黄 璐, 卓卫东, 2， 谷 音, 2， 上官萍， 黄新艺, 2

(1. 福州大学土木工程学院， 福建 福州 350116；2. 福建省土木工程多灾害防治重点实验室(福州大学)， 福建 福州 350116)

0 引言

新旧混凝土界面的粘结性能是保证增大截面加固后构件形成整体、 共同受力的关键. 已有大量试验研究表明， 涂刷合适的界面剂可显著提高新旧混凝土界面的粘结性能[1-2]. 目前， 常见的界面剂可分为水泥浆类、 环氧类和聚合物类等3类[3-4]， 各种外加剂的掺入也更加丰富了界面剂的种类. 申豫斌等[5]通过劈拉试验发现， 涂刷掺碳纤维的水泥砂浆后界面粘结强度较涂刷水泥净浆的可提高80%左右. 何伟等[6]通过斜剪试验发现， 采用丁苯改性水泥浆和掺10%膨胀剂、 8%硅灰、 1%高效减水剂的水泥浆作为界面剂， 均能起到很好的粘结效果. 秦明强等[7]研究了几种界面剂在不同的界面干湿状态下的影响， 发现同时掺入聚丙烯纤维和硅灰的界面剂对改善界面粘结性能的效果最好. 罗白云等[8]、 熊光晶等[9]及邬翔[10]等均通过改进的拉拔试验发现， 综合运用偶联剂表面改性和界面剂减缩改性可提高界面的粘结性能. 陈峰等[1]通过推出试验发现， 对涂刷界面剂的试件， 新旧混凝土界面的粘结应力在加载端处增长较快； 但涂刷界面剂与否对界面粘结滑移的影响不大. 在微观试验方面， 白文君等[11]通过扫描电镜分析发现， 快硬硫铝酸盐水泥浆可使界面粘结区的微观结构更加密实； 李庚英等[12]、 Li[13]、 熊光晶等[14]均指出， 以粉煤灰、 细砂为改性材料配置的新型界面剂， 可大幅减少界面过渡区的收缩和粗大晶体含量， 从而提高界面粘结强度； 孔德玉等[15]通过扫描电镜分析指出， 采用掺合料浆液进行界面处理， 其微细掺合料粒子可吸收富集的Ca(OH)2， 形成对界面粘结强度有贡献的水化产物.

由于界面剂种类、 配比等不同以及试验误差， 导致已有试验研究对各类界面剂的评价略有差异； 此外， 现有的试验研究工作大部分为宏观试验， 从微观尺度对新旧混凝土界面的微细观结构及粘结机理的试验研究工作还较少. 本研究同时开展宏观和微观试验， 探讨几种常见的界面剂对新旧混凝土界面粘结性能的影响及其粘结机理， 并比较几种常见界面剂的性价比， 以供实际工程应用参考.

1 新旧混凝土界面剪切强度的宏观试验

Hofbeck等[16]建议， 在研究新旧混凝土界面剪切应力和剪切强度时， 综合考虑界面剪力分布的均匀性和加载试验的简单可操作性， 可采用Z形直剪试件. 本研究在宏观试验中也采用这一经典的试件， 其尺寸如图1所示. 按照浇筑旧混凝土→旧混凝土28 d养护→旧混凝土界面粗糙度处理→界面清理→涂刷界面剂→浇筑新混凝土这一流程进行试件制作. 分别选用与新混凝土同水灰比的水泥净浆、 掺10%(质量分数， 以下同)粉煤灰水泥浆、 掺10%U型膨胀剂水泥浆以及掺10%丁苯乳液水泥浆这4种常用的界面剂， 设计制作了4组试件. 界面剂均薄涂于旧混凝土粘结表面， 厚度约为0.5～1.0 mm， 涂刷界面剂2～3 min后即浇筑新混凝土. 同时， 设计制作了一组未涂刷界面剂的试件作为对照组. 各组试件的数量均为3个； 所有试件的界面粗糙度均为2～4 mm， 新、 旧混凝土设计强度等级分别为C25和C20， 实测立方体抗压强度分别为34.5、 28.7 MPa. 试验剪切强度实测值列于表1.

图1 Z形试件(单位： mm)Fig.1 Z-shape specimens (unit: mm)

2 新旧混凝土界面显微硬度试验

显微硬度是衡量新旧混凝土界面粘结质量的重要指标之一， 是界面过渡区诸多性能的综合反映. 选取包含新旧混凝土界面的试样， 将其切割为1 cm3的小试块， 初步磨平后用抛光机抛光； 采用HVS-1000型数显显微硬度计量测界面过渡区的显微硬度， 沿垂直于界面方向采用上下交错的方法选择测点， 如图2所示. 研究采用维氏硬度Hv(即施加的荷载与压痕面积的比值)表征显微硬度， 各组试件界面过渡区实测的显微硬度分布曲线如图3所示， 其中， 原点表示新旧混凝土粘结界面， 横坐标正方向为旧混凝土， 负方向为新混凝土.

图2 测点布置示意图Fig.2 Distribution of measuring points

图3 显微硬度分布曲线Fig.3 Micro hardness distribution curve

由图3可见， 各组试件新旧混凝土界面附近的显微硬度值均呈两侧高、 中部低的形态分布， 与界面距离约100 μm以外的区域显微硬度基本处于峰值且波动不大， 可判定其分别对应为新、 旧混凝土基体； 与界面距离约100 μm以内的中间区域为新混凝土与旧混凝土的界面过渡区， 显微硬度值明显低于混凝土基体， 且总体呈“U”字形分布. 此外， 根据图3所示的显微硬度分布曲线可以发现， 新旧混凝土界面区可分为3层， 即靠近新混凝土一侧的新混凝土粘结过渡层、 靠近旧混凝土一侧的旧混凝土粘结过渡层以及位于中部的界面过渡层， 这与王振领[17]提出的五区-三层粘结模型相吻合； 其中， 与界面距离约40 μm以内为界面过渡层， 显微硬度基本处于曲线谷值， 大约为两侧混凝土基质的10%～20%， 即界面过渡层的显微硬度值最低， 反应到宏观层面上， 表现为新旧混凝土界面粘结强度远不如混凝土基体， 因而往往成为加固构件的最薄弱部位.

对比图3所示的各显微硬度分布曲线可见， 涂刷不同界面剂的界面过渡层显微硬度略有差别， 由于界面过渡层为最薄弱部位， 决定着新旧混凝土界面的受力性能. 因此， 对界面过渡层范围内的显微硬度值进行统计分析， 结果列于表2. 其中，S为标准差，δ为变异系数. 由表2可见， 涂刷界面剂可在不同程度上提高新旧混凝土界面过渡区的显微硬度. 其中， 涂刷水泥净浆与掺U型膨胀剂水泥浆的两组试件的显微硬度相差不大， 分别较未涂刷界面剂的提高了52%与55%， 而涂刷掺丁苯乳液水泥浆组试件的显微硬度最大， 较未涂刷界面剂的提高了60%. 可见， 不同界面剂对新旧混凝土界面过渡区显微硬度的影响与其对界面剪切强度的影响规律相同.

表2 界面过渡层显微硬度实测值

3 新旧混凝土界面扫描电子显微镜试验与机理解释

为了从微观层面上分析各界面剂对新旧混凝土界面粘结性能的影响， 将新旧混凝粘结试件破碎后， 选取包含界面的试样， 置于无水乙醇中终止水化反应， 烘干并对观测面进行镀金， 采用S-3400N型扫描电子显微镜对新旧混凝土界面形貌进行观测， 放大倍数为200倍； 此外， 选取界面处空隙或孔洞等水化产物形态明显的部位， 将放大倍数增至1 000～5 000倍， 进一步观测水化产物形貌与分布特征， 微观试验结果如下.

3.1 界面区微观形貌观察结果

图4显示未涂刷界面剂组试件新旧混凝土界面区的微观形貌与水化产物特征. 从图4(a)中可见， 界面区存在明显的裂缝与空隙， 这可能源于“墙壁效应”[18]， 即在水化反应初期， 新混凝土水泥浆中的水分会逐渐向旧混凝土附近转移， 使得界面附近的浆体水灰比增大， 同时， 由于机械振动力等的作用， 新混凝土骨料挤压在旧混凝土表面， 使旧混凝土表面产生水膜， 随着水化反应的进行， 旧混凝土表面的水膜消失而留下缝隙； 从图4(b)中可见， 界面区存在多处微裂缝， 而且未水化的水泥较多， 水化产物仅可见少量针棒状的钙矾石晶体(AFt). 可见， 对未涂刷界面剂的试件， 由于界面水化反应不完全， 导致界面区的密实度远不如混凝土基体.

图4 S-1组试件界面区扫描电镜图Fig.4 SEM photo of theinterface region of S-1 specimen

图5～8分别为涂刷水泥净浆、 掺粉煤灰水泥浆、 掺膨胀剂水泥浆以及掺丁苯乳液水泥浆的4组试件新旧混凝土界面微观结构形貌， 从各组试件界面微观形貌中均可见新、 旧两部分混凝土以及二者的界面接缝， 未见具有明显厚度的界面剂层， 可能由于浇筑新混凝土时， 界面剂尚未凝结， 部分界面剂渗入旧混凝土基体中， 部分界面剂在新混凝土的振捣作用下溶入新混凝土水泥浆中， 从而改善新旧混凝土界面的水灰比及水化产物形态. 对比各组试件界面微观形貌可以发现， 涂刷界面剂可在一定程度上减缓墙壁效应， 减小界面处的空洞及缝隙， 改善新旧混凝土界面微观结构； 特别地， 采用掺丁苯乳液水泥浆界面剂， 新旧混凝土界面处基本看不见缝隙.

图5 S-2组试件界面微观形貌 (×200)Fig.5 Microstructure of interface region of S-2 specimen

图6 S-3组试件界面区扫描电镜图 (×200)Fig.6 Microstructure of interface region of S-3 specimen

图7 S-4组试件界面区扫描电镜图 (×200)Fig.7 Microstructure of interface region of S-4 specimen

图8 S-5组试件界面区扫描电镜图 (×200)Fig.8 Microstructure of interface region of S-5 specimen

图9～12分别显示涂刷水泥净浆、 掺粉煤灰水泥浆、 掺膨胀剂水泥浆以及掺丁苯乳液水泥浆的4组试件新旧混凝土界面区的水化产物形貌. 从图9中可见， 对涂刷水泥净浆的试件， 其界面区水化反应较为充分， 有大量六边形片板状氢氧化钙晶体(CH)和凝胶状水化硅酸钙(C—S—H)生成， 其间穿插有少量针棒状钙矾石(AFt)； 此外， 局部区域存在CH的富集与定向排列现象， 导致部分区域存在空隙. 从图10中可见， 对涂刷掺粉煤灰水泥浆的试件， 其界面区有部分粉煤灰颗粒表层附着有凝胶， 形成团簇， 与其余水化产物相互交织； 而另一部分粉煤灰则表面光滑， 呈半透明的球状玻璃体， 嵌在水化产物中. 从图11中可见， 对涂刷掺膨胀剂水泥浆的试件， 其界面区水化产物中含有大量AFt， 且AFt晶体形态很大， 在混凝土孔洞中生长， 并且相互穿插与交织. 从图12中可见， 对涂刷掺丁苯乳液水泥浆的试件， 丁苯乳液会渗入界面孔隙中， 聚合物膜在水化产物中穿梭， 并与C—S—H和AFt相互交织， 形成网状结构. 可见， 涂刷以上4种界面剂， 均可显著地改善界面区的水化产物形貌， 并提高界面区微观结构的密实度.

图9 S-2组试件界面区扫描电镜图Fig.9 SEM photo of the interface region of S-2 specimen

图10 S-3组试件界面区扫描电镜图Fig.10 SEM photo of the interface region of S-3 specimen

图11 S-4组试件界面区扫描电镜图 (×3 000) 图12 S-5组试件界面区扫描电镜图 (×5 000)

3.2 界面剂对新旧混凝土界面粘结性能影响的机理解释

已有研究表明， 新旧混凝土界面之间的粘结力主要由机械咬合作用、 范德华力和化学力组成， 其中， 起主要作用的是机械咬合作用， 其次是范德华力， 化学力占的比重很小[19]. 涂刷界面剂可改善新旧混凝土界面水灰比， 促进界面水化反应， 提高界面区微观结构的密实度， 改善水化产物形貌及分布特征， 因而可有效融合新旧混凝土， 显著增强新旧混凝土在微观层面上的机械咬合作用. 反应在微观层面， 即显著增大了界面过渡层的显微硬度值； 反应在宏观层面， 则显著增大了新旧混凝土界面的剪切强度.

根据界面区微观形貌的扫描电镜观察结果， 水泥净浆界面剂一方面可增加旧混凝土的表面湿润， 改善界面水灰比， 使得大部分水泥完全水化， 主要水化产物为CH、 AFt 和C—S—H； 另一方面， 高水灰比使得界面CH和AFt数量增多， 二者与C—S—H凝胶相互交织(见图9(b))， 从而大大提高了界面区微观结构的密实度.

对掺粉煤灰水泥浆界面剂， 界面区的粉煤灰溶解后可发生二次水化反应， 即在粉煤灰表层的凝胶附着层溶解后与CH反应生成C—S—H(见图10(a))， 从而缓解CH的富集与定向排列现象， 且C—S—H单体强度高于CH； 部分未参与反应的粉煤灰颗粒填充在水化产物中， 与水化产物交织在一起(见图10(b))， 从而减小了水泥基体的空隙， 起到颗粒细化与孔径细化的作用； 此外， 粉煤灰还可以大大减少新鲜混凝土内部的泌水， 从而减少界面水分的积聚， 改善粘结性能. 但是， 部分未完全参与二次水化反应的粉煤灰与其余水化产物形成团簇， 使得界面区仍存在较多空隙； 另一部分溶解度较小的粉煤灰颗粒仍保持较大体积， 难以嵌入已有的微裂缝中， 因此， 涂刷粉煤灰水泥浆界面剂， 可能导致部分区域密实度较好， 而个别区域密实度并没有显著改善.

对掺U型膨胀剂水泥浆界面剂， 由于U型膨胀剂的主要组成物硫铝酸钙活性较高， 易参与反应生成大量AFt(见图11)， AFt大晶体产生膨胀， 在混凝土内部产生预压应力， 抗拉强度得到加强， 补偿混凝土固化时产生的收缩应力； 针棒状AFt结晶相互交织， 填充、 切断毛细孔隙， 使大孔减小、 总孔隙率下降； AFt的微膨胀性能可使混凝土中的微裂缝自行愈合， 得到致密混凝土， 从而有效提高界面的粘结强度. 另一方面， 较大尺寸的AFt易发生富集， 产生膨胀， 从而形成空洞， 减少界面中晶体的接触面积， 使得晶体与晶体之间的分离作用力减弱， 反而造成界面粘结性能无法进一步提高.

对掺丁苯乳液水泥浆界面剂， 由于丁苯乳液属于高分子化合物， 其可渗透到旧混凝土的孔隙中， 丁苯乳液的胶乳成膜、 覆盖， 在水化产物中穿梭， 连接水化产物， 水化产物在其中逐步生长， 并与膜相互交织， CH晶体在膜和水泥基体表面外镶接， 使聚合物膜与水泥基体形成了强有力的粘结； 纤维状C—S—H和针棒状AFt晶体与聚合物膜部分交织或完全交织， 形成网状结构(见图12)， 相当于“微纤维”， 通过横跨裂缝两侧限制裂缝的扩展， 可减少水泥浆收缩引起的微裂缝. 此外， 丁苯乳液本身具有很好的粘结能力， 也可使新旧混凝土界面的粘结作用增强.

4 结语

1) 涂刷合适的界面剂可显著提高新旧混凝土界面的剪切强度； 水泥净浆、 掺10%U型膨胀剂水泥浆、 掺10%粉煤灰水泥浆和掺10%丁苯乳液水泥浆这4种常用的界面剂中， 前2种界面剂的性价比较高.

2) 涂刷与未涂刷界面剂的新旧混凝土界面过渡区的显微硬度均呈U字形分布， 其界面过渡区的力学性能与五区-三层粘结模型较为吻合.

3) 涂刷界面剂可改善界面区微观结构的密实度、 水化产物形貌及其分布特征， 在微观层面上增大新旧混凝土的机械咬合作用， 从而提高了界面的粘结强度.

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