超高性能RPC 鋼筋網加固混凝土界面粘結性能試驗研究

卜良桃，徐博煜

(湖南大學土木工程學院，湖南，長沙 410082)

傳統的混凝土加固技術由于其抗拉強度、耐久性和脆性較低，在使用上存在一些局限性。而后續流行的復合砂漿/灌漿料鋼筋網加固方式仍存在養護時間長、新老混凝土之間的應力水平低、界面粘結弱等問題。近年來的研究熱點是用高性能水泥基材料進行加固[1]，這種加固方式可以大幅度提高承載力且耐久性良好。活性粉末混凝土通過去除粗骨料，降低自重并提升材料均勻性；通過顆粒優化和壓實增加密實度，降低孔隙率；通過熱處理改善微觀結構；通過添加鋼纖維提升材料延性[2]。研究表明活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete, RPC)強度高、韌性好，有著優越的耐久、抗裂[3]以及抗震性能[4]，活性粉末混凝土鋼筋網加固技術(Technical for strengthening concrete structures with reactive powder concrete and bar mesh, RPCBM)適用于受損普通混凝土(Ordinary Concrete, OC)結構的修復與加固，不僅可解決其他架構方式的不足，而且可大幅度增加結構受力性能和耐久性能，更符合綠色可持續發展的社會需求[5]。

粘結面通常是修復結構中的薄弱環節，良好、高效和持久的粘結是有效修復混凝土結構的關鍵點[6]。近年來，已有眾多學者對RPC-OC 界面的粘結性能進行了一系列的研究，驗證了RPC 是具有良好修復和改造潛力的加固材料，RPC-OC 構件具有較高的粘結強度和粘結耐久性，且使用壽命明顯延長[7]。但這些試驗大多數通過試驗探究界面粗糙度、養護方式、養護齡期、鋼纖維體積、混凝土含水率、RPC 澆筑方位等影響因素對RPCOC 界面粘結性能的影響[8-11]，缺乏因素組合的對比實驗數據，且無法定量模擬界面粗糙度、鋼筋的引入等對粘結界面的影響，RPCBM 加固OC 界面粘結性能的研究仍有空缺。因此，本文進行了RPCBM 加固OC 構件雙面剪切試驗，觀察試件破壞損傷狀況，分析RPCBM-OC 粘結-滑移關系及試件破壞機理，結合前者研究[12-14]，提出了RPCBMOC 抗剪強度的計算方法，為RPC 鋼筋網加固混凝土技術工程實際運用提供了理論基礎。

1 試驗概況

1.1 試件設計

本試驗以界面粗糙度、鋼筋網規格和植筋率為試驗變量共制備了27 組構件，每組由2 個樣本組成，分組編號由界面粗糙度、鋼筋網規格及銷釘根數組成，試驗分組見表1。加固前試件均采用C40 的普通混凝土，試件尺寸均為300 mm×300 mm×600 mm，采用RPC100 和6 mm 的CB400鋼筋網為加固材料，加固保護層為25 mm，以試件豎向面進行對面加固，加固前后試件如圖1 所示。

表1 試驗分組Table 1 Testing matrix

1.2 實驗方案

1)澆筑普通混凝土試塊，試驗室室內常溫養護6 個月；2)根據試驗參數設計處理普通混凝土試塊的兩側表面，按表1 進行鑿毛，A、B、C 級粗糙度如圖1 所示；3)確定銷釘位置并鉆孔，銷釘根數為9 的構件為半錨布置，其余構件的銷釘為均均勻對稱布置(如銷釘個數為8 或者18)。本試驗用有機結構膠植剪切銷釘，銷釘植入深度40 mm，外露長度20 mm，見圖1。剪切銷釘的間距分別為150 mm、225 mm、300 mm，不大于鋼筋網同方向間距的3 倍，不小于銷釘植入深度的2 倍且銷釘與構件邊緣的距離不小于60 mm；4)進行綁扎鋼筋網、植銷釘等界面處理；5)普通混凝土塊的濕潤性對試驗影響較大，本試驗將普通混凝土塊表面灑水潤濕約20 min[15]；6)在澆筑RPC 之前擦干，濕處理后澆筑RPC，將試件覆膜，置于室溫養護28 d，進行試驗。

1.3 材料力學性能

1.3.1 OC 和RPC 力學指標

本試驗采用的OC 等級為C40，材料性能平均值見表2。本試驗中采用的RPC 等級為R100，鋼纖維體積分數2%，密度為2500 kg/m3，成品的RPC 干混料、水和外加劑的比例為100∶8.75∶7.8，運用強制攪拌機進行制備。材料性能根據文獻[16]試驗，平均值見表2。

表2 OC 和RPC 基本力學性能指標Table 2 Basic mechanical properties of OC and RPC

1.3.2 鋼材力學指標

試驗中加固鋼筋網鋼筋為 HRB400，間距分別為50 mm×50 mm、75 mm×75 mm 和100 mm×100 mm。鋼筋的基本力學性能平均值見表3。

表3 鋼材基本力學性能指標Table 3 Basic mechanical properties of steel

1.4 加載方案及測試方法

雙面剪切試驗裝置如圖2 所示。試驗在500 t油壓千斤頂及反力架上進行。RPCBM-OC 組合棱柱體OC 芯柱下方放置鋼板，置于千斤頂頂端，使試件中心軸與千斤頂中心軸對齊，然后，在砂漿層上方安置鋼條(鋼條寬度為45 mm，開口處用鋼板焊接封口防止其變形)，在構件加固層的位置布置四個位移計，測量開裂后的構件相對于原始構件位置的滑移數值。千斤頂向上加載的過程中利用反力架使RPC 加固層受到反向作用力，從而達到雙面剪切的目的。隨著千斤頂不斷加載，試件受到雙向的剪切荷載作用沿著鋼條下方的界面處向下發生破壞，最終得到其破壞荷載。試驗測量內容包括：剪切荷載，粘結滑移。荷載值由電液伺服壓力機控制系統測量，OC 芯柱和RPC 層的相對滑移由4 個位移計自動采集。

2 試驗結果

2.1 破壞形態

27 組構件雙面剪切試驗的破壞形態如圖3 所示。主要有以下三種：1)純界面破壞(A)：裂縫沿界面從上往下發展，發生剪切破壞。RPC 層掉落，兩種材料表面互相沒有黏連，附著在RPC 層的普通混凝土與整個粘結界面的面積比在10%以內(A-0-0)；2)界面破壞+OC 芯柱破壞(BMA/CMA)：裂縫先沿著粘結界面，再沿粘結面附近的老混凝土豎直發展。RPC 塊附著了普通混凝土薄層，銷釘屈曲。BMA 破壞時，銷釘沒有全部拔出。CMA破壞時，銷釘全部隨著RPC 層被拔出OC 芯柱；3)界面破壞+OC 芯柱大塊剝離破壞(TMA)：裂縫先沿著粘結界面，再斜向下發展，向OC 芯柱中下部延伸，在RPC 層附著一大塊普通混凝土。部分試驗組出現兩個破壞面的情況，一個靠近粘結面，另一個斜向老混凝土中部，兩個破壞面剪下一大塊老混凝土，推測原因是由于雙面剪切試驗過程中，混凝土強度與鋼筋握裹力不足，或者機械咬合力差造成的。

2.2 荷載滑移曲線

構件A/B/C-0-0 發生脆性破壞，滑移曲線如圖4(a)所示。在加載初期，由于RPC-OC 界面黏聚力的作用，滑移曲線呈彈性上升趨勢，極限荷載平均分別為860 kN、1280 kN 和1520 kN，其對應的滑移平均值分別為0.087 mm、0.743 mm 和0.758 mm，表明RPC-OC 界面抗剪強度與相對滑移隨著粗糙度的增加而增加。

其余組都為延性破壞，滑移曲線如圖4(b)～圖4(h)所示。荷載-滑移曲線經歷了三個明顯不同的階段：彈性階段、屈服階段和下降-破壞階段。在試驗荷載達到極限荷載的90%之前，滑移曲線呈彈性上升趨勢；隨著荷載增大，界面開始出現滑移，界面間粘聚力所承擔的剪切力開始減少，銷釘承受的剪力增大。滑移曲線進入屈服階段，但屈服階段不明顯，說明試件延性增加，這其中滑移增長得較快，直到試驗載荷達到極限載荷，相應的滑移為1 mm～1.5 mm；隨著滑移增大，界面剪切力主要由銷釘承擔，滑移曲線進入相對較長的下降階段，在此過程中試驗載荷變化緩慢，滑移量迅速增長。觀察圖4(b)，取平均值，A-0/50/100-18 的RPCBM-OC 組合棱柱體相對滑移分別達到2.91 mm，3.59 mm 和2.97 mm 時，界面仍未完全破壞，分別保持了680 kN，830 kN 和740 kN的界面抗剪能力。銷釘的存在使界面的剪切破壞被延遲，并顯著增加了界面的滑移和破壞前的延性。從界面滑移曲線看出，植筋率0.0056 且鋼筋網50 mm×50 mm 處理的界面表現出最好的界面剪切延性。

對比圖4(c)～圖4(g)，發現鋼筋網規格越密，最后極限滑移值與保持的界面抗剪力越大。圖4表明各影響因素對荷載-位移曲線的影響力由大到小分別為，植筋率＞鋼筋網規格＞粗糙度，改變植筋率與鋼筋網規格是提高RPCBM-OC 組合棱柱體延性的一種好辦法。

2.3 試驗數據

雙面剪切試驗的結果如表4 所示，根據金瀏等[17]和ZHANG 等[12]指出OC-OC 抗剪強度約為1.36-4.56 MPa，結合表4 可知，RPC 鋼筋網加固技術處理下的界面抗剪強度較OC-OC 抗剪強度可以提升1.37-3.11 倍，良好的植筋處理增強了RPCBM-OC 界面的剪切強度，甚至超過了OC 本身的剪切強度[18]。開裂荷載越占極限荷載的50%，表明RPCBM-OC 粘結抗裂性能良好。

2.4 因素分析

2.4.1 粗糙度

OC 表面粗糙度是決定粘結界面抗剪強度的重要因素。由表4 可得，其他條件一致時，抗剪強度、附著在RPC 表面的普通混凝土與整個粘結界面面積比的值(C/B)、極限荷載時的滑移值都是C 組＞B 組＞A 組，即隨著粗糙度的增大，抗剪強度和延性都增強。界面粗糙度越大，暴露的粗骨料越多，界面處的混凝土孔隙越多。加固材料就越容易穿透混凝土的孔隙進行水化形成C-S-H 膠結物質和鈣礬石[19]，產生較大的機械咬合力[10]。COURARD 等[20]指出，界面粗糙度不應太大，因為它會降低粘結強度。本文中的粗糙度數據內，粗糙度越高，界面剪切強度越高，RPCBM-OC 粘結性能越好[21]。

表4 試驗荷載下的結果Table 4 Characteristic values of testing loads and failure parameters for push-out tests

2.4.2 植筋率

植筋率是界面抗剪強度和延性的最重要因素。植筋率0.0057 的組抗剪強度與延性得到了大幅度提高，極限荷載下界面平均滑移為1.311 mm，當RPC 層完全剝離時，最大相對滑移高達4.16 mm；破壞形態基本上為界面破壞+OC 芯柱大塊剝離破壞(TMA)。對于A/B/C-0-0 等無植筋組，極限荷載下的滑移小于1.0 mm，發生脆性破壞。

2.4.3 鋼筋網規格

鋼筋網是增強RPCBM-OC 組合棱柱體延性的因素。鋼筋網規格越密雙面剪切強度越高，但提高效果不明顯。從破壞形態分析，無鋼筋網組，銷釘未完全從OC 芯柱拔出，銷釘對粘結性能的貢獻沒有全部被發揮出來；有鋼筋網組，銷釘全部與加固層一起剝離。從剪切滑移分析，在其他條件一致時，鋼筋網規格越密，荷載-滑移曲線的下降段越緩，殘余剪切應力越大，延性越好。鋼筋網保證了銷釘協同工作，是銷釘、RPC 與OC 構件形成整體的必要條件。

3 界面抗剪強度計算

3.1 各規范對比

目前，相關規范中界面抗剪強度的計算方法見表5。

表5 的公式都是依托于Birkeland 提出的摩擦抗剪理論，Anderson 首次提出OC-OC 界面抗剪強度計算公式以來，研究得到的公式主要分為兩種：關于 ρfy的線性表達式(表5 前4 行公式)和關于 ρfy的非線性表達式(Fib 2010 規范公式)[26]，對比可得，ACI 318-08 規范[22]僅適用于植入銷釘的界面，沒有考慮新老混凝土之間的界面黏聚力。AASHTO LRFD 規范[23]與CAN/CSA-S6-00 規范[24]考慮到了新老混凝土之間的界面黏聚力、銷釘提供的界面剪切阻力，忽略了銷釘抗剪時的銷釘作用。水泥復合砂漿鋼筋網加固混凝土結構技術規程[25]為銷釘受集中荷載考慮計算的抗剪承載力，界面黏聚力與混凝土強度、銷釘分布有關。Fib 2010 規范[26]將界面的抗剪強度分為三部分：界面黏聚力、銷釘引起的摩擦力以及銷釘的銷釘作用。通常，ACI 318-08 和AASHTO LRFD 等ρfy的線性表達式僅適用于銷釘屈服強度?y≯414 MPa的情況[27]。現有的計算新老混凝土界面抗剪強度的公式種類繁多，但由于所考慮的因素不同，其計算方法也有一定的局限性，且RPC 作為一種新材料，RPCBM-OC 界面和OC-OC 界面的剪切機理不同，OC-OC 之間弱界面粘結，不適用于判斷RPCBM-OC 之間的強粘結，故粘結問題也不能用同一種公式解答。故本文提出一種綜合計算RPCBM-OC 界面抗剪強度的公式。

表5 OC-OC 界面抗剪強度的典型計算公式Table 5 Typical calculating models for the shear strength of OC-OC interface

3.2 抗剪強度計算公式

通過上述分析，活性粉末混凝土鋼筋網加固混凝土界面剪切承載力由黏聚力Vu(coh)、摩擦力Vu(f)和銷釘的銷栓力Vu(da)三部分組成，如式(1)：

式中，Acv為粘結界面面積。

3.2.1 黏聚力Vu(coh)

對于A 組光滑界面而言，RPCBM-OC 界面黏聚力Vu(coh)包括范德華力、化學作用力(老混凝土一般水化完成，化學作用力非常弱)和表面張力[10]。張陽等[12-13]研究表明，OC-RPC 界面黏聚力與粘結界面的粗糙度、OC 強度、RPC 強度有關，與GRAYBEAL[28]的摩爾-庫侖準則結合，建立νu(coh)的計算公式：

式中：α 為界面粗糙度影響系數；?OC-RPC為OC與后澆RPC 的抗拉強度和抗壓強度有關的函數。

VALIKHANI 等[11]研究表明：針對只有鑿毛處理的界面，界面粗糙度數值可以與抗剪強度進行擬合，由式(3)表示：

式中：Ri為粘結界面平均表面粗糙度；K1、K2為將無銷釘處理的界面粘結強度與Ri相關聯的系數。

B 級粗糙度處理的試驗參數選取的雙面剪切試驗結論，包括：JU 等[10]粘結面粗糙度4.11 mm～4.62 mm 組，VALIKHANI 等[11]粘 結 面 粗 糙 度1.1989 mm～2.1999 mm 組，ZHANG 等[12]粘結面粗糙度1.78 mm、2.00 mm、2.12 mm 組，選取的Z型直剪試驗結論來自吳香國等[30]粘結面粗糙度2.65 mm 組。

C 級粗糙度處理的試驗參數選取了：JANG 等[8]的Z 型直剪試驗結果，JU 等[10]粘結面粗糙度為5.66 mm～6.42 mm 組和ZHANG等[13]粘結面粗糙度為4.56 mm 組的雙面剪切試驗結果。

代入本文及多位學者的雙面剪切試驗數據，擴大樣本容量，可以得到K1、K2參數見表6。為便于工程應用，對應本文三種粗糙度等級，相應的粗糙度影響系數見表6。對應本文的A、B、C 級粗糙度，α 分別為1.0、1.5、1.8。

表6 系數K1、K2、α 的值Table 6 Values for K1, K2 and α coeffificients

綜上，無剪切銷釘的界面抗剪強度公式：

τu(coh)為RPCBM-OC 界面黏聚力，光滑A 級界面取1.5 MPa～2.5 MPa，粗糙B 級界面取2.5 MPa～3.75 MPa，非常粗糙C 級界面取3.5 MPa～5.5 MPa(注：最大值不得超過老混凝土直剪強度)。

3.2.2 摩擦力Vu(f)和銷栓力Vu(da)

粗糙面發生滑移s的同時，這種滑動會在粗糙界面橫向于剪切的方向上產生接縫位移w，從而銷釘產生拉力F，拉力分解成F(f)和F(da)，所以銷釘的抗剪承載力包括兩部分：1)垂直拉力分量F(f)使銷釘附近的混凝土中產生壓力σc，從而摩擦抗剪，即銷釘在剪切力作用下沿粗糙粘結界面產生相對滑移，導致接頭一定的加寬，拔出銷釘時接口被壓縮，這稱為銷釘引起的“剪切摩擦”效應。因此，由于“剪切摩擦”效應，界面處的摩擦力可以被激活，以抵抗外部剪切力。摩擦主要取決于兩個因素：粗糙度和垂直于界面的壓縮力。壓力可以是外部的，如預應力，也可以是內部的，如銷釘擠壓混凝土產生。摩擦貢獻隨著滑移的增加而略有下降。2)水平拉力分量F(da)為銷釘的銷釘作用，直接抵抗剪力。如果銷釘沒有端部錨固或缺乏粘結，銷釘將通過彎曲變形抵抗剪切位移，Vu(f)不能得到充分發揮。隨著滑移加大，F(da)越來越大，為銷釘作用，銷釘作用是銷釘由于界面間橫向位移而產生穿過界面的彎曲阻力，其在剪切滑移達到鋼筋直徑約0.1 倍～0.2 倍時達到最大值。

銷釘通過鋼筋網以及RPC 協同變形。當加固層有剝離趨勢，界面黏聚力Vu(coh)急劇減小，越來越多的剪力由銷釘承受，當加固層與混凝土界面基本裂開并分離時，RPCBM-OC 組合棱柱體破壞[30-33]。

如圖5 所示，銷釘的界面剪切阻力貢獻由植入銷釘的界面摩擦力Vu(f)和銷栓力Vu(da)組成。由理論分析與實踐結果得出，其數值主要取決于銷釘力學參數，銷釘與混凝土連接層的摩擦系數、銷釘分布、植筋率和鋼筋網規格有關，因此，參考Fib 2010 規范[26]建立有剪切鋼筋的界面粘結公式，如下所示：

式中：μ為摩擦系數，可取固定值或者界面粗糙度函數式，歸納得對于光滑的界面，μ=1.07；對于粗糙的界面，μ=1.385；η1鋼筋網規格影響系數，回歸分析得，無鋼筋網，η1=1；鋼筋網規格為100 mm×100 mm 時，η1=1.0010；鋼筋網規格為75 mm×75 mm時，η1=1.0018；鋼筋網規格為50 mm×50 mm 時，η1=1.0023；η2界面銷釘分布影響系數，根據試驗結果回歸分析，對于銷釘均勻對稱分布的界面，η2=0.625；對于銷釘半錨界面，η2=0.5；fy為銷釘屈服強度；fc′為混凝土圓柱體單軸抗壓強度，fc′=0.83?cu，fcu為普通混凝土圓柱體的抗壓強度。

綜上，本文給出適合工程實際所使用的RPCBM-OC 界面粘結強度計算公式：

3.3 結果比較

首先根據前述的研究結果，圖6 可以很明顯的將RPCBM-OC 界面抗剪強度實測值和各公式計算值之間進行比較，表5 所列公式計算RPCBMOC 界面的抗剪強度與試驗值不太一致。因為RPCBM-OC 界面和OC-OC 界面的剪切機理不同，由文獻[26]得到的計算值與試驗值趨勢相對接近，但由于OC-OC 弱粘結，所以計算值普遍較實測值低[30]。由表7 得，各組在式(6)計算得的抗剪強度和實測值之間都表現出良好的一致性，雖然A-0-0、A-50-18、B-100-9、C-50-18 組的誤差超過了10%，出現偶然的數據分散，但其余組的誤差基本在10%以內，表明預測RPCBM-OC 界面的抗剪強度公式是可行的。同時，為了更好的表明本文計算模型的精度，將計算結果與JU 等[10]、RUAN 等[34]、HUNG 等[35]的結果進行了對比，發現，誤差分別達到3.67%、5.89%和6.06%，進一步說明了本文的計算模型精度的可靠性，用來預測RPCBM-OC 界面的抗剪強度是可行的。

表7 RPCBM-OC 界面抗剪強度實測值與計算值對比Table 7 Comparison of measured and calculated shear strength of RPCBM-OC interface

RPCBM-OC 界面的抗剪強度受各種復雜影響因素的影響很大，如混凝土強度、界面粗糙度、養護方法、齡期和施工技術等，在實際現場施工過程中，RPCBM-OC 界面的抗剪承載力存在一定的不確定性，應注意式(6)的局限性。目前的研究僅基于有限的雙面剪切試驗，所建立的計算公式，應用存在一定的局限性，其通用性有待于未來的實驗研究進一步驗證。

4 結論

通過雙面剪切試驗，研究RPCBM 加固混凝土結構的界面粘結性能，可以得到以下結論：

(1) RPC 與混凝土具有較高的粘結性，RPC 鋼筋網加固OC 結構的界面較OC-OC 界面剪切強度可提升1.37 倍～3.11 倍左右。

(2) RPCBM-OC 界面有三種破壞形態：界面破壞、界面破壞+OC 破壞(分銷釘全部拔出與部分拔出)、界面破壞+OC 大塊剝離，RPCBM-OC 界面剪切強度與OC 界面粗糙度、植筋率、鋼筋網規格有關，剪切性能與粗糙度呈冪次函數關系，與植筋率呈線性函數關系，與鋼筋網規格呈正相關。RPCBM-OC 組合棱柱體延性與粗糙度、植筋率、鋼筋網規格都呈正相關。

(3) 本文基于界面黏聚力、摩擦力以及銷釘作用提出了RPCBM-OC 界面剪切強度改進公式，計算值與試驗值吻合良好。將來的工作重點也需要研究采用RPC 相比于復合砂漿的優越性，以及比較復合砂漿或其他砂漿粘結性能，可以為活性粉末混凝土鋼筋網加固混凝土結構時對界面粘結性能的判斷提供參考依據。