混凝土修补材料粘结性能及现场测试方法试验研究

摘要：混凝土修补材料和老混凝土的粘结性能对修补结构承载能力和耐久性能有着重要影响，良好的粘结性能是修复结构达到设计要求的必要条件。本文从工程应用角度出发，对修复工程中常见的修补材料和老混凝土的粘结性能进行研究。引入一种新的粘结性能测试方法，并使用该方法对各种修补材料粘结性能的进行分析比较和研究。

关键词：混凝土 ；修补材料； 粘结性能 ； 现场测试方法； 界面剂； 强度

中图分类号：TU52 文献标识码：A

1新老混凝土材料粘结性能研究的现有成果

粘结性能实际上是粘结区新老混凝土的微观结构和新老结合部材料性能的综合影响结果，机理的研究主要从这两个方面展开，包括在此基础上的计算模型和本构关系的研究。从这个关系出发，国内外对粘结的研究从粘结机理和影响粘结的因素等方面做了很多工作，并取得了很大的进展。

在实际工程中，粘结性能与老混凝土界面情况有很大关系，主要包括界面的老混凝土粗糙程度、界面剂的使用等。现在老混凝土的表面粗糙程度对粘结性能的影响研究有了很大进展。粘结面的表面处理方法的研究主要有人工凿毛法、喷丸（砂）法、高压水射法和钢刷刷净法等。为了度量老混凝土表面的粗糙程度，先后提出了许多实用的方法，如：灌砂平均深度法、粗糙度测定仪法、分数维法等。界面剂的使用一般可以提高修复的粘结强度，现在工程上使用的界面剂主要有水泥净浆和有机材料界面剂。对比试验表明，在相同粗糙度的前提下，使用界面剂比原始混凝土面能显著提高粘结强度。有机材料的界面剂有单组分和双组分两种，使用性能应通过试验得出；值得注意的是如果有机材料的界面剂使用不当，特别是在老混凝土面涂抹很长时间再浇注新的修复材料，反而可能使粘结强度下降。

粘结强度的测试以前主要采用混凝土试块的劈拉试验。先要制作老混凝土试块，主要通过对标准试块劈拉，使成为两块，然后在断裂面修补新材料。这样制作的试块一是制作起来十分复杂，而且由于老混凝土经过一次劈拉受力，受力性能会有一定变化；二是在这种情况下修复的试块和实际工程中会有很大差异；工程上往往是大面积修复，制作过程本身和试块制作差异比较大。近几年，在国外有一种新的试验方法――拉拔法，但在国内应用的并不是很多，因此，本文在试验过程中对这种方法进行了试验，得出了该方法在试验和工程中的许多可参考的数据和经验。

2粘结性能现场测试方法

劈拉测试方法由于其试块制作及测试方法的局限性，很难在修复工程现场使用；为了更好的评定修复后新老材料粘结性能，对修复后新老混凝土材料粘结性能和承载能力进行定量分析，需要有一种在现场能较好测试粘结强度的试验方法和工具。本文采用了一种拉拔试验方法，并在试验室和现场进行了一系列测试。本试验用的是丹麦Germann公司的BOND-TEST混凝土拉拔试验仪，仪器原理如下图1所示，和以往老的劈拉试验不同的是，本试验可以在修复面直接进行拉拔试验，不需要做专门的试验试块，在实验室和修复现场均可应用。仪器主要包括底盘、磨平装置、取芯装置和拉拔装置；试验步骤大致可以分为：制作试验试件，固定底盘，磨平试验区表面，切割环槽，粘结钢块，拉拔。制作试块只要在老混凝土表面修补一层修补材料，达到标准强度后即可开始试验；把底盘固定在试验区，磨平试验区内表面，这样才能保证拉力垂直作用在试验表面，同时也可以保证试验钢块和试验面更好的粘结；在试验区利用仪器取芯装置在试验区切割圆环，形成直径50mm试验面；把仪器试验钢块对中粘结在试验面，待达到一定强度后，通过仪器垂直拉拔试验钢块，由于钢块和修补材料试验面粘结强度远大于修补材料和老混凝土之间的粘结强度，破坏面将在老混凝土和修补材料间产生，从而测试出老混凝土和修补材料间的粘结强度。

传统测试混凝土抗拉强度的劈拉试验方法是根据断裂力学的理论，通过5mm×5mm的方钢垫条施加压力F，试件中间截面除加力点附近很小的范围以外，有均匀分布拉应力。当拉应力达到混凝土的抗拉强度时，试件沿中间垂直截面劈裂拉断。根据弹性理论，劈拉强度ft，s可按下列公式计算：

可以看出劈拉强度，只是混凝土拉应力的近似值，是在轴心受拉试验测试比较困难的情况下的一种近似替代方法。而本文介绍的测试方法是根据抗拉强度的原理，对试件进行轴心拉拔测试，测试结果为抗拉强度的实际值，相对劈拉强度的近似结果，本方法的测试值可以更好的反映混凝土的实际拉应力，这一点比以往的劈拉试验有着无法比拟的优越性。

从试验方法来看，和以往试验方法相比，本文介绍的试验方法不需制作专门的试验试块，应用范围更加广泛，不仅可以在实验室进行试验，也可以在修复现场试验，尤其是在检测结构修复后新老材料的实际粘结强度方面，本方法有着明显的优势。再则，本试验的仪器操作相对比较简单，现场试验条件要求不高，测试效率较高。因此，测试方法较以往的测试方法有比较大的优势，有望在实际工程检测中广泛使用。

3修复材料粘结性能试验研究

钢筋混凝土结构耐久性修复的载体是修复材料，修复材料的选用在修复过程中起到关键作用，因此有必要在修复前对修复材料进行分析和研究。目前耐久性修复材料有很多种，近几年许多新材料的研制成功，为混凝土耐久性修复的选用提供了较为广阔的空间。对于混凝土结构的局部破坏和耐久性问题导致钢筋锈蚀引起的保护层脱落等应该优先选用流动性好、骨料小和方便施工的材料。

在本试验使用的四种材料中，第一种是一种进口修补砂浆。本修补砂浆为双组分配方，包括水泥添加粉剂和RMB水溶性无毒液体树脂。作为主要为修补受损混凝土研发的一种修补砂浆，砂浆的很多特性都是为了满足老混凝土结构耐久性防护的需要而开发的。第二种是国内市场上经常使用的混凝土灌浆料，本次试验用的高强无收缩灌浆料。作为高强砂浆类修补材料，灌浆料在修补结构构件损伤上有着广泛的用处。第三种为快硬水泥细石混凝土，在许多工程中，有时会要求修复材料能尽快凝固，以尽快满足使用要求。最后一种是普通硅酸盐水泥细石混凝土。

3.1修复材料强度试验

本次试验对比了四种材料在标准条件养护下28天强度。在工程实际中，对结构的局部修补，修补材料用量不大，加上修补区域施工不便，往往采用人工搅拌和人工振捣的工作方式，本次试验四种材料做成标准试块时均采用了人工搅拌和人工振捣方式。试验结果如表1所示。

从表1可以看出，自配细石混凝土没有达到当初设计强度C40，这主要是由于施工方面采用的是人工搅拌和人工振捣的原因。从受压后的破碎试块也可以看出，人工搅拌和人工振捣的细石混凝土有明显的孔隙和空洞。

3.2老混凝土粘结修复

本试验主要是结合材料试验，研究在老混凝土修复中各种修复材料和老混凝土之间的粘结性能。为了突出本次试验的研究方向和便于试验后分析的统一性，在修复阶段对老混凝土基面均采用人工凿毛的处理方法，粗糙度主要采用灌沙法进行测量，具体测量数据见表3。考虑到界面剂在新老混凝土粘结的重要作用，每种材料的试验都对有无界面剂两种情况进行对比试验。为了更好的研究老混凝土龄期对粘结性能的影响，本试验选用了浇筑龄期超过三年的老混凝土作为基准混凝土。在很多实际修复工程中，混凝土的龄期一般都超过三年，混凝土老化在三年以上接近稳定，用龄期超过三年的老混凝土作为基准混凝土比较符合混凝土老化的规律，也比较接近工程实际。从表3数据来看老混凝土基面的粗糙度大致相近，可以作为材料对比试验的基准试验平台。

老混凝土的强度对于修复后新老材料的粘结力有重要的影响，一般来说，修复材料的强度要高于老混凝土的强度。本次试验修复的四种材料强度在前面的试验中已经测出，老混凝土材料的强度在拔出试验后，通过取芯测试实际强度，老混凝土的强度平均值为35.1MPa。

在对老混凝土修复时，为了更好的研究修复后新修复材料和老混凝土之间的粘结性能，在老混凝土的表面，新修复材料的修复厚度为25mm左右，这样有利于新修复材料的凝固，也可以满足测试试验时试验仪器的测试要求。为了保证新的修复材料和老混凝土的粘结性能和新修复材料的强度，按标准养护条件对修复构件养护28天后对材料间的粘结强度进行测试。

3.3修复材料粘结性能强度测试及分析

从粘结强度的测试数值来看，灌浆料和BS 39修补砂浆两种材料在有无界面剂的情况下数值差异较大；快硬水泥细石混凝土在测试过程中，无界面剂的部分粘结强度过低，无法得出测试数据，有界面剂的部分试验数据也较低；普通425水泥细石混凝土材料在有无界面剂的情况下数值差异不大。用方差对四种材料进行显著性分析可得，A组、B组在有无界面剂的情况下有显著性差异；C组无法比较；D组在有无界面剂的情况下无显著性差异。考虑到本次试验的修复材料的强度，我们可以看出，前两种修复材料的的平均抗压强度分别为47.2MPa和58.2MPa，均大于老混凝土强度35.1MPa。而最后一种材料的抗压强度24.5MPa，小于老混凝土强度。可见，修复材料的强度对界面剂的使用效果有重要的影响。前两种材料的破坏形态有很多是受拉后老混凝土破坏，说明修复后修复材料和老混凝土的粘结强度比较高，在某些区域的粘结强度甚至高于老混凝土抗拉强度，导致在进行拉拔试验时，受拉破坏从老混凝土断裂。而最后一种材料的粘结破坏形式全部从结合面薄弱层破坏，根据文献[4]的理论，在薄弱层强度和老混凝土强度相比过低的情况下，由于修复材料成分不能更好的渗透进老混凝土内，使用界面剂对于材料间的粘结强度所起的作用不大。

从以上分析，可以看出，在修复材料的强度小于老混凝土强度或修复材料的本身强度比较低时，使用界面剂对新老材料之间的粘结性能影响不大；而在修复材料强度大于老混凝土材料强度或修复材料本身强度比较高时，使用界面剂对新老材料间的粘结强度有比较明显的影响，可以提高他们之间的粘结强度。对比四种材料的粘结强度和上面的分析，我们可以认为各种材料和老混凝土的粘结强度和材料本身强度有很大的关系；强度较高的材料和老混凝土的粘结强度相对与强度较低的材料和老混凝土的粘结强度要高的多，有明显差异。

结语

本文使用一种新的粘结性能现场测试方法，并通过该方法对修复材料粘结性能进行研究。该拉拔方法在现场和试验室均可使用，尤其适合现场测试修复工程修补结构和老混凝土结构粘结性能，且该方法操作方面，测试速度较快，和传统的测试方法相比有明显的优越性，值得在修复工程推广使用。

修复材料和老混凝土之间的粘结性能和修复材料本身的力学性能有很大关系，强度较高的材料和老混凝土的粘结强度相对与强度较低的材料和老混凝土的粘结强度要高的多，有明显差异。而且修复材料强度较高的情况下，使用界面剂对新老材料间的粘结强度有比较明显的影响。

参考文献

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