【正文】 狀態(tài)的研究，已有研究中建立了不同的界面粘結(jié)模型，主要有Emmno,[6]等人提出的三區(qū)粘結(jié)模型、趙志方[7]等提出的雙界面多層區(qū)粘結(jié)模型、韓菊紅等提出的粘結(jié)界面斷裂模型等。其中，最具代表性的是韓菊紅[8]等根據(jù)新老混凝土粘結(jié)界面的破壞模式和界面層材料特性分析結(jié)構(gòu)，假定新老混凝土粘結(jié)斷裂破壞均為界面破壞，認(rèn)為界面是有一定厚度的“軟”混凝土，其損傷大于粘結(jié)面兩側(cè)新老混凝土本體，在此基礎(chǔ)上提出了粘結(jié)界面斷裂模型。它分為三種斷裂形式：（1）當(dāng)界面粘結(jié)很好，其粘結(jié)強(qiáng)度高于界面層抗裂強(qiáng)度時(shí)，擴(kuò)展到界面處的裂縫受阻而折回到界面層中，并在界面層中沿微裂縫貫通方向隨機(jī)地呈波浪狀發(fā)展；（2）當(dāng)界面粘結(jié)較好，其粘結(jié)強(qiáng)度接近于界面層抗裂強(qiáng)度時(shí)，擴(kuò)展到界面處的裂縫雖然受阻不能沿原來(lái)方向進(jìn)入界面層兩側(cè)的新老混凝土本體中，但可與界面上的微裂縫相連通而沿界面發(fā)展。當(dāng)遇到界面上的阻力元時(shí)，又折回到界面層上面的發(fā)展過程，在界面上和界面層中交替地呈臺(tái)階狀發(fā)展；（3）當(dāng)界面粘結(jié)較差，其粘結(jié)強(qiáng)度小于界面層材料的抗剪強(qiáng)度時(shí)，擴(kuò)散到界面處的裂縫將沿跡線發(fā)展。結(jié)合粘結(jié)界面的微觀機(jī)理分析，認(rèn)為超薄罩面層—舊混凝土層間的界面粘結(jié)更符合上述模型。圖21 界面粘結(jié)模型示意圖 界面特性分析 在舊混凝土道面上澆筑罩面混凝土?xí)r，新舊混凝土結(jié)構(gòu)之間必然形成界面。界面的出現(xiàn)是新舊混凝土結(jié)合的薄弱環(huán)節(jié)，它大大降低了復(fù)合結(jié)構(gòu)整體的抗拉、抗剪強(qiáng)度以及耐久性能。這就需要了解新舊混凝土間界面的結(jié)構(gòu)及其形成過程，以充分認(rèn)識(shí)新舊混凝土結(jié)合薄弱的問題。罩面與舊道面混凝土間界面結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及其形成過程，可概述如下：（1）與一般工程施工縫處理過程中新舊混凝土的結(jié)合類似，超薄罩面與舊混凝土間接觸界面處也存在一個(gè)類似于整體澆筑混凝土中骨料與水泥石之間的界面過渡區(qū)。由于舊混凝土的親水性，澆注新的超薄層時(shí)會(huì)在舊混凝土表面形成一層水膜，從而使界面局部的水灰比高于其他部位的水灰比，也導(dǎo)致界面處鈣礬石和氫氧化鈣晶體數(shù)量增多，晶粒變大，形成擇優(yōu)取向，并降低了界面的強(qiáng)度[9]。同時(shí)，由于舊混凝土的阻礙，罩面混凝土中的泌水和氣泡積聚在舊混凝土表面，不僅使罩面混凝土與舊道面結(jié)合處局部的水灰比更高，而且使得氣孔和微裂縫在該區(qū)富集，這樣就顯著地降低了界面的強(qiáng)度。這是物質(zhì)結(jié)構(gòu)在化學(xué)方面的原因，是影響新舊混凝土粘結(jié)強(qiáng)度的本質(zhì)內(nèi)因。 超薄水泥混凝土罩面舊混凝土層 過渡層“空穴”圖22 復(fù)合結(jié)構(gòu)模型示意圖（2）空穴理論[7]認(rèn)為由于振搗作用使得罩面混凝土中的骨料可能擠壓在界面處，使骨料與界面突出的石子、水泥石形成點(diǎn)接觸，骨料堆積在舊混凝土表面，阻塞了一部分舊混凝土表面的孔隙和凹凸不平的部分，使具有粘結(jié)性的水泥漿不能完全滲入到孔隙中去，形成空穴現(xiàn)象，如圖22中界面處空白部分即為“空穴”。這樣，導(dǎo)致界面處水泥漿不能充分浸潤(rùn)骨料和水泥石，而罩面混凝土失去一部分水泥漿，使得粘結(jié)界面處的罩面混凝土中出現(xiàn)空隙，這種界面空隙結(jié)構(gòu)也影響了新舊混凝土的粘結(jié)性能。（3）新舊混凝土界面處的骨料和硬化水泥石對(duì)罩面混凝土而言猶如是一個(gè)面，整個(gè)舊道面像一塊表面比較平坦的“大骨料”，而這塊“大骨料”與整體澆筑混凝土中的骨料相比不但體積大且只有一個(gè)“面”，并且這個(gè)“面”相對(duì)較平坦。這樣，罩面新拌混凝土就如同僅與這塊“大骨料”的一個(gè)平“面”粘結(jié)。這樣，由于界面結(jié)構(gòu)與新舊混凝土本身的結(jié)構(gòu)差異，就造成新舊混凝土之間的一個(gè)性質(zhì)特殊的過渡層—粘結(jié)界面層。同時(shí)[10]，罩面材料與舊混凝土之間存在物理化學(xué)性質(zhì)上的差異，由于冷熱交替、凍融循環(huán)作用以及罩面水泥混凝土的自身收縮效應(yīng)等就必然會(huì)在界面處引起附加拉應(yīng)力，從而誘發(fā)“先天”裂縫，如圖22所示。一旦受到外力作用，由于新舊混凝土界面處裂縫、缺陷較集中，再加上界面相對(duì)比較平坦不能使裂縫擴(kuò)散路徑發(fā)生曲折，所以一旦從這一區(qū)域引發(fā)了微裂縫，裂縫尖端處就會(huì)由于應(yīng)力集中現(xiàn)象而導(dǎo)致裂縫迅速開展和傳播，新舊混凝土界面處的承載能力會(huì)被進(jìn)一步削弱，最后將導(dǎo)致界面首先被破壞。也就是說(shuō)，整體結(jié)構(gòu)的破壞總是從最薄弱環(huán)節(jié)—界面層結(jié)構(gòu)處開始。正確認(rèn)識(shí)與描述界面的主要特征及其形成的物理力學(xué)結(jié)構(gòu)機(jī)理，有助于我們針對(duì)擱置失效行為的主要成因，分析解決界面的粘結(jié)處理狀態(tài)中出現(xiàn)的一系列問題，以便盡可能消除該薄弱環(huán)節(jié)對(duì)復(fù)合結(jié)構(gòu)整體協(xié)調(diào)工作能力的不利影響。同時(shí)，這也是本研究工作進(jìn)行的重點(diǎn)任務(wù)和提高復(fù)合結(jié)構(gòu)性能的理論依據(jù)。 新舊混凝土粘結(jié)狀態(tài)的力學(xué)機(jī)理分析新舊混凝土界面粘結(jié)質(zhì)量決定新舊混凝土能否形成統(tǒng)一的整體，保證混凝土結(jié)構(gòu)的整體性。厚大混凝土構(gòu)筑物，諸如大型基礎(chǔ)工程、大型水利設(shè)施、大跨度的橋梁以及超高建筑結(jié)構(gòu)等由于工期較長(zhǎng)，新澆筑的混凝土能否與己經(jīng)硬化的混凝土很好地粘結(jié)，這關(guān)系到混凝土結(jié)構(gòu)物的整體性使用性能狀況。對(duì)于新舊混凝土間粘結(jié)狀態(tài)的問題，人們?cè)谶@方面的理論研究正在不斷的深入、發(fā)展和完善。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于新舊混凝土粘結(jié)方面的研究工作，主要集中在小試件的宏觀力學(xué)性能與微觀結(jié)構(gòu)分析方面。但比較完善的處理方法和粘結(jié)機(jī)理尚不清楚，尤其對(duì)于超薄層的粘結(jié)失效機(jī)理研究還很少。目前，對(duì)新舊混凝土粘結(jié)的研究主要集中在以下幾個(gè)方面。 新舊混凝土粘結(jié)的宏觀力學(xué)性能國(guó)內(nèi)外對(duì)新舊混凝土粘結(jié)的力學(xué)性能研究主要集中在以下幾個(gè)方面[7]：用立方體試件進(jìn)行粘結(jié)劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)和直接抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)；新舊混凝土粘結(jié)面的剪切強(qiáng)度試驗(yàn)，包括Z形試件的單剪、拉剪、壓剪和斜剪試驗(yàn)等；新舊混凝土粘結(jié)的抗折(彎)強(qiáng)度試驗(yàn)；新舊混凝土粘結(jié)的拉拔強(qiáng)度試驗(yàn)；新舊混凝土粘結(jié)的雙軸拉壓強(qiáng)度研究；新舊混凝土粘結(jié)斷裂性能研究；高溫下新舊混凝土的粘結(jié)性能研究；用超聲波無(wú)損檢測(cè)方法檢測(cè)評(píng)估粘結(jié)質(zhì)量以及數(shù)值計(jì)算方法的研究等。眾多的研究結(jié)果顯示[11]，在常溫條件下，新舊混凝土粘結(jié)面的軸心抗拉強(qiáng)度可達(dá)到整體新混凝土軸心抗拉強(qiáng)度的67%84%；粘結(jié)劈裂抗拉強(qiáng)度可達(dá)新混凝土相應(yīng)強(qiáng)度的62%75%；粘結(jié)抗折(彎)強(qiáng)度可達(dá)整體新混凝土抗折強(qiáng)度的47%53%；%%；200℃高溫后的新舊混凝土粘結(jié)劈裂抗拉強(qiáng)度較常溫下降低26%左右，700℃時(shí)下降約92%；新舊混凝土粘結(jié)面在復(fù)合應(yīng)力作用下的粘結(jié)性能隨應(yīng)力作用的類型不同而有所變化?？偟脕?lái)說(shuō)，壓剪作用下的粘結(jié)面剪切強(qiáng)度隨壓應(yīng)力的增大而提高。 新舊粘結(jié)界面的微觀力學(xué)機(jī)理分析實(shí)際上，新老混凝土粘結(jié)結(jié)構(gòu)的整體宏觀力學(xué)性能是其界面處微觀結(jié)構(gòu)的具體表現(xiàn)，要從本質(zhì)上揭示新老混凝土的粘結(jié)性能，則必須深入研究其微觀機(jī)理。對(duì)于新舊混凝土粘結(jié)面的微觀層面上的研究，通常主要集中在微觀結(jié)構(gòu)的分析和粘結(jié)模型的建立以及力學(xué)作用機(jī)理的分析上。以往研究的結(jié)果認(rèn)為，界面粘結(jié)力主要來(lái)源于范德華力、化學(xué)力、機(jī)械咬合力和表面張力等[12]。相對(duì)于新澆筑的罩面混凝土，在某種角度上可以把老混凝土看作具有粗糙表面且多孔的大骨料，其上露出的集料和己硬化的水泥石都可看作骨料的表面部分，這樣，新老混凝土的界面在一定程度上就與骨料和水泥石的接觸界面比較相似，通常認(rèn)為[13]界面粘結(jié)是以機(jī)械作用為主，漿體與細(xì)顆粒之間，以及水泥石中的晶體之間起作用的主要是范德華力，化學(xué)作用力存在的幾率較小。機(jī)械咬合力是指當(dāng)有粘性的水泥漿滲透到老混凝土的表面空隙中，硬化后新老混凝土相互交錯(cuò)嚙合而形成相互約束的聯(lián)結(jié)體。從宏觀的角度看，界面處的機(jī)械咬合力主要取決于舊混凝土表面的粗糙度。新老混凝土界面間的范德華力，主要是指由水泥石中的晶體與晶體之間，以及晶體與集料之間分子的相互作用而形成的結(jié)合力。范德華力包括靜電力、誘導(dǎo)力和色散力；有研究資料表明，對(duì)混凝土而言起作用的主要是靜電力和色散力，占范德華力的80%以上；而在新老混凝土的界面上，因分子作用而引起的粘結(jié)力通常比較弱。新老混凝土界面的化學(xué)作用主要來(lái)源于以下幾個(gè)方面：（l）新混凝土的水泥組分與老混凝土的水化物發(fā)生反應(yīng)而形成新的水化產(chǎn)物；（2）老混凝土中未水化的部分與新混凝土的水泥組分反應(yīng)而形成新的水化產(chǎn)物；（3）新老混凝土中的水泥或其水化物與界面處理劑反應(yīng)而形成新的化學(xué)產(chǎn)物。表面張力主要是指由溫度和濕度變化等外界自然條件引起的罩面混凝土內(nèi)部、界面以及表面上的自收縮張拉等。尤其是界面處，剛澆筑后早期的水灰比較大，隨著齡期的增加，化學(xué)反應(yīng)物的進(jìn)一步增多、水分蒸發(fā)以及流失等所導(dǎo)致界面出現(xiàn)物理應(yīng)力。從微觀角度來(lái)看，該作用力對(duì)界面的早期粘結(jié)強(qiáng)度影響較大。 各結(jié)構(gòu)層對(duì)粘結(jié)狀態(tài)的影響研究 舊道面表面性狀對(duì)粘結(jié)性能的影響作為整體結(jié)構(gòu)的重要組成部分，舊道面的材料和結(jié)構(gòu)性態(tài)對(duì)界面粘結(jié)性能的影響非常關(guān)鍵，特別是表面的處理狀態(tài)直接影響著舊道面與罩面間粘結(jié)強(qiáng)度的高低。若舊混凝土表面潔凈密實(shí)、微裂縫很少、輕度粗糙，且沒有被風(fēng)化后疏松的外皮，則一般能得到較好的粘結(jié)強(qiáng)度。Brickley. [14]等認(rèn)為在一定粗糙度范圍內(nèi)，舊道面表面粗糙度越大，其粘結(jié)效果越好，但過大的粗糙度反而會(huì)降低新舊混凝土的結(jié)性能；也有的研究認(rèn)為[15]界面處理的越粗糙，新舊混凝土粘結(jié)的越好；天津大學(xué)等單位的研究表明[16]，表面刷糙的界面粘結(jié)強(qiáng)度優(yōu)于表面鑿毛的情況。而對(duì)于此結(jié)論的研究主要集中在舊道面表面粗糙度的評(píng)價(jià)方面，而粗糙度的定量評(píng)估是一個(gè)非常重要的因素，但各種處理方法中還沒有明確定義粗糙度的方法。通常，為了增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體性能，需要提高界面的粘結(jié)程度。為此，工程中進(jìn)行罩面鋪筑前需要對(duì)舊道面的表面進(jìn)行相應(yīng)的處理。目前，人們正在研究和應(yīng)用的混凝土表面處理方法有：人工打毛法、噴丸(砂)法、高壓水射法、鋼絲刷毛法等。有研究認(rèn)為，無(wú)論采取何種粘結(jié)措施，都要對(duì)舊道面表面進(jìn)行一定的預(yù)處理，基本做法如下[17]：首先，需要銑刨除去舊道面上層的破損表層，且要求銑刨后的舊道面保持在10cm厚度以上，以保證舊道面有足夠的剩余承載力；其次，要在舊道面表面進(jìn)行刻槽或刷毛處理以增強(qiáng)上下層混凝土間界面的機(jī)械咬合作用，提高其粘結(jié)強(qiáng)度；再次，清理表面的碎屑等雜物，減少對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度的削弱作用；最后，罩面前要對(duì)舊道面表面灑水養(yǎng)護(hù)，使之保持潮濕但表面并無(wú)明顯積水的狀態(tài)以增強(qiáng)罩面混凝土與舊道面混凝土間的粘結(jié)程度。工程實(shí)踐表明，上述做法可以獲得比較好的效果，但進(jìn)行大規(guī)模的應(yīng)用時(shí)難以控制操作質(zhì)量。 罩面材料性能對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度的影響為保證混凝土結(jié)構(gòu)在罩面后具有足夠的耐久性，需要選擇適當(dāng)?shù)恼置嬗貌牧?，通常需要采用與原結(jié)構(gòu)中物理化學(xué)性質(zhì)相同的混凝土或砂漿，其水泥和骨料的品種則力求與原有混凝土所用原材料基本接近；當(dāng)舊道面的表面破損是因化學(xué)侵蝕而損壞，則需要改用其它品種的水泥或保護(hù)涂層，以便形成保護(hù)性環(huán)境，但其物理力學(xué)性能應(yīng)與舊道面材料基本相同。罩面后復(fù)合結(jié)構(gòu)的耐久性，主要取決于新舊混凝土粘結(jié)的耐久性和罩面材料的耐久性[17]。因此，需要根據(jù)不同情況，選擇合適的罩面材料。為保證新舊混凝土的良好粘結(jié)，所要求罩面材料最重要的性質(zhì)就是其與舊混凝土的粘結(jié)力。此外[18]，還要求其熱膨脹系數(shù)以及彈性模量等與原混凝土材料相接近，而且新混凝土的耐久性要高，且其強(qiáng)度至少要比舊混凝土高一個(gè)強(qiáng)度等級(jí)。以往的工程實(shí)踐中，水泥混凝土罩面往往會(huì)由于新舊混凝土之間的粘結(jié)失效而導(dǎo)致破壞。其具體表現(xiàn)就是，開始時(shí)新舊混凝土之間有較好的粘結(jié)性，但由于新澆筑混凝土的后期收縮與舊混凝土不一致，而導(dǎo)致在新舊混凝土粘結(jié)面上產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力，該應(yīng)力足以能使原有的粘結(jié)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，為此所選罩面材料的物理收縮性應(yīng)盡可能小。相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明[19]，在罩面混凝土中加入一定量的纖維可以改善新舊混凝土之間的粘結(jié)性。本研究中進(jìn)行水泥膠砂強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)時(shí)，砂漿中加入短碳纖維后試件的粘結(jié)抗剪強(qiáng)度增大，其增強(qiáng)原理是加入碳纖維后使新混凝土的干縮降低，%、%。；另外[20]，有試驗(yàn)結(jié)果證明使用收縮補(bǔ)償砂漿效果很好，可以提高罩面結(jié)構(gòu)的耐久性。目前，一種新型的混凝土（預(yù)鋪骨料混凝土）正引起大家的廣泛關(guān)注。預(yù)鋪骨料混凝土具有良好的粘結(jié)性，而且收縮非常小[21]。該混凝土是直接將粗骨料置于模板中。隨后將水泥砂漿灌入粗骨料之間的縫隙中，配料與普通混凝土相同，只是攪拌和澆筑方法不同。，故粗骨料都緊密接觸在一起。由于預(yù)鋪骨料混凝土粗骨料含量高且緊密接觸，至少減小干縮50%，修補(bǔ)混凝土干縮的減小幾乎使粘結(jié)界面處不會(huì)產(chǎn)生干縮應(yīng)變，預(yù)鋪骨料混凝土通常具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）預(yù)鋪骨料混凝土可以采用與被修補(bǔ)結(jié)構(gòu)混凝土相同的配比，它們的強(qiáng)度、彈性模量及熱性能相同。因此，在荷載作用下或溫度變化時(shí)，新舊混凝土能協(xié)同工作，這種協(xié)同工作加上預(yù)鋪骨料混凝土的低收縮性質(zhì)，可使新舊混凝土粘結(jié)面處的應(yīng)力很?。唬?）現(xiàn)場(chǎng)施工中，大體積預(yù)鋪骨料混凝土澆筑不存在由于澆筑延遲而留施工縫的問題。因?yàn)樗酀{凝固緩慢，混合后存放2小時(shí)后仍可使用。整體澆筑避免了普通混凝土施工工藝中的施工縫等薄弱環(huán)節(jié)；（3）施工方便，只需攪拌砂漿，且砂漿極易運(yùn)輸和澆筑。當(dāng)然，采用預(yù)鋪骨料混凝土需要具有相應(yīng)材料與匹配的工藝，在條件允許的情況下采用該方法可以獲得良好的效果，但在材料級(jí)配不良或施工環(huán)境不允許的情況下難以獲得較好的效果。 界面處理方式對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度的影響根據(jù)目前相關(guān)研究的結(jié)果表明[11]，新舊混凝土粘結(jié)面的處理方法主要分為物理方法和化學(xué)方法兩類，而物理方法又分為噴射處理和機(jī)械處理兩種。噴射處理包括：高壓水射法、砂（丸）法、噴蒸汽法、真空噴砂法以及噴燒法；機(jī)械處理又包括：鋼刷法、人工鑿毛法、氣錘鑿毛法、機(jī)械切削法；化學(xué)方法常用的主要是酸浸蝕。具體處理方法如圖23所示。本課題實(shí)驗(yàn)研究中的觀察結(jié)果表明，罩面新混凝土中的一部分水泥漿可以滲透到老混凝土中去，同時(shí)由于重力和機(jī)械震動(dòng)力的作用也可使新混凝土中的骨料下沉并擠壓在老混凝土的表面，使擠壓部分的粘結(jié)面上出現(xiàn)“缺膠”現(xiàn)象，表現(xiàn)為粘結(jié)界面處的水泥漿浸潤(rùn)不均勻，而新混凝土中失去一部分水泥漿。這樣，界面處的新混凝土中就會(huì)出現(xiàn)空隙，這種情況會(huì)嚴(yán)重影響新舊混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度。為此，我們所采取的措施是在舊混凝土表面預(yù)先涂抹上一層粘結(jié)劑，這樣，既可以使老混凝土表面充分浸潤(rùn)，又不至于由于減少了一部分水泥漿體而影響了新混凝土的充分凝結(jié)，且本課題研究中的相關(guān)試驗(yàn)研究表明，在舊混凝土表面狀態(tài)相同的情況下，采用界面劑處理后的新舊混凝土界面粘結(jié)效果優(yōu)于不用界面劑的粘結(jié)效果。圖23新舊混凝土粘結(jié)面的處理方法基于以往研究的結(jié)果，人們已經(jīng)開發(fā)出了各種類型的界面粘結(jié)劑，由于不同界面劑分別具有不同的增