新老混凝土界面直剪力學(xué)性能測試研究*

楊培仕

(中鐵十二局集團(tuán)第二工程有限公司， 太原 030032)

0 引 言

隨著現(xiàn)有工程結(jié)構(gòu)(拱壩、橋梁)中混凝土的老化與損害，在老混凝土結(jié)構(gòu)上澆注新混凝土是混凝土結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)加固中常用的方法，在新老混凝土共同承載情況下，不同承載方式時界面力學(xué)性能是影響混凝土結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)加固的關(guān)鍵[1-4]。

大量工程實際和試驗研究表明：新老混凝土結(jié)合面是構(gòu)件最薄弱環(huán)節(jié)。新老混凝土結(jié)構(gòu)主要通過剪力的方式進(jìn)行力的傳遞，其界面抗剪性能直接決定新老混凝土結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)劣[5]。新老混凝土界面力學(xué)性主要受界面粗糙度、修補(bǔ)材料(新混凝土)、界面劑和界面植筋等4種因素影響[6]。1)粗糙度：新老混凝土界面的粗糙度有效提高了結(jié)構(gòu)的抗剪性能，目前提高新老混凝土界面粗糙度的方法主要有切槽法和人工鑿毛法[1,7]。2)修補(bǔ)材料：雖然目前修補(bǔ)材料一般都采用不同強(qiáng)度和不同類型的混凝土，但一般新混凝土對新老混凝土界面的抗剪性能的影響有限，因此，在新混凝土中摻雜一些特殊材料，可提高新老混凝土的抗剪性能[8-10]。3)界面劑：在混凝土結(jié)構(gòu)修補(bǔ)或加固時，常用劑有膨脹劑、水泥凈砂漿或粉煤灰等涂抹在修補(bǔ)面上，從而提高界面的黏結(jié)性能[11-12]。4)界面植筋：在老混凝土打入鋼筋后澆注新混凝土，改善了新老混凝土界面抗剪性，極大提升新結(jié)構(gòu)的承載力，是一種有效的加固處理方法[13-16]。盡管眾多學(xué)者對提高新老混凝土的力學(xué)性能的研究取得了許多有益的成果，但在改善新老混凝土結(jié)構(gòu)性能，改變承載方式等方面依然有待深入研究。

在直剪條件下對7種界面傾角(修補(bǔ)方位角)和5種法向應(yīng)力情況下新老混凝土進(jìn)行剪切破壞試驗，并分析界面傾角及法向應(yīng)力對新老混凝土剪切破壞的力學(xué)特性影響規(guī)律。

1 試驗方法

試驗試件為含不同傾角的新老混凝土塊，因此，在含新老混凝土界面的混凝土塊上切割不同傾角的混凝土試件(圖1)，將切割后的混凝土表面打磨，試件尺寸長寬高為100 mm×100 mm×80 mm。新老混凝土切割試件設(shè)置7種界面傾角分別為 0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°。

圖1 新老混凝土不同界面傾角試件

采用RMT-150B 型電液伺服巖石力學(xué)試驗系統(tǒng)對試件進(jìn)行直剪試驗。該系統(tǒng)采用伺服控制，可實現(xiàn)載荷控制和位移控制。該系統(tǒng)的垂直最大壓縮荷載為1×103kN，水平軸最大荷載為50 kN，載荷控制精度≤1%FS。試驗采用分步加載的方式，首先要達(dá)到法向荷載的預(yù)定值，所以以0.5 kN/s的加載速率進(jìn)行法向荷載的施加，并保持預(yù)定值不變；再以0.01 mm/s的剪切變形速率進(jìn)行水平剪切力的施加，加載示意如圖2所示。

a—混凝土界面作用力； b—混凝土直剪試驗系統(tǒng)。

2 試驗測試及分析

從新老混凝土界面傾角、法向應(yīng)力大小等方面對新老混凝土界面剪切力學(xué)特性進(jìn)行測試。

2.1 界面傾角對剪切破壞力學(xué)性能影響

在法向應(yīng)力6 MPa下，分別測試了新老混凝土界面傾角α為0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°時的剪切性能。不同試件的剪應(yīng)力-剪切變形曲線如圖3所示，由圖可知，剪應(yīng)力-剪切變形曲線均為峰值型曲線，且隨著界面傾角變化，剪應(yīng)力-剪切變形曲線的變化趨勢基本一致。在剪切過程中，大致經(jīng)歷了線彈性變化階段，破壞階段與殘余強(qiáng)度階段。初始階段隨著加載力增大，剪應(yīng)力呈近直線增長，即線彈性階段；剪應(yīng)力達(dá)到峰值后迅速減小，即破壞階段；由于法向應(yīng)力的作用，剪切破壞后的試件剪切面產(chǎn)生摩擦阻力，剪應(yīng)力基本不變，即殘余強(qiáng)度階段。

圖3 不同界面傾角剪應(yīng)力-剪切位移曲線

在同一法向應(yīng)力(6 MPa)作用下，不同新老混凝土界面傾角試件的峰值剪應(yīng)力如圖4所示，峰值剪應(yīng)力隨著界面傾角增大呈冪指數(shù)增大，相關(guān)系數(shù)R2在0.99以上。與界面傾角為0°時的峰值剪切應(yīng)力相比，界面傾角為15°、30°、45°、60°、75°、90°時的峰值剪應(yīng)力分別增加了23.22%、30.57%、35.26%、38.47%、40.58%和44.25%。由于新老混凝土界面的存在，使得混凝土具有高度各向異性，在剪切破壞沿界面(α=0°)發(fā)生破壞時，此時峰值剪應(yīng)力最?。辉跈M切界面(α=90°)發(fā)生剪斷破壞，峰值剪應(yīng)力最大；因此界面傾角在0°～90°時，峰值剪應(yīng)力介于兩者之間。

圖4 峰值剪應(yīng)力隨界面傾角變化規(guī)律

在法向應(yīng)力(6 MPa)及剪切作用下，不同界面傾角新老混凝土的剪切位移-法向位移曲線如圖5所示。剪切位移-法向位移曲線斜率為正時表示剪縮，而斜率為負(fù)時表示剪脹。由圖可知：在剪切過程初始階段，法向位移隨剪切位移增大變化不大，此階段剪脹剪縮現(xiàn)象均不明顯；而后隨著剪切位移增大法向位移迅速增大，曲線斜率為負(fù)，表現(xiàn)為剪脹現(xiàn)象；當(dāng)達(dá)到峰值應(yīng)力后，曲線斜率變?yōu)檎?，變現(xiàn)為剪縮現(xiàn)象；在殘余強(qiáng)度階段，不同界面傾角時法向位移-剪切位移曲線的斜率也不同，當(dāng)界面傾角較小(0°、15°和30°)時，曲線斜率為負(fù)但值較小，表現(xiàn)為輕微的剪縮現(xiàn)象，而當(dāng)界面傾角較大(45°、60°、75°和90°)時，曲線斜率為正，表現(xiàn)為明顯的剪脹現(xiàn)象。

圖5 不同界面傾角剪切位移-法向位移曲線

不同界面傾角新老混凝土在壓剪作用下的破壞形態(tài)如圖6所示。由圖可知：界面傾角為0°時(圖6a)，試件的破壞為沿界面發(fā)生剪斷效應(yīng)，裂紋沿界面擴(kuò)展貫通；界面傾角為15°時(圖6b)，裂紋沿預(yù)定剪切面方向曲折擴(kuò)展至貫通，并在主裂紋兩側(cè)出現(xiàn)不同程度的次生裂紋，主裂紋兩側(cè)的混凝土出現(xiàn)脫落現(xiàn)象，混凝土塊脫落方向與結(jié)構(gòu)面傾角方向一致；界面傾角為30°時(圖6c)，主裂紋沿剪切面貫通，左端剪切接觸位置向右上方萌生出兩條與主裂紋近似平行的裂紋，混凝土表面出現(xiàn)剝落現(xiàn)象；界面傾角為45°時(圖6d)，裂紋并未在剪切方向貫通，裂紋從剪切面左右兩端開始擴(kuò)展為上下兩條貫通裂紋，其中上裂紋從剪切面左端起向右上方擴(kuò)展至界面方向，最終沿右上方界面開裂至貫通，而下裂紋從剪切面右端起向左下方擴(kuò)展至界面方向，最終沿左下方界面開裂至貫通，在這兩條裂紋附近出現(xiàn)次生裂紋，并出現(xiàn)混凝土塊剝落現(xiàn)象；界面傾角為60°時(圖6e)，出現(xiàn)上下兩條主裂紋，其中上裂紋從剪切面左端起擴(kuò)展至右上方，下裂紋從剪切面右端起擴(kuò)展至左下方，兩條主裂紋并未貫通且附近出現(xiàn)少量次生裂紋，裂紋的起始端與最終擴(kuò)展端附近都出現(xiàn)混凝土塊剝落現(xiàn)象；界面傾角為75°時(圖6f)，出現(xiàn)上下兩條主裂紋，其中一條從左端剪切面起擴(kuò)展至右上方，另一條從右端剪切面起擴(kuò)展至左下方，主裂紋附近出現(xiàn)少量次生裂紋，并且上主裂紋附近出現(xiàn)一條與其平行的裂紋，界面附近出現(xiàn)混凝土塊剝落現(xiàn)象，裂紋傾斜角度較界面傾角為60°時主裂紋傾斜角度要大；界面傾角為90°時(圖6g)，混凝土表面裂紋沿預(yù)定剪切面方向向前曲折擴(kuò)展，擴(kuò)展方向并不平整，在主裂紋兩側(cè)產(chǎn)生了不同程度的次生裂紋，并且在界面兩端出現(xiàn)大面積的混凝土塊剝落現(xiàn)象。綜上所述，在同等條件下，界面傾角不同，裂紋擴(kuò)展模式不同，新老混凝土表面的裂紋分布形態(tài)復(fù)雜程度不同。

圖6 不同界面傾角剪切破壞形態(tài)

2.2 法向應(yīng)力對剪切破壞力學(xué)性能影響

以界面傾角為0°和30°的新老混凝土為例，試驗測試在5種法向應(yīng)力(2，4，6，8，10 MPa)下新老混凝土的剪切破壞力學(xué)特性。新老混凝土界面傾角為0°和30°時不同法向應(yīng)力下的剪應(yīng)力-剪切位移曲線如圖7所示。由圖可知，不同法向應(yīng)力對新老混凝土剪切破壞的剪切應(yīng)力-剪切位移形態(tài)基本一致，均表現(xiàn)為脆性破壞特征。

新老混凝土界面傾角為0°時(圖7a)，剪應(yīng)力-剪切位移曲線為峰值型曲線，這是因為新老混凝土界面有一定咬合力，在剪切過程中初始階段曲線成近直線，剪應(yīng)力產(chǎn)生呈線性增長，此時試件的力學(xué)性質(zhì)表現(xiàn)為線彈性，此階段為線彈性階段；剪應(yīng)力達(dá)到峰值后迅速下降，試件從彈性變?yōu)樗苄?，此階段的試件內(nèi)部在壓剪力作用下產(chǎn)生大量微裂紋并導(dǎo)致整個剪切面貫通，從而發(fā)生脆斷，此階段屬于破壞階段；試件破壞后剪應(yīng)力相對穩(wěn)定，此階段的強(qiáng)度由法向應(yīng)力下的摩擦力產(chǎn)生，屬于殘余強(qiáng)度階段。同時，從圖7a還可以看出，當(dāng)法向應(yīng)力較大時(6，8，10 MPa)，剪應(yīng)力達(dá)到峰值后試件突然產(chǎn)生一個應(yīng)力下降(剪應(yīng)力幾乎達(dá)到0)，這是因為試件內(nèi)部積蓄的能量得到突然的釋放，破裂面貫通，并伴隨著較大的斷裂聲[17]。隨著能量的釋放完全，在法向應(yīng)力的作用下剪切面產(chǎn)生摩擦力，剪應(yīng)力跌近 0 后又增大至某一數(shù)值。

a—α=0°；b—α=30°。2 MPa; 4 MPa; 6 MPa; 8 MPa; 10 MPa。

新老混凝土界面傾角為30°時(圖7b)，剪應(yīng)力-剪切位移曲線為典型的脆斷復(fù)合型。當(dāng)法向應(yīng)力較小時(2，4 MPa)，在剪切過程中初始階段的曲線成近直線，剪應(yīng)力產(chǎn)生呈線性增長，此時試件的力學(xué)性質(zhì)表現(xiàn)為線彈性，此階段屬于線彈性階段；而后剪應(yīng)力已經(jīng)超過屈服強(qiáng)度，剪切位移變化較大，由彈性變形轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃?，由于界面的存在加大了試件的塑性特征，此階段的混凝土內(nèi)部開始出現(xiàn)裂紋并發(fā)育，產(chǎn)生局部裂隙帶，但仍具有一定的承載力。當(dāng)剪應(yīng)力達(dá)到峰值后，隨著裂紋不斷發(fā)展，混凝土內(nèi)部裂紋貫通造成徹底斷裂，在很小的剪切變形下剪應(yīng)力發(fā)生驟降，此時試件完全不具有承載力，發(fā)生失穩(wěn)破壞；剪應(yīng)力降至最小值后，在法向應(yīng)力作用下剪應(yīng)力主要是由破壞面摩擦力產(chǎn)生，該階段屬于殘余強(qiáng)度階段。當(dāng)法向應(yīng)力較大時(6，8，10 MPa)，剪應(yīng)力-剪切位移曲線與界面傾角為0°的混凝土在法向應(yīng)力較小時的剪應(yīng)力-剪切位移曲線相似(圖7a)。

峰值剪切應(yīng)力與法向應(yīng)力的關(guān)系如圖8所示。由圖可知，隨著法向應(yīng)力增大，剪切峰值剪應(yīng)力呈線性增大，相關(guān)系數(shù)R2均在0.98以上，這是因為隨著法向應(yīng)力增大，剪切面兩側(cè)的顆粒被壓制得更為緊密，剪切面要克服顆粒之間的相關(guān)作用而發(fā)生相對滑移，所需的剪切力也隨之增大。界面傾角為30°時，剪切面在新老混凝土內(nèi)部，而界面傾角為0°時剪切面即為新老混凝土界面，相對而言，剪切面沿新老混凝土界面時更容易發(fā)生剪切破壞，因而，界面傾角越大，剪切破壞時的峰值剪切應(yīng)力越大。

圖8 峰值剪應(yīng)力與法向應(yīng)力關(guān)系曲線

在不同法向應(yīng)力作用下，試件剪切破壞過程中的法向位移隨剪切位移的變化規(guī)律如圖9所示。由圖可知，在法向應(yīng)力較小時(2，4 MPa)法向位移-剪切位移曲線基本一致，而法向應(yīng)力較大時(6，8，10 MPa)法向位移-剪切位移曲線基本一致。即法向應(yīng)力的大小對法向位移-剪切位移曲線影響明顯。而且，界面傾角較大時，法向位移的變化量顯著大于界面傾角較小時的法向位移。當(dāng)界面傾角為0°時(圖9a)，在法向應(yīng)力較小條件下加載初始階段的剪切位移-法向位移曲線斜率為正，表現(xiàn)為剪縮現(xiàn)象；而后剪切位移-法向位移曲線斜率為負(fù)，表現(xiàn)為剪脹現(xiàn)象。在法向應(yīng)力較大的情況下，剪切應(yīng)力達(dá)到峰值前法向位移隨剪切位移增大，曲線斜率為負(fù)，表現(xiàn)為剪脹現(xiàn)象；達(dá)到峰值應(yīng)力后，剪切位移-法向位移曲線斜率突然發(fā)生變化，變?yōu)檎?，即發(fā)生劇烈的剪縮現(xiàn)象，而后斜率雖為正但變小，剪縮現(xiàn)象不明顯。當(dāng)界面傾角為30°時(圖9b)，不同法向應(yīng)力做作用下剪切位移-法向位移曲線形態(tài)基本一致，均是在達(dá)到峰值剪應(yīng)力之前曲線斜率為負(fù)，表現(xiàn)為剪脹現(xiàn)象；在達(dá)到峰值應(yīng)力之后，曲線斜率突然為正，表現(xiàn)為劇烈的剪縮現(xiàn)象。

a—α=0°； b—α=30°。2 MPa; 4 MPa; 6 MPa; 8 MPa; 10 MPa。

不同法向應(yīng)力作用下試件剪切破壞形態(tài)如圖10所示。由圖可知：當(dāng)界面傾角0°時，裂紋沿剪切面(界面)方向向前擴(kuò)展形成主裂紋，并通過界面貫通，主裂紋兩端有輕微的次生裂紋產(chǎn)生并發(fā)生混凝土塊剝落現(xiàn)象，且隨著法向應(yīng)力的增大，表面混凝土塊剝落的面積增大，表面破壞程度越高；當(dāng)界面傾角為30°時，剪切面與界面都有裂紋產(chǎn)生，混凝土表面有剝落現(xiàn)象；隨著法向應(yīng)力增大，主裂紋沿剪切面貫通，剪切接觸位置萌生出近似平行于界面的裂紋，剪切面兩端的混凝土表面剝落面增大。法向應(yīng)力越大，裂紋越易沿預(yù)定剪切面方向擴(kuò)展貫通，且主裂紋的寬度越大，混凝土表面剝落面積越大，剪切破壞程度越高。

a—α=0°, σ=2 MPa； b—α=0°, σ=4 MPa； c—α=0°, σ=6 MPa； d—α=0°, σ=8 MPa； e—α=0°, σ=10 MPa； f—α=30°, σ=2 MPa； g—α=30°, σ=4 MPa； h—α=30°, σ=6 MPa； i—α=30°, σ=8 MPa； j—α=30°, σ=10 MPa。

3 結(jié) 論

1)新老混凝土不同界面傾角時剪切過程中剪應(yīng)力-剪切位移曲線均為峰值型曲線，大致經(jīng)歷線彈性變化階段、破壞階段和殘余強(qiáng)度階段。

2)在同一法向應(yīng)力作用下，不同新老混凝土界面傾角試件的峰值剪應(yīng)力隨著界面傾角增大呈冪指數(shù)增大，相關(guān)系數(shù)R2在0.99以上。

3)在剪切過程中，新老混凝土剪切破壞一般表現(xiàn)為剪脹-剪縮混合型。界面傾角對剪切破壞裂紋擴(kuò)展模式裂紋分布影響顯著。

4)不同法向應(yīng)力對新老混凝土剪切破壞的剪切應(yīng)力-剪切位移形態(tài)基本一致，均表現(xiàn)為脆性破壞特征。且隨著法向應(yīng)力增大，剪切峰值剪應(yīng)力呈線性增大，相關(guān)系數(shù)R2均在0.98以上。

5)法向應(yīng)力的大小對法向位移-剪切位移曲線影響明顯，界面傾角較大時，法向位移的變化量顯著大于界面傾角較小時的法向位移。

6)法向應(yīng)力越大，裂紋越易沿預(yù)定剪切面方向擴(kuò)展貫通，且主裂紋的寬度越大，混凝土表面剝落面積越大，剪切破壞程度越高。

復(fù)材結(jié)構(gòu)