切槽與植筋對新老混凝土黏結(jié)面抗剪性能試驗研究

許艷松

（河北雄交投工程咨詢有限公司，河北 保定 071700）

目前，混凝土結(jié)構(gòu)的修復(fù)和補(bǔ)強(qiáng)成為了重要的課題，增大截面加固的方法也越來越受到更多從業(yè)者的青睞。然而，修復(fù)后的新老混凝土結(jié)合面的受力性能與增大截面加固的施工方法有關(guān)。為此，有學(xué)者展開了一些研究，利用新混凝土補(bǔ)強(qiáng)可以提高混凝土結(jié)構(gòu)的整體受力性能[1-2]，實踐結(jié)果表明被修補(bǔ)的新混凝土材料的強(qiáng)度提高了1～2個級別。秦明強(qiáng)[3]通過對比3類強(qiáng)度等級的新混凝土，研究發(fā)現(xiàn)高等級新混凝土對于結(jié)合面的黏結(jié)強(qiáng)度提高影響不大。陳峰等人[4]研究發(fā)現(xiàn)將自密實混凝土作為補(bǔ)強(qiáng)材料也能提高混凝土的整體受力性能。本文以自密實混凝土為新混凝土和以普通混凝土為老混凝土，研究新老混凝土在加固方位、黏結(jié)面處理方式下的黏結(jié)面性能。

1 試驗設(shè)計

1.1 原材料性能

普通混凝土：水泥P.O42.5[5]。粗骨料的最大粒徑為20 mm，表觀密度為1 550 kg/m3。減水劑為聚羧酸醚類減水劑。對于新拌自密實混凝土的坍落度要求在650±50 mm。老混凝土采用C30普通混凝土，新混凝土采用C35自密實混凝土，具體配合比見表1。

表1 新老混凝土配合比 kg/m3

1.2 黏結(jié)面處理

老混凝土接觸面采用植筋處理（見圖1）。

圖1 植筋處理

切槽處理（見圖2）兩種方式處理，切槽形式有二型槽、上一型槽、中一型槽、下一型槽4種。

圖2 切槽處理

接觸面的界面劑選用能提升新、老混凝土結(jié)合面抗剪黏結(jié)能力的材料，本文選用與新混凝土同標(biāo)號的水泥砂漿作為界面劑。選用試件編號見表2。

表2 試件編號

用如圖3所示的方式澆筑新混凝土，非接觸面的位置用泡沫板，待混凝土脫模后，將其放置在恒溫恒濕箱內(nèi)，養(yǎng)護(hù)28 d。待養(yǎng)護(hù)結(jié)束，進(jìn)行剪應(yīng)力和應(yīng)變的試驗。

圖3 新混凝土澆筑

1.3 黏結(jié)面應(yīng)變測量

為了考察黏結(jié)面在受剪狀態(tài)下新、老混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化，在接觸面兩側(cè)貼應(yīng)變片來測量，圖4所示是應(yīng)變片粘帖示意圖。

圖4 應(yīng)變片粘帖示意圖

2 試驗設(shè)計

本文采用千斤頂加載裝置，在混凝土試件與臺座接觸面之間設(shè)置一個50 mm×50 mm正方形墊板，保證試件、墊塊、千斤頂和傳感器在一條直線上，使得試件在此加載裝置下處于純剪狀態(tài)。加載試驗裝置見圖5。黏結(jié)面所得的剪應(yīng)力近似用名義剪應(yīng)力表示，具體計算見式（1）：

圖5 試件加載裝置設(shè)計圖

式中：F為施加的荷載，N；A為新老混凝土接觸面的面積，長為100 mm，寬為100 mm，mm2。對于切槽而言，需減去切槽區(qū)域的面積，對于植筋而言，需減去鋼筋斷面的總面積。若施加的荷載為破壞荷載，此時的τ為剪切強(qiáng)度。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 不同條件下剪切強(qiáng)度的分析

從圖6a中可以看出，1-1試件的剪切強(qiáng)度是1-2試件的2.06倍，而1-3試件的剪切強(qiáng)度是1-1試件的1.28倍。說明鑿毛刻槽刷水泥漿（二型）切槽中，頂面加固可以有效增大剪切強(qiáng)度，而底面加固效果并不明顯。對于圖6b中，2-3試件的剪切強(qiáng)度最小，2-2的剪切強(qiáng)度最大，2-2試件的剪切強(qiáng)度是2-3的1.1倍。并且1-2試件、2-1試件、2-2試件、2-3試件的剪應(yīng)力相差不大，所以切槽類型對加固效果影響較小。而圖6c描述的是鑿毛植筋與（二型）切槽在不同加固部位時的剪切強(qiáng)度，植筋下的剪切強(qiáng)度明顯高于（二型）切槽下的剪切強(qiáng)度，3-1試件的剪切強(qiáng)度是1-1試件的1.44倍，3-2試件的剪切強(qiáng)度是1-2試件的2.34倍，3-3試件的剪切強(qiáng)度是1-3試件的1.26倍，且3-3試件的剪切強(qiáng)度最大，為8.45 MPa，植筋加固處理效果最好。

圖6 不同試件的剪應(yīng)力

3.2 應(yīng)力應(yīng)變曲線分析

為了較好地描述新老混凝土結(jié)合面的抗剪性能及破壞特征，本文利用應(yīng)力應(yīng)變曲線展開分析。

從圖7中可以看出施加的應(yīng)力小于1 MPa時，不同試件的應(yīng)變幾乎相等。對于圖7a，當(dāng)應(yīng)力大于1 MPa時，不同加固部位的應(yīng)變值的增量發(fā)生變化；當(dāng)剪應(yīng)力從1 MPa增加至2.2 MPa時，1-1試件中的新混凝土與老混凝土的應(yīng)變分別增加至16 με與15 με，1-2試件中的新混凝土與老混凝土的應(yīng)變分別增加至24 με與22 με，1-3試件中的新混凝土與老混凝土的應(yīng)變分別增加至13 με與14 με。并且隨著應(yīng)力的加大，1-2試件的應(yīng)變變化較快，逐漸進(jìn)入彈塑性階段，而達(dá)到屈服時新混凝土的應(yīng)變要低于老混凝土。這可能是自密實混凝土的水泥砂漿基質(zhì)含量較大，且應(yīng)水泥水化反應(yīng)的需要，不斷地消耗了混凝土內(nèi)部的水分[6]，從而使得從初凝至第7 d的養(yǎng)護(hù)時間內(nèi)，自密實混凝土的收縮程度較普通混凝土更大[7]，從第7 d開始至養(yǎng)護(hù)期結(jié)束，自密實混凝土的收縮徐變逐漸緩慢。自密實混凝土在水泥收縮硬化后，結(jié)構(gòu)內(nèi)部容易產(chǎn)生拉應(yīng)力，使得接觸面易形成裂紋[6]，所以在結(jié)構(gòu)破壞時，新混凝土的應(yīng)變小于老混凝土。應(yīng)力達(dá)到4.7 MPa時，試件1-2進(jìn)入彈塑性階段，最終至破壞時，新混凝土與老混凝土的應(yīng)變分別增加至157 με與128 με。試件1-3則是在應(yīng)力達(dá)到6.2 MPa時，進(jìn)入彈塑性階段，并最終至破壞時，使得新混凝土與老混凝土的應(yīng)變分別增加至171 με與148 με。對于圖7b而言，線彈性階段，不同切槽處理的試件的應(yīng)力應(yīng)變變化基本相等，而到了彈塑性階段，試件2-2的應(yīng)變增加最明顯，在新、老混凝土的應(yīng)變分別達(dá)到87 με、78 με后，黏結(jié)面破壞。圖7c中，3-2試件的應(yīng)變增長較快，應(yīng)力為5 MPa時，新、老混凝土的應(yīng)變分別為109 με、99 με，隨著應(yīng)力的增大，3-2試件進(jìn)入了彈塑性階段。與3-2試件不同的是，試件3-1與3-3分別需要達(dá)到6 MPa、7 MPa才能進(jìn)入彈塑性階段，并且試件3-3新、老混凝土的破壞應(yīng)變分別為180 με、150 με。綜上所述，除個別情況，新混凝土的應(yīng)變普遍大于老混凝土，并且植筋加固能最大程度地發(fā)揮黏結(jié)面的抗剪性能，頂面加固可以改善抗剪性能。

圖7 不同試件的應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律

3.3 黏結(jié)面失效模式

本文從破壞特征觀察側(cè)面與頂面二型槽，頂面、側(cè)面與底面植筋情況下的黏結(jié)面失效模型。

從圖8a和圖8b可以看出，黏結(jié)面的裂縫呈曲線展開，偏向于老混凝土展開，且破壞平面內(nèi)沒有骨料被剪斷的痕跡。同樣可以看到，圖8c和圖8d中的黏結(jié)面的破壞線形較頂面更加平直。與頂面加固類似，側(cè)面加固的黏結(jié)破壞也是從老混凝土展開。從圖8e～圖8g可以看到，裂縫的展開并不明顯，也就是說鋼筋的植入加強(qiáng)了新老混凝土結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。鑿毛黏結(jié)面的失效并不會引起結(jié)構(gòu)整體的失效，只有當(dāng)鋼筋與新混凝土黏結(jié)性能減弱，即鋼筋與混凝土不再咬合成整體時，結(jié)構(gòu)整體才失效。

圖8 不同試件的破壞特征圖

4 結(jié)語

通過對新、老混凝土從加固方位、黏結(jié)面處理方式等進(jìn)行試驗研究，得出如下結(jié)論：

a）頂面加固處理比側(cè)面和底面的效果好，且抗剪性能更優(yōu)；不同的切槽方式對底面加固黏結(jié)面的抗剪性能影響較小。

b）采用植筋加固可以提高新老混凝土黏結(jié)面的整體穩(wěn)定性，并且在頂面加固中，植筋加固的剪切強(qiáng)度達(dá)到了8.45 MPa。

c）切槽試件黏結(jié)面以槽被剪斷破壞，植筋試件以鋼筋和混凝土黏結(jié)力失效破壞。