新、老混凝土粘結(jié)抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)

潘傳銀，石雪飛，周可攀

隨著運(yùn)營年限的增加，很多混凝土橋梁會(huì)產(chǎn)生不同程度的老化和損傷；即使是新建的橋梁，也會(huì)由于各種原因出現(xiàn)蜂窩、空洞、脫落及開裂等病害，需要補(bǔ)強(qiáng)加固［1］。在混凝土結(jié)構(gòu)的維修加固中，新、老混凝土之間的粘結(jié)質(zhì)量是保證結(jié)構(gòu)加固后整體受力的關(guān)鍵［2］。

高劍平［3］等人研究指出，新、老混凝土粘結(jié)面破壞主要有3種情況：由于拉應(yīng)力過大，而產(chǎn)生垂直于粘結(jié)面的張拉破壞；由于剪應(yīng)力過大，而產(chǎn)生沿粘結(jié)面的剪切滑移破壞；在粘結(jié)面同時(shí)產(chǎn)生張拉破壞和剪切破壞。因此，粘結(jié)抗剪強(qiáng)度是衡量粘結(jié)面力學(xué)性能的重要指標(biāo)。趙鳳杰［4］等人研究指出，影響界面抗剪強(qiáng)度的因素主要有：表面粗糙度、界面劑、修補(bǔ)方位角、新（老）混凝土材料及養(yǎng)護(hù)齡期等。增加表面粗糙度，可以增大粘結(jié)面的機(jī)械咬合力，提高粘結(jié)面的抗剪強(qiáng)度。采用合適的界面劑，也可以提高粘結(jié)面的結(jié)合力。在混凝土養(yǎng)護(hù)過程中，若開放交通，行車引起的振動(dòng)效應(yīng)也將對(duì)粘結(jié)面抗剪強(qiáng)度造成影響［5］。在實(shí)際工程中，當(dāng)采用增大截面法進(jìn)行橋梁加固時(shí)，為了改善粘結(jié)面的破壞特性，要在粘結(jié)面上植入鋼筋。

以界面粗糙度、修補(bǔ)方位角、振動(dòng)及植筋為控制變量，作者擬通過6組34項(xiàng)共102個(gè)新、老混凝土粘結(jié)試件的抗剪試驗(yàn)，測(cè)得各試件的剪切破壞強(qiáng)度。利用試驗(yàn)結(jié)果，得出各因素對(duì)粘結(jié)面抗剪強(qiáng)度的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)概況

目前，對(duì)新、老混凝土粘結(jié)面的抗剪性能試驗(yàn)主要有：直剪、拉剪、壓剪、拉壓剪、壓壓剪及斜剪試驗(yàn)。其中：直剪試驗(yàn)多采用Z型試件評(píng)價(jià)粘結(jié)面抗剪強(qiáng)度；斜剪試驗(yàn)多用于評(píng)價(jià)混凝土柱加固補(bǔ)強(qiáng)時(shí)的新、老混凝土粘結(jié)強(qiáng)度［6］。為了模擬修補(bǔ)方位角的影響，本研究通過調(diào)節(jié)粘結(jié)面傾角，同時(shí)設(shè)計(jì)了直剪和斜剪試件，試件形狀如圖1所示。

圖1 新、老混凝土粘結(jié)試件形狀（單位：mm）Fig.1 The shape of new and old concrete bonding specimens（unit：mm）

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)和分組

根據(jù)研究思路，共設(shè)置了6個(gè)試驗(yàn)組和1個(gè)對(duì)照組。試驗(yàn)組控制變量分別為表面粗糙度、粘結(jié)面傾角、振動(dòng)頻率、植筋率、植筋方向及植筋深度。鑒于在試驗(yàn)過程中粘結(jié)面平均鑿毛率不易控制，根據(jù)研究［7］結(jié)果，改用切槽法來控制粘結(jié)面平均鑿毛深度，兩者可獲得同樣的粘結(jié)效果。對(duì)照組為整體澆筑試件，所用材料與試驗(yàn)組試件的新澆混凝土相同。試驗(yàn)分組分別見表1～5。振動(dòng)組和植筋組試件除振動(dòng)或植筋作用外，其余處理方式均與A2B1組試件相同。

在表4，5中，除植筋方向或植筋深度不同外，試件其余處理方式均與D1組試件相同，植入鋼筋位置如圖2所示。

表1 切槽深度、粘結(jié)面傾角試驗(yàn)分組Table 1 Experimental groups of grooving depth and dip angle

表2 振動(dòng)試驗(yàn)分組Table 2 Experimental groups of vibration

表3 植筋率試驗(yàn)分組Table 3 Experimental groups of planting steel ratio

表4 植筋方向試驗(yàn)分組Table 4 Experimental groups of planting steel direction

表5 植筋深度試驗(yàn)分組Table 5 Experimental groups of planting steel depth

1.2 試驗(yàn)材料及過程

試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)，老混凝土選用C40，新混凝土選用C45。試驗(yàn)所用材料為普通自來水、42.5級(jí)普通硅酸鹽早強(qiáng)型水泥、細(xì)度模數(shù)2.75中砂和最大粒徑30mm碎石，各自的配合比見表6。

圖2 植筋組試件鋼筋位置示意（單位：mm）Fig.2 Schematic of the position of embedded steel bars in specimens（unit：mm）

表6 新、老混凝土配合比Table 6 Mixture proportion of new and old concrete

整個(gè)試件分兩次澆筑完成：老混凝土澆筑后，在自然條件下，養(yǎng)護(hù)4個(gè)月，然后澆筑新混凝土。在澆筑新混凝土前，需在老混凝土表面切槽；為了獲得較大的粘結(jié)強(qiáng)度，切槽后在老混凝土粘結(jié)面涂抹一層與新混凝土同水灰比的水泥凈漿，方可澆筑新混凝土。對(duì)于振動(dòng)組，應(yīng)在試件澆筑完成3d后脫模，然后放入最大負(fù)載為100kg的電磁吸合式振動(dòng)臺(tái)中，進(jìn)行振動(dòng)；對(duì)于植筋組試件，在植完鋼筋后，需靜置24h，待植筋膠完全硬化，方可進(jìn)行下一步操作。試件澆筑過程如圖3所示。

圖3 新、老混凝土粘結(jié)試件制作過程Fig.3 Preparation process of new and old concrete bonding specimens

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

試件成型3d后脫模，脫模后的試件先在20℃的氣溫下養(yǎng)護(hù)15d，然后自然養(yǎng)護(hù)，直至試驗(yàn)。試驗(yàn)加載在30t萬能壓力機(jī)上進(jìn)行，采用分級(jí)方式進(jìn)行加載。試驗(yàn)測(cè)得各試件的破壞荷載見表7。

加載過程中發(fā)現(xiàn)：對(duì)于素混凝土，當(dāng)傾角小于30°時(shí)，試件首先從粘結(jié)面處破壞，破壞后新、老混凝土完全分離；當(dāng)傾角超過30°時(shí)，試件不再從粘結(jié)面處破壞，其破壞形態(tài)與軸向受壓破壞類似；對(duì)于植筋混凝土，試件最先破壞處仍出現(xiàn)在粘結(jié)面，破壞后由于鋼筋的連接作用，新、老混凝土仍連接為一個(gè)整體。各試件破壞后的形狀如圖4所示。

2.2 結(jié)果分析

新、老混凝土粘結(jié)試件的加載結(jié)果見表7。從表7中可以看出，在不同參數(shù)影響下，新、老混凝土粘結(jié)試件的抗剪強(qiáng)度差異較大：最小的抗剪強(qiáng)度僅3.73MPa；最大的抗剪強(qiáng)度達(dá)22.08MPa。與整體澆筑試件比較，抗剪強(qiáng)度所占百分比分別為46%和270%。對(duì)于素混凝土，當(dāng)粘結(jié)面傾角小于30°時(shí)，所有試件都呈脆性破壞，試件從開裂到破壞的時(shí)間極短，并伴有輕微的“砰砰”聲；對(duì)于植筋混凝土，試件從粘結(jié)面產(chǎn)生裂縫到最終破壞時(shí)間較長，呈塑性破壞，破壞后新、老混凝土并未完全分離。

2.2.1 切槽、傾角對(duì)粘結(jié)面抗剪強(qiáng)度的影響

圖4 新、老混凝土粘結(jié)試件破壞形狀Fig.4 Failure shapes of new and old concrete bonding specimens

表7 新、老混凝土粘結(jié)試件加載結(jié)果Table 7 Experimental results of new and old bonding specimens

圖5 切槽和傾角對(duì)粘結(jié)試件抗剪強(qiáng)度的影響Fig.5 Effects of grooving depth and dip angle on the shear strength

根據(jù)表7，可得切槽深度、粘結(jié)面傾角與試件抗剪強(qiáng)度之間的關(guān)系（如圖5所示）。從圖5中可以看出，當(dāng)傾角相同時(shí)，切槽深度對(duì)粘結(jié)面抗剪強(qiáng)度的影響較小。在不同切槽深度下，新、老混凝土粘結(jié)試件的抗剪強(qiáng)度最大差異值分別為：1.05，1.84，1.13，1.21，1.74，1.22及1.03MPa，與對(duì)應(yīng)的平均抗剪強(qiáng)度的百分比分別為：21%，28%，9%，8%，8%，10%及8%?？紤]到離散型，可以認(rèn)為：切槽深度不會(huì)對(duì)粘結(jié)面抗剪強(qiáng)度造成太大的影響。

從圖5中還可以看出，當(dāng)切槽深度相同時(shí)，隨著傾角的增大，粘結(jié)面的抗剪強(qiáng)度逐漸增加。當(dāng)傾角超過45°后，增大截面的傾角會(huì)降低界面的抗剪強(qiáng)度；結(jié)合圖4可知，此時(shí)，粘結(jié)面已不再是最薄弱部位，隨著荷載的加大，試件不會(huì)從粘結(jié)面處破壞。與整體澆筑試件相比較，不同傾角粘結(jié)試件平均抗剪強(qiáng)度的百分比分別為：61%，81%，154%，194%，260%，143%及162%?？梢?，當(dāng)傾角較小時(shí)，由傾角引起的法向壓應(yīng)力對(duì)粘結(jié)面抗剪強(qiáng)度提高的作用非常明顯。在橋梁加固工程中，應(yīng)當(dāng)充分利用各種工藝，比如：在加固前，可將老混凝土表面鑿成鋸齒型，以使粘結(jié)面傾斜。

2.2.2 振動(dòng)對(duì)粘結(jié)面抗剪強(qiáng)度的影響

根據(jù)表7，可得振動(dòng)頻率與粘結(jié)面抗剪強(qiáng)度關(guān)系（如圖6所示）。從圖6中可以看出，當(dāng)頻率較低時(shí)，振動(dòng)對(duì)粘結(jié)面的抗剪強(qiáng)度有著提高的作用。當(dāng)振動(dòng)頻率超過5Hz時(shí)，若進(jìn)一步增大振動(dòng)頻率，粘結(jié)面的抗剪強(qiáng)度反而會(huì)降低，但只要頻率不超過9Hz，振動(dòng)對(duì)粘結(jié)面的抗剪強(qiáng)度仍有提高的作用。在不同振動(dòng)頻率作用下，新、老混凝土粘結(jié)試件抗剪強(qiáng)度平均值與不振動(dòng)試件的百分比分別為：113%，112%，103%及90%?？梢?，當(dāng)頻率超過9Hz時(shí)，振動(dòng)會(huì)降低粘結(jié)面的抗剪強(qiáng)度。

圖6 振動(dòng)對(duì)粘結(jié)試件抗剪強(qiáng)度的影響Fig.6 Effects of the vibration on the shear strength

從微觀結(jié)構(gòu)分析，振動(dòng)對(duì)粘結(jié)面抗剪強(qiáng)度的影響主要體現(xiàn)為兩點(diǎn)：①振動(dòng)可以提高混凝土的密實(shí)度，加速水泥的水化作用；②振動(dòng)在混凝土養(yǎng)護(hù)過程中可能破壞水泥顆粒表面半滲透膜層的形成，使混凝土產(chǎn)生初始損傷。當(dāng)頻率低于9Hz時(shí)，振動(dòng)對(duì)粘結(jié)面抗剪強(qiáng)度的提高作用大于削弱作用，最終表現(xiàn)為粘結(jié)面抗剪強(qiáng)度的提高；當(dāng)振動(dòng)頻率高于9Hz時(shí)，振動(dòng)對(duì)粘結(jié)面抗剪強(qiáng)度的削弱作用大于提高作用，最終表現(xiàn)為粘結(jié)面抗剪強(qiáng)度的降低。

2.2.3 植筋對(duì)粘結(jié)面抗剪強(qiáng)度的影響

根據(jù)表7中植筋組試驗(yàn)結(jié)果，可得植筋對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度的影響（如圖7所示）。從圖7（a）中可以看出，隨著植筋率的增大，粘結(jié)面的抗剪強(qiáng)度逐漸增大，且提高值與截面植筋率呈近似線性關(guān)系。與同條件處理的不植筋組A2B1比較，不同植筋率的新、老混凝土粘結(jié)試件的抗剪強(qiáng)度平均值與A2B1組的百分比分別為：100%，119%，130%，140%及143%。在D1組中，由于植筋率較小，僅0.57%，植筋對(duì)混凝土抗剪強(qiáng)度的提高與被植筋時(shí)鉆孔對(duì)混凝土抗剪強(qiáng)度的損傷相抵消，導(dǎo)致植筋后粘結(jié)面的抗剪強(qiáng)度與植筋前的差異不大。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，在工程應(yīng)用中，為了獲得良好的粘結(jié)效果，建議植筋率不應(yīng)低于1%。

圖7 植筋對(duì)粘結(jié)試件抗剪強(qiáng)度的影響Fig.7 Effects of embedded steel bars on the shear strength

從圖7（b）中可以看出，當(dāng)植筋方向垂直于新、老混凝土粘結(jié)面時(shí)，粘結(jié)面的抗剪強(qiáng)度最大。隨著植筋方向與粘結(jié)面夾角的減小，粘結(jié)面的抗剪強(qiáng)度逐漸降低。當(dāng)夾角為45°時(shí)，粘結(jié)面的抗剪強(qiáng)度僅3.73MPa，為相同條件下垂直植筋的81%。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，在工程應(yīng)用中，為了獲得良好的粘結(jié)效果，建議植筋方向垂直于粘結(jié)面。

從圖7（c）中可以看出，隨著植筋深度的增加，粘結(jié)面的抗剪強(qiáng)度逐漸增大。且增加值與植筋深度呈線性關(guān)系，這與文獻(xiàn)［8］的研究結(jié)果一致。文獻(xiàn)［8］中還指出，當(dāng)植筋深度h≥15d（鋼筋植筋）時(shí)，粘結(jié)面會(huì)發(fā)生鋼筋屈服破壞。在工程應(yīng)用中，為了獲得良好的粘結(jié)效果，建議植筋深度不低于15倍鋼筋植筋。

3 結(jié)論

1）在增大截面法加固橋梁時(shí)，新、老混凝土粘結(jié)面往往是一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，影響界面抗剪強(qiáng)度的主要因素有：粗糙度、界面劑、粘結(jié)面方位角、振動(dòng)及植筋等。

2）當(dāng)傾角相同時(shí)，切槽深度對(duì)粘結(jié)面抗剪強(qiáng)度的影響不大；當(dāng)切槽深度相同時(shí)，隨著傾角的增大，粘結(jié)面的抗剪強(qiáng)度逐漸增加；當(dāng)傾角超過30°時(shí)，粘結(jié)面不再成為最薄弱部位，加載時(shí)，試件不會(huì)從該處破壞。在工程應(yīng)用中，為了充分利用傾角對(duì)粘結(jié)面抗剪強(qiáng)度提高的作用，在加固前建議將老混凝土表面鑿成鋸齒型，以使粘結(jié)面傾斜。

3）振動(dòng)對(duì)粘結(jié)面抗剪強(qiáng)度的影響較大，當(dāng)頻率低于9Hz時(shí)，振動(dòng)能提高界面的抗剪強(qiáng)度；當(dāng)頻率高于9Hz時(shí)，振動(dòng)會(huì)削弱界面的抗剪強(qiáng)度。

4）在粘結(jié)面植筋會(huì)提高界面的抗剪強(qiáng)度，且強(qiáng)度提高值與植筋率呈線性關(guān)系。在工程應(yīng)用中，為了彌補(bǔ)植筋時(shí)鉆孔對(duì)混凝土的損傷，建議植筋率不低于1%。

5）當(dāng)垂直于粘結(jié)面植筋時(shí)，能獲得最好的加固效果。隨著植筋方向與粘結(jié)面夾角的減小，粘結(jié)面的抗剪強(qiáng)度逐漸降低。在工程應(yīng)用中，為了獲得良好的粘結(jié)效果，建議植筋方向垂直于粘結(jié)面。

6）隨著植筋深度的增加，粘結(jié)面的抗剪強(qiáng)度逐漸增大。且增加值與植筋深度呈線性關(guān)系。當(dāng)植筋深度h≥15d（鋼筋植筋）時(shí)，粘結(jié)面會(huì)發(fā)生鋼筋屈服破壞。在工程應(yīng)用中，為了充分利用材料，建議植筋深度不低于15倍鋼筋植筋。

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