基于劈裂試驗(yàn)的新老混凝土界面粘結(jié)性能研究

時賢龍

（南京市市政工程質(zhì)量安全監(jiān)督站，江蘇 南京 210036）

0 引言

隨著社會的發(fā)展與進(jìn)步，城市建筑呈現(xiàn)著日新月異的變化，然而隨著建筑物、構(gòu)建物的不斷新建，可用土地也隨之減少，國外發(fā)達(dá)國家建筑業(yè)已基本進(jìn)入維修改造時期，我國也已開始從大規(guī)模新建時期進(jìn)入新建和維修改造并重時期。新老混凝土結(jié)合面廣泛存在于混凝土結(jié)構(gòu)中，因此建筑結(jié)構(gòu)老化、維護(hù)與修繕逐漸成為社會關(guān)注的問題之一。混凝土的老化病害問題一直存在于工程建筑行業(yè)中，對舊混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固維修是常見的改善措施，如道路翻新、建筑結(jié)構(gòu)修復(fù)等，而新舊交替界面將是這些結(jié)構(gòu)的薄弱點(diǎn)，其界面的粘結(jié)性能往往影響著結(jié)構(gòu)整體的安全穩(wěn)定性［1］。BIJIE J［2］認(rèn)為新老混凝土界面的粘結(jié)主要來源于范德華力，與集料—水泥界面粘結(jié)機(jī)理相似；田穩(wěn)苓等［3］認(rèn)為粘結(jié)面破壞機(jī)理與整澆混凝土破壞機(jī)理基本相同，只是存在缺陷更嚴(yán)重。相對的，很多研究認(rèn)為機(jī)械咬合力起主導(dǎo)作用［4］。對于粘結(jié)力的大小，研究表明，界面粗糙度、界面劑類型、混凝土齡期、兩體強(qiáng)度等［5］都會對界面粘結(jié)性能產(chǎn)生影響。

本文以劈裂抗拉強(qiáng)度來表征新老混凝土界面的粘結(jié)性能，研究了混凝土齡期及界面粗糙度對性能的影響，并建立了劈裂強(qiáng)度預(yù)測模型，具有較好的吻和性，為新老混凝土的界面的損傷評估提供參考建議。

1 試驗(yàn)方案

新老混凝土試件統(tǒng)一制成 100 mm×100 mm× 100 mm 的立方體，老混凝土強(qiáng)度為 C30，新混凝土為 C 35，如圖 1 所示。試件分為 3 組，A 組試件的的粘結(jié)界面有一定粗糙度，而粗糙度的獲取，則是先對若干個100 mm×100 mm×100 mm 的立方體試件進(jìn)行劈裂試驗(yàn)，從中選取 2 種自然劈裂的粗糙表面（1 種粗糙面用于試驗(yàn)研究，剩余一種粗糙面?zhèn)溆茫?，?jì)算其粗糙分維值為 2.315，計(jì)算方法參照文獻(xiàn)［5］，之后通過石膏模型進(jìn)行倒模獲得粗糙度基本一致的若干個混凝土試塊。B 組試件的粘結(jié)界面為平整界面，則其粗糙分維值為 2。每組試件澆筑新混凝土齡期時老混凝土的齡期考慮為 3、14、28、60、300 d，C 組為完整試件，具體個數(shù)如表 1 所示。

圖1 新老混凝土試件

劈裂試驗(yàn)依據(jù) GB/T 50081-2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行，如圖 2 所示。采用負(fù)荷控制，加荷速度取每秒 0.02～0.05 MPa，本試驗(yàn)取 0.03 MPa，劈裂試驗(yàn)機(jī)采用多通道動靜疲勞試驗(yàn)機(jī)的靜載通道，劈裂抗拉強(qiáng)度見式（1）。

圖2 劈裂試驗(yàn)示意圖

式中：P為試件劈壞荷載，N；A為試件劈裂面面積，mm2。

劈裂面面積的測量采用游標(biāo)卡尺測取劈裂面輪廓尺寸，當(dāng)采用 mm 的非標(biāo)準(zhǔn)試件求取其劈拉強(qiáng)度應(yīng)乘以尺度換算系數(shù) 0.85。

2 試驗(yàn)結(jié)果

試件的劈裂破壞面如圖 3、圖 4 所示，新老混凝土的劈裂破壞面基本沿著粘結(jié)界面破壞，在其斷裂面上伴有水泥漿體的斷裂，骨料的斷裂、脫落現(xiàn)象，對于界面平整的試件（D=2.000），破壞面整體上基本保持完好，但其邊緣或邊角處較容易出現(xiàn)骨料脫落，漿體斷裂的現(xiàn)象。

圖3 粗糙界面試件劈裂破壞面

圖4 平整界面試件劈裂破壞面

各組試件的劈裂抗拉強(qiáng)度如表 2 所示。

表2 不同老混凝土齡期試件的劈裂強(qiáng)度

表中，fts/fts，c35，fts/fts，c30為新老混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度占新混凝土（C35）和老混凝土（C30）的百分比。

將各組試件的劈裂強(qiáng)度進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖 5 所示，從圖 5 可以看出，界面粗糙度的影響顯著，界面粗糙的試件劈裂強(qiáng)度明顯高于平整試件。對于老混凝土的齡期，隨著老混凝土齡期的增長，其劈裂抗拉強(qiáng)度隨之降低，當(dāng)老混凝土到達(dá)一定齡期后，劈拉強(qiáng)度變化并不明顯，滿足指數(shù)函數(shù)分布。

圖5 界面劈拉強(qiáng)度隨老混凝土齡期變化擬合曲線

根據(jù)新老混凝土界面粘結(jié)機(jī)理，界面粘結(jié)力主要包括機(jī)械作用力、范德華力和化學(xué)作用力［2-5］。對于本試驗(yàn)中界面平整的 B 組試件，由于界面粗糙度較小，其界面粘結(jié)力主要來源于由新、老混凝土中的水泥水化產(chǎn)物輻射生長到彼此的混凝土面而形成的機(jī)械咬合力以及化學(xué)作用力?；炷恋乃嗨磻?yīng)在 28 d 后接近完全，在這之后澆筑新混凝土，其粘結(jié)力主要來源新混凝土中的水泥水化產(chǎn)物輻射生長到老混凝土面形成的機(jī)械咬合力，形成的粘結(jié)力較小且老混凝土齡期的長短對其影響變化不大，新、老混凝土兩者間的水泥漿體連接較少，破壞面較完整；當(dāng)老混凝土水泥水化反應(yīng)未完全時澆筑新混凝土，新、老混凝土連接的界面上共同發(fā)生強(qiáng)烈的水泥水化反應(yīng)，從而提高其粘結(jié)力，劈裂破壞面伴有水泥漿體斷裂現(xiàn)象。因此，在老混凝土水泥水化反應(yīng)未完全之前澆筑新混凝土，齡期較短形成的界面粘結(jié)力較大。

3 界面劈裂強(qiáng)度預(yù)測模型

3.1 模型建立

通過以上分析，建立強(qiáng)度預(yù)測模型。新老混凝土的界面粘結(jié)力主要由機(jī)械作用力形成，粘結(jié)面積越大粘結(jié)力越大，若假定單位面積的粘結(jié)力即粘結(jié)強(qiáng)度σ相等，則不同粗糙粘結(jié)界面的粘結(jié)力大小由其粘結(jié)面積決定，不同粗糙界面的粘結(jié)力大小F如式（2）所示。

粘結(jié)面積A可近似等于粗糙表面的總面積，文獻(xiàn)［6］中基于分形理論建立了粗糙表面積A（δ）與分維值D間的關(guān)系，如式（3）所示。

式中：AT為粗糙斷面的直觀面積，δ為粗糙表面的測量尺度，這里取 0.1。將（3）式代入（2）式，粘結(jié)力大小為：

單位面積粘結(jié)力σ可以通過求取界面較為光滑平整的新老混凝土試件的劈裂抗拉強(qiáng)度來獲得，根據(jù)本文試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得界面的劈裂抗拉強(qiáng)度fts為：

式中：d為澆筑新混凝土?xí)r老混凝土的齡期，D為分維值。

3.2 模型驗(yàn)證

本文通過建立劈裂抗拉強(qiáng)度與界面粗糙分維的關(guān)系來預(yù)測界面的粘結(jié)力，分維可以更精確地表征粘結(jié)面的粗糙度，灌砂法雖具有局限性，但簡單易行，實(shí)際中較多使用。將建立的模型與文獻(xiàn)［7］和文獻(xiàn)［1］中的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，文獻(xiàn)中的粗糙度采用灌砂法測得，針對不同粗糙度試件進(jìn)行分維值D的計(jì)算和灌砂法測量，發(fā)現(xiàn)兩者之間存在如下關(guān)系。

D=2+0.05 H （7）

其中，H為灌砂平均深度。代入公式（6）中，得：

將模型計(jì)算的劈裂強(qiáng)度與試驗(yàn)數(shù)值進(jìn)行對比，由于文獻(xiàn)中采用了界面劑，單位面積粘結(jié)力比本文大，取σ=1.91 MPa，結(jié)果如圖 6、圖 7 所示。

圖6 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)［7］模型預(yù)測曲線對比

從圖 6、圖 7 可見，劈裂抗拉強(qiáng)度預(yù)測值與試驗(yàn)值吻合較好，說明在一定灌砂平均深度范圍內(nèi)，采用該模型計(jì)算界面粘結(jié)力的準(zhǔn)確合理性，滿足一定精度要求。

圖7 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)［1］模型預(yù)測曲線對比

4 結(jié)論

新老混凝土粘結(jié)面已廣泛存在于建設(shè)領(lǐng)域中，其粘結(jié)性能的好壞直接影響著結(jié)構(gòu)的整體性、承載力、耐久性等。本文通過劈裂抗拉試驗(yàn)來研究新老混凝土界面的粘結(jié)性能，研究了混凝土齡期及界面粗糙度對性能的影響，得到以下結(jié)論。

1）界面的粗糙度對粘結(jié)力影響顯著，高于混凝土齡期的影響；而齡期的影響規(guī)律滿足指數(shù)分布，即隨著老混凝土齡期的增長，其劈裂抗拉強(qiáng)度隨之降低，當(dāng)老混凝土到達(dá)一定齡期后，劈拉強(qiáng)度變化并不明顯。

2）初步分析了新老混凝土界面的粘結(jié)機(jī)理，建立了劈裂強(qiáng)度預(yù)測模型，具有較好的吻和性，為新老混凝土的界面的損傷評估提供參考建議。Q