水泥基灌漿料與混凝土粘結面抗剪性能試驗研究

黃林青 ，譚莉莉 ，龔世豪 ，蘇杰 ，宋杰 ，廖新雪

（1 重慶科技學院 建筑工程學院，重慶 401331；2 重慶中機中聯檢測技術有限公司工程檢測中心，重慶 400707）

在結構加固工程中，新舊材料的粘結面是結構的受力薄弱部位，粘結面的處理方式直接影響整體構件的受力性能。目前，存在大量的改造加固工程，涉及新舊材料粘結面的處理，粘結面的抗剪能力是衡量粘結面受力情況的重要指標之一。對于新舊材料粘結面的處理方式已經存在一定的研究[1-5]，粘結面的抗剪能力的影響因素有界面的粗糙度[6]、界面機械連接方式[7]、界面劑的選用等[8-9]。在已有研究中，大多數實驗在選材方面使用相同的混凝土材料，強度等級有所不同。本次試驗在選材方面，采用水泥基灌漿料與普通硅酸鹽水泥進行試驗研究。粘結面處理方式采用開槽基礎上進行植筋，通過抗剪試驗分析不同植筋率對粘結面抗剪能力影響。

1 試件設計

1.1 試件形狀

本次試驗試件由兩個長方體試塊組成，尺寸同為150mm×150mm×300mm， 粘結面并非完全貼合，相互錯開30mm，形成錯臺，其有效接觸面積為150mm×270mm，如圖1 所示。

圖1 試件示意圖

1.2 粘結面處理方式

本次試驗試件的粘結面是在一定的開槽基礎進行植筋，植筋率有所不同。粘結面開槽個數為2 條，尺寸為150mm×20mm×10mm。在前期試驗中對開槽個數、位置進行研究，開槽數為1 時，應力集中比較明顯，試件直接被剪斷，破壞迅速；開槽數為2、3 時，抗剪能力明顯提高且試塊基體也發(fā)生了破壞，出現較多裂縫。考慮經濟性和效率，2 條溝槽使應力分布更均勻，3 條溝槽可能破壞構件整體性，最終選取開槽2 條基礎上進行植筋。

對于粘結面的植筋，植筋位置沒有發(fā)生變化，值筋深度也沒有改變，有研究表明，植筋深度需大于10 倍直徑，才能使鋼筋更好地參與受力，與結構形成一個整體[10]。本次試驗的植筋深度選取12 倍直徑，只改變植筋率，對粘結面的處理見圖2。

1.3 試件級別分類

本次試驗所用混凝土抗壓強度設計值為C35 普通硅酸鹽水泥，水泥基灌漿料采用CGM 的高強無收縮灌漿料，鋼筋選用HRB335 三級鋼筋，直徑分別為6mm、8mm、10mm、12mm，植筋深度為12 倍鋼筋直徑，打孔直徑大于鋼筋直徑2mm，在孔洞中加入植筋膠，再植入鋼筋。

本試驗共設計5 個分組，為保證實驗數據的有效及可靠性，每組制作3 個試件，共15 個試件，1 組試件界面僅作開槽處理，開槽率為15%；2、3、4、5 組試件界面開槽且植筋，開槽率15%，植筋率分別為0.14%、0.25%、0.39%、0.56%，界面處理方式及編號見表1。

表1 試件組別分類

2 試驗方案

2.1 試件加載設計

本次試驗主要研究水泥基灌漿料與混凝土粘結面的抗剪性能，傳統抗剪性能研究選擇Z 型試件，但本次試驗選擇如圖1 所示的試件。試件的錯臺設計相較于Z 型試件的優(yōu)點有：（1）試件制作更方便；（2）Z 型試件在拐角內側容易形成應力集中，錯臺型構件則避開了這點；（3）界面受彎矩作用影響更小，界面承受純剪力；（4）對試塊進行開槽、植筋更方便，且界面的處理效果更好；（5）錯臺型試件粘結面的有效面積更大，這樣更符合實際工程，能更好地反映粘結面的抗剪性能。試件的加載設計見圖3。

圖3 試件加載設計

2.2 實驗加載制度

實驗設備：YJ-IID-L-500 型建筑結構組合實驗反力架，伺服油泵控制系統，EasyTest 測控軟件，DH3821 動態(tài)采集儀，位移計。

正式試驗開始前，以5kN 的力預先施壓，對試件進行預加載，當預加載完成后：對試件進行檢查，檢查試件是否有損壞，試件與加載設備是否貼合；對加載設備進行檢查，檢查儀器、線路是否正常工作。如果有問題及時進行調整，預荷載需要持續(xù)120s，使儀器設備有一定的作用時間，使荷載有效作用于試件，從而及時發(fā)現問題。

預壓完成后卸除荷載，繼續(xù)以5kN 為一個分級進行分級加載。加載的速率為0.5kN/s，為使實驗數據更貼合實際、更準確，加載速率不宜過快；當所加荷載達到分級設計值時保持120s，觀察界面破壞情況，對實驗現象進行標記，對實驗數據進行記錄；若粘結面出現裂縫或局部破壞現象，將原有的加載速率降低為0.2kN/s，并保持240s，仔細觀察分析實驗現象，若未出現前面所述現象，則按試驗計劃方案進行下一階段。

2.3 數據采集

此次試驗的數據采集使用的是EasyTest 測控軟件內置的采集系統，該系統在荷載加載的同時對其過程進行記錄，本次試驗將記錄頻率設置為每隔0.5s 采集一次，加載結束載荷值會以表格形式輸出，這樣方便后期數據處理。

本次試驗選取量程為100mm 位移計，將位移計連接到DH3821 動態(tài)采集儀，以每0.5s 采集一次的頻率采集試驗數據。位移計分別放置于加載端和自由端，采集加載端和自由端的滑移值。

3 試驗現象及結果分析

3.1 試驗破壞過程及特征

界面僅做開槽處理的試件，試驗過程中，粘結面出現裂縫，當達到界面承載力最大值時，試件瞬間破壞并伴隨“砰”一聲，粘結面發(fā)生破壞，出現巨大凹槽，新舊混凝土的基體發(fā)生了破壞，且完全分離為兩個部分，破壞在瞬間完成，屬于脆性破壞，見圖4 所示；界面在開槽基礎上進行植筋試件中，不同植筋率的破壞模式有所不同。植筋率為0.14%的試件屬于脆性破壞，當達到界面承載力最大值時，試件瞬間破壞并伴隨“砰”的一聲，界面中鋼筋被剪斷，試件被分成兩部分，開槽處水泥基灌漿料部分被剪斷，粘結面較平整，試件基體未發(fā)生破壞，見圖5 所示。植筋率分別是0.25%、0.39%、0.56%的試件，試驗過程中破壞相對緩慢，其破壞特點均為延性破壞，當荷載達到最大承載力時，界面所植入的鋼筋并未被剪斷，且試件破壞后新舊混凝土未完全分離為兩部分，見圖6 所示。

圖4 開槽率15%試件破壞

圖5 開槽率15%+植筋率0.25%

圖6 開槽+植筋試件破壞

3.2 試件F-S 曲線

從試件的F-S 曲線中可以得出，隨著植筋率的增加，構件所承受的最大荷載值不斷提高；發(fā)生相同位移時，隨著植筋率的變化，構件所承受荷載值也不斷變化，其呈現的規(guī)律為：隨著植筋率的增加，發(fā)生相同位移時構件承受最大荷載值隨之增加，此試驗結果反應出試件整體的塑性隨著植筋率的增加而提高（圖7-圖11）。

圖7 1 組試件F-S 曲線

圖8 2 組試件F-S 曲線

圖9 3 組試件F-S 曲線

圖10 4 組試件F-S 曲線

圖11 5 組試件F-S 曲線

圖12 數據擬合曲線

3.3 抗剪性能分析

從表2 中可以看出，在開槽率保持不變的前提下，改變植筋率，隨著植筋率不斷提高，粘結面的抗剪能力明顯提高，當植筋率為0.63%時，界面抗剪能力是僅開槽時的3倍。 因此，在一定開槽率的基礎上，提高植筋率可以明顯提高界面抗剪能力和界面承載能力。建議在實際施工中，采取開槽與植筋相結合的方式，可以大大提高界面抗剪能力。相比傳統鑿毛方式，開槽與植筋更方便操作，且更容易把握開槽尺寸及植筋率，鑿毛在實際工程施工中不能精確控制鑿毛率。

表2 試驗結果

利用MATLAB 數據分析軟件對數據進行擬合，得到植筋率0.63%以內，植筋率與界面抗剪強度的關系：y=-2.96x2+4.62x+0.86；其中x 為植筋率（%），y 為界面的抗剪強度（MPa）。關系式與實測數據的相關系數為R2=0.98，R2越接近1，表示擬合曲線與實際數據越吻合，由此可以判斷擬合曲線比較符合實際情況。

4 結論

1）加固界面在開槽基礎上進行植筋可以更高效地提高新舊材料粘結面的抗剪性能，傳統鑿毛的處理方法在實際施工中不能精確掌握界面處理程度，開槽與植筋在實際工程中更方便操作，且對界面處理程度可以精準把握。

2）對構件進行植筋，相比無植筋處理，改變了構件的破壞形式，隨著植筋率的提高，構件的塑性也隨之提升。

3）實驗結果表明在一定開槽基礎上進行植筋處理，植筋率為0.63%時，界面抗剪能力是僅開槽時的3 倍，提升效果顯著，從而可以得出植筋可以有效提高界面的抗剪能力。