能的影响一直是直接和巨大的。那么，基于粘接理论，用粘接剂实现良好粘接的“三要素”来指导“改善新老混凝土粘接性能”的研究，理论上应是可行的。

(一)粘接体系的简化

改善粘接剂与被粘物的粘接效果，主要从粘接剂实现良好粘接的“三要素”入手。那么，改善新老混凝土的粘接性能理应如此。众所周知：新老混凝土粘接时起决定作用的，是混凝土的核心原材料——硅酸盐水泥。硅酸盐水泥，土木工程学科中对它的定义为“它是一种粉状的水硬性胶凝材料，加水搅拌后成为浆体，能在空气或水中硬化，并能把砂、石等材料牢固地胶结在一起的物质”；而作为自然界中的一种存在，硅酸盐水泥本质上则是一种无机粘接剂，这也说明了“基于粘接理论探究新老混凝土粘接性能的改善”这一研究思路是可行的。

为了简化新老混凝土粘接体系，明确探究水泥对粘接性能的影响效果，有必要去除无粘接效应的次要因素(即粗、细骨料)后再进行粘接性能的改善研究。再者，水泥是混凝土之母，其性能直接决定了混凝土的性能优劣。因此我们有理由相信，当新旧水泥石的粘接性能改善时新老混凝土的粘接性能必然随之增强。我们把去除了无粘接效应的次要因素后的粘接体系称为新旧水泥石粘接体系。

(二)根据粘接理论改善新旧水泥石的粘接性能

粘接剂充分润湿被粘物表面是实现良好粘接的先决条件，也就是说，新拌水泥浆充分润湿旧水泥石表面方有可能实现新旧水泥石的良好粘接。因此，本研究的重点在于如何提高新拌水泥浆对旧水泥石表面的润湿能力，以及如何评定润湿能力的高低，此外，还需制作新旧水泥石粘接试块并进行拉伸强度测试，利用该试验结果验证粘接性能随润湿能力提高而增强。

于是，笔者进一步提出：可用聚羧酸高性能减水剂(Polycarboxylates High Performance Water-reducing Admixture,简记为PCA)改变新拌水泥浆的流动性，进而使其在旧水泥石表面充分铺展开来并润湿旧水泥石表面，以此来检验笔者提出的研究新思路“基于粘接理论，用粘接剂实现良好粘接的‘三要素’来指导‘改善新老混凝土粘接性能’的研究”是否可行。

三、结论与建议

以往对于新老混凝土粘接性能的研究，主要集中在外在影响因素的试验探究上，并未涉及内在因素水泥的影响。而此文中，笔者首次引入粘接理论并提出从混凝土的核心原材料——水泥出发，基于粘接理论探究水泥对新老混凝土粘接性能的影响。此外，笔者还提出对新老混凝土粘接体系进行简化，以便通过试验验证水泥性能与新老混凝土粘接性能改善二者间的相关性。最后，还提出可利用PCA改变水泥浆的润湿性能，以此验证新思路用于“改善新老混凝土粘接性能研究”中是否可行。

文中，笔者提出用PCA对新拌水泥浆的润湿性能进行改性，希望以此来验证新拌水泥浆润湿性能大小与新旧水泥石粘接性能优劣之间的相关性。但是，并未明确提出润湿能力大小的衡量方法以及新旧水泥石粘接性能优劣的判断方法。此处，笔者为后续试验验证提出了几点建议：

(1)因为粘接剂润湿能力的大小，可以通过接触角来衡量。因此，可以设计一个接触角测量试验装置，利用接触角的变化趋势验证PCA对水泥浆润湿性能的改性效果。

(2)利用改性水泥浆灌制新旧水泥石粘接试块，养护至一定龄期后用电子万能试验机进行拉伸强度测试。然后，分析PCA改性后接触角大小与新旧水泥石粘接试块的拉伸强度大小之间的相关性。

(3)设计试验时，应设置不掺PCA改性的试验对照组。