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水工混凝土建筑物中水泥砂浆对混凝土修补的评估
Rytis Skominas*, Vincas Gurskis**, Raimondas Sadzevicius***, Vitas Damulevicius****,
and Algirdas Radzevicius*****
接收2016年7月4日/修订2016年10月27日/采用2016年12月10日/网上发行2017年3月17日
摘要
在水工建筑物使用期间，钢筋混凝土会恶化。因此，修理和保护混凝土不受大气影响是很重要的。被修复的混凝土表面必须足够粗糙，且修复材料必须具有适当的粘性，才能使得旧混凝土和修补材料之间的结合牢固。本文对结构和非结构修复的混凝土表面粗糙度指标进行了估算。此外，还评价了膨胀剂和纤维改性水泥砂浆在水工建筑物修复中的适用性。为了估算粘结强度，进行了拉伸试验。为了研究修复的抗冻性，试样经过了50、100和150次冻融循环，并随后确定剥离强度。结果表明，膨胀剂和聚丙烯纤维提高了水泥砂浆的粘结性能和修补混凝土表面的粗糙度。据估计，在水工建筑物中修补钢筋混凝土最合适的方式（当F100抗冻强度是必要时）是采用膨胀剂改性的水泥砂浆和适当准备的混凝土表面。
关键词：混凝土、修补、粘结强度、粗糙度、收缩率、抗冻性
1、简介
在大多数在严酷环境中的钢筋混凝土结构，10-20年后就出现了严重缺陷。根据结构类型、缺陷原因、风险水平等因素，可以使用多种修复策略、材料和方法。
在钢筋混凝土结构的修复中，旧混凝土和新修补材料良好粘结是非常重要的。新加入的砂浆通过粘连与混凝土结合。因此，为了使混凝土表面粗糙，制备混凝土表面是非常重要的。混凝土表面粗糙度与粘结强度有关，即表面的高粗糙度提供了更好的粘结强度。 (Abu-Tair et al., 1996; Castillo et al., 2012; Santos et al., 2007; 2012; Xiong et al., 2004) 是保证旧混凝土和新修补材料之间良好连接的最重要的指标之一。在一项研究中，桑托斯等人（2007）用了三种方法制备表面：
铸态、线刷和喷砂。所有这些制备类型都得到了光滑的混凝土表面，没有证据表明修补材料与粗糙混凝土表面产生粘结。这些维修非常重要，例如，被循环冻融损坏的水工建筑物。为了修复这些缺陷，必须清除损坏的混凝土。为此，经常采用气动锤使混凝土表面粗糙。
此外，表面制备的其他参数如粘结剂与混凝土的含水率对粘结强度有显著影响 (Ha et al., 2013;Santos et al., 2012)。修补砂浆早期的收缩变形对修复质量有不利影响 (Espeche et al., 2011; Mallat et al., 2011; Mirza et al., 2014; Sciume et al.,2013; Tsioulou et al., 2013)。这种变形会导致修补材料的开裂并失去粘性。为减少修补材料早期收缩的影响，建议使用纤维改性修补砂浆(Mallat et al., 2011; Mechtcherine, 2013)、废旧轮胎橡胶(Huang et al., 2013)、纺织钢筋混凝土(Mechtcherine, 2013) 或化学外加剂(Choi et al.,2015;Oliveira et al., 2014)。
先前的研究（Mazzoli et al., 2015）估计，聚丙烯和聚乙烯粗纤维表现出最佳的性能，并导致一定的延迟开裂和裂纹形成的显著减少。其他科学家（Boghossian et al., 2008;Juarez et al., 2015）获得了类似的结果，纤维可以减少90%至99%的总破裂面积和裂缝的最大宽度。
可用于减少收缩的化学外加剂可分为两种类型：减缩外加剂（SRA）和膨胀外加剂。这些外加剂的主要用途是消除裂缝和补偿混凝土收缩（在这种情况下修复材料）。在过去的几十年开发了收缩和膨胀的外加剂，以减少收缩的影响。 Oliveira et al. (2014)指出使用这些外加剂可以显著减少甚至消除自收缩。Mo Jinchuan, Ou Zhongwen, and Wang Yahui在他们的研究中指出（2016）膨胀剂可使旧混凝土和修补材料的粘结强度提高约30%，聚丙烯纤维能提高20%。不幸的是，RI在这项研究中的作用尚不清楚。在修补水工建筑物中的钢筋混凝土时，冻融的作用也是非常重要的。旧混凝土和修补材料之间的接触区是最脆弱的区域，通过几年的冻融循环就能破坏(Li et al., 1999a; 1999b)。因此，旧混凝土和修补材料本身都应具有抗冻性是很重要的(Colak et al., 2009)。不幸的是，用作修补材料的水泥砂浆和混凝土具有相对多孔性、水（具有侵蚀性的材料）可渗透性和粘接性差的特点 (Cai et al., 1998; Cao et al., 2002;Jacobsen, 2005)。因此，水泥砂浆必须用各种添加剂和外加剂进行改性，以更好地与旧混凝土粘结，并防止其进一步恶化。
目前，在这方面进行了大量的研究。来自巴西的一组科学家（Galvao et al., 2011）建议在混凝土中使用废弃聚合物来修复大坝表面。他们指出，将聚合物废料添加到混凝土中会增加材料的耐磨性，这对于水工结构是非常重要的。一些科学家建议用粉煤灰、硅灰或火山灰对粘结砂浆进行改性（Al-Manasir et al., 1994; Bastien et al., 1997; Haung, 1997; Mohammadi et al., 2014; Shannag, 1999; Xiong et al., 2002），或使用硅烷偶联剂来改变混凝土基底和修补材料之间的界面过渡区（Xiong et al., 2006）。其他科学家建议使用聚合物水泥或聚合物砂浆作为修复材料。这些砂浆具有比普通砂浆更好的性能（密度、抗冻性、耐磨性、压缩性、挠曲性和粘结强度）（Barluenga et al., 2004; Brien et al., 2013; Fowler, 1999; Gao et al., 2002; Mangat et al., 2000; Medeiros et al., 2009; Saccani et al., 1999）但是更贵。
然而，早期劣化的主要原因是修复材料的自收缩。由于这种效应，修复材料开始开裂和剥离。为了避免这种影响，可以使用膨胀的外加剂和纤维。
本研究的目的是估计结构和非结构修复混凝土表面的最佳粗糙度指数（RI），并估计膨胀砂浆和纤维改性水泥砂浆对水工建筑物修复的适用性。
2、材料
在研究过程中，采用三种砂浆作为混凝土修补材料。砂浆的配比为1:3（一份CEM II/AL LL 42，5R水泥：三份砂（0～2 mm））。水灰比被选择为小（W/C＝0.45），以使修补材料坚固且不透水。为了使水泥砂浆具有足够的可塑性，使用了一种超级增塑剂（水泥质量的0.5%）。为了提高砂浆的抗冻性，使用引气外加剂（水泥质量的0.3%）。为评价水泥修补材料自收缩对砂浆与混凝土粘结强度的影响，采用氧化镁MgO（水泥质量的5%）和微单丝聚丙烯纤维的膨胀外加剂制备了部分试样（长度12mm，直径34mu;m）。施加的纤维量为0.9公斤每立方米砂浆。
采用标准混凝土试件作为粘结试验的基础（300times;300times;100 mm）。使用CEM I 42，5R，水泥、粗集料（4～16 mm）和细集料（0～4 mm）制备混凝土。选择最小的水灰比（W/C＝0.48），可为水工结构提供必要的足够的可加工混凝土混合物和适当的强度。混凝土的主要性能为：强度等级为C30／37，抗冻性标记为F150，耐水性标志W ge;6。
3、测试方法
根据欧洲标准EN 12390-7、EN 13369、EN 12390-3和EN 12617-4中所描述的标准试验方法，确定了水泥砂浆的主要特征（密度、吸水率、抗压强度、收缩率）。
为了评价修补水泥砂浆和混凝土之间的粘结，标准混凝土试件（300times;300times;100 mm）被覆盖不同的修复系统。
当修复材料龄期为28天时，将部分核心钻入直径为50毫米、深度约为15plusmn;5 mm的基底中。根据标准EN 15421999方法进行拉断试验。用环氧树脂将铝盘与试样表面结合。为了测试粘结强度，使用拉断试验机58—C0215/T（Controls, Italy）。
为了评价混凝土表面粗糙度对修复材料与混凝土粘结的影响，用五种不同的方法制备了试样表面。在第一样品中，表面用砂喷砂机（光滑表面）制备。在第二种和第三种试样中，首先对混凝土表面进行喷砂处理，然后通过金刚石圆盘的长度和宽度对其进行切割。气动锤用于制备第四和第五（粗糙表面）变体。根据RI（表1），用砂斑法（EN 1766∶2000）测定试样表面的粗糙度。
表1.混凝土样本的粗糙度系数
为了研究它们的抗冻性，试样用50, 100次和150次冻融循环处理。随后，确定修复系统与混凝土之间的粘结强度。
对于每个修复类型，制备三个试样，并对每个试样进行五个粘结强度试验（图1）。
图1.样本上的测试点
4、实验结果与讨论
4.1 硬化砂浆的性能
用膨胀剂和聚丙烯纤维对砂浆进行改性后，砂浆性能发生变化（表2）。膨胀剂使密度增加3%，抗压强度提高10%，吸水率略有下降。聚丙烯纤维对密度和吸水率没有影响，然而，纤维使砂浆的抗压强度提高了6%。这两种材料也影响自收缩变形。膨胀性掺合料和聚丙烯纤维分别使收缩变形减小约23%和6%。
表2.砂浆的性质
4.2 粘结强度
根据研究结果（图2），膨胀剂改性后的砂浆与混凝土的粘结性能更强。结果表明，膨胀剂平均提高粘结强度29%。强度的增加是由硬化砂浆的自收缩引起的。与未改性砂浆相比，膨胀剂的收缩变形减少约23%。收缩率越低，分子间作用力越弱。因此，修补材料颗粒与混凝土颗粒失去接触，从而削弱粘结。这些力影响水泥砂浆中的微裂纹的产生（图3），其中未使用膨胀性掺合料。在硬化过程中，修补材料颗粒与混凝土结合，不允许其自由收缩。因此，砂浆内部出现了张力，而粘结不强的颗粒彼此失去接触。这些裂缝对于水工结构来说是危险的，因为渗入微裂缝中的水将在冬季通过循环冻融侵蚀修复结构。在这种情况下，修复将是暂时的，结构将需要进一步修复。
聚丙烯纤维对粘接强度有正面影响。聚丙烯纤维增强了不同RIS试样的粘结强度，平均提高了15%。纤维状和膨胀性混合物减少了自收缩，在这种情况下减少了不到6%。聚丙烯纤维也在砂浆结构中产生增强作用，因此，收缩引起的微裂纹被破坏，粘结强度增加。
在研究过程中确定了，通过增加混凝土表面的RI，修补材料与混凝土之间的粘结强度（图2）也会增加。当表面粗糙时，水泥砂浆更好地填充不规则的混凝土，并与混凝土粘结良好。在这种情况下，试样和修复材料之间的接触区表面达到较大的面积，从而导致更强的结合。
图2.粘结力和混凝土表面的粗糙程度间的关系
表3.结构和非结构修复中RI边际值
在研究中，估计的粘结强度（fh）与RI之间的最好的相关性是对数关系。根据对数方程，计算了不同结构水泥砂浆在结构修复过程中混凝土表面RI的最小RI，并列于表3。根据EN 154-3:2005提出的要求，进行结构修复时，修复材料与混凝土表面之间的粘结强度应大于1.5 MPa，并且在执行非结构修复时应大于0.8 MPa。结果表明，采用膨胀剂改性水泥砂浆的修复效果满足了这两种要求。当使用未改性水泥砂浆用于混凝土修补时，本研究中结构修复所需的最小RI为1.03。使用改性的修复材料与聚丙烯纤维时，修复结构的混凝土表面最小RI必须为0.52。然而，对于使用所有类型的砂浆的非结构修复，不需要考虑RI的要求。然而，在修复前，混凝土表面必须用喷砂清理，这将给出平滑的表面粗糙度（在这种情况下，RI＝0.13）。
图3.有裂缝的修复材料（不含外加剂）
通过总结本研究的结果，可以得出修补砂浆的FH取决于修补表面粗糙度的结论。fh和RI之间的最佳相关关系是对数关系。粘结强度可以使用膨胀性掺合料（高达29%）或聚丙烯纤维（高达15%）来增加。这种影响主要与减少自收缩和开裂有关。膨胀收缩剂改性砂浆由于收缩变形率的降低，表现出较好的效果。膨胀性掺合料和聚丙烯纤维的收缩变形分别约为23%和6%。膨胀的外加剂和聚丙烯纤维的效果证明了其他科学研究的结果（Jinchuan et al., 2016），其中估计膨胀性混合物可以增加30%的粘合强度，聚丙烯纤维可增加20%。
4.3抗冻性
导致水工结构混凝土缺陷的主要环境因素是冬季循环冻融。为了修复因冻融而出现的缺陷，修复材料应具有抗冻性，并应具有良好的粘接特性。旧混凝土和新修补材料之间的接触区是最重要的，但往往也是最脆弱的地方。为了评价水泥砂浆对冻融作用的抵抗力，测定了试样（用50, 100, 150冻融循环处理）的粘结性。从结果（图4, 5, 6）可以看出，冻融循环对粘结强度有负面影响。在50, 100和150次冻融循环处理下，未改性水泥砂浆的粘结强度平均降低17%、30%和45%。膨胀剂改性水泥砂浆的粘结强度平均降低了10%、23%和38%，而纤维改性水泥砂浆的粘结强
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