新型AS界面剂对新老混凝土界面粘结性能的影响及机理.pdf

斩 建巍 全 国 中 文 核 心 期 刊 新型 A S界面剂对新老混凝土界面 粘结性链硇影响及相理 冯颖慧 ， 张梦芳 ， 孔德玉 ， 马成畅 ， 姜俊 ( 1 杭州市城市建设科学研究院， 浙江 杭州3 1 0 0 1 2 ； 2 浙江工业大学 建工学院 ， 浙江 杭州3 1 0 0 1 4 ； 3 杭州建工建材有限公司 ， 浙江 杭州3 l 1 1 0 7 ) 摘要： 研究了新型 A S 界面剂对自然养护条件下新老混凝土界面粘结性能的影响及机理， 结果表明， 自然养护条件下， 与低水灰 比水泥净浆处理相 比， A S界面剂处理 时早期界面粘结强度较低 ， 与未经 处理 时相当， 但未经处理及低水灰 比水泥净浆 处理时， 在较 早养护龄期 ( 7 d后) 即开始 出现强度倒缩； 采用 A S界面剂处理 时， 其界面粘 结强度的增长 与界面剂组分有关 ， 以硅粉为主 时， 2 8 d 后强度也有所倒缩 ， 以粉煤灰为主时 ， 5 6d内强度均持续增长， 其原因是由于新老 混凝土变形差异过大形成界面剪切应力， 导致 过早 形成 的界面粘结结构局部破坏所 致， 而采用粉煤灰为主 的新型 AS界面剂处理时 ， 其界面粘 结作用 则随养护龄 期延长而缓慢形成 ， 因而界面粘结强度得 以持续增长 。 关键词： 界面剂； 新老混凝土界面粘结； 硅粉； 粉煤灰； 硅溶胶 中图分类号 ： T U 5 2 8 0 4 4 文 献标识码 ： B 文章编 号： 1 0 0 1 7 0 2 X( 2 0 1 0 ) 0 1 0 0 0 5 0 3 Effe c t a nd m e c ha ni s m o f n ov e l AS i nt e r f a c i a l ag e nt on t he bon di ng s t r e ng t h of f r e s h ol d c onc r e t e F E N G Y i n g h u i ， Z H A NG M e n f a n f， KO N G D e y u ， M A C h e n g c h a n f， J I A N G,l u n ( 1 H a n g z h o u U r b a n C o n s t r u c t i o n I n s t i t u t e ， H a n g z h o u 3 1 0 0 1 2 ， Z h e j i a n g ， C h i n a ： 2 F a c u l t y o f C i v i l E n g i n e e ri n g a n d A r c h i t e c t u r e ， Z h e j i a n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， H a n g z h o u 3 1 0 0 1 4 ， Z h e j i a n g ， C h i n a ： 3 H a n g z h o u C o n s t ruc t i o n& B u i l d i n g Ma t e ri a l s C o L t d ， H a n g z h o u 3 1 1 1 0 7 ， Z h i a n g ， C h i n a ) Abs t r a c t ： E f f e c t a n d me c h a n i s m o f n o v e l AS i n t e r f a c i a l a g e n t o n t h e b o n d i n g s t r e n g t h o f f r e s h- o l d c o n c r e t e u n d e r n a t u r a l c u rin g c o nd i t i o n we r e i n v e s t i g a t e d i n t hi s p a p e r Th e r e s u l t s s h o we d t h a t u n d e r n a t u r a l c u r i n g c o n dit i o n ， c o mp a r e d wi t h t h e t r e a t - me n t wi t h l o w wa t e r -c e me n t r a t i o c e me nt p a s t e( L WC)， t h e b o n d i n g s t r e n gth a t e a r l y c u rin g a g e b y us i n g t h e n o v e l i n t e rfa e i a l a g e n t w a s r e l a t i v e l y l o w e r ， a n d W a S j u s t a s c o mp a r a b l e t o t h a t w i t h o u t i n t e r f a e i a l t r e a t me n t Ho w e v e r ， t h e b o n d i n g s t r e n gth s h o w e d d e - c r e aS e a f t e r c u rin g f o r 7 d a y s wh i l e u s i n g L W C a s i n t e r f a c i a l a g e n t o r wi t h o u t t r e a t me n t ： wh i l e u s i n g t h e n o v e l i n t e r r a c i a l a g e n t ， t h e i n c r e aSe o f i t s b o n d i n g s t r e n gth i s r e l a t e d t o t h e c o mp o n e n t s o f t h e i n t e r f a c i a l a g e n t Th e b o n di n g s t r e n gth a l s o s h o we d d e c r e a s e a f t e r 2 8 d a y s wh i l e u s i n g t h e n o v e l i n t e rfa e i a l a g e n t wi t h s i l i c a f u me a s t h e ma i n c o mp o n e n t W h e n fly a s h wa s u s e d a s ma i n c o mp o ne n t ， t h e b o n d i n g s t r e n gth s h o we d a c o n t i n u o u s i n c r e a s e wi t h i n 5 6 d a y s Th e ma i n r e aSo n wa s t h a t s h e ar s t r e s s W aS f o r me d d u e t o b i g d e f o r ma t i o n d i ffe r e n c e b e t we e n t h e o l d a n d t h e f r e s h c o n c r e t e ， wh i c h r e s u l t e d i n p a r t i a l d e s t ru c t i o n o f t h e e a r l y f o r me d a d h e s i o n On t h e o t h e r h a n d， wh e n no v e l i n t e r r a c i a l a g e n t wi t h fl y a s h a s t h e ma i n c o mp o n e n t WaS u s e d， i t s a d h e s i o n wa s f o r me d s l o wl y wi t h t h e p r o l o n g a t i o n o f t h e c u rin g t i me As a r e s u l t ， t h e b o n di n g s t r e n gth o f t h e i n t e rfa c e c a n b e i n c r e a s e d c o n t i n u o u s ly Ke y wor d s： i n t e rfa c i a l age n t ； a d h e s i o n o f f r e s h o l d c o n c r e t e ； s i l i c a f u me ； fly a s h： s i l i c a s o l 在结构维护、 改造、 加固和新建工程装修以及混凝土制品 修补时， 经常涉及新老混凝土的界面粘结问题， 其界面粘结好 坏直接影响工程和制品质量 。研究发现， 由于老混凝土表 基金项 目： 浙江省建设厅项 目( 2 0 0 7 2 1 ) 杭州市科技计划项 目( 2 0 o 7 O 7 3 3 B 2 0 ) 收稿 日期： 2 0 0 9 0 8 1 8 作者简介： 冯颖 慧， 女， 1 9 7 5年生 ， 河北大名人 ， 硕士 ， 高级工程师。地 址： 杭州市新华路 7 O号 ， 电话 ： 1 3 1 0 5 7 1 7 8 8 1 ， E ma i l ： h 7 5 1 6 3 e o m。 面具有较强亲水性和吸水性，未经处理的新老混凝土界面亦 存在类似于混凝土中骨料与水泥石界面过渡区的薄弱层， 在 老混凝土表面孔隙及新老混凝土界面存在氢氧化钙( C H ) 和 钙矾石( A F t ) 晶体的富集现象， 其界面粘结性能往往较差13 。 为 提高界面粘结强度， 目 前工程中普遍采用混凝土界面剂， 包括 无机界面剂翻 和有机一 无机复合界面剂14 1两大类， 一般均配制 成低水灰比净浆或砂浆进行界面处理，界面剂用量大，成本 高。孔德玉等【 在分析新老混凝土界面微观结构的基础上， 开 发了一种新型A S 界面处理剂， 经 A S界面剂处理后， 可在老 N E W BUI L DI NG M ATE RI AL 5 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 冯颖慧， 等： 新型 A S 界面剂对新老混凝土界面粘结性能的影响及机理 混凝土孔隙及表面吸附新型界面剂中的掺合料微细粒子， 吸 收在新老混凝土界面和空隙中富集的C H ，在老混凝土表面 孔隙和界面形成对界面粘结强度有贡献的水化产物。本文主 要研究了新型A S 界面剂对自 然养护条件下新老混凝土界面 粘结强度的影响及机理。 l 实验 1 1 原材料 水泥： P 0 4 2 5 水泥， 钱潮水泥厂产， 物理力学性能见表 1 ； 细骨料： 天然中砂， 细度模数为2 6 8 ； 粗骨料： 碎石， 级配为 5 1 9 m m ； 硅粉， 埃肯( E l k e m ) 国际贸易( 上海) 有限公司， 比表 面积为 1 6 7 2 m 2 g ； 硅溶胶： N S 一 3 0 型， 浙江上虞宇达化工有限 公司产，化学组成及性能见表2 ； $ 9 5 矿渣微粉和I I 级粉煤 灰：取自浙江华威建材有限公司； H G F D N型萘系高效减水 剂： 取自杭州建工建材有限公司。 表 1 P 0 4 2 5水泥的物理力学性能 表 2 硅溶胶的化学组成及性能 1 2 界面剂的制备 分别在水( w ) 和质量浓度为2 的硅溶胶( s s ) 中按一定比 例加入硅粉( S F ) 和粉煤灰( F L ) ， 在行星球磨机中高速球磨1 0 m i n ，得到固相质量分数为2 0 的混凝土界面剂。A S S F w 、 A S S F s s 、 A S F L w 、 A S F L s s ， 分别表示水分散硅粉、 硅溶胶分 散硅粉、 水分散粉煤灰和硅溶胶分散粉煤灰界面剂。 l - 3 试件制备与测试方法 新老混凝土配合比均为m( 水) m( 水泥) ： m( 矿渣) ： m( 砂) m( 石) = 1 9 5 ： 3 6 0 ： 7 2 ： 7 9 8 ： 9 7 5 ， 试件尺寸 1 5 0 m m x l 5 0 m m x l 5 0 m m ，自 然养护6 0 d 后切割成厚度约为4 5 m m的老混凝土试 件， 自 然干燥后备用。 采用制各的界面剂进行界面处理时， 在老混凝土试件表面 直接涂刷界面剂， 将老混凝土试件水平放置于1 5 0 m m x l 5 0 m m x l 5 0 m i l l 试模一侧， 然后在另一侧浇注新混凝土。采用低 水灰比水泥净浆( L WC ， 水灰比为0 3 0 ) 进行界面处理时， 在 老混凝土表面涂刷 l 一 2 m m厚的水泥净浆后立即浇注新混凝 土。新老混凝土粘结试件自 然养护1 d 后拆模， 继续在实验 室中自 然养护3 、 7 、 2 8 、 5 6 d 后， 采用双面剪切法( B i s u r f a e e s h e a r ) 4 试新老混凝土界面的粘结强度， 并对强度测试后的 老混凝土表面取样， 采用H I T A C H I 场发射扫描电镜对老混凝 6 新型建筑材料 2 0 1 0 1 土表面进行微观结构分析。 2 结果分析与讨论 图I 为界面剂组成及养护龄期对新老混凝土界面粘结性 能的影响。 空白L W C A S S F w A S S F s s A S F L w A S F L s s 图 1 界面剂组成对新老混凝土界面粘结强度的影响 由图1 可见，未经界面处理和采用低水灰比水泥净浆进 行界面处理的新老混凝土试件， 在自 然养护条件下养护至2 8 d 时， 其界面粘结强度即开始呈下降趋势， 采用低水灰比水泥 净浆处理的试件其2 8 d 界面粘结强度甚至低于3 d 和7 d 的 强度。采用A S 界面剂进行处理时， 其3 d 界面粘结强度低于 采用低水灰比水泥净浆进行界面处理的粘结强度，但其界面 粘结强度随养护龄期延长而继续增长， 养护至2 8 d时， 其界 面粘结强度已 接近甚至超过后者。 然而， 以硅粉为主的A S 界 面剂处理时， 其5 6 d 界面粘结强度也开始下降， 但以粉煤灰 浆液为主的A S 界面剂处理时， 其界面粘结强度则持续增长。 此外， A S 界面剂中含硅溶胶时， 3 d 界面粘结强度均较高， 但 2 8 、 5 6 d 粘结强度却较小。 其原因可能与界面剂组成及新老混 凝土界面变形差异对新老混凝土界面微观结构的影响有关。 一 般认为，新老混凝土界面粘结力与混凝土中集料一 水 泥石界面样主要来源于范德华力，机械啮合力及化学作用 力存在的几率很小， 其原因是由于水泥颗粒较粗， 平均粒径约 3 0 m ， 很难被吸附进入老混凝土表面的毛细孔隙。然而， 李 庚英等口 研究认为， 新老混凝土间亦存在较强的化学作用力和 机械咬合力，其化学作用力来源于老混凝土中的C H与界面 剂中粉煤灰颗粒的化学作用。 本文分析认为， 实际上这种化学 作用力可能主要来源于老混凝土表面孔隙和新老混凝土界面 富集的C H与界面剂中粉煤灰等掺合料颗粒间的化学作用， 特别是当老混凝土表面被碳化后尤其如此； 其机械咬合力则 可能来源于C H和A F t 在老混凝土表面孔隙生长并延伸至新 老混凝土界面而产生的机械咬合作用。 然而， 这种界面粘结作 用还受新老混凝土变形差异的影响， 由于新老混凝土之间存 在变形差异， 使新老混凝土粘结界面产生剪切应力， 当剪切应 力超过界面粘结抗剪强度时， 其界面粘结作用将发生破坏， 特 别是变形差异较大的部位，如侧面浇注的新老混凝土界面粘 埘 豳匿 ： 日越 卫 ： 置 l 曩 - g 坩 隧 基 萤 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 冯颖慧， 等： 新型 A s界面剂对新老混凝土界面粘灶I 生 能的影响及机理 结试件的上部( 见图2 ) ， 这将导致新老混凝土界面粘结强度 下降。 图 2 新老混凝土变形差异 引起 的界面裂纹 老混凝土表面未经界面处理时， 其界面主要为C H和A F t 晶体在老混凝土表面孔隙中生长并延伸至新老混凝土界面而 产生的机械咬合作用 见图3 ( a ) 1 。 在较早养护龄期( 3 d ) ， 新混 凝土收缩值尚小，新老混凝土间产生的剪切应力尚不足以破 坏已形成的界面粘结结构， 故其早期亦具有较高粘结强度。 随 养护龄期延长， 其界面粘结结构已基本形成， 但新老混凝土变 形差异使界面产生的剪切应力却越来越大，导致剪切应力较 大部位的界面结构发生破坏( 实验用新老混凝土试件破坏主 要发生在粘结界面的四周) ， 其界面粘结强度下降。与未经处 理相比， 采用低水灰比水泥净浆进行界面处理时， 由于水灰比 较小， 界面处C H和A F t 富集现象明显减弱f 见图3 ( b ) ， 其早 期界面粘结强度显著提高。但新老混凝土界面变形差异引起 界面粘结结构破坏后， 其界面粘结结构很难重新形成， 随养护 龄期延长， 其界面粘结强度呈下降趋势。 采用A S 界面剂进行界面处理时，由于老混凝土表面及 孔隙内吸附了少量掺合料微细粒子I5 1 ， 使新老混凝土界面因 C H和A F t 在老混凝土表面孔隙中富集产生的机械咬合作用 减弱，其早期界面粘结强度甚至低于未经界面处理时的界面 粘结试件。 随养护龄期延长， 新老混凝土界面变形差异使界面 产生剪切应力， 超过界面抗剪强度时， 将导致粘结试件出现局 部剪切破坏。 然而， 由于老混凝土孔隙内部和界面吸附的掺合 料微细粒子与新老混凝土界面富集的C H进一步发生火山灰 反应， 形成C S H凝胶【 见图3 ( c ) 、 ( d ) 】 ， 使新老混凝土界面粘 结作用力重新形成，弥补了由于剪切应力引起的界面粘结力 下降， 因而界面粘结强度得以持续增长。 由图1 中的粘结强度 可知，这种界面粘结作用的重新形成还与界面剂组分的活性 有关。在界面剂中加入少量具有极高火山灰反应活性的硅溶 胶纳米粒子， 在早期即可与界面处富集的C H反应， 形成C S H凝胶， 对提高早期界面粘结强度有利， 但对后期强度不 利。以硅粉为主的A S 界面剂进行处理时， 由于硅粉的火山灰 活性相对也较高， 其界面粘结强度在 2 8 d内持续增长， 但至 5 6 d时也开始呈下降趋势。但以粉煤灰为主的A S 界面剂进 行处理时， 由于其火山灰活性较差， 其界面粘结强度则在5 6 d 养护龄期内均持续增长， 至5 6 d时， 其界面粘结强度甚至超 过硅粉浆液和硅溶胶分散硅粉浆液处理。 一 一 一 一 ( b ) L W C 界面 处理 ( c ) A S S F s s 处理 ( d ) A S F L s s 处理 图 3 界面粘结试件破坏后老 混凝土表面微观结构 ( 2 8 d ) 由此可见， 新老混凝土界面粘结时， 不宜选用过早产生粘 结作用的界面剂，除非形成的界面粘结作用远超过由于新老 混凝土变形差异而产生的剪切应力。由图 1 可见， A S 界面剂 组分为硅溶胶分散粉煤灰浆液时效果最佳，不仅具有较高的 早期和后期界面粘结强度， 且其成本也较低。 3 结语 ( 1 ) 自然养护条件下， 与低水灰比水泥净浆界面处理相 比， 新型A S 界面剂处理的界面粘结试件早期粘结强度较低， 但与未经处理时相当。 ( 2 ) 自 然养护条件下， 未经处理及低水灰比水泥净浆处理 的界面粘结试件在较早养护龄期( 7 d 2 8 d ) 即开始出现粘结 强度倒缩； 新型A S 界面剂处理时， 界面粘结强度增长趋势与 界面剂组分有关，以硅粉为主时， 2 8 d 一 5 6 d内强度也有所倒 缩， 以粉煤灰为主时， 5 6 d内强度均得以持续增长。 ( 3 ) 新老混凝土界面粘结强度倒缩的原因是由于新老混 凝土变形差异过大，形成界面剪切应力导致过早形成的界面 粘结结构局部破坏所致，以硅溶胶分散粉煤灰为组分的新型 A S 界面处理剂的界面粘结作用随养护龄期延长而缓慢形成， 可弥补变形差异过大形成剪切应力弓 l 起的界面粘结力下降， 因而界面粘结强度得以持续增长。 ( 下转 第 1 0页) N E W BU DI NG MAT E RI AL S 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 刘晓斌， 等： 橡胶颗粒增强聚合物水泥跑道材料 的研究 集比是影响水性塑胶跑道回弹性的主要因素，即橡胶颗粒的 含量越高， 回弹性越佳。 聚灰比 和浆集比对跑道回弹性的影响 分别见表6 和表7 。 表 6 聚灰 比对跑道 回弹性的影响 从表6 可以看出， 聚灰比对回弹性的影响不是十分明显， 各种聚灰比制备的试样回弹性相差不大。 从表7 可以 看到， 随 着浆集比增大， 回弹性降低， 在浆集比为0 2 0 时回弹性达到 最大值为1 6 1 9 。 2 5 综合分析 浆集比越大， 压缩复原率越高， 回弹性越低。 因此， 需要讨 论找出合适的浆集比。 从性能需求来看， 表5中浆集比为0 2 0 时， 压缩复原率仍为9 5 以上， 满足要求； 另一方面， 浆集比 越高， 需要的聚合物乳液越多， 成本增加。 因此， 在保证质量要 求的前提下， 为了追求较高的回弹性并降低成本， 应取较低的 浆集比。 3 机理分析 水性塑胶跑道材料中，聚合物水泥承载着粘结橡胶颗粒 并达到较高强度， 实现使用中的各种性能的作用， 聚合物乳液 与水泥之间的相互作用( 成膜作用) 以及形成的结构， 是影响 聚合物水泥性能的关键因素。 关于聚合物乳液的成膜机理，普遍认为是聚合物胶乳膜 在水泥水化产物中穿梭， 连接水化产物， 水泥水化产物在其中 逐步“ 生长” ， 并与膜相互交织， C a ( O H ) 晶体在膜和水泥基体 表面外镶接， 膜起到“ 铰” 的作用； 最终聚合物膜的网架结构逐 步形成， C S H的纤维状和钙钒石的针状晶体与聚合物膜部 分交织或完全交织形成网状结构。 聚合物水泥的S E M照片见 图 1 。 一 一 ( a j ( b ) 图 1 聚合物水泥的 S E M照片 从图1 ( a ) 中可以观察到， 水泥水化产物和未水化的水泥 颗粒包裹在聚合物中间； 从图1 ( b ) 中可以观察到， 水泥水化 产生的片状C a ( O H ) 与聚合物乳液膜相互交织。 4 结语 ( 1 ) 采用聚合物乳液、 水泥、 橡胶颗粒等可以制备满足 G B T 1 4 8 3 3 9 3 塑胶跑道 性能指标要求且绿色环保的水性 塑胶跑道材料橡胶颗粒增强聚合物水泥操场跑道材料。 ( 2 ) 聚灰比为2 0 0 、 1 7 5 、 1 5 0 、 1 2 5 时制备的跑道面层邵 氏A硬度在4 5 6 0 度， 符合国标要求； 聚灰比对跑道拉伸强 度和扯断伸长率影响较大， 聚灰比为1 5 0时拉伸强度最大为 1 3 7 M P a ， 聚灰比为 1 7 5 时扯断伸长率最大为3 4 7 ； 聚灰比 和浆集比均对压缩复原率有较大影响，聚灰比为 1 5 0 时， 压 缩复原率最大为9 6 4 0 ， 浆集比为0 3 0时， 压缩复原率最大 为9 6 0 5 ；浆集比是水性塑胶跑道回弹性的主要影响因素， 浆集比为0 2 0 时，回弹性最大为 1 6 1 9 。聚灰比为1 7 5 或 1 5 0 ， 浆集比为0 2 5 时， 水性塑胶跑道的综合性能较佳。 ( 3 ) S E M观测可以验证聚合物水泥互穿网络结构在本体 系中的适用性。 参考文献 ： 1 董仙 兰， 陈梅兰 关于塑胶跑道质量指标问题的思考 J 】 _ 河北能源 职业技术学院学报 ， 2 0 0 5( 3 ) ： 3 7 4 0 2 】 苏政权， 李亚勇 ， 黄剑贤 环保 型运 动场用聚氨酯铺 装材料的研 制 J 】 化学建材， 2 0 0 5 ， 2 1 ( 3 ) ： 4 4 4 5 A ( 上接第 7页) 参考文献 ： 【 1 U h e r k o v i e h I Q u e s t i o n s c o n c e rni n g t h e l o n g t e r m b e h a v i o r o f c o n c r e t e r e p a i r ， A d h e r e n c e o f Y o u n g o n O l d C o n c r e t e M S w i t - z e r l a n d： Ae d i fi c a t i o ， 1 9 9 4， 1 7 7 一l 8 1 【 2 】 赵志方， 赵 国藩 ， 刘健 ， 等 新老混凝土粘结抗 拉性能 的试验研究 J 】 建筑结构学报 ， 2 0 0 1 ， 2 2( 2 ) ： 5 l 一 5 6 【 3 】 李庚英， 谢慧才， 熊光晶 新老混凝土的粘结模型及微观结构分 1 0 新型建筑材料 2 0 1 0 1 析f J 】 混凝土 ， 1 9 9 9 ( 6 ) ： 1 3 1 8 4 】 孙 振平 ， 蒋正武 ， 张冠伦 ， 等 混凝 土界 面超 强处 理 剂： 中国 ， Z L 2 0 0 4 1 0 0 1 6 7 3 8 3 【 P 2 0 0 6 1 l 一 0 1 【 5 】 孔德玉， 雷霆， 冯颖慧， 等 掺合料浆液包覆强化新老混凝土界 面【 J 武汉理工大学学报 ， 2 0 0 9 ， 3 1 ( 7 ) ： 9 2 9 5 6 1 Mo m a y e z A ， R a me z a n i a n p o u r A A， R a j a i e H， e t o 1 B i - s u r f a c e s h e a r t e s t f o r e v a l u a t i n g b o n d b e t we e n e x i i n g a n d n e w c o n c r e t e J 】 A C I M a t e r J ， 2 0 0 4 ， 1 0 1 ( 2 ) ： 9 9 1 0 6 A 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m