帶植筋新舊混凝土粘結界面剪切強度試驗研究

林新鵬　黃璐　林燕英　廖麗云　陳勝　彭茄芯

(福州大學土木工程學院　福建福州　350116)

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帶植筋新舊混凝土粘結界面剪切強度試驗研究

林新鵬黃璐林燕英廖麗云陳勝彭茄芯

(福州大學土木工程學院福建福州350116)

新舊混凝土粘結界面的剪切強度是衡量界面粘結性能的最重要指標。基于Z形粘結試件直剪試驗，研究植筋情況下新舊混凝土粘結界面的剪切強度。采用統計方法，分析植筋直徑、植筋深度及植筋率對粘結界面剪切強度的影響，結果表明：為保證新舊混凝土界面的粘結性能，植筋深度需不小于10倍的植筋直徑，且界面剪切強度隨植筋率的增大而增大。利用試驗結果，對已有新舊混凝土粘結界面剪切強度的主要計算公式進行了對比分析，分析結果表明：吻合度較高的計算公式，可供實際加固工程參考。

新舊混凝土粘結界面；直剪試驗；粘結性能；剪切強度；植筋

0　引言

當前，我國有大量混凝土建筑物進入老化使用期，因此，對舊建筑進行加固改造以延長其使用壽命，無疑具有重要的現實意義[1]。以往的混凝土加固工程中，因缺乏對新舊混凝土粘結機理和力學性能的系統研究和認識，往往根據經驗對新舊混凝土界面進行處理，常因界面粘結強度不足而發生開裂、剝離等現象，嚴重影響結構的承載力和建筑物的正常使用[2]；可見，新舊混凝土之間的良好粘結是保證新舊結構形成整體、共同承載的關鍵，粘結質量的好壞直接決定結構加固的效果[3]。

提高新舊混凝土整體性能的關鍵是增強其粘結界面的抗剪能力。國外對新舊混凝土粘結界面剪切強度的研究由來已久，Birkeland等(1966)[4]首次提出新舊混凝土粘結界面的摩擦抗剪理論，該理論影響深遠，之后的很多研究工作都是建立在摩擦抗剪理論的基礎上[5-8]，美國混凝土規范ACI 318-14[9]與橋規AASHTO LRFD[10]中新舊混凝土粘結界面抗剪承載力計算式也是基于該理論提出的。國內關于新舊混凝土粘結界面剪切強度的試驗較多[11-14]，考慮因素也較多，也提出一些基于試驗結果的剪切強度經驗公式。已有研究表明，在一定范圍內適當增加舊混凝土表面粗糙度，可以增大粘結界面的機械咬合力，提高粘結界面的剪切強度[15]；此外，采用合適的界面劑，也能不同程度地提高粘結界面的粘結力[16-17]。Walter等[18]提出，采用在新舊混凝土界面之間植筋的方式，可達到增強新舊混凝土粘結性能的目的。國內外眾多學者也對植筋情況下新舊混凝土粘結界面的剪切性能進行了試驗研究，并利用試驗結果得到半經驗半理論的剪切強度計算公式；這些公式由于考慮因素不同，存在較大的差異。

本文采用正交試驗設計方法，開展帶植筋的Z形粘結試件的直剪試驗，研究植筋直徑、植筋深度及配筋率對新舊混凝土粘結界面剪切強度的影響，并利用已有試驗數據，對常用的剪切強度計算公式進行比對，從中找出與試驗數據吻合較好的公式，以期為加固改造工程中新舊混凝土粘結界面的抗剪承載力設計計算提供參考。

1　試驗概況

1.1試驗材料

試驗試件所用的水泥選用建福牌水泥，粗骨料采用粒徑5～16 mm連續級配碎石，細骨料采用細度模數為2.3的閩江中砂；植筋選用HRB335級熱軋帶肋鋼筋，鋼筋直徑分別為6mm、8mm和10mm。根據《混凝土結構加固設計規范》(GB 50367-2013)[19]，采用增大截面法加固時所用混凝土強度等級，設計時宜比原結構、構件的設計混凝土強度提高一級，且不應低于C20。本試驗取舊混凝土材料強度等級為C20，新混凝土材料強度等級為C25，新、舊混凝土配合比及實測基本力學性能參數如表1所列。

表1　混凝土配合比及實測基本力學性能參數

1.2試件設計

Hofbeck[20]最早采用Z形試件對新舊混凝土界面的粘結性能進行試驗研究，并指出Z形試件可最大程度減小粘結界面因產生剪力而帶來的壓應力集中和彎矩，使界面上的應力分布比較均勻，且能讓加載對中更加便利。考慮加載的簡單可行性以及界面上應力分布的均勻性等因素，本試驗采用Z形試件，尺寸取為340mm×200mm×400mm，如圖1所示；先澆注Z形試件的其中一半(舊混凝土部分)，待舊混凝土部分達到設計齡期后，在界面上植筋，再澆注另一半混凝土(新混凝土部分)。為防止試件其他部位先于粘結界面破壞，通過配置構造鋼筋對局部進行加強。

采用正交試驗設計法進行試件設計，主要考慮植筋直徑、深度及植筋率對新舊混凝土粘結界面剪切強度的影響；利用正交表得到9組共27個Z形試件，各試件的具體植筋參數見表2。此外，本試驗還設計了3個無植筋的對照組(DZ組)試件。所有Z形試件在新澆另一半混凝土(新混凝土部分)之前，均采用人工鑿毛法進行粗糙度處理，通過灌砂法測得粗糙度△=2～4mm；界面劑采用與新澆混凝土同配比的水泥凈漿，涂刷厚度0.5mm～1.5 mm。

表2　各組試件植筋參數表

1.3加載方案

直剪試驗在福州大學“工程結構”福建省高校重點實驗室裝備的10 000kN電液伺服長柱壓力試驗機上進行，如圖2；在試驗機上、下壓頭中線處各放置一塊2 cm寬、0.4 cm厚的鐵條，以產生軸向集中力。加載前調整粘結面位置，使粘結面與荷載中心線一致。試驗采用分級加載模式，每級加載完成后，停5min再進行下一級加載。初始每級荷載增量取為理論極限荷載的10%，當加載到90%的極限荷載后，每級荷載增量取為理論極限荷載的5%，持續加載直至試件破壞為止。

2　試驗結果與分析

2.1試驗現象與破壞特征

無植筋對照組(DZ組)試件加載至開裂荷載時，粘結界面出現豎向裂縫，荷載繼續增大至極限荷載時，粘結界面發生明顯錯動，并伴有“砰砰”響聲，試件從開裂到破壞過程極短。無植筋對照組試件脆性破壞特征十分明顯，幾乎在豎向裂縫產生的同時粘結界面即發生破壞，新、舊混凝土沿粘結界面完全分離為兩部分，且破壞面較為平直(圖3)；此外，在新、舊混凝土破壞面，還可見舊混凝土破壞面骨料凸出，并包裹有新混凝土水泥漿，基本無骨料被剪斷；新混凝土破壞面有凹坑，在應力較大處有硬化水泥漿體被剪斷(圖4)。

帶植筋的各組試件加載至開裂荷載時，粘結界面出現約0.1 mm的豎向裂縫；隨著荷載增大，新舊混凝土粘結界面附近出現豎向斜裂縫，并逐漸向粘結界面擴展；荷載繼續增大，豎向裂縫的寬度變化較小，然而斜裂縫寬度進一步加寬，且逐漸擴展至粘結界面，此時粘結界面兩側新舊混凝土試塊相對位移繼續增大；荷載增至極限荷載時，新舊混凝土在粘結界面處開裂，然而由于植入鋼筋的拉錨作用，并未立即破壞(圖5)，除了植筋深度及配筋率均較小的ZJ-1(圖6)組與ZJ-4組試件新舊混凝土分離且鋼筋被拔出外，其余各組試件在植筋錨固作用下未斷裂成兩部分，仍是一個整體。

2.2試驗結果及分析

新舊混凝土界面直剪破壞時，剪切強度按照公式(1)計算。

(1)

式中，τ為粘結界面的剪切強度，V為剪切破壞荷載，A為粘結界面面積。

表3列出了無植筋的對照組試件及帶植筋的各組試件新舊混凝土粘結界面剪切強度的試驗實測值，其中γ為表示植筋組試件粘結界面剪切強度提高幅度的參數，按式(2)定義。從表3中可見，與無植筋的對照組試件相比較，帶植筋的各組試件新舊混凝土粘結界面的剪切強度均有不同程度的提升。

(2)

表3　直剪試驗結果

表5　正交試驗方差分析表

3　新舊混凝土粘結界面剪切強度計算公式評價

根據Birkeland等(1966)[4]提出的摩擦抗剪理論，新舊混凝土粘結界面的抗剪承載力和剪切強度可以用下式(3)表示：

Vn=Avftanφ=Avffyμ或υn=μρfy

(3)

式中，Vn和υn分別為界面抗剪承載力和界面剪切強度；Avf、fy和ρ分別為抗剪鋼筋截面積、屈服強度和配筋率；μ為界面摩擦系數，μ=tanφ。

目前，國內外常用的新舊混凝土粘結界面剪切強度的計算公式大多以摩擦抗剪理論為基礎，表6列出了其中的一些規范公式和理論公式，其中，ν為新舊混凝土粘結界面剪切強度；fc為新、舊混凝土抗壓強度平均值；fc′為混凝土圓柱體抗壓強度；Ac為新舊混凝土粘結界面面積；ft為混凝土抗拉強度。

表6　植筋試件新舊混凝土粘結界面剪切強度計算公式

表7　各公式計算結果統計

從表7中可見，Kahn等[6]和Mansur等[7]公式的均值都大于1，表明其對新舊混凝土粘結界面的剪切強度均存在高估情況；美國混凝土規范ACI 318-14[9]公式和葉果等[12]公式的均值分別為0.43和0.53，顯然都明顯低估了粘結界面的剪切強度；Patnaik[5]公式與試驗實測結果最為接近，其次是美國橋規AASHTO LRFD[10]公式，其他公式的均值則在0.78～0.90之間。從離散性指標看，美國橋規AASHTO LRFD公式、Patnaik公式等與試驗實測結果的離散性較小；國內邢強等(2012)[14]所提出的公式不僅與試驗實測結果較為接近，而且離散性最小。

4　結論

(1)通過在新舊混凝土粘結界面上植筋，可以有效地提高粘結界面的剪切強度。

(2)植筋率對新舊混凝土粘結界面的剪切強度有顯著影響，植筋直徑有一定影響，植筋深度則基本沒有影響，但不宜小于10倍植筋直徑。

(3)在計算帶植筋的新舊混凝土粘結界面的剪切強度時，推薦采用美國橋規AASHTO LRFD(2007)規范公式。

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Experimental study on shear strength of the bonding interface between new and old concrete with embedded steel bars

LIN XinpengHUANG LuLIN YanyingLIAO LiyunCHEN ShengPENG Jiaxin

(College of Civil Engineering, Fuzhou University, Fuzhou 350116)

Shear strength is the most important index of bonding performance of the interface between new and old concrete. Based on direct shear experiments of Z-shaped adhesive specimens with embedded steel bars, shear strength of the bonding interface between new and old concrete was studied. The influences of the diameters, depths and ratios of the bars are investigated by statistical method. The results indicate that the depths of the bars should not less than 10 times of its diameters to ensure the bonding performance of the interface between new and old concrete, and shear strength of the interface increases with anchorage rate. On the basis of testing data, the common formulas of shear strength of the bonding interface between new and old concrete were checked, and the formula which best meets with the testing data is pointed out. The research results can be used as reference for actual strengthening project.

Interface between new and old concrete; Direct shear experiment; Bonding performance; Shear strength; Reinforced bar planting

廈門市建設與管理局科技項目( 2014-2-8)，國家大學生創新創業訓練計劃項目(201510386012)

林新鵬(1992.10-)，男，碩士研究生。

E-mail:Albert_xp@163.com

2016-03-23

TU317

A

1004-6135(2016)04-0048-06