ECC與既有混凝土粘結(jié)界面抗剪性能研究

魏 鵬， 周明洋

(1.河南理工大學(xué) 土木工程學(xué)院， 河南 焦作 454003； 2.中鐵北京工程局集團(tuán)有限公司機(jī)場(chǎng)工程分公司， 北京 100000 )

近幾年來(lái)，我國(guó)的房屋建筑因自然災(zāi)害的原因?qū)е麓罅渴軗p，針對(duì)受損房屋的修復(fù)加固勢(shì)在必行[1]?，F(xiàn)在建筑物常用的加固方法有增大截面法、粘貼鋼板加固法、外加預(yù)應(yīng)力加固法、增設(shè)支點(diǎn)加固法和粘貼纖維復(fù)合材料加固法等[2]。但這些方法都存在一些不足，如增大截面加固法和增設(shè)支點(diǎn)加固法對(duì)凈空有較大影響，粘貼鋼板加固法只適用于受彎或受拉構(gòu)件，外加預(yù)應(yīng)力法不適用于高濕度環(huán)境下的混凝土結(jié)構(gòu)，粘貼纖維材料復(fù)合加固法早期對(duì)混凝土構(gòu)件剛度提升小。工程纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料(Engineering Fiber Reinforced Cementitious Composites，簡(jiǎn)稱(chēng)ECC)是一種用于加固的復(fù)合材料，具有較高的韌性、延展性和耐久性，同時(shí)具有較高的抗裂性能和裂縫控制能力[3-6]。將ECC應(yīng)用在房屋建筑的修復(fù)加固中，可解決現(xiàn)在常用加固方法存在的問(wèn)題。然而在用復(fù)合材料對(duì)既有混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行修復(fù)加固時(shí)，往往因粘貼面兩側(cè)材料在受力時(shí)變形不同步而產(chǎn)生滑移，導(dǎo)致修復(fù)后的構(gòu)件發(fā)生剪切破壞[7-9]。因此，提高修復(fù)結(jié)構(gòu)的整體工作性能，關(guān)鍵在于提高修復(fù)材料與既有混凝土構(gòu)件粘結(jié)面的抗剪切能力。

本文擬對(duì)ECC與原混凝土Z型粘結(jié)試件進(jìn)行試驗(yàn)研究，分析4種不同類(lèi)型的界面粗糙度對(duì)ECC與原混凝土界面粘結(jié)抗剪性切能的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

所用材料為老混凝土，它為提前澆筑的一批尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的普通混凝土試塊。老混凝土由以下材料組成：普通硅酸鹽水泥P·O42.5；細(xì)骨料，為最大粒徑5 mm普通河砂；粗骨料，為粒徑5～25 mm的碎石；普通自來(lái)水?；炷?8 d抗壓強(qiáng)度為34.26 MPa，其配合比如表1所示。

ECC配合比強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為40 MPa，所用材料為水泥、Ⅰ級(jí)粉煤灰、細(xì)砂(粒徑小于0.6 mm)、PVA纖維(日本Kuraray公司生產(chǎn)的K-ⅡREC15型，其性能見(jiàn)表3)、減水劑、水。ECC28 d抗壓強(qiáng)度為42.5 MPa，其配合比如表2。

1.2 試件制作

為了使粘結(jié)試件截面上的應(yīng)力分布均勻，且在加載時(shí)能保持試件粘結(jié)面與加載方向一致，結(jié)合相關(guān)試驗(yàn)資料[10-11]，本文采用Z型試件對(duì)ECC與老混凝土粘結(jié)試件和混凝土整體試件的抗剪切性能進(jìn)行試驗(yàn)研究。Z型試件尺寸(單位為mm)如圖1所示。

表2 ECC配合比

表3 PVA纖維性能

圖1 ECC與老混凝土Z型粘結(jié)試件示意圖

試件制作過(guò)程如下：

(1) 將老混凝土試塊切割成150 mm×100 mm×75 mm的小試塊，粘結(jié)區(qū)域?yàn)?00 mm×100 mm的正方形。

(2) 對(duì)老混凝土表面進(jìn)行4種不同粗糙度的處理，如圖2所示。

Ⅰ型面：用鋼毛刷將老混凝土表面浮灰刷掉，使試塊表面平整光滑；

Ⅱ型面：采用手動(dòng)鑿毛的方式，將老混凝土表面的部分石子和砂漿除去，刷去浮灰后用清水沖洗干凈，使表面有小幅度的凹凸不平，平均粗糙度為1～1.3 mm；

(a) Ⅰ型面 (b)Ⅱ型面

(c) Ⅲ型面 (d) Ⅳ型面圖2 處理后的老混凝土界面

Ⅲ型面：用鑿子除去部分水泥砂漿后，用水槍沖刷，使部分粗骨料裸露，試塊表面呈明顯凹凸不平狀，平均粗糙度為2.2～3 mm；

Ⅳ型面：用小型切割機(jī)對(duì)老混凝土表面每間隔30 mm 進(jìn)行一次切槽處理，切槽寬為20 mm、深為10 mm。由于手工鑿毛處理老混凝土界面容易使混凝土試塊內(nèi)部產(chǎn)生不可見(jiàn)裂縫或局部損傷，為了更好地控制施工質(zhì)量，采用溝槽法對(duì)界面進(jìn)行處理。另外，用該方法制作Z型試件，ECC嵌入溝槽內(nèi)部，改變了粘結(jié)面的受力情況，可從不同角度對(duì)界面粘結(jié)性能進(jìn)行對(duì)比分析。

(3) 澆筑Z型試件。將上述處理過(guò)的老混凝土試塊放入水中浸泡24 h以上，取出清洗干凈，除去表面明水；將模具刷油后在相應(yīng)位置放置老混凝土塊，分別澆筑ECC(ECC的制備過(guò)程見(jiàn)圖3)和新混凝土，在振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)60 s，振動(dòng)時(shí)用器械固定老混凝土試塊，使粘結(jié)面始終位于中軸線的位置，結(jié)束后抹平表面。

圖3 ECC制備流程圖

(4) 試件養(yǎng)護(hù)。48 h后拆模，使試件成型后具有一定的粘結(jié)強(qiáng)度，避免過(guò)早拆模時(shí)粘結(jié)面處的粘結(jié)強(qiáng)度較低而導(dǎo)致試件提前發(fā)生破壞，灑水后用塑料薄膜覆蓋，置于室內(nèi)(溫度(20±2)℃，濕度95%)養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行試驗(yàn)。

1.3 試驗(yàn)過(guò)程

在WAW-1000型微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上對(duì)Z型試件進(jìn)行加載，為保證試件加載時(shí)兩端受力均衡，加載前在Z型試件上端和下端各放置一塊400 mm×200 mm×10 mm的鋼墊板，將Z型試件對(duì)中放置，使粘結(jié)面與墊板中線和加載中心線保持一致，試驗(yàn)加載裝置如圖4所示。加載方式采用荷載控制，加載速度為0.3 kN/min，連續(xù)均勻加載至試件破壞。

圖4 Z型試件抗剪加載圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象及粘結(jié)面破壞特征

試驗(yàn)過(guò)程中，經(jīng)不同粗糙度處理的4種Z型試件被破壞時(shí)，破壞面均位于粘結(jié)面處。試件加載到一定荷載時(shí)，裂縫首先出現(xiàn)在粘結(jié)面的頂端，然后隨著荷載的增加沿粘結(jié)面向下擴(kuò)展，當(dāng)所施加荷載大于界面粘結(jié)強(qiáng)度時(shí)，粘結(jié)面處兩種材料之間產(chǎn)生較大的滑開(kāi)位移，試件發(fā)生破壞，如圖5所示。這說(shuō)明在使用ECC對(duì)老混凝土構(gòu)件進(jìn)行修復(fù)時(shí)，粘結(jié)面容易發(fā)生剪切破壞。

圖5 粘結(jié)面破壞形態(tài)

其中，Ⅰ型面試件破壞表面較為平滑，老混凝土表面僅粘有少量ECC基體，ECC與混凝土之間的粘結(jié)作用主要來(lái)源于兩者之間的膠結(jié)力和摩擦力，且其粘結(jié)強(qiáng)度較小。Ⅱ型面和Ⅲ型面試件中的混凝土破壞表面存在大量被剪斷的ECC基體，甚至還有少許被拉斷的纖維殘留在粘結(jié)表面上，不同的是，Ⅲ型面試件的破壞表面還有部分混凝土粗骨料被剪斷。這說(shuō)明，與Ⅰ型面試件相比，Ⅱ、Ⅲ型面試件中ECC與老混凝土之間的粘結(jié)力還多了機(jī)械咬合力，即ECC與部分混凝土粗骨料一起參與抗剪。Ⅳ型面試件破壞時(shí)槽內(nèi)填充的ECC被沿粘結(jié)面剪斷，纖維被大量拉斷或拔出，部分老混凝土也被剪斷，破壞面較為平整；此時(shí)主要由ECC和少部分混凝土來(lái)參與抗剪。各類(lèi)型試件粘結(jié)面破壞情況如圖6所示。

(a) Ⅰ型面 (b) Ⅱ型面

(c) Ⅲ型面 (d) Ⅳ型面圖6 各類(lèi)型試件破壞面

2.2 粘結(jié)面抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果及分析

ECC與老混凝土粘結(jié)面處的抗剪強(qiáng)度τ可按下式計(jì)算:

(1)

式中：V為剪切破壞時(shí)的荷載值(kN)；A為粘結(jié)面的面積(mm2)。它們的取值以實(shí)際測(cè)量值為準(zhǔn)。

為避免拆模時(shí)操作不當(dāng)而影響試件的早期粘結(jié)強(qiáng)度，繼而影響試件的最終粘結(jié)強(qiáng)度，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果離散性較大，在本試驗(yàn)中，制作4種粗糙度類(lèi)型試件4組共24個(gè)，同時(shí)制作1組6個(gè)混凝土整體試件。各類(lèi)Z型粘結(jié)試件平均抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

粘結(jié)試件的抗剪強(qiáng)度與界面粗糙度的關(guān)系如圖7所示。由圖7可以明顯看出，試件的抗剪強(qiáng)度隨著粗糙度的增大而增大，且粘結(jié)試件的抗剪強(qiáng)度均低于混凝土整體試件。這說(shuō)明在使用ECC修復(fù)既有混凝土構(gòu)件時(shí)，其粘結(jié)面的粘結(jié)性能是影響修復(fù)效果的主要因素之一。其中，Ⅲ型面試件中的老混凝土表面粗糙深度與Ⅰ、Ⅱ型面試件相比較大，有明顯凸出的粗骨料，使ECC與老混凝土表面的接觸面積大大增加，同時(shí)還由于ECC和部分混凝土粗骨料參與抗剪，Ⅲ型面試件抗剪強(qiáng)度比Ⅰ型面試件和Ⅱ型面試件的抗剪強(qiáng)度分別提高了167.4%和75.7%。Ⅳ型面試件與前3種粘結(jié)試件相比，其抗剪強(qiáng)度有明顯提高，達(dá)到了4.73 MPa，比Ⅲ型面試件提高了92.3%。這是因?yàn)棰粜兔嬖嚰?duì)粘結(jié)面進(jìn)行了切槽處理，粘結(jié)面上的剪力主要由嵌入槽內(nèi)的ECC和部分混凝土承擔(dān)，屬于材料抗剪，不同于其他粘結(jié)面抗剪。另外，Ⅰ～ Ⅳ型面粘結(jié)試件的抗剪強(qiáng)度占混凝土整體試件抗剪強(qiáng)度的比例分別為14%、21.4%、37.6%和72.2%?？梢?jiàn)，對(duì)老混凝土界面采取切槽處理，可大大提高界面粘結(jié)的抗剪強(qiáng)度。因此，在修復(fù)加固時(shí)，對(duì)薄弱環(huán)節(jié)采取切槽處理是非常必要的。

表4 各類(lèi)試件抗剪強(qiáng)度

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，得到了各粘結(jié)試件抗剪強(qiáng)度與界面粗糙度的函數(shù)關(guān)系，其線性關(guān)系表達(dá)式為：

τ=0.951 34Ra+0.498 56

(2)

式中，Ra為各類(lèi)型試件的粗糙度(mm)。線性擬合相關(guān)系數(shù)為0.883 17，說(shuō)明兩者是高度線性相關(guān)的。

圖7 粘結(jié)試件抗剪強(qiáng)度與界面粗糙度的關(guān)系

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)ECC與既有混凝土粘結(jié)界面抗剪性能的研究，得到如下結(jié)論：

(1) 各類(lèi)型粘結(jié)試件均在粘結(jié)面處發(fā)生破壞，且各類(lèi)型粘結(jié)試件的抗剪強(qiáng)度均低于混凝土整體試件的抗剪強(qiáng)度，說(shuō)明ECC在對(duì)老混凝土構(gòu)件進(jìn)行修復(fù)時(shí)，其粘結(jié)面容易發(fā)生剪切破壞。

(2) 粘結(jié)面粗糙度的增大能顯著提高Z型粘結(jié)試件的抗剪強(qiáng)度。在用ECC對(duì)既有混凝土構(gòu)件修復(fù)時(shí)，必須增大其粘結(jié)面的粗糙度，以增強(qiáng)其粘結(jié)性能。

(3) 對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理得到了Z型粘結(jié)試件抗剪強(qiáng)度與界面粗糙度之間的函數(shù)關(guān)系式，抗剪切強(qiáng)度和界面粗糙度呈近似線性關(guān)系，可為實(shí)際工程的加固提供理論參考。