切槽與植筋對新老混凝土黏結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，混凝土結構的修復和補強成為了重要的課題，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，修復后的新老混凝土結合面的受力性能與增大截面加固的施工方法有關。為此，有學者展開了一些研究，利用新混凝土補強可以提高混凝土結構的整體受力性能[1-2]，實踐結果表明被修補的新混凝土材料的強度提高了1～2個級別。秦明強[3]通過對比3類強度等級的新混凝土，研究發(fā)現(xiàn)高等級新混凝土對于結合面的黏結強度提高影響不大。陳峰等人[4]研究發(fā)現(xiàn)將自密實混凝土作為補強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、黏結面處理方式下的黏結面性能。

1 試驗設計

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、老混凝土結合面抗剪黏結能力的材料，本文選用與新混凝土同標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28 d。待養(yǎng)護結束，進行剪應力和應變的試驗。

圖3 新混凝土澆筑

1.3 黏結面應變測量

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

圖4 應變片粘帖示意圖

2 試驗設計

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。黏結面所得的剪應力近似用名義剪應力表示，具體計算見式（1）：

圖5 試件加載裝置設計圖

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為剪切強度。

3 試驗結果分析

3.1 不同條件下剪切強度的分析

從圖6a中可以看出，1-1試件的剪切強度是1-2試件的2.06倍，而1-3試件的剪切強度是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試件的剪切強度最小，2-2的剪切強度最大，2-2試件的剪切強度是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度，植筋下的剪切強度明顯高于（二型）切槽下的剪切強度，3-1試件的剪切強度是1-1試件的1.44倍，3-2試件的剪切強度是1-2試件的2.34倍，3-3試件的剪切強度是1-3試件的1.26倍，且3-3試件的剪切強度最大，為8.45 MPa，植筋加固處理效果最好。

圖6 不同試件的剪應力

3.2 應力應變曲線分析

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

從圖7中可以看出施加的應力小于1 MPa時，不同試件的應變幾乎相等。對于圖7a，當應力大于1 MPa時，不同加固部位的應變值的增量發(fā)生變化；當剪應力從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變分別增加至13 με與14 με。并且隨著應力的加大，1-2試件的應變變化較快，逐漸進入彈塑性階段，而達到屈服時新混凝土的應變要低于老混凝土。這可能是自密實混凝土的水泥砂漿基質含量較大，且應水泥水化反應的需要，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)護期結束，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，結構內(nèi)部容易產(chǎn)生拉應力，使得接觸面易形成裂紋[6]，所以在結構破壞時，新混凝土的應變小于老混凝土。應力達到4.7 MPa時，試件1-2進入彈塑性階段，最終至破壞時，新混凝土與老混凝土的應變分別增加至157 με與128 με。試件1-3則是在應力達到6.2 MPa時，進入彈塑性階段，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力應變變化基本相等，而到了彈塑性階段，試件2-2的應變增加最明顯，在新、老混凝土的應變分別達到87 με、78 με后，黏結面破壞。圖7c中，3-2試件的應變增長較快，應力為5 MPa時，新、老混凝土的應變分別為109 με、99 με，隨著應力的增大，3-2試件進入了彈塑性階段。與3-2試件不同的是，試件3-1與3-3分別需要達到6 MPa、7 MPa才能進入彈塑性階段，并且試件3-3新、老混凝土的破壞應變分別為180 με、150 με。綜上所述，除個別情況，新混凝土的應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 不同試件的應力應變規(guī)律

3.3 黏結面失效模式

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

從圖8a和圖8b可以看出，黏結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中的黏結面的破壞線形較頂面更加平直。與頂面加固類似，側面加固的黏結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了新老混凝土結構的整體穩(wěn)定性。鑿毛黏結面的失效并不會引起結構整體的失效，只有當鋼筋與新混凝土黏結性能減弱，即鋼筋與混凝土不再咬合成整體時，結構整體才失效。

圖8 不同試件的破壞特征圖

4 結語

通過對新、老混凝土從加固方位、黏結面處理方式等進行試驗研究，得出如下結論：

a）頂面加固處理比側面和底面的效果好，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面的整體穩(wěn)定性，并且在頂面加固中，植筋加固的剪切強度達到了8.45 MPa。

c）切槽試件黏結面以槽被剪斷破壞，植筋試件以鋼筋和混凝土黏結力失效破壞。