| 新旧混凝土粘结薄弱界面成因分析
刘同宾阳 柳
（ 1. 江西省高等级公路管理局质量监督站 ， 江西 南昌 330013
2. 江西省交通设计院 ， 江西 南昌 330002 ）
（6） 对钢板外表面进行处理时， 对被加固构件外观
进行相应处理 。
5 结束语
用粘结剂粘贴钢板补强 、 加固的钢筋混凝土结构
构件， 能大大提高其原设计承载力和抗破坏能力 。 这是
因为粘贴钢板后， 提高了原结构构件的配筋量， 相应就
提高了结构构件的抗拉 、 抗弯 、 抗剪等方面的力学性
能， 而这些性能是靠结构胶粘剂的良好粘结性能， 把钢
板与混凝土牢固地粘结在一起， 形成整体， 有效地传递
应力， 共同工作来保证的 。
在建筑工程中， 应用建筑结构胶粘剂对各类新旧
建筑构件进行连接 、 补强 、 加固， 与传统的加固法相比，
具有技术先进， 性能良好； 占空间小， 不影响被加固构
件外观和使用空间 、 施工周期短 、 材料消耗小 、 工艺简
便等优点 。 该加固方法必将广泛运用于桥梁和建筑物
结构加固工程中 。
1 前言
在各类新建 、 改建 、 扩建 、 加固维修工程以及各种
装配整体式施工中， 经常遇到在已硬化的混凝土上或
在经过处理的混凝土基层上浇筑新混凝土的问题， 象
工程中常见的施工缝 、 后浇带 、 叠合梁或叠合板， 梁 、
板 、 柱 、 基础的扩大截面加固等等 。 此外还有大量的既
有结构因混凝土碳化 、 钢筋锈蚀 、 冻融循环等造成剥蚀
破坏的修补问题， 这类不以承受荷载为主的表层的修
补， 除了满足抗渗 、 抗碳化 、 抗冻融性 、 耐腐蚀性等耐久
性的要求以外， 还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 。 实践表明， 新旧混
凝土的结合面往往是一个薄弱环节， 特别是构件中承
受很大剪力和拉力部位的加固， 新旧混凝土能否良好
地共同工作取决于新旧混凝土的界面粘结强度 。 与整
浇混凝土相比， 界面的抗拉 、 抗剪 、 抗弯强度降低； 由于
新混凝土的收缩徐变变形 、 弹性变形 、 塑性变形等与旧
混凝土存在差异，结合面甚至出现裂缝， 结合面的抗渗 、
抗冻性能降低 。 虽然在施工中采取了种种措施， 但新旧
混凝土界面的粘结强度 、 耐久性等各项指标仍难达到令
人满意的效果， 如何提高新旧混凝土界面的各项物理 、
力学性能成为工程实践中迫切需要解决的问题 。
关于新旧混凝土界面粘结问题国内外已做了一定
的试验研究和理论分析工作， 但比较完善的 、 得到公认
的粘结机理和维修方法还未有定论， 处于研究探索之
中 。 对于新旧混凝土粘结问题的解决， 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 。
2 界面过渡区理论
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 。 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
22 - - 总第 108 期 江西建材 3 /2009
区， 过渡区围绕大骨料周围存在一层薄层， 厚约10 ～
50 μ m， 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， 限于篇幅， 这里不再详述 。
2.1 界面过渡区的组成及结构
界面区中主要存在有C — S — H凝胶(水化硅酸钙) 、
C — H晶体 、 AFt(钙矾石) 和未水化熟料颗粒及孔洞 、 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 。
界面过渡区形成机理
马索
[1]
提出界面过渡区形成机理的假说 。 他认为
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高， 所以在这层水中可以
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和石膏， 如图1
所示 。 但如果骨料是部分可溶性的， 则骨料溶出的离子
在骨料表面密度最大， 其离子浓度分布如图2所示 。 由
于骨料总会有部分离子析出， 故水膜层中总离子浓度
为图2中虚线所示， 在靠近骨料表面处浓度最高， 之后
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化钙 。 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
钙矾石和氢氧化钙石填充其间 。 马索的上述假设中， 离
子浓度分布曲线凹陷处可能形成大晶核及高孔隙率，
即是界面中的薄弱区域 。
2.3 界面过渡区的特点
虽然目前对界面过渡区的结构及形成机理还不深
入了解， 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
渡区中的晶体比水泥浆本体中的晶体粗大；2) 界面过
渡区中的晶体有择优取向；3) 界面过渡区中的晶体比
水泥浆本体中的晶体具有更大 、 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 。
2.4 界面过渡区结构和性状的改善
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 、 相对含量以及它们之间
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
富集是形成薄弱层界面的主要的物理化学原因之一，
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化钙，
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
少， 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 图 1 不溶性骨料离子分布示意图
图 2 部分可溶性骨料离子分布示意图
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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 。
3 新旧混凝土薄弱界面成因分析
新旧混凝土的界面同样存在类似于整浇混凝土中
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
整浇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， 不妨探
讨一下， 有助于指导我们从物质微观结构这一层次上
认识界面粘结问题的本质和影响因素， 以采取一定的
措施来增强新旧混凝土界面粘结性能 。
在同样的受力条件下， 新旧混凝土的结合面比整
浇体系中骨料与水泥石界面还要薄弱， 可能是以下几
方面原因共同作用的结果 。
（1） 新旧混凝土接触界面存在一个类似于整浇混
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， 因而导致界面
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 。 而且由于旧混凝土的阻碍 、 新混
凝土中的泌水和气泡聚积在旧混凝土表面， 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， 是影响新旧混凝土粘结性能本质的内因 。
（2） 结合面处露出的石子 、 水泥石和新混凝土的界
面接触与整浇混凝土中骨料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 。
新混凝土中的骨料经过充分搅拌 、 振捣被水泥浆包裹，
而在新旧混凝土界面处， 新混凝土中的骨料经过振捣
可能被挤压在界面处， 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
凝土又将失去一部分水泥浆， 这样使得结合面的新混
凝土中出现空隙， 影响了新旧混凝土的粘结强度 。
（3） 整浇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 。 整浇混凝土中
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 ” 与整浇混凝土
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 ”。 新混凝土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， 在整浇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将会进一步被削弱， 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， 新旧混凝土界面要首先破坏的原因 。
4 结束语
从上述的分析中可以得到如下启示: 如果能象加
强整浇体系中骨料和水泥石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， 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些实践证
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， 研制开发性能优异的界面剂或特种混凝土 。 其
次， 在不损伤骨料与旧混凝土粘结的前提下， 新旧混凝
土结合面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， 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 。 最后应注意加
强养护以利于水泥的充分水化 。
参考文献
[1] 高丹莹， 刘建秀， 钢纤维混凝土基本理论， 科学技术文
献出版社[M]，1993.   欢迎共享建筑工程管理首页模块：  本模块代码复制处 
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