直剪作用下再生混凝土黏結界面強度影響因素分析

張紹松，黃芳瑋，陳宇良，覃貝錄，秦裕全

摘? 要：為研究再生混凝土新舊黏結界面的剪切強度，對新舊混凝土進行了黏結強度直剪試驗.考慮到新舊混凝土類型對新舊混凝土黏結界面強度的影響，設計了4組試驗，共12個標準立方體試件，得到了各界面試件的破壞形態、剪切應力-名義應變曲線及損傷發展曲線，提取了峰值應力、峰值名義應變、初始剪切模量等特征值參數，對比分析了再生混凝土新舊黏結界面抗剪性能及損傷變化規律.結果表明：新舊混凝土類型對結合試件的破壞形態影響較小，試件均為結合面剪切破壞，且其黏結界面是剪切破壞的薄弱界面;新舊混凝土類型對結合試件的黏結強度和變形影響較大;所有試件的損傷曲線趨勢基本相同，新舊混凝土類型均為再生混凝土時，其損傷相較于其他類型試件出現最早.

關鍵詞：再生混凝土;新舊混凝土;黏結界面;抗剪強度

中圖分類號：TU528.7? ? ? ? ? DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2021.04.011

0? ? 引言

隨著我國城鎮化發展不斷推進，建筑垃圾數量逐年增長，對環境造成了巨大的影響.再生混凝土技術可以有效地使建筑廢棄混凝土得到重新利用，極大程度地減少了建筑垃圾，具有廣泛的經濟價值、社會價值和環境價值[1].再生混凝土屬于一種綠色建材，符合國家節能環保、綠色建筑、資源循環利用的發展要求.目前國內外學者對再生混凝土進行了大量研究.王長青等[2]研究了循環往復荷載下約束再生混凝土的力學性能，建立了循環往復荷載下約束再生混凝土的殘余變形方程.張椿民等[3]研究了再生混凝土取代率對鋼筋銹蝕的影響，結果表明，取代率越大，抵抗鋼筋銹蝕的能力越差.晏方等[4]研究了道路再生骨料對混凝土的多軸受壓強度及損傷演變性能的影響，結果表明，圍壓越大，再生混凝土的強度越大，變形性能越好.Goncalves等[5]研究了再生骨料和再生混凝土的基本力學性能.

在實際工程應用中，新舊混凝土黏結界面強度至關重要.新舊混凝土黏結界面在裝配式結構的接縫處、既有結構的加固改造處和現澆結構的施工縫處較為常見，其界面強度是工程能否起到預期效果的關鍵.目前國內外學者對新舊混凝土的界面黏結性能進行了大量研究.Rashid等[6]研究了不同界面劑對新舊混凝土黏結強度的影響，結果表明苯乙烯丁二烯橡膠乳膠相較于水泥膏、環氧結合劑、碳纖維增強聚合物具有更好的修復效果.Chen等[7]提出了新舊混凝土界面抗剪承載力公式.Tayeh等[8]研究了普通混凝土基體與超高性能纖維混凝土作為修復材料的界面黏結特性，結果表明，超高性能纖維混凝土作為混凝土結構修復的優秀材料具有顯著的潛力.林新鵬等[9]研究了植筋情況下新舊混凝土黏結界面的剪切強度，結果表明，界面剪切強度隨植筋率的增大而增大.吳吉昊等[10]研究了硅灰摻量對水泥基灌漿料（CGM）與老混凝土界面黏結強度的影響，結果表明，硅灰摻量為4%～5%時，對界面黏結強度提升最大.對新舊混凝土的種類（普通混凝土、纖維混凝土、自密實混凝土等）也有相關研究[11-14]，而關于再生混凝土新舊黏結界面的力學性能研究鮮有報道，其相關機制尚不明確，不利于再生混凝土的推廣和利用.

基于此，對再生混凝土界面試件進行直剪試驗研究，考慮到新舊混凝土類型的影響，研究黏結界面試件的破壞機理，分析再生混凝土新舊黏結界面抗剪性能，以期為再生混凝土的應用提供參考.

1? ? 試驗概況

1.1? ?原材料

水泥（C）采用魚峰牌P·O42.5普通硅酸鹽水泥;粗骨料采用再生粗骨料（RA）和天然粗骨料（NA），粒徑為5～20 mm，再生粗骨料來源于實驗室廢棄混凝土試塊和廢棄混凝土梁，粗骨料物理指標如 表1所示;細骨料（S）采用中砂，細度模數為2.45，表觀密度為2 581 kg/m3;試驗用水（W）采用城市自來水.

1.2? ?試驗配合比

混凝土的水膠比為0.551，砂率為36%，設計強度等級為C30.再生混凝土的取代率為100%.詳細配合比見表2.界面試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm.為保證混凝土的水膠比不變，再生混凝土澆筑時需添加附加用水，附加用水量由再生骨料和天然骨料的吸水率差值決定.試塊28 d實測抗壓強度為30.93 MPa.

1.3? ?試件制作

共設計4組立方體試件，每組3個，編號分別為N-R、R-N、R-R、N-N，其中編號前半部分表示舊混凝土的類型，后半部分表示新混凝土的類型;N表示天然混凝土，R表示再生混凝土（例如：N-R表示天然混凝土-再生混凝土試件）.

界面試件制作流程：①完成4組（天然混凝土、再生混凝土各2組）混凝土直剪試驗，制得舊混凝土試塊;②清除舊混凝土試塊破壞面的灰塵和碎屑，將清理完畢后的試件放入尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的模具中（圖1）;③澆筑新混凝土（共有天然混凝土和再生混凝土2種），振搗后抹平，澆水養護28 d.試件設計圖如圖2所示.

1.4? ?試驗裝置及加載制度

加載裝置采用RMT-301巖石與混凝土力學試驗機.加載時，試件位于剪切盒中（剪切盒分為上下兩部分），上剪切盒通過橫向鋼擋板固定，下剪切盒通過水平作動器單向運動，使試件受到純剪作用（剪力由水平作動器提供的拉力轉換得到）.試驗加載裝置模型及試件受力模型分別見圖3、圖4.

加載制度采用位移控制，加載速率為0.02 mm/s.正式加載前進行水平預加載，使試塊緊貼剪切盒，再進行水平方向正式加載，連續單調加載至試件 破壞.

2? ? 試件破壞形態

所有試件呈脆性破壞，正面及側面存在一條平直的剪切裂縫，無其他明顯破壞特征.N-R試件破壞面舊混凝土一側和未澆筑前基本一致，凸出的骨料表面附著有新水泥漿體，新混凝土一側能夠看到明顯的摩擦痕跡;R-N試件破壞面舊混凝土一側存在部分骨料被剪斷，新混凝土一側在應力較大處有硬化水泥漿體被剪斷;R-R試件破壞面兩側均存在部分骨料被剪斷的現象;N-N試件破壞面舊混凝土一側部分凸出骨料表面附著有水泥砂漿，新混凝土一側少部分骨料被剪斷.以上分析表明，新舊混凝土黏結界面是剪切破壞的薄弱面.試件典型破壞形態如圖5所示.

3? ? 試驗結果與分析

3.1? ?試驗特征參數

通過對界面試件進行直剪試驗，得到了試件的剪切應力-名義應變曲線，并提取了峰值剪力、抗剪強度、名義峰值應變、名義破壞應變、破壞應力、剪切模量等特征參數，具體數值見表3.

其中抗剪強度按式（1）進行計算：

[τ0=VA]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中：[τ0]為抗剪強度，MPa;[V]為峰值剪力，kN;[A]為剪切面面積，mm2.

名義應變按式（2）進行計算：

[γ=sb]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

式中：[γ]為名義應變，[s]為試件位移，mm;[b]為試件寬度，mm.

3.2? ?試驗結果分析

3.2.1? ?剪切應力-名義應變全過程曲線

圖6為各試件的剪切應力-名義應變曲線.由圖6可知，各試件的剪切應力-名義應變曲線經歷彈性、內部裂縫發展、可見裂縫發展和破壞4個階段.加載初期，試件處于彈性階段，剪切應力-名義應變曲線呈線性增長趨勢;隨著荷載加大，剪切應力-名義應變曲線斜率開始逐漸減小，內部微裂縫尖端應力集中，微裂縫隨著荷載增大不斷發展延伸，荷載主要由水泥基體間的黏聚力承擔;隨著荷載進一步加大，當內部微裂縫發展為宏觀裂縫時，荷載主要由未開裂部分的黏聚力及開裂部分的機械咬合力承擔;最后裂縫貫穿整個黏結界面，試件被剪壞，荷載主要由剪切破壞面之間的機械咬合力和摩擦力共同承擔.和N-N試件相比，其他類型試件的剪切應力-名義應變曲線下降段更為陡峭，說明4類試件中N-N試件的脆性最小;各試件的剪切應力-名義應變曲線趨勢基本相似，且在γ≥0.05時曲線基本重合，說明新舊混凝土類型對剪切應力-名義應變曲線影響不大.

3.2.2? ?新舊混凝土類型對直剪變形的影響

圖7為各試件的名義峰值應變比較.由圖7可知，R-R試件相較于R-N試件，其名義峰值應變降低了40.73%;N-R試件相較于N-N試件，其名義峰值應變降低了18.28%.相較于N-R試件，R-R試件的名義峰值應變降低了40.04%;相較于N-N試件，R-N試件名義峰值應變降低了17.32%.綜上所述，無論舊混凝土為何種類型，試驗中再生混凝土和天然混凝土黏結試件相比較，其延性均有所降低.這是因為骨料與水泥漿的黏結面強度是影響混凝土變形性能的一個主要因素[2]，而新舊混凝土結合面中新砂漿和再生粗骨料存在多個結合面（新砂漿和舊砂漿、新砂漿和原天然骨料、舊砂漿和原天然骨料等），導致新舊混凝土結合面強度大幅降低.

3.2.3? ?新舊混凝土類型對直剪強度的影響

圖8為各試件黏結抗剪強度比較.由圖8可知，R-R試件相較于R-N試件，其抗剪強度提高了17.18%;相較于N-N試件，N-R試件抗剪強度降低了35.25%.R-R試件相較于N-R試件，其抗剪強度提高了37.54%;相較于N-N試件，R-N試件抗剪強度降低了24.00%.主要原因為：再生粗骨料的性能（密度、壓碎指標等）比天然粗骨料的低，隨著再生粗骨料取代率的提高，再生混凝土內部薄弱區增多（新舊砂漿界面區、原生粗骨料和新舊砂漿界面區） ，導致其強度有所降低[15].

3.2.4? ?新舊混凝土類型對初始剪切模量的影響

圖9為各試件的初始剪切模量比較.由圖9可知，R-R試件相較于R-N試件，其剪切模量提高了183.47%;相較于N-N試件，N-R試件剪切模量降低了24.68%.R-R試件相較于N-R試件，其剪切模量提高了247.92%;相較于N-N試件，R-N試件剪切模量降低了6.26%.由此可以判斷，當舊混凝土為再生混凝土時，使用再生混凝土作為新混凝土使試件的剛性有很大的提高.

3.2.5? ?工程建議分析

根據以上新舊混凝土類型對混凝土黏結界面抗剪強度、直剪變形、初始剪切模量的影響分析可知，和N-R、R-N試件相比，R-R、N-N試件的抗剪強度平均提高約33% ，R-R試件的初始剪切模量平均提高約2.12倍，N-N試件的直剪變形平均提高約22%，R-R試件的直剪變形平均降低約40%.綜上所述，從總體考慮，同類型混凝土黏結試件性能要優于新舊混凝土類型不同的黏結試件，因此，建議在實際工程應用中，新舊混凝土黏結界面使用同類型混凝土.

3.3? ? 損傷分析

為了反映混凝土抗剪強度的損傷變化，通過損傷變量[D]（0≤[D]≤1）分析混凝土試件的損傷變化，[D]越大，代表試件的損傷越大.損傷變量[D]在參考文獻[16]的計算公式如式（3）所示：

[D=1-GdG0]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

式中：[Gd]為剪切模量，[G0]為初始剪切模量.

圖10為試件的損傷曲線.由圖10可知，所有試件的損傷曲線趨勢基本相似，當[D] =0.7左右時， R-R試件損傷曲線的上升速率開始減緩;當[D] =0.5左右時，其余試件損傷曲線的上升速率開始減緩，說明R-R試件的損傷更早出現.當新舊混凝土類型均為再生混凝土時，其損傷曲線起點接近原點且遠遠早于其余試件，損傷曲線呈直線上升，說明R-R試件最早出現損傷且混凝土內部的裂縫發展迅速，原因為：再生骨料破碎時產生的裂紋對試件的損傷發展具有加速作用;當新舊混凝土類型均為天然混凝土時，其損傷曲線起點對應的應變最大，說明N-N試件的損傷最晚出現.

4? ? 結論

通過對再生混凝土黏結界面的直剪強度試驗研究，可以得到以下結論：

1）新舊混凝土類型對試件的破壞形態影響不大.試件的破壞類型為剪切破壞，且破壞面均為黏結界面，說明黏結界面為剪切破壞的薄弱面.

2）新舊混凝土類型對試件的界面黏結強度影響顯著，和R-R試件相比，R-N試件、N-R試件的黏結強度降低幅值約為27%;和N-N試件相比，R-N試件、N-R試件的黏結強度降低幅值約為30%.新舊混凝土類型對試件的延性影響較大，和R-R試件相比，R-N試件、N-R試件的名義峰值應變提高幅值約為40.0%;和N-N試件相比，R-N試件、N-R試件的名義峰值應變下降幅值約為17.5%.

3）根據試驗結果，在實際工程應用中，新舊混凝土黏結界面處建議使用同類型混凝土.綜合考慮新舊混凝土類型對黏結試件的抗剪強度、直剪變形、初始剪切模量的影響，同類型混凝土黏結試件的性能相對更好.

4）R-R試件相較于其他試件，其損傷速度更快，時間更早.因此，在應用天然混凝土的結構加固或施工縫等工程中不建議使用再生混凝土.由于試驗樣本有限，試驗中僅考慮了新舊混凝土類型的影響，界面處理劑及新舊混凝土強度等因素有待進一步研究.

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Analysis of influencing factors of bond interface strength of recycled concrete under direct shear

ZHANG Shaosong， HUANG Fangwei， CHEN Yuliang*， QIN Beilu， QIN Yuquan

（School of Civil Engineering and Architecture， Guangxi University of Science and Technology，

Liuzhou 545006， China）

Abstract： In order to study the shear strength of the new and old bonding interface of recycled? ? ? ? ? ?aggregate concrete， a direct shear test of the bonding strength of the new and old concrete was? ? ? ? ? conducted. Considering the influence of the new and old concrete types on the strength of the bonding interface ， 4 groups of 12 standard cube specimens were designed for testing， and the failure morphology， shear stress-nominal strain curve and damage development curve of each interface specimen were obtained. The characteristic value parameters such as peak stress， peak nominal strain， and initial shear modulus were extracted， and the shear properties and damage change rules of the new and old bonding interface of recycled aggregate concrete were compared and analyzed. The results showed that the new and old concrete types had little effect on the failure mode of the bonded specimens.The specimens were all destroyed by shear damage of the bond surface， and the bonding interface was a weak interface for shear failure. The bonding of the new and old concrete types on the bonded specimens strength and deformation had a greater impact. The damage curve trend of all? specimens was basically the same. When the new and old concrete types were recycled aggregate concrete， the damage appeared earlier than other types of specimens.

Key words： recycled concrete; new and existing concrete; bonding interface; shear strength

（責任編輯：羅小芬）