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尾矿库排水井架加高新旧 砼结合面破坏之原因 3 刘 浩 云南华昆工程技术股份公司,云南 昆明 650051 摘 要尾矿库排水井井架加高后,新旧混凝土的结合面是一个薄弱环节,其界面粘结强 度一般都低于整体浇筑混凝土的强度,本文就此问题进行了初步分析、研究。 关键词尾矿库;排水井井架;新旧砼结合面 中图分类号TD 92614 文献标识码 B 文章编号 1004 - 26602009 01 - 0063 - 04 Reason forDestruction of New - Old Concrete Bonding by Rising Drainage Shaft of Tailing Dam L I U Hao Yunnan Huakun Engineering and Technology Co. , Ltd, Kunming 650051, China Abstract After rising drainage shaft of tailing dam,new - old concrete bonding is a vulnera2 ble spot and its bonding strength less than one of integrally casting concrete.In view of this prob2 lem, preliminary analysis and research were made. Key wordsTailing dam, drainage shaft,new - old concrete bonding,destruction 1 概述 尾矿库在使用运行过程中,由于市场及 选厂规模等因素的影响,常常需要增容扩 建,因此,为了节省投资,对原有库内排水 设施排水井井架加高、加固时有发生。 在已硬化的排水井井架混凝土上或已凿除劣 化、酥松部分露出坚实的排水井井架混凝土 基层上,浇筑新混凝土或砂浆,就涉及到新 旧混凝土能否较好地结合为一个整体共同工 作的问题,也直接关系到排水井井架的稳 定、尾矿库的安全运行,应引起设计、业主 等部门的高度重视。 新旧混凝土的结合面是一个薄弱环节, 其界面粘结强度一般都低于整体浇筑混凝土 的强度,极大地影响了结构的可靠性。此 第36卷 第1期 有色金属设计 Vol . 36 No. 1 2009年 NONFERROUS METALS DESIGN 2009 3 收稿日期 2008 - 11 - 20 作者简介刘 浩1971 - ,男,云南人,工程师,主要从事尾矿设计工作. 外,还有大量的混凝土结构物、构筑物因混 凝土碳化、钢筋锈蚀、冻融循环而造成混凝 土剥蚀破坏等的修补,这类不以承受荷载为 主的表现、面层的修补,主要是满足抗渗、 抗碳化、抗冻融性、耐腐蚀性等要求,以增 强结构的耐久性,它们也要求与基层混凝土 具有良好的粘结力,这是达到修补目的的必 要条件。处于恶劣的自然环境下,工程的修 补由于修补材料粘结力过低而导致修补失败 的例子很多,原因之一就是修补材料与基层 混凝土之间的粘结力不足以抵抗各种因素在 新旧混凝土结合面处产生的附加应力而导致 修补失败。 人们对新旧混凝土结合面的粘结强度达 不到相应整体浇筑混凝土的强度的原因,还 不十分清楚,需要探索。显然,对于新旧混 凝土粘结问题的根本解决,需要从混凝土材 料微观结构的角度阐明其粘结机理,建立微 观结构的分析和宏观力学性能之间的联系, 将有助于我们从本质上认识新旧混凝土粘结 问题,从而找到解决问题的途径。 2 破坏原因探讨 以亚微观层次而论,混凝土可视为由粗 细骨料颗粒分散在水泥浆基体中所组成的两 相复合材料。以微观层次而论,则显示出混 凝土结构的复杂性,混凝土结构的两相组 成,既不是彼此均匀分布,而两相体本身组 成也不均匀,象硬化混凝土中某些区域是致 密的,如骨料;而另外一些区域是高度多孔 的。在贴近大颗粒骨料表面硬化水泥浆体的 结构与系统中,水泥石或砂浆的结构差别很 大。事实上,在荷载作用下,混凝土力学行 为的许多方面只能将水泥浆 骨料界面视为 混凝土结构的第三相才能作出合理的解释。 第三相,即界面区相,或称为过渡区相,代 表着粗骨料与硬化水泥浆体的过渡区,过渡 区围绕大骨科周围存在一层薄层,厚约10 ～50μm,通常比混凝土的其它两相组成要 弱。因此,界面区对混凝土力学行为的影响 很大,界面的结构与界面的力学性能有密切 的关系,现在比较一致的看法是硬化水泥浆 与骨料之间存在过渡区,对于过渡区人们提 出了几种模型,这里不详述。首先我们大致 了解一下界面过渡区的组成及结构。 211 界面过渡区的组成 界面区中主要存在有C - S - H凝胶 水化硅酸钙、C - H晶体 〔Ca OH2〕 、 AFt 钙矾石 和未水化的熟料颗粒及孔 洞、裂缝。界面区中C - H晶体数量多而且 晶体尺寸较大,同时界面区中孔洞较多时, 对界面粘结将产生不利影响。 212 界面过渡区形成机理 国外学者提出界面过渡区形成机理的假 说。认为在混凝土拌和过程中,在骨料表面 形成一层几个微米厚的水膜,而无水水泥的 分布密度在紧贴骨料处几乎为零,然后随着 距离增大而增大。所以在这层水膜中可以认 为基本上不存在水泥颗粒。当水泥化合物溶 解于水之后,溶解的离子即扩散进入这层水 膜。如果是不溶性骨料,水膜中的离子全部 来自水泥熟料及石膏。但如骨料是部分可溶 性的,则骨料所溶出的离子在骨料表面密度 最大。 由于骨料总会有部分离子析出,故水膜 层中总离子浓度在靠近骨料表面处浓度最 高,以后有一明显缺陷处,即低离子浓度 区。因此,在这层水膜内,最先形成水化产 物晶核的是先扩散进入水膜的离子,对普通 硅酸盐水泥即是钙矾石和氢氧钙石。 水膜内水化产物晶体是在溶液中形成晶 核而长大,由于膜内过饱和度不高,有充分 空间让晶体生长,故形成的水化产物晶体尺 寸较大,所形成的网状结构较为疏松,以后 活动性较差的铝离子、硅离子陆续进入第一 批晶体所遗留的空隙中,逐渐形成C - S - H以及尺寸较小的次生钙矾石和氢氧钙石填 充其间。上述假设中离子浓度分布曲线凹陷 46有色金属设计 第36卷 处可能形成大晶核及高孔隙率,是界面中的 薄弱区。 虽然目前对界面过渡区的结构及形成机 理的了解还不深入,但从破坏过程来看作为 混凝土的内部结构,界面过渡区至少具有以 下几个方面的特点 1界面过渡区中晶体比水泥浆体中 本体中的晶体粗大。 2界面过渡区中晶体有择优取向。 3界面过渡区中晶体比水泥浆体中 本体具有更大、更多的孔隙。 这些特点决定了界面过渡区强度低,容 易引发裂缝,并且裂缝易于传播,从而使界 面过渡区成为最薄弱的环节。骨料与基体界 面是一个固 液 气三相多孔体,对界面的 粘结性能起决定性作用。界面过渡区的性能 主要取决于这些组成的性质相对含量及它们 之间的相互作用。由于界面过渡区的显著结 构是C - H晶体富集并产生取向性,晶体平 均尺寸较大,孔隙尺寸和孔隙率均较大,即 界面存在着大量有缺陷的疏松的网络结构。 虽然决定界面性质的因素很多,但C - H的 取向和富集形成薄弱层界面是主要物理化学 原因之一,它间接反映了界面层的孔结构和 致密性。所以要增强界面区,尤其是强化最 薄弱层,消除和减小界面层与基体间的差 异,必须减少C - H含量,打乱其取向性, 降低孔隙率。 界面离子浓度及其分布与水膜层的厚度 有关,而水膜层的厚度在很大程度上取决于 水灰比的大小,它直接影响界面过渡区的性 状和结构。随着水灰比的增大,水膜层变 厚,其中离子浓度降低。对硅酸盐水泥而 言,水膜层中最先生成的晶体是钙矾石和氢 氧钙石,在它们生长过程中,当水灰比大 时,将无约束地使晶体不仅生长得很大,而 且易于在骨料表面定向排列,使晶体孔隙率 增大,并有碍于C - S - H凝胶与骨料的接 触,由于离子浓度下降,水化生成的C - S - H凝胶也必然减小,使得凝胶与骨料表面 接触点减少。因此,界面形成疏松的网络结 构,原始裂缝增多变大,界面粘结强度下 降,削弱了界面效应。因此,降低水灰比, 减小水膜层,改善过渡区性状,是发挥界面 效应的主要措施。 新旧混凝土的界面同样存在类似于整体 浇筑混凝土中骨料与水泥石接触的这样一个 过渡区,而这恰恰是三相中最弱的界面层。 实际上,旧混凝土界面存在露出的骨料和已 硬化的水泥石,旧混凝土的界面处可当作骨 料部分,同样是骨料与水泥石的接触界面, 问题可能比整体浇筑混凝土中骨料与水泥石 界面过渡区要复杂,但目前过渡区理论还在 探索,在没有定论的情形下,我们不妨简单 探讨一下,有助于指导我们从物质微观结构 这一层次上认识界面粘连问题的本质和影响 因素,以采取一定的措施、方法来增强新旧 混凝土界面粘结性能。 我们认为在同样的受力条件下,新旧 混凝土的结合面比整体浇筑体系中骨料与 水泥石界面还要薄弱,可能是以下几方面 原因 1新旧混凝土接触界面存在一个类 似于整体浇筑混凝土中骨料与水泥石之间的 界面过渡区,而这个过渡区本来就是一个薄 弱环节。由于旧混凝土的亲水性,修补时会 在旧混凝土表面形成水膜,使结合面处新混 凝土的局部水灰比高于体系中的水灰比,导 致界面钙矾石和氢氧化钙晶体数量增多,形 态变大,形成择优取向,降低界面强度。且 由于旧混凝土的阻碍,新混凝土中的泌水和 气泡积聚在旧混凝土表面,不仅使得新混凝 土局部水灰比更高,而且使得气孔和微裂缝 在该区富集,显著降低界面强度。这是物质 结构化学方面的原因,是影响新旧混凝土结 合本质的内因。 2界面处露出的石子、水泥石和新 混凝土的界面接触与整体浇筑混凝土中骨料 56 第1期 刘 浩尾矿库排水井架加高新旧砼结合面破坏之原因 与水泥浆的界面接触有差别。我们知道,水 泥浆本身具有一定的粘结性,它主要用于包 裹混凝土中的骨料,使之硬化成坚硬的水泥 石。在新混凝土中的骨料经过充分搅拌、振 捣被水泥浆包裹,而新旧混凝土界面处,新 混凝土中的骨料经过振捣可能挤压在界面 处,是使骨料与界面突出的石子、水泥石形 成 “ 点接触 ”,骨料堆积在旧混凝土表面, 阻塞了一部分旧混凝土表面的孔隙和凹凸不 平部分,使具有粘结性的水泥浆不能完全渗 入孔隙中去,形成 “ 缺浆 ”现象,界面处 水泥浆不能充分浸润骨料和水泥石,而新混 凝土失去一部分水泥浆,这样使得粘结界面 处的新混凝土中出现空隙,影响了新旧混凝 土的粘结强度。 3我们知道,整体浇筑混凝土中骨 料与水泥石之间粘结裂缝的延伸、扩展、连 通最后导致混凝土破坏。整体浇筑混凝土中 骨料体积小、多棱角、骨料表面粗糙,使水 泥石可嵌固在骨料表面的凹坑中,机械咬合 对宏观粘结强度起主要作用。从微观上看, 它增加了有效的真实接触面积,粘结力也会 大大增加。同时,骨料表面的凸起对界面区 结构有增强作用,并能改变界面裂缝扩展方 向,使裂缝扩散 “ 路径 ”曲折,也能消耗 部分能量。而新旧混凝土界面处的骨料和硬 化水泥石形成一个 “ 面 ”,象一块表面比较 平坦的 “ 大骨料 ”,而这块 “ 大骨料 ”与整 体浇筑混凝土中的骨料相比不但体积大且只 有一个 “ 面 ”,并且这个 “ 面 ”很平坦。修 补材料与旧混凝土之间存在物理化学性质差 异,由于冷热交替、冻融循环作用及新混凝 土的收缩而在结合面处引起附加应力,诱发 “ 先天 ”裂缝。从受力的角度看,在整体浇 筑混凝土中骨料体积小、多棱角、骨料表面 粗糙,并且被水泥石分开,分布较 “ 均匀 ” 而不象新旧混凝土界面处相对集中,裂缝、 缺陷产生的概率较大,再加上界面比较 “ 平坦 ”不能使裂缝扩散 “ 路径 ”曲折,消 耗能量,所以一旦从这一区域引发了裂缝, 裂缝尖端处应力集中,就会导致裂缝迅速开 展和传播,新旧混凝土界面承载能力会进一 步被削弱,最后导致界面处首先破坏,即破 坏总是从最薄弱环节开始。 以上几个因素综合起作用,这就是在相 同受力条件下,新旧混凝土界面首先要破坏 的原因。 3 结语 从上面的探讨中我们可以得到启示如 果我们能象加强整体浇筑体系中骨料和水泥 界面一样加强新旧混凝土的界面,也许是解 决新旧混凝土粘结问题的一个途径。实践 中,我们可以从几个主要影响因素入手加强 新旧混凝土的粘结。实际上,工程应用中也 已采取了一定的实践证明是行之有效的办 法。解决这一问题应首先从物质结构层次方 面着手,使新旧混凝土接触的界面区结构得 到加强。根本渠道在于研制开发使用性能优 异的界面剂譬如低水灰比的水泥净浆或 某些复合材料或特种混凝土譬如加入 硅粉的混凝土。其次,新旧混凝土结合面 在不损伤骨料与旧混凝土粘结的前提下要经 过适当的粗糙处理,一是除去油污灰尘等杂 物,二是增大结合面面积,增大机械咬合作 用;再次是加强施工质量,这一点也不容忽 视,结合面处的混凝土要加强振捣,使其密 实,减少孔隙,避免泌水和气泡的不利影 响,同时避免大骨料堆积在旧混凝土表面形 成 “ 点接触 ”,也能使水泥浆更好地渗透到 旧混凝土中去。最后还应注意加强养护以利 于水泥的充分水化。 66有色金属设计 第36卷