界面處理對自密實混凝土與老混凝土黏結(jié)滑移的影響

陳 峰，鄭建嵐,2

(1 福建江夏學(xué)院 環(huán)保節(jié)能型高性能混凝土協(xié)同創(chuàng)新中心,福建 福州 350108;2 福州大學(xué) 土木工程學(xué)院,福建 福州 350116)

自密實高性能混凝土在自重下能流動、密實，且具有良好的均勻性，因此吸引國內(nèi)外諸多學(xué)者的關(guān)注，羅素蓉等[1]、馬少軍等[2]、Zhu等[3]、Casanova等[4]、Hadda等[5]、Kalkan等[6]、Aslani等[7]進行了大量研究工作并取得了豐富的成果。由于自密實混凝土良好的工作性能，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于混凝土的加固及修復(fù)工作之中，因此新老混凝土之間的黏結(jié)性能成為工程界關(guān)注的焦點。自密實混凝土與老混凝土之間的自然黏結(jié)是保證新老混凝土整體工作的基礎(chǔ)[8-9]，然而完全黏結(jié)只在一定的受力階段內(nèi)存在[10]，當(dāng)新澆自密實混凝土加固層橫截面上的剪應(yīng)力超過界面的黏結(jié)強度后，該段界面就會出現(xiàn)剝離和剪切破壞[11-12]，從而使新老混凝土之間會產(chǎn)生一定的相對滑移。這種滑移不是自由滑移，而是受到老混凝土的黏結(jié)以及界面摩阻力的約束，是一種黏結(jié)滑移[13]。顯然，新老混凝土結(jié)合面的黏結(jié)滑移關(guān)系是采用理論或數(shù)值計算分析其受力變形性能的基礎(chǔ)，但目前這方面的研究工作還相對較少。本研究利用自行設(shè)計的推出式剪切試驗裝置，通過新老混凝土黏結(jié)剪切試驗，分析不同界面處理方法對黏結(jié)滑移的影響，以期為提高新老混凝土之間的黏結(jié)性能提供參考。

1 材料與方法

1.1 原材料及配合比

老混凝土為普通混凝土試件，采用的材料為P.O 42.5普通硅酸鹽水泥、中砂(細度模數(shù)為2.3)、花崗巖碎石(粒徑為5～20 mm)。老混凝土設(shè)計強度等級為C30，齡期約90 d，在澆筑新混凝土之前測得立方體抗壓強度為34.4 MPa。

制作自密實混凝土的材料是在老混凝土原材料基礎(chǔ)上增加了 Ⅰ 級粉煤灰以及萘系高效減水劑，新自密實混凝土設(shè)計強度等級為C40。根據(jù)已有的研究結(jié)果[14]，設(shè)計了新混凝土的配合比并測定了其力學(xué)性能，詳見表1。同時采用坍落筒測定新自密實混凝土的工作性能，其坍落度為266 mm，擴展度為640 mm。

表1 新自密實混凝土的配合比及力學(xué)性能

1.2 黏結(jié)滑移試驗設(shè)計

根據(jù)新老混凝土黏結(jié)的不同情況，本研究主要設(shè)計了2種界面處理：①不同界面粗糙度處理。老混凝土表面設(shè)3個粗糙度水平，分別為自然光滑面、粗糙面Ⅰ和粗糙面Ⅱ，用灌砂法[15]測量平均灌砂深度(即粗糙度)，上述3個水平分別對應(yīng)的平均灌砂深度為0，2.0與3.2 mm；②界面劑處理。設(shè)3個水平，分別為不涂刷界面劑的粗糙面 Ⅰ 及在粗糙面 Ⅰ 上涂刷同水膠比粉煤灰水泥漿(界面劑 Ⅰ )或摻質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.75%納米氧化硅的粉煤灰水泥漿(界面劑 Ⅱ )。

試驗共制作5組共15個試件，其中新混凝土的設(shè)計尺寸為100 mm×100 mm×250 mm，老混凝土的設(shè)計尺寸為100 mm×100 mm×400 mm。

1.3 剪切試驗裝置

本研究自行設(shè)計的推出式剪切試驗裝置如圖1所示。利用該裝置能夠同時測定沿受力方向上新老混凝土加載端、自由端及局部的黏結(jié)滑移關(guān)系。試驗時每種情況各取1個試件，先固定老混凝土，在新混凝土的一側(cè)采用液壓千斤頂加載至破壞，測出破壞荷載Pu(表2)。

表2 不同界面處理條件下黏結(jié)試件的破壞荷載

然后，每種情況再各取1個試件以破壞荷載Pu的10%為增量逐級施加荷載P，使得新老混凝土交錯運動，在黏結(jié)面上產(chǎn)生剪應(yīng)力。由于加載點并不直接通過新老混凝土黏結(jié)面，因此會有附加彎矩的影響。但由于本試驗主要考察黏結(jié)力與新老混凝土相對位移(即黏結(jié)滑移)的關(guān)系，且加載點與黏結(jié)面的偏離不大(其對黏結(jié)面應(yīng)力的影響在5%左右)，因此本研究中不考慮這種彎曲效應(yīng)的影響。同時在新自密實混凝土兩側(cè)靠近黏結(jié)面處，沿加載方向交錯布置應(yīng)變片(圖2)，以測定局部黏結(jié)滑移性能。

圖1 推出式剪切裝置示意圖(單位:mm)

2 結(jié)果與分析

2.1 黏結(jié)面應(yīng)變的分布

通過IMP應(yīng)變采集儀測得不同測點處的混凝土應(yīng)變ε，圖3即為各種處理條件下新老混凝土黏結(jié)試件在不同加載下各測點應(yīng)變的分布，其中橫坐標(biāo)X為距自由端距離，Pu為破壞荷載。

圖3 不同界面處理及荷載條件下新老混凝土黏結(jié)面應(yīng)變的分布

由圖3可以看到，不同處理下混凝土黏結(jié)面的應(yīng)變發(fā)展及分布均比較相近。以粗糙面Ⅰ的自密實混凝土黏結(jié)試件為例，剛開始加載時，自密實混凝土應(yīng)變沿黏結(jié)長度的變化很小，測得最大應(yīng)變(X=225 mm處)與最小應(yīng)變(X=25 mm處)僅相差10.8×10-6；而隨著荷載的逐步加大，加載端附近混凝土的應(yīng)變增長速度明顯大于自由端附近的混凝土，在圖形上表現(xiàn)為應(yīng)變曲線不斷上翹，直至極限荷載時最大與最小應(yīng)變差值達到最大，為103.3×10-6。

2.2 混凝土試件黏結(jié)應(yīng)力的變化

設(shè)界面上黏結(jié)應(yīng)力τ沿黏結(jié)長度(加載方向)傳遞，如圖4所示(其中垂直于平面方向為新混凝土高h)，由微段dX上力的平衡關(guān)系：

τ·dX·b=dσ·b·h。

(1)

即

(2)

式中:b為試件寬，b=100 mm;h為試件高,h=100 mm;EC為混凝土彈性模量，σ為橫截面上正應(yīng)力。

設(shè)2個相鄰應(yīng)變測點與自由端的距離為Xi和Xj，相應(yīng)的應(yīng)變值分別為εi和εj，則這2點間黏結(jié)應(yīng)力τ由下式計算：

(3)

圖4 黏結(jié)面及微段dX受力分析

各種界面處理及荷載條件下新老混凝土黏結(jié)試件的黏結(jié)應(yīng)力曲線如圖5所示。

圖5 不同界面處理及荷載條件下新老混凝土黏結(jié)試件應(yīng)力的分布

圖5表明，除了自然光滑面外，其余進行了界面處理的試件，在剛開始加載時，加載端附近應(yīng)力較大，而自由端附近卻幾乎沒有應(yīng)力。此后隨著荷載逐步增大，黏結(jié)面不同測點處應(yīng)力也不斷增大。荷載加至40%Pu后，試件黏結(jié)的應(yīng)力沿加載方向的分布大致成“兩頭變化快，中間較平穩(wěn)”的發(fā)展趨勢，即自由端與加載端附近混凝土黏結(jié)面上的應(yīng)力增長較快，而中間部分的應(yīng)力變化較小，在變化曲線上表現(xiàn)出明顯的三段式變化特點。尤其當(dāng)荷載加至80%Pu以上時，沿黏結(jié)長度上黏結(jié)應(yīng)力分布比較均勻，僅在靠自由端與加載端處應(yīng)力有較大變化，并且沿黏結(jié)長度上的應(yīng)力都要較其他各級荷載明顯增大。這說明隨著外荷載的不斷增大，剪應(yīng)力也將迅速增大，且更均勻地沿著黏結(jié)面?zhèn)鬟f。

對于界面為自然光滑面(圖5-a)的黏結(jié)試件，隨著外荷載的不斷加大，其應(yīng)力曲線也不斷向上翹起，即應(yīng)力從自由端到加載端不斷增大，曲線斜率不斷增加；有別于有粗糙度界面的黏結(jié)試件(圖5-b、c)中間部分應(yīng)力變化較小的情況。這是由于光滑界面的機械咬合力較弱，無法對老混凝土形成足夠的約束，應(yīng)力傳遞很不均勻，從而使得自由端至加載端應(yīng)力不斷增大且變化速度較快。

對于涂刷界面劑的黏結(jié)試件(圖5-d、e)，由于界面劑作為一個過渡層存在，使得其應(yīng)力分布較不涂刷界面劑的試件略有不同，主要表現(xiàn)在試件中間部分混凝土的應(yīng)力分布并不平穩(wěn)，而是隨著距自由端距離的不斷增加而增大，曲線變化表現(xiàn)為曲線尾端不斷上翹，表明在加載端附近應(yīng)力增加較快。

2.3 黏結(jié)滑移關(guān)系分析

由位移傳感器可測得試件自由端的滑移Sf，則在黏結(jié)長度上任一點的滑移可表示為：

(4)

式中：Sf為自由端滑移值，X為距自由端的距離。由于無法連續(xù)測得試件的應(yīng)變，因此式中的積分可近似用不連續(xù)的應(yīng)變測試值(離散數(shù)值)之和代替，即：

(5)

這樣由黏結(jié)應(yīng)力τ與滑移S就可以得到τ-S關(guān)系。圖6列出了新老混凝土黏結(jié)試件的黏結(jié)滑移試驗結(jié)果。

圖6 不同界面處理條件下新老混凝土的黏結(jié)滑移試驗結(jié)果

由圖6可知，各種試驗條件下黏結(jié)試件的黏結(jié)滑移關(guān)系表現(xiàn)出相似的分布與發(fā)展規(guī)律。由于黏結(jié)應(yīng)力的不斷增大，新老混凝土局部的黏結(jié)滑移不斷增加。黏結(jié)面處發(fā)生的是脆性破壞，因而得到的τ-S關(guān)系曲線沒有下降段。在靠近自由端處，由于加載后黏結(jié)面上的應(yīng)力增長較慢，因此曲線斜率較??；在加載至50%Pu后，黏結(jié)應(yīng)力才開始逐漸加快增長，曲線也逐步向上翹起；在靠近加載端處，由于受到加載的影響較大，因此黏結(jié)應(yīng)力與滑移均增長得較快；在沿黏結(jié)長度方向的大部分區(qū)域(X=75～175 mm)內(nèi)，黏結(jié)面在克服了初始靜摩擦后滑移迅速增長，至彈塑性階段滑移隨應(yīng)力增長有所減緩，在臨近極限荷載時又迅速增加直至破壞。

通過圖6還可看出，涂刷界面劑與否對黏結(jié)滑移的發(fā)展規(guī)律影響并不大，涂有界面劑的黏結(jié)試件(圖6-d、e)的自由端、加載端和中部的黏結(jié)滑移曲線形式基本與粗糙面Ⅰ的黏結(jié)試件(圖6-b)相近。自然光滑面的黏結(jié)試件(圖6-a)與粗糙面Ⅰ、粗糙面Ⅱ(圖6-c)相比，其加載端與自由端的局部黏結(jié)滑移曲線之間距離較小，曲線更為接近且斜率要小得多；而界面為粗糙面Ⅱ的黏結(jié)試件，其局部黏結(jié)滑移曲線則與粗糙面Ⅰ十分相近?？梢?，是否對黏結(jié)面進行粗糙處理對黏結(jié)滑移性能有明顯影響，而在對老混凝土表面進行一定的粗糙處理后，其粗糙度的大小對新老混凝土的黏結(jié)滑移性能影響并不大。

對圖6結(jié)果進行回歸分析，可知自由端處曲線發(fā)展可采用二次函數(shù)來描述，即：

τ=0.000 06S2+0.001 1S-0.013 7，R2=0.976。

(6)

加載端曲線發(fā)展可采用一次函數(shù)來描述，即：

τ=0.022S+0.242 3，R2=0.963。

(7)

中間部分的黏結(jié)滑移關(guān)系可采用分段函數(shù)來表示，即：

(8)

式(8)中，R2=0.942。

3 結(jié) 語

(1) 本研究通過自行設(shè)計的推出式剪切試驗裝置，進行了自密實混凝土與老混凝土的黏結(jié)滑移關(guān)系試驗，通過測定新老混凝土在加載端、自由端的位移以及沿受力方向上各點的應(yīng)變來推算黏結(jié)面上的黏結(jié)應(yīng)力，再結(jié)合沿黏結(jié)面長度方向上各點的位移值，推算新老混凝土的黏結(jié)滑移關(guān)系。

(2) 通過對試驗數(shù)據(jù)的分析可知，各種界面處理下的新老混凝土黏結(jié)面處的應(yīng)變分布和發(fā)展基本相近，越靠近加載端的混凝土應(yīng)變增長越快，變化曲線上表現(xiàn)為曲線尾端隨荷載增大而不斷上翹。

(3) 通過對新老混凝土黏結(jié)界面上各處黏結(jié)應(yīng)力的推算，表明各試件的黏結(jié)應(yīng)力曲線呈明顯的三段式曲線發(fā)展，且剪應(yīng)力隨外荷載的增大而更加均勻地沿著黏結(jié)面?zhèn)鬟f。界面為自然光滑面的黏結(jié)試件，應(yīng)力傳遞不均勻，自由端至加載端應(yīng)力不斷增大且變化速度較快；而涂刷界面劑的黏結(jié)試件，由于界面劑作為一個過渡層存在，使得試件中間部分的混凝土應(yīng)力分布隨著距自由端距離的不斷增加而增大，尤其在加載端附近應(yīng)力增加較快。

(4) 通過本試驗結(jié)果可以得到新老混凝土不同界面處理情況下黏結(jié)試件的黏結(jié)滑移關(guān)系，其中涂刷界面劑與否對黏結(jié)滑移的發(fā)展規(guī)律影響并不大；而界面為自然光滑面的試件，各點間黏結(jié)滑移曲線比較接近且斜率較小，黏結(jié)面的粗糙處理對新老混凝土的黏結(jié)有明顯增強效果。經(jīng)過回歸分析后能得到新老混凝土黏結(jié)滑移的本構(gòu)關(guān)系函數(shù)式，可供實際工程計算參考。

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