切槽与植筋对新老混凝土黏结面抗剪性能试验研究

2021-02-26许艳松

山西交通科技 2021年6期

许艳松

（河北雄交投工程咨询有限公司，河北保定 071700）

目前，混凝土结构的修复和补强成为了重要的课题，增大截面加固的方法也越来越受到更多从业者的青睐。然而，修复后的新老混凝土结合面的受力性能与增大截面加固的施工方法有关。为此，有学者展开了一些研究，利用新混凝土补强可以提高混凝土结构的整体受力性能[1-2]，实践结果表明被修补的新混凝土材料的强度提高了1～2个级别。秦明强[3]通过对比3类强度等级的新混凝土，研究发现高等级新混凝土对于结合面的黏结强度提高影响不大。陈峰等人[4]研究发现将自密实混凝土作为补强材料也能提高混凝土的整体受力性能。本文以自密实混凝土为新混凝土和以普通混凝土为老混凝土，研究新老混凝土在加固方位、黏结面处理方式下的黏结面性能。

1 试验设计

1.1 原材料性能

普通混凝土：水泥P.O42.5[5]。粗骨料的最大粒径为20 mm，表观密度为1 550 kg/m3。减水剂为聚羧酸醚类减水剂。对于新拌自密实混凝土的坍落度要求在650±50 mm。老混凝土采用C30普通混凝土，新混凝土采用C35自密实混凝土，具体配合比见表1。

表1 新老混凝土配合比 kg/m3

1.2 黏结面处理

老混凝土接触面采用植筋处理（见图1）。

图1 植筋处理

切槽处理（见图2）两种方式处理，切槽形式有二型槽、上一型槽、中一型槽、下一型槽4种。

图2 切槽处理

接触面的界面剂选用能提升新、老混凝土结合面抗剪黏结能力的材料，本文选用与新混凝土同标号的水泥砂浆作为界面剂。选用试件编号见表2。

表2 试件编号

用如图3所示的方式浇筑新混凝土，非接触面的位置用泡沫板，待混凝土脱模后，将其放置在恒温恒湿箱内，养护28 d。待养护结束，进行剪应力和应变的试验。

图3 新混凝土浇筑

1.3 黏结面应变测量

为了考察黏结面在受剪状态下新、老混凝土的应力-应变曲线变化，在接触面两侧贴应变片来测量，图4所示是应变片粘帖示意图。

图4 应变片粘帖示意图

2 试验设计

本文采用千斤顶加载装置，在混凝土试件与台座接触面之间设置一个50 mm×50 mm正方形垫板，保证试件、垫块、千斤顶和传感器在一条直线上，使得试件在此加载装置下处于纯剪状态。加载试验装置见图5。黏结面所得的剪应力近似用名义剪应力表示，具体计算见式（1）：

图5 试件加载装置设计图

式中：F为施加的荷载，N；A为新老混凝土接触面的面积，长为100 mm，宽为100 mm，mm2。对于切槽而言，需减去切槽区域的面积，对于植筋而言，需减去钢筋断面的总面积。若施加的荷载为破坏荷载，此时的τ为剪切强度。

3 试验结果分析

3.1 不同条件下剪切强度的分析

从图6a中可以看出，1-1试件的剪切强度是1-2试件的2.06倍，而1-3试件的剪切强度是1-1试件的1.28倍。说明凿毛刻槽刷水泥浆（二型）切槽中，顶面加固可以有效增大剪切强度，而底面加固效果并不明显。对于图6b中，2-3试件的剪切强度最小，2-2的剪切强度最大，2-2试件的剪切强度是2-3的1.1倍。并且1-2试件、2-1试件、2-2试件、2-3试件的剪应力相差不大，所以切槽类型对加固效果影响较小。而图6c描述的是凿毛植筋与（二型）切槽在不同加固部位时的剪切强度，植筋下的剪切强度明显高于（二型）切槽下的剪切强度，3-1试件的剪切强度是1-1试件的1.44倍，3-2试件的剪切强度是1-2试件的2.34倍，3-3试件的剪切强度是1-3试件的1.26倍，且3-3试件的剪切强度最大，为8.45 MPa，植筋加固处理效果最好。

图6 不同试件的剪应力

3.2 应力应变曲线分析

为了较好地描述新老混凝土结合面的抗剪性能及破坏特征，本文利用应力应变曲线展开分析。

从图7中可以看出施加的应力小于1 MPa时，不同试件的应变几乎相等。对于图7a，当应力大于1 MPa时，不同加固部位的应变值的增量发生变化；当剪应力从1 MPa增加至2.2 MPa时，1-1试件中的新混凝土与老混凝土的应变分别增加至16 με与15 με，1-2试件中的新混凝土与老混凝土的应变分别增加至24 με与22 με，1-3试件中的新混凝土与老混凝土的应变分别增加至13 με与14 με。并且随着应力的加大，1-2试件的应变变化较快，逐渐进入弹塑性阶段，而达到屈服时新混凝土的应变要低于老混凝土。这可能是自密实混凝土的水泥砂浆基质含量较大，且应水泥水化反应的需要，不断地消耗了混凝土内部的水分[6]，从而使得从初凝至第7 d的养护时间内，自密实混凝土的收缩程度较普通混凝土更大[7]，从第7 d开始至养护期结束，自密实混凝土的收缩徐变逐渐缓慢。自密实混凝土在水泥收缩硬化后，结构内部容易产生拉应力，使得接触面易形成裂纹[6]，所以在结构破坏时，新混凝土的应变小于老混凝土。应力达到4.7 MPa时，试件1-2进入弹塑性阶段，最终至破坏时，新混凝土与老混凝土的应变分别增加至157 με与128 με。试件1-3则是在应力达到6.2 MPa时，进入弹塑性阶段，并最终至破坏时，使得新混凝土与老混凝土的应变分别增加至171 με与148 με。对于图7b而言，线弹性阶段，不同切槽处理的试件的应力应变变化基本相等，而到了弹塑性阶段，试件2-2的应变增加最明显，在新、老混凝土的应变分别达到87 με、78 με后，黏结面破坏。图7c中，3-2试件的应变增长较快，应力为5 MPa时，新、老混凝土的应变分别为109 με、99 με，随着应力的增大，3-2试件进入了弹塑性阶段。与3-2试件不同的是，试件3-1与3-3分别需要达到6 MPa、7 MPa才能进入弹塑性阶段，并且试件3-3新、老混凝土的破坏应变分别为180 με、150 με。综上所述，除个别情况，新混凝土的应变普遍大于老混凝土，并且植筋加固能最大程度地发挥黏结面的抗剪性能，顶面加固可以改善抗剪性能。

图7 不同试件的应力应变规律

3.3 黏结面失效模式

本文从破坏特征观察侧面与顶面二型槽，顶面、侧面与底面植筋情况下的黏结面失效模型。

从图8a和图8b可以看出，黏结面的裂缝呈曲线展开，偏向于老混凝土展开，且破坏平面内没有骨料被剪断的痕迹。同样可以看到，图8c和图8d中的黏结面的破坏线形较顶面更加平直。与顶面加固类似，侧面加固的黏结破坏也是从老混凝土展开。从图8e～图8g可以看到，裂缝的展开并不明显，也就是说钢筋的植入加强了新老混凝土结构的整体稳定性。凿毛黏结面的失效并不会引起结构整体的失效，只有当钢筋与新混凝土黏结性能减弱，即钢筋与混凝土不再咬合成整体时，结构整体才失效。