ECC與既有混凝土結合面的抗剪性能

崔 濤, 何浩 錢增志, 周大興

(1.北京工業大學 工程抗震與結構診治北京市重點實驗室, 北京100124; 2.中冶建筑研究總院有限公司, 北京 100088; 3.中鐵建設集團有限公司, 北京 100040)

高延性水泥基復合材料(engineering cementitious composites,ECC)是一種具有較高強度及韌性的新型建筑材料.其受拉變形性能極好,具有應變硬化特征,且內部亂向分布的纖維具有顯著的阻裂作用,可避免構件有害裂縫在外力及環境作用下產生和發展[1-2].ECC適用于結構加固工程,可同時保證加固結構的耐久性及承載能力.近年來,國內外學者針對ECC在加固結構中的應用開展了廣泛研究.如Kojima等[3-4]研究了ECC在大壩和引水槽等水利設施加固工程中的可行性;鄧明科等[5-6]研究了ECC加固砌體結構承重墻體和既有混凝土梁柱等的力學性能.然而,統計數據表明：半數以上的加固工程在正常使用期間,既有混凝土與加固材料之間會產生界面裂縫,從而導致結構安全性能及耐久性下降,造成加固失效[7].因此,針對ECC與既有混凝土之間的黏結性能展開研究,具有重要理論及工程意義.國內外學者對此展開了一系列研究,如Tayeh等[8-9]開展了既有混凝土表面不同連接方式對ECC-既有混凝土界面破壞形態及承載能力的研究;Sarkar[10]研究了表面粗糙度對ECC與既有混凝土界面黏結性能的影響;王楠等[11]分析了新老混凝土基體強度、界面黏結劑種類和加固方法等因素對界面抗剪效果的影響,并給出經驗公式;余江滔等[12]通過楔入劈拉試驗研究了界面粗糙度對破壞模式及斷裂韌度等的影響.以上研究對ECC與混凝土結合面及影響因素研究較多,但普遍未考慮鋼筋對剪切作用的影響,且對結合面剪切荷載的組成機理也缺乏系統研究.

鑒于此,本文設計了3組帶結合面的Z形剪切試件和1組整澆混凝土對比試件,進行了直接剪切試驗,研究了剪切界面處理形式、抗剪鋼筋直徑等因素對ECC-既有混凝土結合面抗剪能力及剪切作用下荷載-滑移曲線的影響,提出了適用于ECC-既有混凝土結合面的承載力計算公式,并詳盡分析了剪切承載力的組成及作用機理.

1 試驗

1.1 試件設計

依據剪切界面處理方式,共設計3組16個帶結合面的剪切試件(結合面無處理EC0組,結合面鑿毛處理EC1、CC1組,結合面鍵槽連接處理EC2、CC2組),以及1組2個用于對比的整澆混凝土剪切試件XJ1和XJ2.試件設計及基本參數見表1.其中編號EC表示ECC與既有混凝土相結合,CC表示普通混凝土與既有混凝土相結合;fc、fy分別表示混凝土的軸心受壓強度、鋼筋的屈服強度;ρ表示試件配筋率.

表1 試件設計及基本參數Table 1 Specimen design and essential parameters

為保證試件的2個剪切單元不早于剪切面發生破壞,在剪切單元內布置鋼筋.試件的幾何尺寸及配筋如圖1所示.其中結合面尺寸為100mm×180mm,結合面中的貫穿鋼筋在新舊混凝土中的錨固長度均為80mm.

圖1 試件設計及配筋Fig.1 Specimen design and reinforcement layout(size:mm)

1.2 加載與測量方案

加載裝置為MTS-300M型電液伺服壓力機,其底部為球鉸支座.為更精確測量試件所受荷載及兩部分的相對位移,在試件底部布置量程為200kN的高精度力傳感器,在試件左右兩側布置位移傳感器，在結合面左右約8mm處的抗剪鋼筋上布置鋼筋應變片,在結合面兩側的剪切單元分別布置豎向混凝土應變片.加載全程采用位移加載,速率為0.2mm/min.直至結合面兩側相對滑移量達到15mm或荷載降為峰值荷載30%時終止加載.加載與采集裝置見圖2.

圖2 加載及采集裝置Fig.2 Loading and acquisition equipment

2 試驗結果與分析

2.1 破壞過程

EC0組試件在裂縫產生后迅速貫通,荷載即刻達到峰值,此后,剪切承載力快速降低.此時無抗剪鋼筋的試件(EC01)已經破壞,無法再承受荷載;而配置抗剪鋼筋的試件(EC02)在其界面遭到破壞后,由于鋼筋的銷栓作用及結合面間的摩擦咬合力,尚有一定的抗剪承載力,直到抗剪鋼筋破壞或基體發生沖切破壞時,試件才最終破壞.圖3為部分試件破壞時的裂縫形態.由圖3可見：當配筋率ρ<1.71%時,試件破壞是由抗剪鋼筋喪失承載力所造成的;當ρ≥1.71%，且達到峰值承載力時,除剪切面存在豎向主裂縫外,試件受剪基體還存在沖切破壞裂縫.

2.2 試件的承載力及滑移

各試件主要試驗結果見表2.其中Vcr為試件的開裂載荷;Vp和sp分別為試件的峰值荷載和相應的相對滑移;Vu和su分別為試件的抗剪承載力和相應的相對滑移;Vd為試件在滑移量s=2.0mm時的荷載.需要說明的是，未配置抗剪鋼筋的試件由于到達荷載峰值即破壞,因此認為其極限狀態與峰值狀態相一致.由表2可見：當配筋率相同時,EC2組試件的峰值荷載及抗剪承載力均高于EC1組試件,且二者均低于整澆試件.另外,在地震作用下,結合面處可能發生較大滑移,可將Vd作為結合面抗剪承載力設計值[13].據此計算,EC1及EC2組試件的Vd/Vp均大于0.70.可見采用該方法能較好地估算ECC與既有混凝土結合面的抗剪承載力,且有一定的安全儲備.

2.3 荷載-滑移曲線

配筋試件結合面的荷載-滑移(V-s)全過程曲線如圖4所示.由圖4可見：各試件的V-s曲線大致呈4折線形態.其中第1拐點為開裂點,此時結合面相對滑移量接近零；第2拐點為峰值點,此時試件開裂但結合面滑移量較小,隨后荷載隨滑移量急劇下降,直至達到第3拐點；此后,隨著滑移量的增加，承載力比較穩定,形成平臺段,然后抗剪鋼筋破壞,試件抗剪承載力急劇降低.除試件EC15、EC25外,其余試件均存在平臺段.這是因為除EC15、EC25外,其余試件均是抗剪鋼筋強化后突然喪失承載力的,而EC15、EC25是受剪基體沖切破壞引發的試件破壞,因而,其V-s曲線持續下降.

圖3 部分試件破壞現象Fig.3 Failure phenomenon of part specimens

表2 各試件主要試驗結果Table 2 Test results of specimens

圖4 試件荷載-滑移曲線Fig.4 Loading-displacement curves of specimens

3 結合面抗剪承載力分析

為研究ECC與既有混凝土結合面抗剪承載力的計算方法,本文將國內外規范中混凝土結合面抗剪承載力的計算式列于表3,并根據各式對試件的抗剪承載力進行計算.以試件EC02、EC12、EC22為例,試件抗剪承載力計算結果見圖5.由圖5(a)可看出：采用既有規范計算混凝土結合面間的抗剪承載力大多偏于保守；ECC與既有混凝土間的抗剪承載力強于普通混凝土.鑒于以上兩點,本文結合試驗結果,對JGJ1—2014《裝配式混凝土結構技術規程》中的公式進行修正,將抗剪承載力的兩項系數采用線性擬合方法進行調整.當試件結合面采用鍵槽連接時,其抗剪承載力Vu計算式為：

(1)

式中：Ak為鍵槽根部面積之和;Avf為抗剪鋼筋截面積.

當試件結合面采用鑿毛粗糙面連接時,其抗剪承載力Vu計算式為：

(2)

式中：AE為鑿毛粗糙面面積.

采用式(1)、(2)計算所得計算結果也列入圖5.由圖5可見,式(1)、(2)可較好地反應ECC與既有混凝土間的抗剪承載力,且具有一定的安全性.

表3 國內外規范中剪切結合面承載力計算公式Table 3 Formula for calculating bearing capacity in domestic and foreign codes

圖5 采用不同計算式得到的試件抗剪承載力對比Fig.5 Comparison of shear bearing capacity calculated by different methods

4 結合面抗剪承載力全過程機理研究

上文提出的抗剪承載力計算公式旨在給出結合面的最大承載力估算值.然而,結合面抗剪承載力實際上是一個隨滑移量動態變化的物理量.文獻[14-15]雖然對結合面的抗剪承載力來源進行了研究,但只是區分了峰值點處的承載力,對于結合面抗剪全過程承載力的作用機理和動態變化尚缺乏研究.因此,為能夠更深入地了解抗剪承載力的作用機理，本文對結合面受剪全過程抗剪承載力的組成和演變趨勢進行了研究并給出相關計算式.

根據傳統的剪切-摩擦理論可知,結合面的剪切荷載與滑移量s相關,可表示為V(s),其由界面黏結力Vad(s)、摩擦咬合力Vsf(s)和抗剪鋼筋的銷栓作用Vsr(s)組成,即：

V(s)=Vad(s)+Vsf(s)+Vsr(s)

(3)

Vad(s)由加固材料與既有混凝土間的化學作用產生,當結合面開裂時,Vad(s)開始失效;荷載通過Vsf(s)進行傳遞,若有鍵槽連接,還提供鍵槽抗力;結合面的相對滑移使得鋼筋受剪,受剪鋼筋抵抗結合面相對滑移會產生銷栓力Vsr(s).

(1)摩擦咬合力Vsf(s).抗剪鋼筋存在時,結合面開裂后抗剪鋼筋阻止其繼續脫離,骨料間摩擦咬合力仍存在,其計算表達式為：

Vsf(s)=μFr=μσsAvf

(4)

式中：μ為摩擦系數,取為0.8;Fr為鋼筋受拉所產生的法向荷載;σs為鋼筋應力.

(2)抗剪鋼筋的銷栓作用Vsr(s).國內外研究表明,銷栓作用所承擔荷載的大小與混凝土強度,受剪鋼筋直徑、強度,鋼筋與加固材料的黏結效果等有關[16].Dulacska等[17]提出混凝土中鋼筋銷栓作用計算表達式為：

(5)

式中：d為鋼筋直徑;fco為混凝土的圓柱體抗壓強度;β為抗剪鋼筋與結合面的夾角.

(3)界面黏結力Vad(s).因界面黏結力Vad(s)難于實測,其作用機理不同于界面摩擦力,且在結合面受剪過程中是客觀存在的,本文采用實測V(s)減去Vsr(s)和Vsf(s),得到Vad(s);同時,本文采用微分方程來推導Vad(s).取出1段ECC微元作為隔離體,進行受力分析.界面黏結力分析模型見圖6.由圖6可得：

τadldx=AEdσE

(6)

式中：τad為界面黏結應力;l為試件寬度;AE為ECC截面面積；σE為ECC應力.

設ECC彈性模量EE與既有混凝土彈性模量EC之比為η,則εC=-ηεE,其中εC為既有混凝土應變，εE為ECC應變.由變形協調方程可得相對滑移s為：

(7)

圖6 界面黏結力分析模型Fig.6 Analysis model of interface bonding strenth

將式(7)兩側同時乘以EE,變換后求微分，再代入式(5),即可求得與位置x相關的滑移-剪切應力表達式：

(8)

式中：t為剪切單元的寬度.

在式(8)中代入邊界條件：(1)σE(0)=σE0、σE(180)=0;(2)τad(0)=0、τad(180)=0;(3)s(0)=0、s(180)=st,即可得到微分方程的特解,其中，σE0為ECC初始應力；st為ECC的初始位移.式(8)的特解不宜在工程中直接使用,根據文獻[18]的結果,將τad簡化為s的四次函數形式,既可保證求解的精度,又便于在工程中應用.本文根據試驗數據擬合,提出采用下式來表征τad(s)：

τad(s)=αs4-(1.6α+0.64)s3-2.2s2+5.5s

(9)

式中：α為常數.試件整澆時,α=-0.12;結合面無處理時,α=0.49;結合面為鑿主粗糙面時,α=1.53;結合面為鍵槽連接時,α=1.66.

值得指出的是,式(9)僅在界面黏結力消失之前適用.采用式(9)計算的結果可較好地反應加載全過程剪切承載力各部分的變化趨勢,并可用于計算特定滑移下抗剪承載力及組成.

以配筋率相同的試件XJ2、EC02、EC12、EC22為例,其抗剪承載力實測及計算結果見圖7.其中Vad，c(s)、Vad，e(s)分別為界面黏結力的計算值及試驗值，Vsf，c(s)、Vsf，e(s)分別為摩擦咬合力的計算值及試驗值，Vsr，c(s)、Vsr，e(s)分別為鋼筋銷栓力的計算值及試驗值. 由圖7可知：試件開裂前,界面黏結力Vad(s)占剪切承載力的絕大部分,開裂后快速下降,結合面未處理或僅采用粗糙面時,Vad(s)在開裂后退化更加迅速；開裂后界面摩擦力Vsf(s)及鋼筋銷栓力Vsr(s) 提高,無法向荷載時,采用鍵槽連接比粗糙面能提供更大的界面黏結力,延緩鋼筋屈服破壞.

5 結論

(1)當抗剪鋼筋配筋率低于1.71%時,ECC與既有混凝土結合面發生受剪破壞,鋼筋屈服但基體未發生破壞;當抗剪鋼筋配筋率高于1.71%時,既有混凝土側發生沖切破壞,基體破壞早于鋼筋屈服,鋼筋強度未得到充分利用,試件延性較差.

(2)配置抗剪鋼筋試件V-s全曲線呈4段形態,ECC與既有混凝土結合面的抗剪承載力高于普通混凝土;鍵槽連接較粗糙面連接具有更大的剪切荷載;采用國內外規范提供的公式計算ECC與既有混凝土間的剪切承載力偏于保守,本文在JGJ1—2014基礎上提出了承載力修正公式,其計算結果與實測結果吻合較好,可在實際工程中參考使用.

(3)采用本文提出的計算方法可較好反映試件在受力全過程中一定滑移量下結合面抗剪承載力組成及演化規律：開裂前抗剪承載力主要由界面黏結力承擔,界面摩擦力及鋼筋銷栓力在開裂后迅速提高.