引言

开展新老混凝土粘接性能的研究是对老化病害混凝土结构补强加固的基本工作，也是新建、在建工程裂缝修补工作的必要内容，具有重要的工程应用意义。国内外针对新老混凝土粘接进行了大量的理论探索与试验研究，主要探究方向有：新老混凝土粘接机理及粘接界面结构模型、影响新老混凝土粘接性能的因素以及新老混凝土粘接界面的破坏机理等。本文将基于这三个方面对前人的研究成果进行了总结，并独创性地提出了一种改善新老混凝土粘接性能研究的新思路，希望为后续的理论研究提供一个新的研究方向 。

1 对粘接机理与界面结构模型的研究

早期，人们一般认为新老混凝土粘接力同水泥集料界面的粘接力一样，主要是分子间作用力起作用。如，有文献认为新老混凝土粘接界面同集料—水泥界面一样，粘接力主要来源于范德华力，机械啮合力以及化学作用力存在的几率非常小。Bijen J等众多学者认为在纳米级的毛细孔中平均细度为30μm的水泥颗粒不可能进行水化反应，所以新老混凝土界面的机械啮合作用很弱。但是，随着研究人员对新老混凝土粘接的宏观力学研究和微观结构分析的不断深入，许多学者发现新老混凝土粘接除了存在分子间作用力外，还有机械咬合力和化学作用力，而且主要靠机械咬合力维系。目前，学术界比较认同的观点是：界面粘接力主要来源于机械咬合力。在新老混凝土粘接界面中起主要作用的机械咬合力是由新老混凝土晶体间相互交联抱合而生成的，在宏观上它的大小直接取决于老混凝土表面经处理后的粗糙程度的影响，微观上则主要由以下几个方面组成：（1）水化产物Ca(OH)₂、AFt、C-S-H在粗糙的老混凝土大孔隙中生长固化成晶体；（2）新混凝土部分中C-S-H凝胶的毛刺及Aft的针状结晶向界面处辐射生长进入老混凝土的毛细孔内；（3）老混凝土中未水化的水泥颗粒与新混凝土的水泥颗粒继续水化生成的C-S-H凝胶相互交错，固化后形成咬合作用。

在新混凝土与老混凝土粘接时，粘接作用力主要由机械嵌合作用产生。对嵌合作用进行微观分析易发现粘接界面是此粘接结构的受力薄弱环节，因为此处存在较多结构缺陷，承受荷载时极易开裂，一旦产生裂缝，裂缝两端将出现应力集中，这为裂缝的发展乃至粘接面的破坏创造了良好条件。鉴于此，学者们在解决了粘接力来源（即粘接机理）后，继续对粘接界面的微细观结构进行研究，并建立了界面的粘接结构模型。

1986年，王嘉提出可以用一个过渡区来描绘集料—水泥界面的粘接模型，并把过渡层分为扩散层、强效应层、弱效应层。从王嘉的分层思想出发，Emmons P H等提出新老混凝土粘接结构的三区粘结模型，将新老混凝土粘接界面分为新混凝土区、界面区和老混凝土区，粘接作用主要发生在界面区，界面区是粘接结构中的受力薄弱区域。此观点深受研究者认可，并在此基础上进一步细化分区。

Wall等人通过扫描电子显微镜对粘接界面进行观察后认为它可看作集料—水泥界面，即把混凝土看作大体积集料。2003年，有研究者结合前人研究进行试验研究，发现粘接界面与水泥—集料界面的确存在相似之处，进一步细化粘接模型的界面区，提出了粘接界面的微观结构模型，包括渗透层、反应层和渐变层三层，反应层对粘接性能的影响最大。同年，赵志方等进一步细化新老混凝土粘接界面区，提出双界面—多层区粘结模型。

此后，亦有人在前述研究成果上进一步细化。如针对含有植筋构造的界面，有学者提出了五区—三层粘结模型。该模型认为：旧混凝土植筋影响区Z2和新混凝土植筋影响区Z4分别是植筋长度范围内的旧混凝土区域和新混凝土区域，这两个区域对新旧混凝土粘接性能的影响较为显著。

至此，针对新老混凝土粘接机理及粘接结构模型已经有了较为统一的观点，此方向的研究也暂时告一段落。研究方向转为对影响粘接性能的因素及改善粘接性能进行研究。

2影响新老混凝土粘接性能的因素

新老混凝土的粘接层是由老混凝土、新混凝土和界面粘接剂组成的结合体。从对粘接机理的研究得到“新老混凝土的粘接力由机械咬合力贡献”，而老混凝土表面的粗糙状况直接影响了机械嵌合作用的强弱。因此老混凝土的表面状态决定了粘接性能的优劣，所选择的表面粗糙处理方法直接影响着粘接性能。其次，新老混凝土的粘接性能还受新老混凝土强度等级、老混凝土表面含水状态、粘接方位、界面剂种类以及是否植筋等的影响。

2.1 表面粗糙度及处理方法

新老混凝土粘接表面的粗糙处理是粘接程序的第一步也是最为关键的一步。新老混凝土粘接时，表面粗糙处理是保证其较强粘接性能的一个重要前提，粘接面粗糙处理不当会直接影响新老混凝土粘接性能的优劣。因此，本文结合工程实际应用介绍了几种常见的粘接面的粗糙处理方法：

2.1.1 高压射水法

它利用高速喷出的水柱直接作用在老混凝土表面，在冲击力的作用下冲刷掉一部分的混凝土，从而在老混凝土表面形成凹凸不平的粗糙状态。采用高压射水法处理时，工作效率高，粗糙度较均匀，并且不会造成老混凝土表面的过大损伤；但是高压水枪价格比较昂贵。

2.1.2 钢刷刷净法

在所浇筑的基底混凝土初凝后、终凝前可用钢刷进行表面划毛处理。有些混凝土在12—24h以内，可用钢刷刷净其粘接表面；而对已硬化的老混凝土而言，钢刷刷净只能算是进行了简单的刷净处理，还需采用别的处理手段方可达到理想的粗糙状态。

2.1.3 人工凿毛法

使用锤、钢钎等把老混凝土的表面凿毛，从而使其呈现粗糙状态。这种方法操作较为简单，成本也较低；但是凿毛会给老混凝土带来振动损伤，对裂缝的控制极为不利。

2.1.4 酸蚀法

它是粘接表面粗糙处理的一种化学方法，用稀HCL酸蚀老混凝土表面来提高其微细观粗糙度。但是经验表明这种方法并不像其他处理方法那么可靠，而且一些酸蚀液含有氯化物，这些氯化物会腐蚀混凝土结构中的钢筋。在粘接表面粗糙处理时是不建议采用酸蚀法来处理新老混凝土粘接面的，除非不能采用别的方法处理粘接面。

综上所述，在对新老混凝土粘接面进行物理粗糙处理时：应优先考虑高压射水法，因为采用该法除了可以获得干净的粘接面外，还不会对周围混凝土造成扰动；此外，采用高压射水法得到的老混凝土表面清洁、润湿，是良好粘接产生的前提；况且，即使在有钢筋存在的条件下，不但不会损伤钢筋，还能为钢筋除锈。其次，应选择人工凿毛法，这种方法操作简单、成本低，但是易造成混凝土结构的扰动破坏，使混凝土表面产生新的微裂缝。最后，才是酸蚀法，但这种方法对结构中的钢筋具有腐蚀作用，因此一般不建议采用化学酸洗法，除非不能采用别的粗糙处理方法。

2.2 新、老混凝土强度等级

旧混凝土的强度等级对新老混凝土的粘接强度有一定的影响，并且新老混凝土的粘接强度有随老混凝土强度等级升高而降低的趋势。用粗糙度不难解释这一现象：混凝土的强度与混凝土基体的密实度有直接的关系，混凝土强度越高，基体越密实，则混凝土表面的孔隙较少，表面较平整，因此表面的粗糙度较小。正是因为粗糙度小，才使得新老混凝土粘接强度较低，这也和“粘接力大多来自机械咬合力，而机械咬合力大小主要受老混凝土表面粗糙状态的影响”是相契合的。

新混凝土的强度等级对新老混凝土的粘接强度有显著的影响，并且新老混凝土的粘接强度有随新混凝土强度等级升高而升高的趋势。以上现象可以用水灰比解释：混凝土强度是通过水灰比控制的，水灰比越小混凝土强度等级越高。因此，用高强度等级的混凝土进行粘接时，由于其自身的水灰比较小，制作粘接试块振动过程中沁出的水分相对较少，在粘接面处不会形成较大水灰比，则水化形成的水化产物较密实，因而粘接强度较高。此外，低水灰比不致使混凝土固化后产生较大收缩，也有利于粘接强度的提高。但是，有研究指出：通过提高新混凝土的强度等级来改善新老混凝土的粘接性能是不经济的。行业规范建议：在进行新老混凝土粘接时，新的混凝土强度等级比老混凝土提高一个等级是比较适宜的。

2.3 老混凝土表面含水状态

在新老混凝土粘接体系中，如若老混凝土没有进行充分润湿处理，它将大量地从新混凝土中吸收水分，从而导致粘接界面处的新混凝土产生较多的失水微裂缝，进而降低了新老混凝土的粘接强度。因此，在新老混凝土粘接之前，必须对老混凝土表面进行充分的润湿处理，从而保证新老混凝土的粘接性能。

但是老混凝土表面润湿到哪种程度对粘接性能是最有利的呢？刘艳萌研究了老混凝土表面不同含水状态对粘接强度的影响，她发现：在浸水24h内，随老混凝土试块浸水时间的延长，新老混凝土的粘接性能得到不断改善，并且在1.5h以内，粘接性能改善较明显。

2.4 粘接方位

1994年，Uherkovich于工程实际中发现：下补时，界面的粘结质量最难保证。1995年，Robins等人对粘结方位与新老混凝土粘结性能关系的研究，多侧重于上补和斜上补。2001年，刘金伟等人首次提出并系统地研究了修补方位对粘结界面结构强度的影响，并指出有上补、斜上补、侧补、斜下补、下补五种粘结方位，如图5所示。结合实际修补工程与研究试验发现：斜下补、下补时效果最不理想。

2.5 界面剂的使用研究

Carles＆Talbot等通过试验研究发现界面剂是影响粘结性能的重要因素之一。但是至今为止界面剂的使用效果并不是十分令人满意。因此，人们开始研究如何改善界面剂的作用效果。李庚英等提出以粉煤灰、细砂作为改性材料配制新型界面剂的设想，经试验发现：经改性的界面剂较常用界面剂更能显著提高界面的粘结强度 。减缩剂是一种表面活化剂，靠降低混凝土或砂浆的毛细管液相的表面张力来减小干缩，并减小毛细管孔径 ，罗白云等设想以国产减缩剂对水泥砂浆界面剂进行改性。经试验发现，减缩剂可以改善界面层的微细观结构并提高界面粘结强度。

2.6 植筋

新老混凝土粘接结构的承载能力一般低于整体浇筑构件的承载能力，因为粘接界面处易发生界面分层破坏等现象。我们往往通过植筋来限制粘接界面的分层破坏。未进行植筋处理的粘接结构发生的是脆性破坏，植筋处理后则由脆性破坏转变成延性破坏，所以承载力也得到明显提高。新老混凝土粘接性能除了与植筋有关外，还受植筋深度、植筋率的影响。根据文献的建议，植筋深度一般最好超过钢筋直径的10倍（原Ⅱ级带肋钢筋），这与行业规范的规定是一致的，不过植筋深度尚与植筋胶的性能有关。一般来说，界面粘接强度随植筋率的提高而增大，但是一味地提高植筋率是不可行的，也是不经济的。

对于植筋界面，在粘接界面未开裂之前，粘接力的来源与无植筋界面的粘接力来源相同；当界面破坏后，界面粘接力完全靠植入的钢筋来承担，即界面开裂破坏后构件仍可以继续承载。但是，当用植筋法来改善新老混凝土的粘接性能时，植筋会对老混凝土造成扰动破坏，这是该方法不可忽视的缺点，所以工程界也并非绝对提倡新老混凝土粘接时必须植筋。

3结论

在新老混凝土粘接结构体系中，界面粘接力主要来自于机械咬合力，其次才是范德华力与化学键力，而粘接界面的表面粗糙状态直接决定了机械咬合力的大小。就微结构—性能而言，界面的微细观结构分为新混凝土区、老混凝土区、渐变层、反应层、渗透层，其中反应层的晶体结构对新老混凝土粘接体系的粘接性能影响最大。

改善新老混凝土的粘接性能，需在新老混凝土粘接之前选用一种或几种表面粗糙处理方法，使老混凝土表面具备一定程度的粗糙度。此外，在进行粘接之前，还需对老混凝土表面进行充分地润湿处理，避免老混凝土表面因干燥而吸引粘接界面处新浇筑水泥浆中的水分，从而避免粘接界面处局部水灰比过大导致固化后结构致密程度不足。再者，必要时应涂抹一层界面剂，进而促进新老混凝土粘接界面处范德华力的产生；或者，通过植入钢筋来抵抗粘接界面的劈拉、剪切破坏。

总之，新老混凝土粘接性能的好坏受很多外在因素的影响，单纯地从一个角度出发，去改善新老混凝土的粘接性能是十分不现实的。因为粘接性能的优劣是众多因素叠加作用的结果，所以在实际工程中只有从原材料、施工工艺以及后期养护等各流程都做到质量完全把控，方可收获新老混凝土粘接结构的良好粘接性能。

4 新老混凝土粘接性能研究的新思路

作者发现新老混凝土的粘接与被粘物、粘接剂的粘接过程非常相似。于是就查阅了粘接理论的相关知识，并了解到：粘接剂通过微布朗运动与被粘接物表面接触，是产生粘接的关键（即距离近是关键）；在被粘物表面上的粘接剂能否充分地铺展开，是粘接接头具有良好粘接性能的先决条件（即粘接剂良好的润湿性能是先决条件）；粘接剂自身固化后强度也决定了粘接性能的优劣。以上几点我称之为实现良好粘接的三要素，但是又不难发现，良好的润湿状态为粘接剂与被粘物近距离接触提供了条件。此外，从粘接剂的分类中作者看到：硅酸盐水泥本质上是一种粉状的水固型无机粘接剂。那么，硅酸盐水泥同样遵循上述粘接理论。

水泥是一种无机粘接剂，还是混凝土的核心原材料，而且混凝土使用近两百年来，水泥的性能对混凝土性能的影响一直是直接和巨大的。那么，针对“改善新老混凝土的粘接性能”这一研究课题而言，抓住主要因素—水泥而忽略次要因素—粗、细骨料，直接对“新旧水泥石粘接性能”进行研究岂不是更能简洁明了地揭示新老混凝土粘接现象的性质和规律吗？

于是，笔者在此提出研究新老混凝土粘接性能新的思路，即：基于粘接理论，通过探究新旧水泥石的粘接，来揭示新老混凝土粘接性能的规律。本文计划以粘接理论为基础，从界面物理和化学现象角度出发，从两个方面对改善新老混凝土的粘接性能进行实验研究：①在水泥净浆中加入聚羧酸系高性能减水剂，增强新拌水泥浆于旧水泥石表面的铺展能力；②用磨细高炉矿渣粉等量替代部分水泥，借助活性矿物材料的火山灰反应来增强新水泥浆固化后的强度。以上所提到的水泥为外加剂性能检测专用的基准水泥，即42.5强度等级的P·Ⅰ硅酸盐水泥。

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