預(yù)制TRC板與混凝土界面性能研究

吳子林，杜運(yùn)興，周芬

（湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082）

0 引言

目前，預(yù)制織物增強(qiáng)混凝土（TRC板）由于其在工廠預(yù)制的快速高效，且施工質(zhì)量可以得到保證，越來(lái)越多的學(xué)者開始嘗試采用預(yù)制TRC板加固混凝土構(gòu)件[1-5]，但從已有的研究來(lái)看，預(yù)制TRC板與混凝土構(gòu)件之間的粘結(jié)性能相比于現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)有所減弱[6]。且從以往文獻(xiàn)[7-9]中發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是采用纖維織物側(cè)面粘貼還是U型粘貼的方法，F(xiàn)RCM加固混凝土均易發(fā)生剝離破壞，剝離面一般為FRCM與混凝土的粘貼層，并且此種錨固方式易受到外界環(huán)境的影響，纖維織物的耐久性對(duì)溫度及濕度有嚴(yán)格的要求。針對(duì)以上問(wèn)題，本試驗(yàn)將在采用無(wú)機(jī)基質(zhì)作為粘結(jié)層的基礎(chǔ)上，利用射釘槍探索一種新的錨固方式，以避免TRC與混凝土易發(fā)生剝離破壞的問(wèn)題，使加固達(dá)到最大效果。且采用射釘槍的加固不易受溫度等環(huán)境因素的影響，試驗(yàn)裝置簡(jiǎn)易、操作簡(jiǎn)單、施工效率高。

綜上所述，本文基于預(yù)制TRC板加固混凝土構(gòu)件的單面剪切試驗(yàn)，探討了邊緣距離、粘結(jié)層厚度、粘結(jié)層強(qiáng)度、是否鑿毛等不同界面處理方式以及不同混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)預(yù)制TRC板與混凝土構(gòu)件間界面粘結(jié)抗剪性能的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)方法及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)采用單面剪切試驗(yàn)，具體試驗(yàn)裝置見圖1。

圖1 單面剪切試驗(yàn)裝置示意

混凝土構(gòu)件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)分別為C25、C30、C35?；炷了貌牧先缦拢篜·O42.5普通硅酸鹽水泥；普通河砂，細(xì)度模數(shù)為2.5，Ⅱ區(qū)中砂；碎石，粒徑5～25 mm。試驗(yàn)制作了3組共9個(gè)150 mm×150 mm×150 mm的混凝土試塊，實(shí)測(cè)28 d的抗壓強(qiáng)度見表1。

表1 混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度 MPa

試驗(yàn)預(yù)制TRC板尺寸為150 mm×150 mm×16 mm，主要材料包括碳纖維織物、短切鋼纖維以及高性能水泥基體。水泥基體所用材料是湖南固特邦公司提供的HPG-B水泥摻合料，板材水泥基體采用0.23的水膠比；粘結(jié)層所用材料與板材水泥基體相同，但采用了3種不同的水膠比。為了了解高性能水泥基體的力學(xué)性能，本文根據(jù)GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢測(cè)方法》對(duì)高性能水泥基進(jìn)行了抗折強(qiáng)度試驗(yàn)以及抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)制作了40 mm×40 mm×160 mm的水泥試塊，實(shí)測(cè)7、14、28 d的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度見表2。

表2 水泥基體的力學(xué)性能

試驗(yàn)所用射釘直徑為5 mm，長(zhǎng)度為42 mm，材料為65號(hào)鋼，射擊C30混凝土后，施加載荷將釘子拔出，其抗拉拔力≥2 kN。

本次試驗(yàn)共制作了20種工況，根據(jù)混凝土強(qiáng)度等級(jí)不同分為A、B、C三組試件，錨固數(shù)量均為4根射釘，錨固邊緣距離（射釘位置距TRC板邊緣的距離）分別為50、40、60 mm，具體試驗(yàn)工況見表3。

表3 試驗(yàn)工況

1.2 試件制作及加固流程

混凝土試塊澆筑24 h后拆模，在（20±2）℃的室溫中澆水養(yǎng)護(hù)15 d，然后自然養(yǎng)護(hù)至28 d。老混凝土試塊齡期達(dá)到60 d后，在試塊一側(cè)進(jìn)行鑿毛以及射釘錨固處理。

TRC板的制作在特制的預(yù)應(yīng)力張拉模具上進(jìn)行，按下列步驟制作TRC板材：（1）清理模具；（2）將一層浸漬過(guò)環(huán)氧樹脂的碳纖維織物平直的固定于模具中；（3）分3次澆筑水泥基體，在澆筑高性能水泥基的過(guò)程中摻入體積分?jǐn)?shù)為1%的短切鋼纖維。鋼纖維的摻入是為了改善高性能水泥基體與碳纖維織物間的界面粘結(jié)性能，進(jìn)一步提升板材的性能。（4）在澆筑完成后，用平板式震動(dòng)器進(jìn)行震動(dòng)，最后抹平水泥基表面。（5）預(yù)埋木條。利用尺子等測(cè)量工具根據(jù)工況標(biāo)注木條位置，將切割好的木條豎直插入對(duì)應(yīng)位置，由于高性能水泥基的自密實(shí)性，木條與水泥基有良好的粘結(jié)性能。（6）拆模與養(yǎng)護(hù)。板材初步硬化后，在板材表面覆蓋濕毛巾并進(jìn)行灑水養(yǎng)護(hù)。3 d后將兩端織物剪斷，將板材從模具中取出，并移至標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)，養(yǎng)護(hù)至28 d。經(jīng)測(cè)量，板材的平均厚度約為16 mm。（7）將養(yǎng)護(hù)好的大板用切割機(jī)切成小板。

TRC板在制作過(guò)程中預(yù)埋木條，很大程度上減輕了預(yù)制TRC板在射釘錨固過(guò)程中的損傷，另外，粘結(jié)層的存在也減輕了射釘對(duì)試件的損傷，詳見圖2。

圖2 TRC板射釘后初始裂縫

在混凝土構(gòu)件以及TRC板均養(yǎng)護(hù)完成后，進(jìn)行混凝土構(gòu)件的加固，加固流程分為以下幾個(gè)步驟：（1）對(duì)加固的粘結(jié)面進(jìn)行處理，對(duì)老混凝土試塊的粘結(jié)表面進(jìn)行鑿毛處理，除去老混凝土表面浮漿層，并在板材的粘結(jié)表面刻上斜痕，最后都用清水清洗干凈，見圖3。（2）用高性能水泥基將TRC板粘貼在老混凝土試塊上，粘接層厚度分別為2 mm、4 mm。粘貼完成后在TRC板預(yù)埋木條處進(jìn)行射釘錨固，見圖4。在粘結(jié)層的水泥基材料養(yǎng)護(hù)7 d后，對(duì)試件進(jìn)行單面剪切試驗(yàn)。

圖3 混凝土試塊鑿毛

圖4 TRC板加固混凝土剪切試件制作

1.3 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方案

試驗(yàn)采用600 kN萬(wàn)能液壓試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行。由于是單面剪切試驗(yàn)，為了消除非剪切面的摩擦力，在非剪切面粘貼了特氟龍板。為了消除試驗(yàn)裝置存在間隙的影響，進(jìn)行預(yù)加載。預(yù)加載后，采用位移控制的方式進(jìn)行單調(diào)加載，加載速率為0.5 mm/min。

2 試驗(yàn)結(jié)果及試件破壞模式

2.1 試驗(yàn)結(jié)果（見表4）

表4 單面剪切試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 粘結(jié)層對(duì)抗剪承載力的影響

試驗(yàn)結(jié)果表明，A0工況相對(duì)于對(duì)照組工況，抗剪承載力提高了28.35%。粘結(jié)層對(duì)試件的抗剪承載力提高的原因表現(xiàn)在2個(gè)方面：一方面，來(lái)自于粘結(jié)層的粘結(jié)強(qiáng)度，另一方面，粘結(jié)層有助于減輕射釘對(duì)試件的損傷（見圖2）。因此，粘結(jié)層對(duì)于改加固技術(shù)是必要的。本文設(shè)置了3種不同粘結(jié)層水膠比（0.20、0.23、0.26），2種不同粘接層厚度（2、4 mm），進(jìn)而研究粘結(jié)層對(duì)試件界面抗剪承載力的影響。為研究粘結(jié)層水泥基體不同水膠比對(duì)試件平均抗剪承載力的影響。對(duì)比表4中試件A1、A2、A3，B1、B2、B3，C1、C2、C3結(jié)果可知，各組試件的抗剪承載力均隨著粘結(jié)層水膠比的增大而減小，變化趨勢(shì)基本一致，對(duì)于A組試件，當(dāng)粘結(jié)層水膠比從0.20增至0.23時(shí)，其平均抗剪承載力提高幅度由206.49%降低至172.48%，繼續(xù)增大水膠比至0.26，抗剪承載力的減小更加明顯。對(duì)比于A組試件，其余各組試件抗剪承載力隨水膠比的增大而減小的幅度相對(duì)較小。由于各組試件在粘結(jié)層水膠比為0.20時(shí)，抗剪承載力達(dá)到最大值，因此，后續(xù)試件粘結(jié)層的水膠比均采用0.20。試驗(yàn)結(jié)果表明，各組試件平均抗剪承載力均隨著粘結(jié)層厚度的增加而減小。主要有2個(gè)方面的原因：一方面，由于粘結(jié)層厚度增大導(dǎo)致剪切變形增大，對(duì)抗剪承載力產(chǎn)生了一定的影響；另一方面，是由于粘結(jié)層厚度的增加導(dǎo)致射釘埋入混凝土構(gòu)件的深度有所減小，以致于抗剪承載力下降。因此，后續(xù)試件粘結(jié)層的厚度均采用2 mm。

2.1.2 射釘位置對(duì)抗剪承載力的影響

由于不同的射釘位置對(duì)于射釘過(guò)程中試件的損傷程度有明顯的影響，因此，不同的射釘位置會(huì)間接影響到試件的抗剪承載力。本文設(shè)置了3種不同的邊緣距離（射釘位置距TRC板邊緣的距離）40、50、60mm，以此來(lái)表征不同的射釘位置。為研究不同邊緣距離對(duì)試件抗剪承載力的影響，對(duì)比表4中試件A5、A1、A6，B5、B1、B6，C5、C1、C6結(jié)果可知，不同邊緣距離對(duì)試件抗剪承載力影響顯著，當(dāng)邊緣距離由40 mm增大至50mm，各組試件抗剪承載力均有著不同程度的提升，繼續(xù)增大至60 mm時(shí)，除B組試件外，其余試件抗剪承載力隨著邊緣距離的增大都出現(xiàn)了降低的趨勢(shì)。其中B組試件的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25，可認(rèn)為是低強(qiáng)度的混凝土對(duì)于邊緣距離的要求更加嚴(yán)格，當(dāng)邊緣距離為60mm時(shí)，抗剪承載力達(dá)到最大值。由于大部分試件在邊緣距離為50 mm時(shí)達(dá)到最大值，故后續(xù)試件采用50mm的邊緣距離。

2.1.3 混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)抗剪承載力的影響

為研究不同混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)試件抗剪承載力的影響，對(duì)比表4中試件B1、A1、C1，B2、A2、C2，B3、A3、C3，B4、A4、C4，B5、A5、C5、B6、A6、C6結(jié)果可知，除B5、A5、C5外，其余試件都在混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30時(shí)抗剪承載力達(dá)到最大值，隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提升，抗剪承載力出現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，具體機(jī)理有待進(jìn)一步研究。對(duì)比A1、B1、C1，A2、B2、C2，A3、B3、C3組試件可以看到，A1、B1、C1試件提升的幅度最小，且在下降段降低的幅度最大，故可認(rèn)為粘結(jié)層水泥基體水膠比對(duì)于混凝土強(qiáng)度與抗剪承載力的關(guān)系也有著一定程度的影響。對(duì)比A1、B1、C1，A4、B4、C4組試件可以看出，隨著粘結(jié)層厚度增加，試件抗剪承載力提升幅度有所減小，下降幅度有所增大。對(duì)比A1、B1、C1，A5、B5、C5，A6、B6、C6組試件可以看出，邊緣距離對(duì)于混凝土強(qiáng)度等級(jí)與試件抗剪承載力關(guān)系也有著一定程度的影響。

2.2 試件破壞模式

根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)，所有試件均存在撬出破壞現(xiàn)象，主要可以概括為3種形式：（a）混凝土表面有明顯裂縫，裂縫由射釘尖端向混凝土邊緣處開展，但并未出現(xiàn)混凝土破碎現(xiàn)象如圖5（a）所示；（b）混凝土表面裂縫持續(xù)開展，直至混凝土呈三角錐式破碎，如圖5（b）所示；（c）混凝土表面無(wú)明顯裂縫，但在混凝土與粘結(jié)層界面處存在破碎情況，如圖5（c）所示。

圖5 試件撬出破壞

除此之外，試件（A1、A2、A3、A4、A6、B2、B3、C2、C4、C5）伴有TRC板與界面粘結(jié)層處的剝離破壞，如圖6（a）所示。試件（A5、B1、B4、C6）伴有粘結(jié)界面發(fā)生了破壞，如圖6（b）所示。試件C1破壞模式為射釘在混凝土內(nèi)部斷裂以及TRC板與界面粘結(jié)層處的剝離破壞同時(shí)存在的混合破壞模式，如圖6（c）所示。試件C3破壞模式為射釘在板材內(nèi)部斷裂以及TRC板與界面粘結(jié)層處的剝離破壞同時(shí)存在的混合破壞模式，如圖6（d）所示。其余試件（A0、B6）伴有混凝土與粘結(jié)層處的剝離破壞，如圖6（e）所示。

圖6 試件破壞模式

上述各組試件的試驗(yàn)結(jié)果顯示，TRC板加固混凝土試塊的界面破壞主要存在6種破壞形式，分別為：撬出破壞；射釘斷裂在混凝土內(nèi)部；射釘斷裂在板材內(nèi)部；粘結(jié)層破壞；板材與粘結(jié)層處的剝離破壞；混凝土與粘結(jié)層處的剝離破壞；其中大部分都是上述類型的混合破壞，如圖7所示[圖7（e）剝離破壞包含了上述后2種破壞形式]。

圖7 破壞模式示意

2.3 試件破壞機(jī)理分析

根據(jù)試件的破壞形式可知，各組試件都存在撬出破壞，且撬出破壞的程度也有所不同，其可以通過(guò)射釘尖端周圍混凝土表面的破碎以及由于撬出導(dǎo)致脫落的混凝土大小來(lái)表征。一旦發(fā)生撬出破壞，射釘就開始出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象，TRC板開始將射釘從混凝土中拉出，在這個(gè)過(guò)程中，試件會(huì)出現(xiàn)不同的破壞形式，包括試件粘結(jié)層發(fā)生破壞，TRC板與粘結(jié)層抑或混凝土與粘結(jié)層間的剝離破壞，射釘剪斷等?？梢钥闯觯炷燎顺銎茐氖怯啥喾N因素引起的，包括射釘在穿透混凝土?xí)r與粗骨料間的撞擊、混凝土強(qiáng)度低、混凝土本身初始裂縫較多、射釘位置過(guò)于靠近混凝土邊緣導(dǎo)致混凝土嚴(yán)重開裂以及射釘錨入深度不夠等。

對(duì)比對(duì)照組試件與A0試件可以看出，粘結(jié)層的存在可以有效提高試件的抗剪承載力。對(duì)比A0試件與A1試件可以看出，混凝土表面鑿毛處理對(duì)試件抗剪承載力的提高有顯著效果。分析認(rèn)為，粘結(jié)層的存在以及對(duì)混凝土表面進(jìn)行鑿毛處理可以有效提高TRC板與混凝土構(gòu)件間通過(guò)粘結(jié)層形成的化學(xué)粘結(jié)力、摩阻力以及結(jié)合面凹凸不平產(chǎn)生的機(jī)械咬合力。

3 結(jié)論

（1）鑿毛能有效提高TRC層與混凝土試塊之間的粘結(jié)抗剪強(qiáng)度，其抗剪強(qiáng)度可提高138.9%；

（2）粘結(jié)層的存在無(wú)論對(duì)射釘過(guò)程中試件的損傷還是試件粘結(jié)抗剪強(qiáng)度都十分有利。在沒(méi)有鑿毛的情況下，對(duì)比無(wú)粘結(jié)層試件，其抗剪強(qiáng)度可提高28.35%。粘結(jié)層水泥基體的水膠比減小，粘結(jié)層強(qiáng)度提高，試件抗剪強(qiáng)度也相應(yīng)提高；粘接層厚度增加，射釘在混凝土內(nèi)部的埋入深度有所減小，試件抗剪強(qiáng)度有所減??；

（3）當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)達(dá)到C30時(shí)，最佳邊緣距離為50 mm左右，其抗剪強(qiáng)度提高可達(dá)206.49%。當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)較低時(shí)，對(duì)于邊緣距離的要求更嚴(yán)格，最佳邊緣距離有所增大。