不同法向壓力條件下新舊混凝土粘結(jié)面抗剪性能試驗研究

胡忠君，李家祥，王傲，趙洋，龍冰

（吉林大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)院，吉林 長春 130026）

0 引言

既有混凝土結(jié)構(gòu)加固改造過程中經(jīng)常遇到新舊混凝土界面結(jié)合問題，保證新舊混凝土間必要的粘結(jié)強度是工程改造取得預(yù)期效果的關(guān)鍵?，F(xiàn)有研究成果表明：在無植筋條件下，新舊混凝土結(jié)合面的粘結(jié)強度主要取決于舊混凝土結(jié)合面的粗糙度、界面劑類型和新舊混凝土的抗壓強度等因素[1-4]。部分學(xué)者針對不同條件下的新舊混凝土結(jié)合面抗剪性能進行了相關(guān)試驗研究[5-8]，相比傳統(tǒng)的界面處理方法，一些新型的混凝土界面劑不斷涌現(xiàn)[9]，其中采用新型混凝土界面結(jié)合膠（AY/HY133LP）可較大幅度提高新舊混凝土結(jié)合面的粘結(jié)強度，但在不同法向壓力作用下其結(jié)合面抗剪性能實際效果如何目前尚無相關(guān)研究工作開展。本文針對此問題開展靜力壓剪試驗研究，為工程加固改造中新舊混凝土結(jié)合面粘結(jié)抗剪強度的確定提供一定的參考。

1 試驗設(shè)計

1.1 原材料

新舊混凝土試件分別采用P·O42.5和P·C32.5水泥（長春亞泰水泥廠產(chǎn)鼎鹿牌）澆筑，按照相似理論，考慮試件的實際尺寸，粗骨料選用粒徑為3～6 mm連續(xù)級配碎石，細骨料選用細度模數(shù)為2.7～2.4的中砂，其平均粒徑為0.3～0.5 mm，含泥量為1.2%。

混凝土界面劑采用AY/HY133LP新舊混凝土界面結(jié)合膠，由大連法施達公司提供，該復(fù)合改性樹脂膠由AY133和HY133B雙組分組成，混合后密度為1.03 g/ml，黏度為500 mPa·s。使用時，將AY133和HY133B以5∶2的質(zhì)量比混合攪拌后，均勻無氣泡地涂抹在舊混凝土表面，涂抹膠層厚度不大于1 mm。結(jié)合膠涂刷完成后，立即澆筑新混凝土，充分振搗后放入標準養(yǎng)護箱。AY/HY133LP的力學(xué)性能指標見表1。

表1 AY/HY133LP結(jié)合膠主要力學(xué)性能指標

注：①與混凝土。

1.2 試件設(shè)計與制作

1.2.1 新舊混凝土粘結(jié)面人造粗糙度模板的制作

為保證每組試件的結(jié)合面擁有相同的粗糙度，試驗中采用3D打印技術(shù)制備新舊混凝土粘結(jié)面人造粗糙度控制塑料模板，將模板固定在混凝土澆筑模具上，從而澆筑獲得多組粗糙度條件相同的新舊混凝土粘結(jié)面試件。

圖1為用三維設(shè)計軟件（UG）設(shè)計的4種粗糙度控制模板的三維模型，其中，圖1（a）為平直粗糙度模板，圖1（b）、（c）、（d）是由三維設(shè)計軟件（UG）隨機生成的模型中選取的3個表面設(shè)計粗糙程度依次增大的三維模型。根據(jù)實驗室壓剪試驗機的剪切加載鋼模具尺寸，采用的三維模型水平投影面積為100 mm×50 mm，為使模板經(jīng)過混凝土擠壓后不產(chǎn)生裂紋、變形微小且能夠反復(fù)利用，試驗采用的三維模型的厚度為1.5 mm。

圖1 4種粗糙度控制模板的三維模型

根據(jù)試件設(shè)計對模具數(shù)量的需求，試驗采用UPBOX型3D打印機完成4組粗糙度控制模板（圖1中A、B、C和D組）各打印3個，得到12個新舊混凝土粘結(jié)面人造粗糙度控制塑料模板，打印模板所用材料為ABS塑料。

1.2.2 新舊混凝土結(jié)合試件制作

將粗糙度塑料控制模板涂刷機油潤滑后插入圓環(huán)形鋼模具中，卡入凹槽并加以固定，進行混凝土澆筑，24 h后拆模，并將2塊混凝土中間的塑料控制模板取出，待28 d養(yǎng)護完成后，獲得多組粗糙度條件相同的混凝土粘結(jié)面試件擬作舊混凝土試件，具體如圖2所示。放置90 d后，再將舊混凝土試件進行界面處理后重新放入鋼模具中，澆筑新混凝土，養(yǎng)護后得到完整的新舊混凝土結(jié)合試件。界面處理方式：A1、B1、C1、D1直接澆筑；A2、B2、C2、D2涂覆結(jié)合膠然后澆筑。試件為直徑50 mm、高度100 mm的圓柱體。全部試件分批澆筑，試驗預(yù)留混凝土試塊，實測各組新舊混凝土平均抗壓強度標準值fcuk'分別為：A1、A2、B1 組為 36.64 MPa；B2、C1、C2 組為 37.74 MPa；D1、D2 組為 37.58 MPa。

1.2.3 人造粗糙度表征

三維設(shè)計軟件生成粗糙度控制模板模型時，通過采集獲得模型表面上的各點坐標作為分形維數(shù)的測量點，然后使用張亞衡等[10]提出的粗糙表面分形維數(shù)估算的改進立方體覆蓋法，對A、B、C和D組的分形維數(shù)進行了計算，同時為了校核分形維數(shù)表示粗糙度數(shù)據(jù)的準確性，也采用了灌砂法表征舊混凝土粘結(jié)面粗糙度，見表2。

圖2 A組和D組舊混凝土試件

表2 4組舊混凝土試件的表面粗糙度

1.2.4 試驗加載

試驗使用小型混凝土壓剪儀測量新舊混凝土粘結(jié)面的抗剪強度，加載裝置如圖3（a）所示，該儀器的法向最大壓力為500 kN，橫向最大剪切力為300 kN，儀器分辨率為0.01 kN，儀器加載精度能夠滿足試驗要求。

根據(jù)試驗設(shè)計中設(shè)置的4組粗糙度情況，綜合考慮到試件尺寸及混凝土試件粘結(jié)面的抗壓能力，試驗采用0、0.6、1.2 MPa共3組恒定法向壓力分別對A、B、C、D4種粗糙度、2種結(jié)合面處理方法（直接澆注和涂覆界面結(jié)合膠）的24組（共72個）新舊混凝土結(jié)合試件進行靜力抗剪試驗。由于采用液壓油泵手動加載，具體法向壓力以實際加載數(shù)值為準，剪切盒內(nèi)試件結(jié)合面受力情況如圖3（b）所示。

圖3 壓剪試驗機及粘結(jié)面加載受力示意

2 試驗結(jié)果及分析

新舊混凝土結(jié)合面壓剪試驗相關(guān)數(shù)據(jù)見表3。

表3 新舊混凝土粘結(jié)試件壓剪試驗結(jié)果

2.1 粘結(jié)面抗剪性能分析

試件剪切加載至破壞時，新舊混凝土粘結(jié)面發(fā)生錯動并伴有一定響聲，試件脆性破壞的特征較為明顯。由表3可以看出：（1）當粘結(jié)面法向壓應(yīng)力和粗糙度均不變時，界面采用結(jié)合膠處理較直接澆筑的粘結(jié)抗剪強度有較大幅度的提高。以D組試樣為例，當法向壓應(yīng)力為0.6 MPa，粗糙度分形維數(shù)為2.23（平均灌砂深度2.45 mm）時，D2-23較D1-20粘結(jié)抗剪強度提高59.6%。（2）當粘結(jié)面粗糙度和界面處理方式不變時，新舊混凝土粘結(jié)面抗剪強度隨粘結(jié)面壓應(yīng)力的增加而提高。以B組試樣為例，對于直接澆筑的處理方式，當法向壓應(yīng)力由0 MPa增加到1.2 MPa時，B1-09較B1-07粘結(jié)面抗剪強度提高114.1%；對于采用界面結(jié)合膠的處理方式，當法向壓應(yīng)力0 MPa增加到1.2 MPa時，B2-12較B2-10結(jié)合面抗剪強度提高80.3%。（3）當粘結(jié)面法向壓應(yīng)力和界面處理方式不變時，新舊混凝土粘結(jié)面抗剪強度隨粘結(jié)面粗糙度的增加而提高。以B和D組試樣對比為例，法向壓應(yīng)力為0.6 MPa且界面采用結(jié)合膠處理時，當分形維數(shù)從2.08增加到2.23時（灌砂平均深度從1.79 mm增大到2.45 mm）時，B2-11對比D2-23粘結(jié)面抗剪強度由2.19 MPa增加到2.41 MPa，也即粗糙度分形維數(shù)增加了7.2%，新舊混凝土粘結(jié)面抗剪強度增加了10.1%，而平均灌砂深度增加了36.9%，需要進一步整體分析分形維數(shù)和平均灌砂深度與粘結(jié)抗剪強度之間的關(guān)系。

采用直接澆筑時，分形維數(shù)和平均灌砂深度與τ/fcuk'之間的關(guān)系分別見圖4、圖5。

由圖4和圖5可以看出：壓力恒定時，直接澆注粘結(jié)面τ/fcuk'隨分形維數(shù)和平均灌砂深度增加而增大，當σ/fcuk'在0～0.02時（法向應(yīng)力由0增加到0.6 MPa），分形維數(shù)和平均灌砂深度均與τ/fcuk'之間具有良好的線性關(guān)系；當法向壓應(yīng)力為1.2 MPa時，線性相關(guān)性稍差，表明分形維數(shù)法和灌砂法均可定量表征舊混凝土粘結(jié)面的粗糙度，當粗糙度在較小范圍內(nèi)變化時，對于小面積構(gòu)件表面粗糙度的精確測定，分形維數(shù)法略優(yōu)于灌砂法。

圖4 分形維數(shù)與τ/fcuk'之間的關(guān)系

圖5 平均灌砂深度與τ/fcuk'之間的關(guān)系

2.2 粘結(jié)面粘結(jié)抗剪強度計算

本次試驗中剪切破壞以新舊混凝土粘結(jié)面粘結(jié)破壞（界面發(fā)生錯動）為準，不考慮法向壓力較大時粘結(jié)面發(fā)生錯動后的抗剪能力，即在不發(fā)生剪切破壞的前提下，粘結(jié)面的抗剪承載力主要取決于新舊混凝土的粘結(jié)力。在無植筋條件下，國內(nèi)外學(xué)者針對新舊混凝土粘結(jié)面抗剪性能進行了相關(guān)試驗研究[11-12]，但對壓剪條件下新舊混凝土粘結(jié)面的粘結(jié)抗剪強度試驗研究相對較少。美國AASHTO（2003）、JGJ1—91《裝配式大板居住建筑設(shè)計施工規(guī)程》和現(xiàn)有研究成果[1，7，11，13]均表明，新舊混凝土粘結(jié)面的抗剪強度與粘結(jié)面的粗糙度、界面劑類型和新舊混凝土的平均抗壓強度相關(guān)。當粘結(jié)面粗糙度分形維數(shù)在2.00～2.23（平均灌砂深度在0～2.45 mm）時，由表3中試驗數(shù)據(jù)對τ/fcuk'與σ/fcuk'關(guān)系進行線性擬合（見圖6），線性關(guān)系見式（1）：

式中：τ——新舊混凝土粘結(jié)面粘結(jié)抗剪強度，MPa；

σ——新舊混凝土粘結(jié)面法向壓應(yīng)力，MPa；

k1、k2——曲線擬合系數(shù)，對于直接澆筑的界面處理方式，k1=0.74，k2=0.022，線性擬合相關(guān)系數(shù) R2=0.896；對于涂覆結(jié)合膠的界面處理方式，k1=0.992，k2=0.047，線性擬合相關(guān)系數(shù)R2=0.945。

圖6 τ/fcuk'與σ/fcuk'關(guān)系曲線

對式（1）進行整理有：

王振領(lǐng)[13]的試驗結(jié)果表明：

式中：ζ1——粘結(jié)面粗糙度影響系數(shù)；

ζ2——粘結(jié)面界面劑類型影響系數(shù)。

令式（2）中σ＝0，則可獲得粘結(jié)面界面劑類型影響系數(shù)ζ2，假定直接澆筑時 ζ2＝1．0，計算得涂刷界面結(jié)合膠時 ζ2＝2．14。

圖4和圖5中擬合線性直線的斜率可以反映粘結(jié)面粗糙度影響系數(shù)ζ1的變化規(guī)律，隨著法向壓應(yīng)力的增加，ζ1逐漸減小。

上述計算公式是針對無植筋條件得出的，由于影響新舊混凝土粘結(jié)面粘結(jié)抗剪強度的因素眾多，限于試驗試件尺寸和試件數(shù)量，計算公式的適用性還有待更多試驗數(shù)據(jù)的驗證。

3 結(jié)論

（1）當法向壓應(yīng)力和粗糙度不變時，界面采用結(jié)合膠處理較直接澆筑的粘結(jié)面抗剪強度有較大幅度的提高；當粗糙度和界面處理方式不變時，新舊混凝土粘結(jié)抗剪強度隨粘結(jié)面壓應(yīng)力增加而提高；當法向壓應(yīng)力和界面處理方式不變時，新舊混凝土粘結(jié)抗剪強度隨粘結(jié)面粗糙度增加而提高。

（2）新舊混凝土結(jié)合試件粘結(jié)面剪切加載至破壞時，粘結(jié)面發(fā)生錯動并伴有一定響聲，試件粘結(jié)面脆性破壞的特征較為明顯。

（3）依據(jù)試驗結(jié)果對τ/fcuk'與σ/fcuk'關(guān)系進行了線性擬合，提出了新舊混凝土粘結(jié)面粘結(jié)抗剪強度的計算公式，公式同

時考慮了法向壓應(yīng)力、粘結(jié)面粗糙度和粘結(jié)面界面劑類型的影響，受試驗構(gòu)件尺寸和數(shù)量的限制，論文提出的粘結(jié)抗剪強度計算公式還有待更多試驗數(shù)據(jù)的進一步驗證。

[1] 袁群，劉健.新舊混凝土粘結(jié)的剪切強度研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2001，22（2）：46-50.

[2] 趙志方，周厚貴，袁群.新老混凝土的粘結(jié)機理研究與工程應(yīng)用[M].北京：中國水利水電出版社，2003.

[3] 張雄，張蕾.新老混凝土粘結(jié)面人造粗糙度表征及性能研究[J].同濟大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2013，41（5）：753-758.

[4] 閆國新，張曉磊，張雷順.新老混凝土黏結(jié)面粗糙度評價方法綜述[J].混凝土，2010（1）：25-29.

[5] 林擁軍，錢永久，王振領(lǐng).新舊混凝土結(jié)合面粘結(jié)強度計算方法研究[J].工業(yè)建筑，2006，36（S1）：844-846.

[6] 張曉光，陳澤赳，劉星，等.新舊混凝土結(jié)合面抗剪性能現(xiàn)場試驗研究[J].結(jié)構(gòu)工程師，2010，26（6）：70-75.

[7] 江志偉.溝槽和植筋新舊混凝土界面抗剪性能試驗研究[D].廣州：廣東工業(yè)大學(xué)，2014.

[8] 劉傳奇.新舊混凝土界面粘貼機理試驗研究[D].西安：長安大學(xué)，2014.

[9] 史長城，于春霞，王大輝，等.地質(zhì)聚合物界面劑對新老混凝土粘結(jié)強度影響研究[J].新型建筑材料，2017（3）：110-113.

[10] 張亞衡，周宏偉，謝和平.粗糙表面分形維數(shù)估算的改進立方體覆蓋法[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2005，24（17）：3192-3196.

[11] 王少波.新舊混凝土粘結(jié)面抗剪強度試驗研究[D].鄭州：鄭州工業(yè)大學(xué)，2000.

[12] 白文君，何兆益，胡金玉，等.新舊混凝土黏結(jié)強度特性研宄[J].混凝土，2008（1）：45-48.

[13] 王振領(lǐng).新老混凝土粘結(jié)理論與試驗及在橋梁加固工程中應(yīng)用研宄[D].成都：西南交通大學(xué)，2007.