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新老混凝土为什么不容易形成整体,看老手的回答?
浏览: 发布日期:2019-02-19

混凝土,又称为人工石“砼”,是人类迄今为止使用最为广泛的复合材料,一般由水泥、细骨料(砂)、粗骨料(石块)加水拌和后反应生成,成为工程结构中的基石。想要知道为什么混凝土会形成新老界面?新老界面的微观结构如何?工程中常见的新老界面问题?如何解决新老混凝土界面?那就必须先知晓这些问题的源头~~~~~水泥的水化过程!

新老混凝土为什么不容易形成整体,看老手的回答?
一、水泥的水化过程
水泥和水反应后的生成物(水泥浆体,主要包含水化硅酸钙C-S-H和氢氧化钙)如同胶水一样,将细骨料和粗骨料紧紧团结、包裹起来,逐渐形成坚硬的人工石。在这个化学反应过程中,其主要作用的是水泥中的硅酸三钙与水的化学反应:
水+硅酸三钙→水化硅酸钙 + 氢氧化钙
硅酸三钙的水化反应是放热的(搬过砖、扛过水泥、拌过混凝土的同学们get),人们根据放热速率随时间的变化关系,将该水化过程分为如图五个过程:
Ⅰ: 诱导前期,出现第一个峰值,一般在15min内结束;
Ⅱ:诱导期,反应缓慢,持续几个小时,水泥浆体能一直保持塑性流动;
Ⅲ:加速期,反应加快,达到第二个峰值,持续几个小时,水泥浆体塑性逐渐失去;
Ⅳ:减速期,反应下降,水化减慢,水泥浆体逐渐硬化;
Ⅴ:稳定期,反应超慢,基本稳定,水泥浆体硬邦邦
 
新老混凝土为什么不容易形成整体,看老手的回答?
图1 水化反应阶段划分(放热速率)
(Ⅱ、Ⅲ的交替时间点记为初凝时间T1,表示混凝土开始失去塑性,逐渐硬起来;Ⅲ、Ⅳ的交替时间点为终凝时间T2,表示混凝土完全失去塑性,硬得不行)
魏小胜(华中科技大学,2013)通过电学方法测试混凝土的水化过程,他将图1中的Ⅳ、Ⅴ两段合并为“硬化减速期”,则整个水化反应分为四个阶段:溶解结晶期、诱导凝结期、硬化加速期和硬化减速期。Matriga Gams(斯洛文利亚,2013)通过超声方法测试混凝土的水化反应,将水化反应分为吸附期、溶解期、凝结期和硬化期等四种,如图2所示。
 
新老混凝土为什么不容易形成整体,看老手的回答?
图2 水化反应阶段划分(超声测试)
不要在意以上这些细节,不要在意以上这些细节,不要在意以上这些细节~~下面让你知晓如何肉眼分区水化反应阶段。
如果从肉眼可见的形态上区分,混凝土水化过程就是一个干燥粉末加水拌和后,由具有一定流动性的流体逐渐变为固体的过程。初凝时间T1为水泥浆体开始失去塑性的时间,也就是水泥由流体悬浮物开始变为半固体的临界点终凝时间T2为水泥浆体完全失去塑性的试件,也就是水泥由半固体彻底变身为固体的临界点
 
新老混凝土为什么不容易形成整体,看老手的回答?
图3 水化过程中的性态变化(变态发展过程)
混凝土宏观的物理特征由微观的结构变化决定,水化过程中流体变态发育成固体的过程也不例外。选择扫描电子显微镜观察水化过程中的水化产物变身过程,如图4所示~~(看看水化硅酸钙这些小可爱聚集的过程,萌萌哒~~)
看,背景里靠内的那部分大疙瘩就是骨料(石头哥),而那些短小纤细的部分就是水化硅酸钙。时间一秒一秒地流过,纤细的水化硅酸钙不断地出现,看见高大威猛的石头疙瘩,就靠近聚拢,然后逐渐包围,最后完全包裹~~利害了,大家的水化硅酸钙~~
 
新老混凝土为什么不容易形成整体,看老手的回答?
图4 水化过程中的水化产物
 
二、混凝土新老界面的微观结构
新老混凝土,顾名思义,有“新”和“老”的区分,也就是有时间上先后的差别,即先浇筑一部分混凝土,间歇一段时间后再浇筑另一部分混凝土。二者的间歇期越长,则老混凝土中水泥浆体的水化程度越深,混凝土的塑性越差而使得形态上偏向固体,同时水泥浆体的表面活性也越低。这样的话,等到浇筑新混凝土时,新老之间没有充分流动混合,难以做到水乳交融,因此界面粘结强度不高。
新老混凝土界面的微观结构模型如图5所示,界面区域由底(基)层、覆盖层和层面过渡区(Overlay transition zone,OTZ)等三部分组成,其中层面过渡区OTZ的结构决定整个界面的粘结好坏。当新老混凝土的浇筑间歇期很短,短到小于T1,即底层还有充分的流动性时,二者可以充分混合交融,形成一个强有力的整体,保持混凝土强大的粘结力;当新老混凝土的浇筑间歇期非常长,长到大于T2,即底层已将完全水化,变成硬邦邦的时候,二者不能混合交融,只能靠新混凝土中的水化产物勉强附在老混凝土表面,非常的不牢靠。
 
新老混凝土为什么不容易形成整体,看老手的回答?
图5 新老混凝土界面的微观结构
 

三、工程中的问题及处理措施
在土木工程中,由于施工条件的客观限制而存在间歇期,道路、桥梁等混凝土结构在浇筑过程中存在着大量的“施工缝”,而且这些结构的间歇期往往比较长,使得新老混凝土没法良好结合。如何降低或者避免施工缝造成的危害?土木工程专家从结构的方面考虑,尽量避免施工缝受剪或者做好抗剪措施即可~~但在水利水电工程中,存在着更为复杂的问题。近来流行的碾压混凝土坝是分层摊铺浇筑的(就是铺一层,压实一层,然后再铺下一层~~就像千层饼一样层层垒起来)。分层就会有时间间歇,新老层面要承受上游水推力带来的剪力,而且层与层之间并没有钢筋(不可能有钢筋啊,大体积混凝土结构~~伤不起~~),碾压混凝土坝的施工上升过程如图6和图7所示。
 
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图6 碾压混凝土坝施工过程
 
新老混凝土为什么不容易形成整体,看老手的回答?
图7 碾压混凝土坝施工过程示意图
╮(╯▽╰)╭碾压混凝土坝之间的新老混凝土界面既要承受剪力,又没有钢筋防护,那还搞个鸡毛啊,罢工罢工~~不用如此着急,不能采用土木工程中的结构性处理措施,那大家就从材料方面下手~~
如果间歇期很短,短到小于T1,新老混凝土在界面处可以充分混合交融并反应,最后紧紧抱在一起,形成强有力的整体;如果间歇期长,他们自然条件下不能充分混合交融,那大家就创造条件让他们融合,必须让他们紧紧地粘在一起~~
具体怎么创造条件呢?总的说来就是处理老混凝土表面,使得表面粗糙,非常粗糙,有坑有洞的粗糙,越粗糙越好~~越粗糙越方便新混凝土流入老混凝土,凝结硬化后就能嵌入老混凝土的坑洞中间,拔不出来,具体请看图8至图11~~图12的结果表明处理后的层面粘结强度都有所提高,其中喷砂处理方式最好。
 
新老混凝土为什么不容易形成整体,看老手的回答?
图8 界面处理措施(完整版)
 
新老混凝土为什么不容易形成整体,看老手的回答?
图9 高压水枪喷射老混凝土表面
 
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图10 钢刷刷毛老混凝土表面
 
新老混凝土为什么不容易形成整体,看老手的回答?
图11 处理后的老混凝土表面(AC表示层面不处理,GR表示层面机械切槽,DH表示机械凿洞,SB表示喷砂冲毛,WB表示钢刷刷毛)
 
新老混凝土为什么不容易形成整体,看老手的回答?
图12 不同处理措施的新老混凝土界面强度(AC层面表示未处理,界面粘结强度最弱)
 

总结一下,新老混凝土界面的问题有以下三个~~
新老混凝土界面为何产生?因此施工存在间歇,老混凝土水化程度深而偏硬化,当间歇期超过T2时,二者难以在界面处流动交融,只能勉强靠在一起,这样存若的依附是不可能长久的~~
新老混凝土界面结构怎样?界面微观结构模型由三部分组成,即底层、覆盖层和层面过渡区OTZ,其中层面过渡区OTZ决定界面的粘结好坏~~
如何处理新老混凝土界面?土木工程中从结构方面出发,尽量不要让界面受剪,即使受剪也不怕,还有钢筋来守护;水利水电工程中从材料方面考虑,创造条件让新老混凝土在界面处交融在一起,形成团结而紧密的整体~~
 
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