ECC与既有混凝土结合面的抗剪性能

崔 涛, 何浩 钱增志, 周大兴

(1.北京工业大学 工程抗震与结构诊治北京市重点实验室, 北京100124; 2.中冶建筑研究总院有限公司, 北京 100088; 3.中铁建设集团有限公司, 北京 100040)

高延性水泥基复合材料(engineering cementitious composites,ECC)是一种具有较高强度及韧性的新型建筑材料.其受拉变形性能极好,具有应变硬化特征,且内部乱向分布的纤维具有显著的阻裂作用,可避免构件有害裂缝在外力及环境作用下产生和发展[1-2].ECC适用于结构加固工程,可同时保证加固结构的耐久性及承载能力.近年来,国内外学者针对ECC在加固结构中的应用开展了广泛研究.如Kojima等[3-4]研究了ECC在大坝和引水槽等水利设施加固工程中的可行性;邓明科等[5-6]研究了ECC加固砌体结构承重墙体和既有混凝土梁柱等的力学性能.然而,统计数据表明：半数以上的加固工程在正常使用期间,既有混凝土与加固材料之间会产生界面裂缝,从而导致结构安全性能及耐久性下降,造成加固失效[7].因此,针对ECC与既有混凝土之间的黏结性能展开研究,具有重要理论及工程意义.国内外学者对此展开了一系列研究,如Tayeh等[8-9]开展了既有混凝土表面不同连接方式对ECC-既有混凝土界面破坏形态及承载能力的研究;Sarkar[10]研究了表面粗糙度对ECC与既有混凝土界面黏结性能的影响;王楠等[11]分析了新老混凝土基体强度、界面黏结剂种类和加固方法等因素对界面抗剪效果的影响,并给出经验公式;余江滔等[12]通过楔入劈拉试验研究了界面粗糙度对破坏模式及断裂韧度等的影响.以上研究对ECC与混凝土结合面及影响因素研究较多,但普遍未考虑钢筋对剪切作用的影响,且对结合面剪切荷载的组成机理也缺乏系统研究.

鉴于此,本文设计了3组带结合面的Z形剪切试件和1组整浇混凝土对比试件,进行了直接剪切试验,研究了剪切界面处理形式、抗剪钢筋直径等因素对ECC-既有混凝土结合面抗剪能力及剪切作用下荷载-滑移曲线的影响,提出了适用于ECC-既有混凝土结合面的承载力计算公式,并详尽分析了剪切承载力的组成及作用机理.

1 试验

1.1 试件设计

依据剪切界面处理方式,共设计3组16个带结合面的剪切试件(结合面无处理EC0组,结合面凿毛处理EC1、CC1组,结合面键槽连接处理EC2、CC2组),以及1组2个用于对比的整浇混凝土剪切试件XJ1和XJ2.试件设计及基本参数见表1.其中编号EC表示ECC与既有混凝土相结合,CC表示普通混凝土与既有混凝土相结合;fc、fy分别表示混凝土的轴心受压强度、钢筋的屈服强度;ρ表示试件配筋率.

表1 试件设计及基本参数Table 1 Specimen design and essential parameters

为保证试件的2个剪切单元不早于剪切面发生破坏,在剪切单元内布置钢筋.试件的几何尺寸及配筋如图1所示.其中结合面尺寸为100mm×180mm,结合面中的贯穿钢筋在新旧混凝土中的锚固长度均为80mm.

图1 试件设计及配筋Fig.1 Specimen design and reinforcement layout(size:mm)

1.2 加载与测量方案

加载装置为MTS-300M型电液伺服压力机,其底部为球铰支座.为更精确测量试件所受荷载及两部分的相对位移,在试件底部布置量程为200kN的高精度力传感器,在试件左右两侧布置位移传感器，在结合面左右约8mm处的抗剪钢筋上布置钢筋应变片,在结合面两侧的剪切单元分别布置竖向混凝土应变片.加载全程采用位移加载,速率为0.2mm/min.直至结合面两侧相对滑移量达到15mm或荷载降为峰值荷载30%时终止加载.加载与采集装置见图2.

图2 加载及采集装置Fig.2 Loading and acquisition equipment

2 试验结果与分析

2.1 破坏过程

EC0组试件在裂缝产生后迅速贯通,荷载即刻达到峰值,此后,剪切承载力快速降低.此时无抗剪钢筋的试件(EC01)已经破坏,无法再承受荷载;而配置抗剪钢筋的试件(EC02)在其界面遭到破坏后,由于钢筋的销栓作用及结合面间的摩擦咬合力,尚有一定的抗剪承载力,直到抗剪钢筋破坏或基体发生冲切破坏时,试件才最终破坏.图3为部分试件破坏时的裂缝形态.由图3可见：当配筋率ρ<1.71%时,试件破坏是由抗剪钢筋丧失承载力所造成的;当ρ≥1.71%，且达到峰值承载力时,除剪切面存在竖向主裂缝外,试件受剪基体还存在冲切破坏裂缝.

2.2 试件的承载力及滑移

各试件主要试验结果见表2.其中Vcr为试件的开裂载荷;Vp和sp分别为试件的峰值荷载和相应的相对滑移;Vu和su分别为试件的抗剪承载力和相应的相对滑移;Vd为试件在滑移量s=2.0mm时的荷载.需要说明的是，未配置抗剪钢筋的试件由于到达荷载峰值即破坏,因此认为其极限状态与峰值状态相一致.由表2可见：当配筋率相同时,EC2组试件的峰值荷载及抗剪承载力均高于EC1组试件,且二者均低于整浇试件.另外,在地震作用下,结合面处可能发生较大滑移,可将Vd作为结合面抗剪承载力设计值[13].据此计算,EC1及EC2组试件的Vd/Vp均大于0.70.可见采用该方法能较好地估算ECC与既有混凝土结合面的抗剪承载力,且有一定的安全储备.

2.3 荷载-滑移曲线

配筋试件结合面的荷载-滑移(V-s)全过程曲线如图4所示.由图4可见：各试件的V-s曲线大致呈4折线形态.其中第1拐点为开裂点,此时结合面相对滑移量接近零；第2拐点为峰值点,此时试件开裂但结合面滑移量较小,随后荷载随滑移量急剧下降,直至达到第3拐点；此后,随着滑移量的增加，承载力比较稳定,形成平台段,然后抗剪钢筋破坏,试件抗剪承载力急剧降低.除试件EC15、EC25外,其余试件均存在平台段.这是因为除EC15、EC25外,其余试件均是抗剪钢筋强化后突然丧失承载力的,而EC15、EC25是受剪基体冲切破坏引发的试件破坏,因而,其V-s曲线持续下降.

图3 部分试件破坏现象Fig.3 Failure phenomenon of part specimens

表2 各试件主要试验结果Table 2 Test results of specimens

图4 试件荷载-滑移曲线Fig.4 Loading-displacement curves of specimens

3 结合面抗剪承载力分析

为研究ECC与既有混凝土结合面抗剪承载力的计算方法,本文将国内外规范中混凝土结合面抗剪承载力的计算式列于表3,并根据各式对试件的抗剪承载力进行计算.以试件EC02、EC12、EC22为例,试件抗剪承载力计算结果见图5.由图5(a)可看出：采用既有规范计算混凝土结合面间的抗剪承载力大多偏于保守；ECC与既有混凝土间的抗剪承载力强于普通混凝土.鉴于以上两点,本文结合试验结果,对JGJ1—2014《装配式混凝土结构技术规程》中的公式进行修正,将抗剪承载力的两项系数采用线性拟合方法进行调整.当试件结合面采用键槽连接时,其抗剪承载力Vu计算式为：

(1)

式中：Ak为键槽根部面积之和;Avf为抗剪钢筋截面积.

当试件结合面采用凿毛粗糙面连接时,其抗剪承载力Vu计算式为：

(2)

式中：AE为凿毛粗糙面面积.

采用式(1)、(2)计算所得计算结果也列入图5.由图5可见,式(1)、(2)可较好地反应ECC与既有混凝土间的抗剪承载力,且具有一定的安全性.

表3 国内外规范中剪切结合面承载力计算公式Table 3 Formula for calculating bearing capacity in domestic and foreign codes

图5 采用不同计算式得到的试件抗剪承载力对比Fig.5 Comparison of shear bearing capacity calculated by different methods

4 结合面抗剪承载力全过程机理研究

上文提出的抗剪承载力计算公式旨在给出结合面的最大承载力估算值.然而,结合面抗剪承载力实际上是一个随滑移量动态变化的物理量.文献[14-15]虽然对结合面的抗剪承载力来源进行了研究,但只是区分了峰值点处的承载力,对于结合面抗剪全过程承载力的作用机理和动态变化尚缺乏研究.因此,为能够更深入地了解抗剪承载力的作用机理，本文对结合面受剪全过程抗剪承载力的组成和演变趋势进行了研究并给出相关计算式.

根据传统的剪切-摩擦理论可知,结合面的剪切荷载与滑移量s相关,可表示为V(s),其由界面黏结力Vad(s)、摩擦咬合力Vsf(s)和抗剪钢筋的销栓作用Vsr(s)组成,即：

V(s)=Vad(s)+Vsf(s)+Vsr(s)

(3)

Vad(s)由加固材料与既有混凝土间的化学作用产生,当结合面开裂时,Vad(s)开始失效;荷载通过Vsf(s)进行传递,若有键槽连接,还提供键槽抗力;结合面的相对滑移使得钢筋受剪,受剪钢筋抵抗结合面相对滑移会产生销栓力Vsr(s).

(1)摩擦咬合力Vsf(s).抗剪钢筋存在时,结合面开裂后抗剪钢筋阻止其继续脱离,骨料间摩擦咬合力仍存在,其计算表达式为：

Vsf(s)=μFr=μσsAvf

(4)

式中：μ为摩擦系数,取为0.8;Fr为钢筋受拉所产生的法向荷载;σs为钢筋应力.

(2)抗剪钢筋的销栓作用Vsr(s).国内外研究表明,销栓作用所承担荷载的大小与混凝土强度,受剪钢筋直径、强度,钢筋与加固材料的黏结效果等有关[16].Dulacska等[17]提出混凝土中钢筋销栓作用计算表达式为：

(5)

式中：d为钢筋直径;fco为混凝土的圆柱体抗压强度;β为抗剪钢筋与结合面的夹角.

(3)界面黏结力Vad(s).因界面黏结力Vad(s)难于实测,其作用机理不同于界面摩擦力,且在结合面受剪过程中是客观存在的,本文采用实测V(s)减去Vsr(s)和Vsf(s),得到Vad(s);同时,本文采用微分方程来推导Vad(s).取出1段ECC微元作为隔离体,进行受力分析.界面黏结力分析模型见图6.由图6可得：

τadldx=AEdσE

(6)

式中：τad为界面黏结应力;l为试件宽度;AE为ECC截面面积；σE为ECC应力.

设ECC弹性模量EE与既有混凝土弹性模量EC之比为η,则εC=-ηεE,其中εC为既有混凝土应变，εE为ECC应变.由变形协调方程可得相对滑移s为：

(7)

图6 界面黏结力分析模型Fig.6 Analysis model of interface bonding strenth

将式(7)两侧同时乘以EE,变换后求微分，再代入式(5),即可求得与位置x相关的滑移-剪切应力表达式：

(8)

式中：t为剪切单元的宽度.

在式(8)中代入边界条件：(1)σE(0)=σE0、σE(180)=0;(2)τad(0)=0、τad(180)=0;(3)s(0)=0、s(180)=st,即可得到微分方程的特解,其中，σE0为ECC初始应力；st为ECC的初始位移.式(8)的特解不宜在工程中直接使用,根据文献[18]的结果,将τad简化为s的四次函数形式,既可保证求解的精度,又便于在工程中应用.本文根据试验数据拟合,提出采用下式来表征τad(s)：

τad(s)=αs4-(1.6α+0.64)s3-2.2s2+5.5s

(9)

式中：α为常数.试件整浇时,α=-0.12;结合面无处理时,α=0.49;结合面为凿主粗糙面时,α=1.53;结合面为键槽连接时,α=1.66.

值得指出的是,式(9)仅在界面黏结力消失之前适用.采用式(9)计算的结果可较好地反应加载全过程剪切承载力各部分的变化趋势,并可用于计算特定滑移下抗剪承载力及组成.

以配筋率相同的试件XJ2、EC02、EC12、EC22为例,其抗剪承载力实测及计算结果见图7.其中Vad，c(s)、Vad，e(s)分别为界面黏结力的计算值及试验值，Vsf，c(s)、Vsf，e(s)分别为摩擦咬合力的计算值及试验值，Vsr，c(s)、Vsr，e(s)分别为钢筋销栓力的计算值及试验值. 由图7可知：试件开裂前,界面黏结力Vad(s)占剪切承载力的绝大部分,开裂后快速下降,结合面未处理或仅采用粗糙面时,Vad(s)在开裂后退化更加迅速；开裂后界面摩擦力Vsf(s)及钢筋销栓力Vsr(s) 提高,无法向荷载时,采用键槽连接比粗糙面能提供更大的界面黏结力,延缓钢筋屈服破坏.

5 结论

(1)当抗剪钢筋配筋率低于1.71%时,ECC与既有混凝土结合面发生受剪破坏,钢筋屈服但基体未发生破坏;当抗剪钢筋配筋率高于1.71%时,既有混凝土侧发生冲切破坏,基体破坏早于钢筋屈服,钢筋强度未得到充分利用,试件延性较差.

(2)配置抗剪钢筋试件V-s全曲线呈4段形态,ECC与既有混凝土结合面的抗剪承载力高于普通混凝土;键槽连接较粗糙面连接具有更大的剪切荷载;采用国内外规范提供的公式计算ECC与既有混凝土间的剪切承载力偏于保守,本文在JGJ1—2014基础上提出了承载力修正公式,其计算结果与实测结果吻合较好,可在实际工程中参考使用.

(3)采用本文提出的计算方法可较好反映试件在受力全过程中一定滑移量下结合面抗剪承载力组成及演化规律：开裂前抗剪承载力主要由界面黏结力承担,界面摩擦力及钢筋销栓力在开裂后迅速提高.