王玉璞 李家正 石妍 张超
摘 要：混凝土层面结合性能受诸多因素的控制影响，如浇筑间隔时间、干湿状态、表面粗糙度、界面剂、新浇筑混凝土性能和外部环境等。通过对国内外文献的总结分析发现，在浇筑时采用尽可能短的间隔时间，采用相对潮湿的基体，层面采用中等水平的粗糙度，涂刷合适的界面剂，采用性能优异的混凝土，选择适宜的浇筑环境，都会对层面结合性能起到明显提升的作用。对特殊界面剂的使用、制备工艺的优化、层面性能评价等方面进行了展望。研究成果可为混凝土层面结合的理论及试验研究提供参考。
关键词：混凝土；
层面结合性能；
强度
中图分类号：TV544；
TV431 文献标志码：A
0 引言
大体积混凝土在浇筑施工时，往往采用分层浇筑混凝土的方式，其中会涉及到混凝土层面的结合问题[1]。混凝土结构在服役过程中会出现劣化或强度降低的情况，后期对混凝土结构加固和修复的过程中，也会涉及到新老混凝土界面结合问题[2]。如何提高新老混凝土结合面的粘结质量是工程施工中需要重点关注的问题。
近些年来许多国内外学者围绕混凝土层面结合性能展开了研究。Fan等[3]、Santos等[4]研究了新老普通混凝土层面的结合性能，王楠等[5]研究了ECC与普通混凝土的粘结，Diab等[6]研究了自密实混凝土层面的结合性能，Farzad等[7]研究了UHPC与普通混凝土层面的结合性能，他們对层面结合性能的影响因素的研究主要包括浇筑间隔时间、干湿状态、表面粗糙度、界面剂、新浇筑混凝土性能和外部环境等。
以下首先对混凝土层面薄弱的原因进行分析，总结相关层面研究模型，然后对混凝土层面结合性能的主要影响因素进行总结，分析各种影响因素的影响程度及大小，以期为混凝土层面结合的理论及试验研究提供参考。
1 混凝土层面结构性能薄弱原因
Baloch等[8]认为粘结作用使混凝土层面产生一层水膜，新混凝土层面的水灰比变高，同时使层面上的钙矾石和氢氧钙石结晶增加，阻碍了胶凝材料与骨料之间的接触，从而降低了层面的强度。高剑平等[9]认为新老混凝土之间难以相互水化融合，新老混凝土层面可能存在骨料的挤压问题，使得层面处的水泥浆不能渗入到老混凝土的孔隙内，造成新混凝土中粘结过渡区域不够紧密，降低了新老混凝土的粘结强度。
在细观尺度上，硬化后的水泥基材料通常被看成是由骨料、水泥浆体以及两者之间的界面过渡区构成的三相复合材料，界面过渡区的形成主要发生在混凝土的成型、水化和硬化过程3个阶段[10]。Pigeon等[11]同样指出，新老混凝土之间的界面非常类似于骨料和水泥之间结合的界面，在新浇筑混凝土层和老混凝土基底之间存在壁效应，导致出现薄弱面形成过渡区。
关于混凝土层面研究的模型，目前主要有以下几种：赵志方等[12]提出了双界面—多层区粘结模型，新老混凝土粘结由新混凝土区、老混凝土区，新老混凝土粘结过渡区组成；
Xie等[13]提出新老混凝土界面过渡区分为三层，靠近老混凝土为渗透层，中间为强烈影响层，靠近新混凝土为弱影响层；
He等[14]将过渡区分为反应层和渗透层两层；
谢慧才等[15]研究的过渡区则包括渗透层、反应层和渐变层。
2 层面结合性能影响因素研究进展
2.1 浇筑间隔时间对层面结合性能的影响
大体积混凝土是分层浇筑施工的，在层间往往会形成各种接缝，根据混凝土初凝终凝时间，将在初凝之前浇筑形成的接缝称为热缝，介于初凝终凝时间形成的接缝称为温缝，终凝之后形成的接缝称为冷缝，混凝土施工中的各种接缝会显著影响性能和耐久性[2]。
关于热缝和温缝，Lee等[16]研究表明浇筑一个小时内，随着间隔时间的增加，剪切强度逐渐下降，同时压实能有所改善。Liu等[17]通过库伦准则研究不同间隔时间下剪切试验的规律，发现对应于峰值剪应力的状态而言，随着间隔时间的增加，剪应力逐渐减小，而粘聚力的变化没有固定趋势。Qian等[18]同样发现，随着间隔时间的延长，界面粘结强度逐渐降低，其中冷缝强度仅有无间隔时间条件下的60%。不同层面间隔时间时劈拉试验的结果[19]见图1。
目前的研究更多针对冷缝，主要包括冷缝对混凝土抗压强度的影响[20]，冷缝的断裂性能[21]，以及冷缝粘结剪切性能评估[22]。Baloch等[8]研究了不同材料和特殊环境中混凝土的冷缝，包括冷缝对使用再生骨料的混凝土性能的影响，高温环境对普通混凝土、自密实混凝土和碾压混凝土中的冷缝的影响。
上述研究中的冷缝，更多地关注于混凝土刚刚经过终凝时所形成的接缝。随着间隔时间的继续增加，基体混凝土开始硬化，层面结合性能也会减弱。Fan等[3]在研究普通混凝土粘接时，对不同龄期硬化后的混凝土表面采取添加界面剂、凿毛的措施，均发现新旧混凝土的劈裂强度随着旧混凝土的龄期增长而不断降低，旧混凝土龄期达到10 d时，劈拉强度相比于1 d时下降20%～30%，之后随着龄期的增加，劈拉强度下降趋于缓慢。
2.2 干湿状态对层面结合性能的影响
干燥界面会导致交界面附近的水泥水化不完全，产生大量气泡，形成薄弱区域，减小粘结强度[5]；
不同饱水状态下，新旧界面过渡区微观分析有明显的差别，含水量高的表面，增加了界面过渡区的水灰比，孔隙率增加，而含水量低的表面，界面过渡区水灰比小，孔隙率低[23-24]。拉拔试验、抗折试验中，含水量高的界面具有更高的界面粘结强度；
但在剪切试验中，含水量高的界面并不一定会产生更高的粘结强度[26]（见图2），而有些试验中，含水量高的界面反而会产生较低的粘结强度，甚至不会对粘结强度产生影响[8，23-26]。
Varga等[23]发现处于饱和面干的试样与新混凝土进行粘结后，其拉拔强度比未经过处理的高；
Dale等[24]的研究表明表面含水量较高的基体比含水量较低的基体具有更高的剪切强度；
Farzad等[7]发现干燥界面的抗弯强度要低于湿界面的基材混凝土试件。而Beushausen等[26]使用类似双面剪切的方法研究水分的影响时候，发现数据存在很大差异；
Dale等[24]在斜剪试验中发现湿度低的界面反而拥有更高的剪切强度，可能是因为水从修复材料流向干燥的基体。
大多数力学试验中，湿度较高的基体具有更好的粘结强度，但这种增强背后的机制并不明确；
尽管学者们已经做了大量的研究，但除Mokarem等[27]的研究外，其他所有研究都是在实验室条件下进行的，与实际的室外环境存在差异，基体实际的干湿状态和粘结强度之间的直接关系仍有待进一步考量。
2.3 表面粗糙度对层面结合性能的影响
表面粗糙度使得两层混凝土之间的接触面积更大，从而实现更好的层面结合。研究表明：随着粗糙度的增加，粘结强度增大，但粗糙度不能无限制增大，否则会对混凝土表面造成损伤；
粗糙度在较低和较高水平时对粘结强度的提升比较明显[28]。
Hu等[28]采用劈拉试验、直剪试验、斜剪试验均发现在灌砂深度在中等水平时对强度提升较大，较高水平之后强度甚至会出现下降。Ayinde等[29]通过齿角、齿深、齿分布等控制粗糙度，进行了剪切试验、劈拉试验、拉伸试验，发现这些措施均可以提高层面粘结强度，但过大的齿深或齿角则会降低强度。Momayez等[30]在斜剪试验中同样发现粗糙的表面对层面有积极的影响。以上研究均都表明在劈拉和剪切试验中，粗糙度会对层面粘结强度提升50%～90%，而在斜剪试验中甚至可以达到3倍以上。
也有学者的试验结果表明粗糙度的影响很小。Carreno等[31]通过直接拉伸试验发现粗糙度对自密实高性能混凝土与普通混凝土之间的粘接几乎没有影响。结果与Momayez等[32]的结果一致，即粗糙度对拉拔试验的影响可以忽略不计。然而，在实际环境中，拉伸载荷可能间接来源于压应力，Tayeh等[33]研究“间接”拉伸载荷和表面粗糙度的关系，同样发现随着表面粗糙度的增加，粘结强度有增加的趋势。
2.4 界面剂对层面结合性能的影响
涂刷界面剂可改善界面区微观结构的密实度、水化产物形貌及其分布特征，增大机械咬合作用，提高粘结强度[34]。
使用水泥砂浆作为界面剂在工程实际中比较常见。许多学者的研究都表明砂浆界面剂可以提升界面的粘结强度[35]，但Delatte等[36]的研究发现，使用砂浆作为界面剂可能会产生一个薄弱面。
环氧树脂同样也作为常用的界面剂，使粘结强度较砂浆显著提高。在众多学者的研究中[8，37-40]，使用环氧树脂分别将新拌和硬化的混凝土粘结到硬化的混凝土上，分析了它们的界面参数，表明环氧树脂界面剂的使用可以等效于表面粗糙度的处理，且获得的粘结强度更高。Manzur等[35]的研究表明，如果使用具有快速硬化特性的环氧树脂，可以提高斜剪粘结强度。Newlands等[41]发现，当环氧树脂的厚度从2 mm增加到4 mm时，会降低冷缝的影响，显著提高抗剪和抗拉强度。但环氧树脂在某些恶劣环境下粘结强度会产生损失[42]，Alachek等[43]报道了冻融作用下接缝混凝土粘接区出现的微裂缝，而浸入水中的高温会导致聚合物的塑化，这是一个不可逆的过程，导致粘结强度的损失。不同界面剂下劈拉试验的结果[44]见图3。
还有学者对各种新型界面剂开展研究，陈建国等[45]用水泥净浆作为界面剂，单掺硅灰或聚丙烯纤维以及两种材料复掺。冯颖慧等[46]研究一种新型AS界面剂，即在硅溶胶中添加硅粉和粉煤灰。Fahim等[47]研究了地质聚合物水泥浆作为界面剂。Xiong等[48]发现硅烷偶联剂可以有效改善修复材料与旧混凝土之间界面过渡区的微观结构。Pang等[49]应用纳米二氧化硅改性硅烷作为环氧改性砂浆和混凝土结构之间的界面偶联剂，提高了粘结强度和韧性。
2.5 新浇筑混凝土性能对层面结合性能的影响
（1）新浇筑混凝土的工作性对粘结强度的影响。通过提高新浇混凝土和易性，可以提高其对基体混凝土和相关接触区域（互锁）的附着力和粘合强度[8]。Megid等[50]认为流动性大的混凝土可以增強毛细吸力，从而改善其机械锚固并最终改善粘合强度。Diab等[6]加入聚丙烯纤维，使得自密实混凝土流动性提高，粘结强度增加。Farzad等[7]发现UHPC可以通过表面孔隙及裂纹渗透，提高附着力并产生耐久性较好的界面。
（2）新浇筑混凝土的强度对粘结强度的影响。Julio等[51]通过斜剪试验发现，相对于基体混凝土的抗压强度，增加修复混凝土的抗压强度可以提高粘结强度。Gao等[52]使用抗压强度不同的两种胶凝复合材料加固旧混凝土，拉伸试验结果表明，抗压强度越高对应的粘结强度越高。Bonaldo等[53]研究了不同强度等级的新浇筑混凝土，得出了同样的结论。关于新浇混凝土的抗拉强度，Farzad等[7]的结果也表明抗拉强度增加，粘合强度增加。
（3）新浇筑混凝土的早期收缩对粘结强度的影响。Vagra等[54]认为收缩会在界面处产生剪切应力，导致过早开裂，粘合强度降低。Beushausen等[55]认为轴向应力和弯曲应力过大，极端限制可能导致新浇混凝土脱粘和卷曲。Hossain等[56]认为低收缩响应有利于形成持久的粘结，且新浇混凝土的干燥和固化引起的裂缝可能会促进水和侵蚀性离子的进入，使耐久性降低。
2.6 外部环境对层面结合性能的影响
Zhang等[57]开展了常温和高温蒸汽养护条件下混凝土的粘结研究，发现高温蒸汽养护会导致粘结强度的下降，可能的原因是收缩发展趋势的差异性。Pandey等[58]对比了在实验室养护和在户外养护的混凝土粘结性能，发现差距较大，主要原因在于温度和湿度变异性较大，以及雨水等一些条件的干扰。
高温环境会对混凝土层面的物理力学性能和耐久性能产生不利的、不可逆转的影响，对混凝土结构的安全构成严重威胁[52]。Memon等[59]指出，高温可能导致界面差动膨胀、蠕变。Khan等[60]认为这种不利影响主要与混凝土材料本身的性能有关，在100℃以上，游离水开始迅速蒸发，紧接着是钙矾石脱水，使得层面结合性能减弱。
硫酸盐会对层面结合性能产生不利影响，主要是由于钙矾石的产生使层面产生膨胀，从而使层面分离。Gao等[61]发现NC-NC在90次硫酸盐暴露循环后分离，而SHCC-NC由于其紧密的粘结面积和较低的钙矾石形成，即使在120次循环后仍能提供粘附性和化学吸附性。合适的抗硫酸盐水泥（低C3A），或者水泥中含有较高的C4AF也可以减少膨胀钙矾石的形成，适当添加硅灰、粉煤灰、高炉炉渣和偏高岭土等辅助胶凝材料同样可以抑制这种膨胀现象[8]。
3 结论与展望
混凝土层面结合性能受诸多因素的影响，如浇筑间隔时间、干湿状态、表面粗糙度、界面劑、新浇筑混凝土性能和外部环境等。随着间隔时间的延长，层面结合性能逐渐降低；
含水量高的界面在部分试验中具有更高的界面粘结强度；
中等水平的粗糙度会提高层面结合性能；
选取合适的界面剂，如有机界面剂，能够大幅提升界面粘结强度；
选取性能优异的混凝土，浇筑时避免高温、硫酸盐等外部环境的影响，都能在一定程度上改善层面结合性能。
基于对混凝土层面结合性能影响因素的分析、归纳和总结，针对混凝土层面结合性能的研究，进行了如下构想和展望。
（1）特殊界面剂的使用。综合以上无机界面剂和有机界面剂各自的优缺点，有必要设计出兼具强度和耐久性的界面剂，更好地提升层面结合性能。
（2）制备工艺的优化。振动台高、中、低频振捣的组合，尤其是在混凝土终凝之前，通过振捣对层面性能产生影响，从而消除界面；
低频和高频搅拌方式的组合，会不同程度影响混凝土层面性能，可以从制备工艺角度提出优化解决方案。
（3）层面性能的评价指标。对于表面湿度和粗糙度，可以提出诸如折压比、拉折比等指标进行合理评价，更好地描述层面性能。
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Abstract：The bonding performance of concrete is influenced by various factors such as pouring interval，dry/wet state，surface roughness，interfacial agent，properties of the newly poured concrete，and external environment. A summary and analysis of literature in China and abroad reveal that the bonding performance of concrete can be significantly improved by using short pouring intervals，relatively humid matrix，moderately rough surface，suitable interfacial agents，high-quality concrete，and appropriate pouring environment. Prospects for the use of special interface agents，optimization of preparation technology，and evaluation of bonding performance are also discussed. The research results may provide reference for theoretical and experimental research on the bonding of concrete surfaces.
Key words：concrete；
interlayer bonding performance；
strength