混凝土結(jié)合面的受力分析

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文章對(duì)已建工程的加固、修補(bǔ)還是工程新建中經(jīng)常遇到在已硬化的混凝土上或已鑿除劣化、酥松片面露出堅(jiān)實(shí)的混凝土基層上澆筑新混凝土或砂漿的問題舉行了全面的說明。

混凝土結(jié)合面加固修補(bǔ)等

Abstract:Thepaperexplanscomprehen-sivlytheengineeringreinforcementandalreadybuiltrepairandtheproblemofcastingconcreteormortarontheconcretebasewhichhasbeenhardeningorispartoftheconcreteexposedfrequentlyencounteredintheconstructionengineering.

無論是已建工程的加固、修補(bǔ)還是工程新建中經(jīng)常遇到在已硬化的混凝土上或已鑿除劣化、酥松片面露出堅(jiān)實(shí)的混凝土基層上澆筑新混凝土或砂漿的問題,象梁、板、柱的加大截面加固、水工布局中老的壩體加高、剪力墻施工縫、疊合梁的施工等等,涉及到新舊混凝土能否結(jié)合為整體共同工作,更加是構(gòu)件中承受很大剪力和拉力部位的加固。新舊混凝土的結(jié)合面是一個(gè)薄弱環(huán)節(jié),其界面粘結(jié)強(qiáng)度一般都低于整澆混凝土的強(qiáng)度,極大地影響了布局的穩(wěn)當(dāng)性。

1.問題的提出

人們對(duì)新舊混凝土結(jié)合面的粘結(jié)強(qiáng)度達(dá)不到相應(yīng)整澆混凝土的強(qiáng)度的理由還不特別領(lǐng)會(huì),需要探索。鮮明,對(duì)于新舊混凝土粘結(jié)問題的根本解決需要從混凝土材料微觀布局的角度表明其粘結(jié)機(jī)理,建立微觀布局的分析和宏觀力學(xué)性能之間的聯(lián)系,將有助于我們從本質(zhì)上熟悉新舊混凝土粘結(jié)問題,從而找到解決問題的途徑。

2.成因的探討

2.1界面過渡區(qū)的組成

界面區(qū)中主要存在有C-S-H凝膠(水化硅酸鈣)、C-H晶體〔Ca(OH)2〕、AFt(鈣礬石)和未水化的熟料顆粒及孔洞、裂縫。界面區(qū)中C-H晶體數(shù)量多而且晶體尺寸較大,同時(shí)界面區(qū)中孔洞較多時(shí),對(duì)界面粘結(jié)將產(chǎn)生不利影響。

2.2界面過渡區(qū)形成機(jī)理

在混凝土拌和過程中,在骨料外觀形成一層幾個(gè)微米厚的水膜,而無水水泥的分布密度在緊貼骨料處幾乎為零,然后隨著距離增大而增高。所以在這層水膜中可以認(rèn)為根本上不存在水泥顆粒。當(dāng)水泥化合物溶解于水之后,溶解的離子即分散進(jìn)入這層水膜。假設(shè)是不溶性骨料,水膜中的離子全部來自水泥熟料及石膏。但如骨料是片面可溶性的,那么骨料所溶出的離子在骨料外觀密度最大。

由于骨料總會(huì)有片面離子析出,在靠近骨料外觀處濃度最高,以后有一明顯缺陷處,即低離子濃度區(qū)。因此,在這層水膜內(nèi),最先形成水化產(chǎn)物晶核的是先分散進(jìn)入水膜的離子,對(duì)普遍硅酸鹽水泥即是鈣礬石和氫氧鈣石。

水膜內(nèi)水化產(chǎn)物晶體是在溶液中形成晶核而長大,由于膜內(nèi)過飽和度不高,有充分空間讓晶體生長,故形成的水化產(chǎn)物晶體尺寸較大,所形成的網(wǎng)狀布局較為疏松,以后活動(dòng)性較差的鋁離子、硅離子不斷進(jìn)入第一批晶體所遺留的空隙中,逐步形成C-S-H以及尺寸較小的次生鈣礬石和氫氧鈣石填充其間。馬索上述假設(shè)中離子濃度分布曲線凹陷處可能形成大晶核及高孔隙率,是界面中的薄弱區(qū)。

雖然目前對(duì)界面過渡區(qū)的布局及形成機(jī)理的了解還不深入,但從破壞過程來看作為混凝土的內(nèi)部布局,界面過渡區(qū)至少具有以下幾個(gè)方面的特點(diǎn):

(1)界面過渡區(qū)中晶體比水泥漿體中本體中的晶體粗大。

(2)界面過渡區(qū)中晶體有擇優(yōu)取向。

(3)界面過渡區(qū)中晶體比水泥漿體中本體具有更大、更多的孔隙。這些特點(diǎn)抉擇了界面過渡區(qū)強(qiáng)度低,輕易引發(fā)裂縫,并且裂縫易于傳播,從而使界面過渡區(qū)成為最薄弱的環(huán)節(jié)。骨料與基體界面是一個(gè)固-液-氣三相多孔體,對(duì)界面的粘結(jié)性能起抉擇性作用。界面過渡區(qū)的性能主要取決于這些組成的性質(zhì)相對(duì)含量及它們之間的相互作用。由于界面過渡區(qū)的顯著布局是C-H晶體富集并產(chǎn)生取向性,晶體平均尺寸較大,孔隙尺寸和孔隙率均較大,即界面存在著大量有缺陷的疏松的網(wǎng)絡(luò)布局。雖然抉擇界面性質(zhì)的因素好多,但C-H的取向和富集形成薄弱層界面是主要物理化學(xué)理由之一,它間接反映了界面層的孔布局和致密性。所以要鞏固界面區(qū)尤其是強(qiáng)化最薄弱層,消釋和減小界面層與基體間的差異,務(wù)必裁減C-H含量,打亂其取向性,降低孔隙率。

我們認(rèn)為在同樣的受力條件下,新舊混凝土的結(jié)合面比整澆體系中骨料與水泥石界面還要薄弱,可能是以下幾方面理由:

(1)新舊混凝土接觸界面存在一個(gè)類似于整澆混凝土中骨料與水泥石之間的界面過渡區(qū),而這個(gè)過渡區(qū)本來就是一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)。由于舊混凝土的親水性,修補(bǔ)時(shí)會(huì)在舊混凝土外觀形成水膜,使結(jié)合面處新混凝土的局部水灰比高于體系中的水灰比,導(dǎo)致界面鈣礬石和氫氧化鈣晶體數(shù)量增多,形態(tài)變大,形成擇優(yōu)取向,降低界面強(qiáng)度。且由于舊混凝土的阻礙,新混凝土中的泌水和氣泡積聚在舊混凝土外觀,不僅使得新混凝土局部水灰比更高,而且使得氣孔和微裂縫在該區(qū)富集,顯著降低界面強(qiáng)度。這是物質(zhì)布局化學(xué)方面的理由,是影響新舊混凝土結(jié)合本質(zhì)的內(nèi)因。

(2)界面處露出的石子、水泥石和新混凝土的界面接觸與整澆混凝土中骨料與水泥漿的界面接觸有區(qū)別。我們知道,水泥漿本身具有確定的粘結(jié)性,它主要用于包裹混凝土中的骨料,使之硬化成堅(jiān)硬的水泥石。在新混凝土中的骨料經(jīng)過充分?jǐn)嚢?、振搗被水泥漿包裹,而新舊混凝土界面處新混凝土中的骨料經(jīng)過振搗可能擠壓在界面處,是使骨料與界面突出的石子、水泥石形成“點(diǎn)接觸”,骨料聚積在舊混凝土外觀,阻塞了一片面舊混凝土外觀的孔隙和凹凸不平片面,使具有粘結(jié)性的水泥漿不能完全滲入孔隙中去,形成“缺漿”現(xiàn)象,界面處水泥漿不能充分浸潤骨料和水泥石,而新混凝土失去一片面水泥漿,這樣使得粘結(jié)界面處的新混凝土中展現(xiàn)空隙,影響了新舊混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度。

以上幾個(gè)因素綜合起作用,這就是在一致受力條件下,新舊混凝土界面要首先破壞的理由。

終止語

從上面的探討中我們可以得到啟示:假設(shè)我們能象加強(qiáng)整澆體系中骨料和水泥石界面一樣加強(qiáng)新舊混凝土的界面,可能是解決新舊混凝土粘結(jié)問題的一個(gè)途徑。實(shí)踐中,我們可以從幾個(gè)主要影響因素入手加強(qiáng)新舊混凝土的粘結(jié)。實(shí)際上,工程應(yīng)用中也已采取了確定的實(shí)踐證明是行之有效的手段。解決這一問題應(yīng)首先從物質(zhì)布局層次方面著手,使新舊混凝土接觸的界面區(qū)布局得到加強(qiáng)。根本渠道在于研制開發(fā)使用性能優(yōu)異的界面劑(譬如低水灰比的水泥凈漿或某些復(fù)合材料)或特種混凝土(譬如參與硅粉的混凝土)。其次,新舊混凝土結(jié)合面在不損傷骨料與舊混凝土粘結(jié)的前提下要經(jīng)過適當(dāng)?shù)拇植谔幚?一是除去油污灰塵等雜物,二是增大結(jié)合面面積,增大機(jī)械咬合作用;再次是加強(qiáng)施工