【正文】 狀態(tài)的研究，已有研究中建立了不同的界面粘結模型，主要有Emmno,[6]等人提出的三區(qū)粘結模型、趙志方[7]等提出的雙界面多層區(qū)粘結模型、韓菊紅等提出的粘結界面斷裂模型等。其中，最具代表性的是韓菊紅[8]等根據(jù)新老混凝土粘結界面的破壞模式和界面層材料特性分析結構，假定新老混凝土粘結斷裂破壞均為界面破壞，認為界面是有一定厚度的“軟”混凝土，其損傷大于粘結面兩側新老混凝土本體，在此基礎上提出了粘結界面斷裂模型。它分為三種斷裂形式：（1）當界面粘結很好，其粘結強度高于界面層抗裂強度時，擴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地呈波浪狀發(fā)展；（2）當界面粘結較好，其粘結強度接近于界面層抗裂強度時，擴展到界面處的裂縫雖然受阻不能沿原來方向進入界面層兩側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。當遇到界面上的阻力元時，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階狀發(fā)展；（3）當界面粘結較差，其粘結強度小于界面層材料的抗剪強度時，擴散到界面處的裂縫將沿跡線發(fā)展。結合粘結界面的微觀機理分析，認為超薄罩面層—舊混凝土層間的界面粘結更符合上述模型。圖21 界面粘結模型示意圖 界面特性分析 在舊混凝土道面上澆筑罩面混凝土時，新舊混凝土結構之間必然形成界面。界面的出現(xiàn)是新舊混凝土結合的薄弱環(huán)節(jié)，它大大降低了復合結構整體的抗拉、抗剪強度以及耐久性能。這就需要了解新舊混凝土間界面的結構及其形成過程，以充分認識新舊混凝土結合薄弱的問題。罩面與舊道面混凝土間界面結構的特點及其形成過程，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合類似，超薄罩面與舊混凝土間接觸界面處也存在一個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，澆注新的超薄層時會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，并降低了界面的強度[9]。同時，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度。這是物質結構在化學方面的原因，是影響新舊混凝土粘結強度的本質內(nèi)因。 超薄水泥混凝土罩面舊混凝土層 過渡層“空穴”圖22 復合結構模型示意圖（2）空穴理論[7]認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，導致界面處水泥漿不能充分浸潤骨料和水泥石，而罩面混凝土失去一部分水泥漿，使得粘結界面處的罩面混凝土中出現(xiàn)空隙，這種界面空隙結構也影響了新舊混凝土的粘結性能。（3）新舊混凝土界面處的骨料和硬化水泥石對罩面混凝土而言猶如是一個面，整個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“面”，并且這個“面”相對較平坦。這樣，罩面新拌混凝土就如同僅與這塊“大骨料”的一個平“面”粘結。這樣，由于界面結構與新舊混凝土本身的結構差異，就造成新舊混凝土之間的一個性質特殊的過渡層—粘結界面層。同時[10]，罩面材料與舊混凝土之間存在物理化學性質上的差異，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等就必然會在界面處引起附加拉應力，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，再加上界面相對比較平坦不能使裂縫擴散路徑發(fā)生曲折，所以一旦從這一區(qū)域引發(fā)了微裂縫，裂縫尖端處就會由于應力集中現(xiàn)象而導致裂縫迅速開展和傳播，新舊混凝土界面處的承載能力會被進一步削弱，最后將導致界面首先被破壞。也就是說，整體結構的破壞總是從最薄弱環(huán)節(jié)—界面層結構處開始。正確認識與描述界面的主要特征及其形成的物理力學結構機理，有助于我們針對擱置失效行為的主要成因，分析解決界面的粘結處理狀態(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)對復合結構整體協(xié)調(diào)工作能力的不利影響。同時，這也是本研究工作進行的重點任務和提高復合結構性能的理論依據(jù)。 新舊混凝土粘結狀態(tài)的力學機理分析新舊混凝土界面粘結質量決定新舊混凝土能否形成統(tǒng)一的整體，保證混凝土結構的整體性。厚大混凝土構筑物，諸如大型基礎工程、大型水利設施、大跨度的橋梁以及超高建筑結構等由于工期較長，新澆筑的混凝土能否與己經(jīng)硬化的混凝土很好地粘結，這關系到混凝土結構物的整體性使用性能狀況。對于新舊混凝土間粘結狀態(tài)的問題，人們在這方面的理論研究正在不斷的深入、發(fā)展和完善。目前，國內(nèi)外關于新舊混凝土粘結方面的研究工作，主要集中在小試件的宏觀力學性能與微觀結構分析方面。但比較完善的處理方法和粘結機理尚不清楚，尤其對于超薄層的粘結失效機理研究還很少。目前，對新舊混凝土粘結的研究主要集中在以下幾個方面。 新舊混凝土粘結的宏觀力學性能國內(nèi)外對新舊混凝土粘結的力學性能研究主要集中在以下幾個方面[7]：用立方體試件進行粘結劈裂抗拉強度試驗和直接抗拉強度試驗；新舊混凝土粘結面的剪切強度試驗，包括Z形試件的單剪、拉剪、壓剪和斜剪試驗等；新舊混凝土粘結的抗折(彎)強度試驗；新舊混凝土粘結的拉拔強度試驗；新舊混凝土粘結的雙軸拉壓強度研究；新舊混凝土粘結斷裂性能研究；高溫下新舊混凝土的粘結性能研究；用超聲波無損檢測方法檢測評估粘結質量以及數(shù)值計算方法的研究等。眾多的研究結果顯示[11]，在常溫條件下，新舊混凝土粘結面的軸心抗拉強度可達到整體新混凝土軸心抗拉強度的67%84%；粘結劈裂抗拉強度可達新混凝土相應強度的62%75%；粘結抗折(彎)強度可達整體新混凝土抗折強度的47%53%；%%；200℃高溫后的新舊混凝土粘結劈裂抗拉強度較常溫下降低26%左右，700℃時下降約92%；新舊混凝土粘結面在復合應力作用下的粘結性能隨應力作用的類型不同而有所變化?？偟脕碚f，壓剪作用下的粘結面剪切強度隨壓應力的增大而提高。 新舊粘結界面的微觀力學機理分析實際上，新老混凝土粘結結構的整體宏觀力學性能是其界面處微觀結構的具體表現(xiàn)，要從本質上揭示新老混凝土的粘結性能，則必須深入研究其微觀機理。對于新舊混凝土粘結面的微觀層面上的研究，通常主要集中在微觀結構的分析和粘結模型的建立以及力學作用機理的分析上。以往研究的結果認為，界面粘結力主要來源于范德華力、化學力、機械咬合力和表面張力等[12]。相對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，通常認為[13]界面粘結是以機械作用為主，漿體與細顆粒之間，以及水泥石中的晶體之間起作用的主要是范德華力，化學作用力存在的幾率較小。機械咬合力是指當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嚙合而形成相互約束的聯(lián)結體。從宏觀的角度看，界面處的機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合力。范德華力包括靜電力、誘導力和色散力；有研究資料表明，對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力通常比較弱。新老混凝土界面的化學作用主要來源于以下幾個方面：（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而形成新的化學產(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，化學反應物的進一步增多、水分蒸發(fā)以及流失等所導致界面出現(xiàn)物理應力。從微觀角度來看，該作用力對界面的早期粘結強度影響較大。 各結構層對粘結狀態(tài)的影響研究 舊道面表面性狀對粘結性能的影響作為整體結構的重要組成部分，舊道面的材料和結構性態(tài)對界面粘結性能的影響非常關鍵，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強度的高低。若舊混凝土表面潔凈密實、微裂縫很少、輕度粗糙，且沒有被風化后疏松的外皮，則一般能得到較好的粘結強度。Brickley. [14]等認為在一定粗糙度范圍內(nèi)，舊道面表面粗糙度越大，其粘結效果越好，但過大的粗糙度反而會降低新舊混凝土的結性能；也有的研究認為[15]界面處理的越粗糙，新舊混凝土粘結的越好；天津大學等單位的研究表明[16]，表面刷糙的界面粘結強度優(yōu)于表面鑿毛的情況。而對于此結論的研究主要集中在舊道面表面粗糙度的評價方面，而粗糙度的定量評估是一個非常重要的因素，但各種處理方法中還沒有明確定義粗糙度的方法。通常，為了增強結構的整體性能，需要提高界面的粘結程度。為此，工程中進行罩面鋪筑前需要對舊道面的表面進行相應的處理。目前，人們正在研究和應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。有研究認為，無論采取何種粘結措施，都要對舊道面表面進行一定的預處理，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，要在舊道面表面進行刻槽或刷毛處理以增強上下層混凝土間界面的機械咬合作用，提高其粘結強度；再次，清理表面的碎屑等雜物，減少對粘結強度的削弱作用；最后，罩面前要對舊道面表面灑水養(yǎng)護，使之保持潮濕但表面并無明顯積水的狀態(tài)以增強罩面混凝土與舊道面混凝土間的粘結程度。工程實踐表明，上述做法可以獲得比較好的效果，但進行大規(guī)模的應用時難以控制操作質量。 罩面材料性能對粘結強度的影響為保證混凝土結構在罩面后具有足夠的耐久性，需要選擇適當?shù)恼置嬗貌牧?，通常需要采用與原結構中物理化學性質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；當舊道面的表面破損是因化學侵蝕而損壞，則需要改用其它品種的水泥或保護涂層，以便形成保護性環(huán)境，但其物理力學性能應與舊道面材料基本相同。罩面后復合結構的耐久性，主要取決于新舊混凝土粘結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，所要求罩面材料最重要的性質就是其與舊混凝土的粘結力。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，且其強度至少要比舊混凝土高一個強度等級。以往的工程實踐中，水泥混凝土罩面往往會由于新舊混凝土之間的粘結失效而導致破壞。其具體表現(xiàn)就是，開始時新舊混凝土之間有較好的粘結性，但由于新澆筑混凝土的后期收縮與舊混凝土不一致，而導致在新舊混凝土粘結面上產(chǎn)生內(nèi)部應力，該應力足以能使原有的粘結結構產(chǎn)生破壞，為此所選罩面材料的物理收縮性應盡可能小。相關實驗研究結果表明[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性。本研究中進行水泥膠砂強度實驗時，砂漿中加入短碳纖維后試件的粘結抗剪強度增大，其增強原理是加入碳纖維后使新混凝土的干縮降低，%、%。；另外[20]，有試驗結果證明使用收縮補償砂漿效果很好，可以提高罩面結構的耐久性。目前，一種新型的混凝土（預鋪骨料混凝土）正引起大家的廣泛關注。預鋪骨料混凝土具有良好的粘結性，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%，修補混凝土干縮的減小幾乎使粘結界面處不會產(chǎn)生干縮應變，預鋪骨料混凝土通常具有以下優(yōu)點：（1）預鋪骨料混凝土可以采用與被修補結構混凝土相同的配比，它們的強度、彈性模量及熱性能相同。因此，在荷載作用下或溫度變化時，新舊混凝土能協(xié)同工作，這種協(xié)同工作加上預鋪骨料混凝土的低收縮性質，可使新舊混凝土粘結面處的應力很??；（2）現(xiàn)場施工中，大體積預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。因為水泥漿凝固緩慢，混合后存放2小時后仍可使用。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，且砂漿極易運輸和澆筑。當然，采用預鋪骨料混凝土需要具有相應材料與匹配的工藝，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。 界面處理方式對粘結強度的影響根據(jù)目前相關研究的結果表明[11]，新舊混凝土粘結面的處理方法主要分為物理方法和化學方法兩類，而物理方法又分為噴射處理和機械處理兩種。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；機械處理又包括：鋼刷法、人工鑿毛法、氣錘鑿毛法、機械切削法；化學方法常用的主要是酸浸蝕。具體處理方法如圖23所示。本課題實驗研究中的觀察結果表明，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，同時由于重力和機械震動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，使擠壓部分的粘結面上出現(xiàn)“缺膠”現(xiàn)象，表現(xiàn)為粘結界面處的水泥漿浸潤不均勻，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出現(xiàn)空隙，這種情況會嚴重影響新舊混凝土的粘結強度。為此，我們所采取的措施是在舊混凝土表面預先涂抹上一層粘結劑，這樣，既可以使老混凝土表面充分浸潤，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，且本課題研究中的相關試驗研究表明，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效果優(yōu)于不用界面劑的粘結效果。圖23新舊混凝土粘結面的處理方法基于以往研究的結果，人們已經(jīng)開發(fā)出了各種類型的界面粘結劑，由于不同界面劑分別具有不同的增