加固时新老混凝土的界面黏结技术

第一，新老混凝土的界面。

部分新建混凝土工程以及结构维护、加固、改造工程中，经常涉及新老混凝土的界面黏结问题，新老混凝土界面黏结的好坏直接影响了工程质量。要使新老混凝土真正成为一个整体来共同工作，则新老混凝土界面的良好黏结就成为关键所在。有很多工程中，新老混凝土黏结面在工作一段时间后，就出现裂缝，新补混凝土也出现剥落和裂缝现象，使整体结构的使用功能和安全性再次受损，没有能够达到理想效果。涉及新老混凝土黏结时，如何选择合适的界面处理材料及修补材料，如何进行表面处理，怎样评价表面的效果，影响界面黏结的主要因素有哪些，对界面黏结质量有怎样的影响，这些问题都需要我们深入思考。

在同样的受力条件下，新旧混凝土的结合面比整浇体系中骨料与水泥石界面还要薄弱，可能是以下几方面原因：

一是旧混凝土接触界面存在一个类似于整浇混凝土中骨料与水泥石之间的界面过渡区，而这过渡区本来就是一个薄弱环节。由于旧混凝土的亲水性，修补时会在旧混凝土表面形成水膜，使结合面处新混凝土局部水灰比高于体系水灰比，导致界面处钙矾石和氢氧化钙晶体数量增多，形态变大，形成择优取向，降低界面强度。且由于旧混凝土的阻碍，新混凝土中的泌水和气泡积聚在旧混凝土表面，不仅使得新混凝土局部水灰比更高，而且使得气孔和微裂缝在该区富集，显著降低界面强度。这是物质结构化学方面的原因，是影响新旧混凝土结合本质的内因。

二是界面处露出的石子、水泥石和新混凝土的界面接触与整浇混凝土中骨料与水泥浆的界面接触有差别。我们知道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，使之硬化成坚硬的水泥石。在新混凝土中的骨料经过充分搅拌、振捣被水泥浆包裹，而新旧混凝土界面处新混凝土中的骨料经过振捣可能挤压在界面处，是使骨料与界面突出的石子、水泥石形成“点接触”，骨料堆积在旧混凝土表面，阻塞了一部分旧混凝土表面的孔隙和凹凸不平部分，使具有黏结性的水泥浆不能完全渗入孔隙中去，形成“缺浆”现象，界面处水泥浆不能充分浸润骨料和水泥石，而新混凝土失去一部分水泥浆，这样使得黏结界面处的新混凝土中出现空隙，影响了新旧混凝土的黏结强度。

三是整浇混凝土中骨料与水泥石之间黏结裂缝的延伸、扩展、连通最后导致混凝土破坏。整浇混凝土中骨料体积小、多棱角、骨料表面粗糙，使水泥石可嵌固在骨料表面的凹坑中，机械咬合对宏观黏结强度起主要作用。从微观上看，它增加了有效的真实接触面积，黏结力也会大大增加。同时骨料表面的凸起对界面区结构有增强作用，并能改变界面裂缝扩展方向，使裂缝扩散“路径”曲折，也能消耗部分能量。而新旧混凝土界面处的骨料和硬化水泥石形成一个“面”，像一块表面比较平坦的“大骨料”，而这块“大骨料”与整浇混凝土中的骨料相比不但体积大且只有一个“面”，并且这个“面”很平坦。修补材料与旧混凝土之间存在物理化学性质差异，由于冷热交替、冻融循环作用及新混凝土的收缩而在结合面处引起附加应力，诱发“先天”裂缝。从受力的角度看，在整浇混凝土中骨料体积小、多棱角、骨料表面粗糙，并且被水泥石分开，分布较“均匀”而不像新老混凝土界面处相对集中，裂缝、缺陷产生的概率较大，再加上界面比较“平坦”不能使裂缝扩散“路径”曲折，消耗能量，所以一旦从这一区域引发了裂缝，裂缝尖端处应力集中，就会导致裂缝迅速开展和传播，新旧混凝土界面承载能力会进一步被削弱，最后导致界面处首先破坏，即破坏总是从最薄弱环节开始。以上几个因素共同构成了在相同受力条件下，新旧混凝土界面要首先破坏的原因。

第二，截面处理方法及粗糙度。修补混凝土的一般步骤是：表面处理→浇黏结层或涂界面剂→浇注新混凝土→养护。

所以，老混凝土表面处理是混凝土修补的第一步，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、砂浆和杂质杂物，并使坚固的部分骨料露出表面，构成粗糙面以提高黏结性。表面处理的粗糙度是影响黏结性的主要因素，对老混凝土来说，表面粗糙的比表面光滑的更易被浸润，表面粗糙程度与黏结强度有一定关系，对结合面进行一定程度的粗糙处理，既可以除去表面附着的异物，又可使表面积增大，这两点对增加黏结强度是有利的。大连理工大学的研究者对影响新老混凝土黏结强度的因素进行了显著性分析，认为老混凝土黏结面的粗糙度对黏结面劈拉强度和抗折强度的影响显著。目前表面处理的方法有人工凿毛法、高压水射法、喷砂法、钢刷刷净法、喷蒸汽法、酸浸蚀法等，每种方法各有其优缺点。其中，人工凿毛法是目前我国工程中最常用的方法，它具有施工方便、简单、快捷，不需要任何机械设备，易于操作，费用较低等优点，但是也存在对原混凝土表面产生扰动，可能产生附加微裂缝，不便于大面积机械化施工，黏结力较差等缺点。

目前黏结面粗糙度的评定方法有切槽法、灌砂法、触针式粗糙度测定仪、分数维法、硅粉堆落法、观察法。比较简单适用的方法是灌砂法、切槽法和观察法。

灌砂法即在黏结面的四周围上塑料板，塑料板顶面与黏结面凸部的最高点齐平，将细密的标准砂填充于黏结面和塑料板顶面间。填充砂的标准砂体积的大小，可以较好地反映黏结面的粗糙度。灌砂法具有测量仪器简单，操作方便的优点，对凸凹程度均匀性好的黏结面可以较好地定量描述其粗糙度。当灌砂平均深度在1．2～2．0mm时，其黏结面的粗糙度可达到工程要求。

观察法即用骨料暴露的百分比来衡量表面粗糙度，共分为三级：

A级粗糙度：约有10%的粗骨料可见。

B级粗糙度：约有30%～40%的粗骨料可见。

C级粗糙度：约有60%～80%的粗骨料可见。

对此只能靠经验观察而定，试验结果表明：A级黏结性差，B级黏结性好，C级界面抗剪强度比B级略大，但付出的成本却比B级高许多，故B级粗糙度较合适，B级粗糙度试件的黏结破坏强度较高。

用人工和机械在需处理的老混凝土表面按一定的深度进行间隔切割，用这种方法对老混凝土表面进行粗糙度处理，其最大优点是施工容易控制，粗糙度均匀性较好。

第三，界面黏结材料。混凝土界面黏结材料指能将新老混凝土接触面黏结起来，形成统一整体的胶凝材料。常用的有水泥基材料、聚合物基材料及聚合物改性水泥基复合材料。

水泥基质材料主要有普通混凝土、普通砂浆、纤维增强混凝土、水泥稀浆、小坍落度密实混凝土、磷酸盐混凝土和砂浆、预置骨料混凝土、速凝水泥、喷射混凝土、收缩补偿混凝土、硅灰混凝土等。普通混凝土的优点是经济，货源丰富，容易拌制、浇注黏结、养护，与老混凝土性质相近，可用于水下工程；缺点是界面黏结收缩大，如果引起老混凝土损坏的原因没法消除，将影响新老混凝土黏结性能，使用寿命大为缩短。因此，普通混凝土主要用在大块修补及水下工程。普通砂浆对小面积小厚度修补黏结较为适用，但收缩率大。

树脂基质材料就是主要以高分子树脂材料作为胶黏剂的复合黏结材料。主要有树脂混凝土（PC），有机胶黏剂等。树脂混凝土（PC）主要由有机胶结料、填料和粗骨料三部分组成。有时，为改善其某项性能，必要时也加入短纤维、减缩剂、偶联剂、阻燃剂、防老剂等添加剂。树脂混凝土早期、后期强度都较高，对老混凝土的黏结强度高，吸水率小，抗渗性、抗冻融性好，但对温度的敏感性大，受力变形量和徐变大，且价格昂贵。

聚合物改性水泥基材料是将聚合物乳液或水溶性聚合物粉末掺入新拌水泥基材料中，必要时另加其他各种添加剂，可使水泥基材料的性能得到明显的改善，简称PMC。由于多数PMC与老混凝土黏结性能好，常常被作为老混凝土表面黏结材料。固特邦JN－J混凝土复合界面处理剂为此类高性能聚合物改性水泥基复合材料。

JN－J在硬化前，由于聚合物胶乳有很好的减水作用，拌和物流动性得到大大提高，改善JN－J与老混凝土表面的浸润性，便于JN－J渗透至老混凝土表面孔隙中，增强了JN－J与老混凝土表面的机械黏结。JN－J硬化过程中，由于其出色的增黏保水作用，既避免了界面局部水灰比过大的多孔疏松过渡区，同时又能充分保证水泥水化的需水。随着水化反应的进行，JN－J中的活性矿物组分发生水化反应，减少界面收缩，避免氢氧化钙的富集及取向，同时聚合物乳液成膜，聚合物粒子相互粘连，形成黏结性的聚合物薄膜，强化了作为胶结料的水泥硬化体，孔隙率明显降低，孔结构特征显著改变。因此，JN－J的黏结性、耐腐蚀及抗冻融性、抗拉韧性较普通水泥基材料大大提高，硬化后的JN－J具有理想的综合性能。

理想的界面黏结材料应满足以下要求：适宜的凝结时间；较好的工作性能；较高的早期及后期强度；同老混凝土有较好的黏结强度；与老混凝土有较好的相容性；后期本体强度及黏结强度不回降，耐久性好；防水和抗渗性好；低收缩。

黏结材料与老混凝土的相容性主要表现在收缩应变、热膨胀系数、弹性模量、抗拉强度、泊松比、黏结力、疲劳性能、化学特性、浸透性、颜色特性、抗压强度、蠕变特性等诸多方面。新老混凝土界面黏结材料必须是一种低收缩材料，否则在界面层出现拉应力。其热膨胀系数及弹性模量、横向变形系数与老混凝土应尽可能地保持一致，在温差变化及应力作用下，材料界面不会出现应力集中，保证界面的良好结合。其抗拉强度必须优于老混凝土，因为目前各类修补黏结材料一般都有足够的工程抗压强度，而实际在修补黏结材料中较易产生张应力，所以必须选用抗拉强度大的修补材料。黏结材料必须具备优良的疲劳性能和较强的黏结力，从而保证黏结的耐久性。化学性质应稳定并同时具备优良的护筋性。黏结材料的本体抗压强度应足以承受载荷。

第四，影响界面黏结的其他因素，主要有以下几个方面：

一是界面接缝方式。加固修补工作进行时，修补混凝土的浇注方向对新旧混凝土的黏结有重要影响。根据实际工程中混凝土构件的顶面底面侧面进行修补的不同情况，可大致分为五种接缝方式，如图4－1所示。在其他条件相同的条件下，侧面黏结强度明显低于顶面黏结强度。顶面黏结时，自重和振捣作用使新混凝土更紧密地和老混凝土表面结合，使得接缝宽带变小，硬化后形成良好的“机械咬合”。而对于斜下面和底面黏结，由于混凝土中的泌水、气泡被截留在旧混凝土的底部，加上混凝土本身的收缩，形成“先天”微裂缝，成为薄弱环节，大大降低了新老混凝土的黏结强度，低于斜上面和顶面黏结强度。

图4－1　界面方位示意图

二是旧混凝土表面预先润湿情况。对旧混凝土表面预先润湿是目前工程中普遍采用的方法，但一些研究认为水膜的存在将影响新旧混凝土之间良好的黏结。实际上这根据界面剂的情况而定，有的界面剂在界面残留积水的情况下会严重影响黏结力，而有的界面剂能与水相融，界面干湿状态对黏结强度影响不大。

三是界面剂的厚度。一般来说，界面层厚度增加，抗拉和剪切强度就会随之减小，界面剂存在一个适宜的厚度问题。界面剂的最大涂刷厚度不要超过3mm，最好以0．5～2．5mm为宜。此外，聚合物类界面剂在一定温度以上持续荷载作用下，会产生徐变而导致黏结失败，而减小界面层厚度会改变徐变情况，同时由于热膨胀系数和收缩率不同而导致的内应力也可通过减小界面层厚度来降低，从而改善界面应力状态。

四是龄期。一般说来，水泥水化在28天就基本完成了很大一部分，但水泥的活性不会在短时间内完全失去，水化随龄期还会持续很长一段时间，所以混凝土的各种强度值会继续增加。理想的新老混凝土的黏结强度是随着新老混凝土的龄期增长而增长，但若界面黏结材料较差或施工处理不当，由于温度变形、收缩变形、干湿变形、受力变形等不协调，将有可能出现黏结强度随龄期下降现象。

第五，界面黏合剂处理的特殊情况。用界面剂处理老混凝土表面后再浇筑新混凝土，虽可获得较好的界面黏结效果，但在下列情况下，仍存在一定的局限性，可采取相应的补救措施。

一是用界面剂增强新老混凝土的界面黏结，其效果受多方面影响，除与界面黏结材料本身性能有关外，还受老混凝土界面粗糙程度、表面含水、新浇混凝土的性能、施工等多方面因素影响，因此黏结质量波动较大。因此，对更高黏结强度要求，在使用界面剂的同时，可在新老混凝土界面用“固特邦JN－Z植筋锚固胶”植抗剪钢筋，大大提高其黏结强度及可靠性，确保新老混凝土共同工作。

二是由于界面剂的初凝时间与水泥基本一致，老混凝土喷涂界面剂后浇捣新混凝土的间隔时间一般不应超过2小时，很多情况下（如外包混凝土梁、柱加固施工）不能保证足够的支模时间。此时，建议在新浇混凝土中采用“GMA无收缩自流密实混凝土外加剂”，以保证在不使用界面剂的情况下仍能实现较好的界面黏结。