预制TRC板与混凝土界面性能研究

2021-09-03吴子林杜运兴周芬

新型建筑材料 2021年8期

吴子林，杜运兴，周芬

（湖南大学土木工程学院，湖南长沙 410082）

0 引言

目前，预制织物增强混凝土（TRC板）由于其在工厂预制的快速高效，且施工质量可以得到保证，越来越多的学者开始尝试采用预制TRC板加固混凝土构件[1-5]，但从已有的研究来看，预制TRC板与混凝土构件之间的粘结性能相比于现场湿作业有所减弱[6]。且从以往文献[7-9]中发现，无论是采用纤维织物侧面粘贴还是U型粘贴的方法，FRCM加固混凝土均易发生剥离破坏，剥离面一般为FRCM与混凝土的粘贴层，并且此种锚固方式易受到外界环境的影响，纤维织物的耐久性对温度及湿度有严格的要求。针对以上问题，本试验将在采用无机基质作为粘结层的基础上，利用射钉枪探索一种新的锚固方式，以避免TRC与混凝土易发生剥离破坏的问题，使加固达到最大效果。且采用射钉枪的加固不易受温度等环境因素的影响，试验装置简易、操作简单、施工效率高。

综上所述，本文基于预制TRC板加固混凝土构件的单面剪切试验，探讨了边缘距离、粘结层厚度、粘结层强度、是否凿毛等不同界面处理方式以及不同混凝土强度等级对预制TRC板与混凝土构件间界面粘结抗剪性能的影响。

1 试验

1.1 试验方法及试验设计

本试验采用单面剪切试验，具体试验装置见图1。

图1 单面剪切试验装置示意

混凝土构件尺寸为150 mm×150 mm×150 mm，混凝土设计强度等级分别为C25、C30、C35。混凝土所用材料如下：P·O42.5普通硅酸盐水泥；普通河砂，细度模数为2.5，Ⅱ区中砂；碎石，粒径5～25 mm。试验制作了3组共9个150 mm×150 mm×150 mm的混凝土试块，实测28 d的抗压强度见表1。

表1 混凝土试块的抗压强度 MPa

试验预制TRC板尺寸为150 mm×150 mm×16 mm，主要材料包括碳纤维织物、短切钢纤维以及高性能水泥基体。水泥基体所用材料是湖南固特邦公司提供的HPG-B水泥掺合料，板材水泥基体采用0.23的水胶比；粘结层所用材料与板材水泥基体相同，但采用了3种不同的水胶比。为了了解高性能水泥基体的力学性能，本文根据GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检测方法》对高性能水泥基进行了抗折强度试验以及抗压强度试验，试验制作了40 mm×40 mm×160 mm的水泥试块，实测7、14、28 d的抗压强度、抗折强度见表2。

表2 水泥基体的力学性能

试验所用射钉直径为5 mm，长度为42 mm，材料为65号钢，射击C30混凝土后，施加载荷将钉子拔出，其抗拉拔力≥2 kN。

本次试验共制作了20种工况，根据混凝土强度等级不同分为A、B、C三组试件，锚固数量均为4根射钉，锚固边缘距离（射钉位置距TRC板边缘的距离）分别为50、40、60 mm，具体试验工况见表3。

表3 试验工况

1.2 试件制作及加固流程

混凝土试块浇筑24 h后拆模，在（20±2）℃的室温中浇水养护15 d，然后自然养护至28 d。老混凝土试块龄期达到60 d后，在试块一侧进行凿毛以及射钉锚固处理。

TRC板的制作在特制的预应力张拉模具上进行，按下列步骤制作TRC板材：（1）清理模具；（2）将一层浸渍过环氧树脂的碳纤维织物平直的固定于模具中；（3）分3次浇筑水泥基体，在浇筑高性能水泥基的过程中掺入体积分数为1%的短切钢纤维。钢纤维的掺入是为了改善高性能水泥基体与碳纤维织物间的界面粘结性能，进一步提升板材的性能。（4）在浇筑完成后，用平板式震动器进行震动，最后抹平水泥基表面。（5）预埋木条。利用尺子等测量工具根据工况标注木条位置，将切割好的木条竖直插入对应位置，由于高性能水泥基的自密实性，木条与水泥基有良好的粘结性能。（6）拆模与养护。板材初步硬化后，在板材表面覆盖湿毛巾并进行洒水养护。3 d后将两端织物剪断，将板材从模具中取出，并移至标准养护室内，养护至28 d。经测量，板材的平均厚度约为16 mm。（7）将养护好的大板用切割机切成小板。

TRC板在制作过程中预埋木条，很大程度上减轻了预制TRC板在射钉锚固过程中的损伤，另外，粘结层的存在也减轻了射钉对试件的损伤，详见图2。

图2 TRC板射钉后初始裂缝

在混凝土构件以及TRC板均养护完成后，进行混凝土构件的加固，加固流程分为以下几个步骤：（1）对加固的粘结面进行处理，对老混凝土试块的粘结表面进行凿毛处理，除去老混凝土表面浮浆层，并在板材的粘结表面刻上斜痕，最后都用清水清洗干净，见图3。（2）用高性能水泥基将TRC板粘贴在老混凝土试块上，粘接层厚度分别为2 mm、4 mm。粘贴完成后在TRC板预埋木条处进行射钉锚固，见图4。在粘结层的水泥基材料养护7 d后，对试件进行单面剪切试验。

图3 混凝土试块凿毛

图4 TRC板加固混凝土剪切试件制作

1.3 试验装置及试验方案

试验采用600 kN万能液压试验机进行。由于是单面剪切试验，为了消除非剪切面的摩擦力，在非剪切面粘贴了特氟龙板。为了消除试验装置存在间隙的影响，进行预加载。预加载后，采用位移控制的方式进行单调加载，加载速率为0.5 mm/min。

2 试验结果及试件破坏模式

2.1 试验结果（见表4）

表4 单面剪切试验结果

2.1.1 粘结层对抗剪承载力的影响

试验结果表明，A0工况相对于对照组工况，抗剪承载力提高了28.35%。粘结层对试件的抗剪承载力提高的原因表现在2个方面：一方面，来自于粘结层的粘结强度，另一方面，粘结层有助于减轻射钉对试件的损伤（见图2）。因此，粘结层对于改加固技术是必要的。本文设置了3种不同粘结层水胶比（0.20、0.23、0.26），2种不同粘接层厚度（2、4 mm），进而研究粘结层对试件界面抗剪承载力的影响。为研究粘结层水泥基体不同水胶比对试件平均抗剪承载力的影响。对比表4中试件A1、A2、A3，B1、B2、B3，C1、C2、C3结果可知，各组试件的抗剪承载力均随着粘结层水胶比的增大而减小，变化趋势基本一致，对于A组试件，当粘结层水胶比从0.20增至0.23时，其平均抗剪承载力提高幅度由206.49%降低至172.48%，继续增大水胶比至0.26，抗剪承载力的减小更加明显。对比于A组试件，其余各组试件抗剪承载力随水胶比的增大而减小的幅度相对较小。由于各组试件在粘结层水胶比为0.20时，抗剪承载力达到最大值，因此，后续试件粘结层的水胶比均采用0.20。试验结果表明，各组试件平均抗剪承载力均随着粘结层厚度的增加而减小。主要有2个方面的原因：一方面，由于粘结层厚度增大导致剪切变形增大，对抗剪承载力产生了一定的影响；另一方面，是由于粘结层厚度的增加导致射钉埋入混凝土构件的深度有所减小，以致于抗剪承载力下降。因此，后续试件粘结层的厚度均采用2 mm。

2.1.2 射钉位置对抗剪承载力的影响

由于不同的射钉位置对于射钉过程中试件的损伤程度有明显的影响，因此，不同的射钉位置会间接影响到试件的抗剪承载力。本文设置了3种不同的边缘距离（射钉位置距TRC板边缘的距离）40、50、60mm，以此来表征不同的射钉位置。为研究不同边缘距离对试件抗剪承载力的影响，对比表4中试件A5、A1、A6，B5、B1、B6，C5、C1、C6结果可知，不同边缘距离对试件抗剪承载力影响显著，当边缘距离由40 mm增大至50mm，各组试件抗剪承载力均有着不同程度的提升，继续增大至60 mm时，除B组试件外，其余试件抗剪承载力随着边缘距离的增大都出现了降低的趋势。其中B组试件的混凝土强度等级为C25，可认为是低强度的混凝土对于边缘距离的要求更加严格，当边缘距离为60mm时，抗剪承载力达到最大值。由于大部分试件在边缘距离为50 mm时达到最大值，故后续试件采用50mm的边缘距离。

2.1.3 混凝土强度等级对抗剪承载力的影响

为研究不同混凝土强度等级对试件抗剪承载力的影响，对比表4中试件B1、A1、C1，B2、A2、C2，B3、A3、C3，B4、A4、C4，B5、A5、C5、B6、A6、C6结果可知，除B5、A5、C5外，其余试件都在混凝土强度等级为C30时抗剪承载力达到最大值，随着混凝土强度等级的提升，抗剪承载力出现先增后减的趋势，具体机理有待进一步研究。对比A1、B1、C1，A2、B2、C2，A3、B3、C3组试件可以看到，A1、B1、C1试件提升的幅度最小，且在下降段降低的幅度最大，故可认为粘结层水泥基体水胶比对于混凝土强度与抗剪承载力的关系也有着一定程度的影响。对比A1、B1、C1，A4、B4、C4组试件可以看出，随着粘结层厚度增加，试件抗剪承载力提升幅度有所减小，下降幅度有所增大。对比A1、B1、C1，A5、B5、C5，A6、B6、C6组试件可以看出，边缘距离对于混凝土强度等级与试件抗剪承载力关系也有着一定程度的影响。

2.2 试件破坏模式

根据试验现象发现，所有试件均存在撬出破坏现象，主要可以概括为3种形式：（a）混凝土表面有明显裂缝，裂缝由射钉尖端向混凝土边缘处开展，但并未出现混凝土破碎现象如图5（a）所示；（b）混凝土表面裂缝持续开展，直至混凝土呈三角锥式破碎，如图5（b）所示；（c）混凝土表面无明显裂缝，但在混凝土与粘结层界面处存在破碎情况，如图5（c）所示。

图5 试件撬出破坏

除此之外，试件（A1、A2、A3、A4、A6、B2、B3、C2、C4、C5）伴有TRC板与界面粘结层处的剥离破坏，如图6（a）所示。试件（A5、B1、B4、C6）伴有粘结界面发生了破坏，如图6（b）所示。试件C1破坏模式为射钉在混凝土内部断裂以及TRC板与界面粘结层处的剥离破坏同时存在的混合破坏模式，如图6（c）所示。试件C3破坏模式为射钉在板材内部断裂以及TRC板与界面粘结层处的剥离破坏同时存在的混合破坏模式，如图6（d）所示。其余试件（A0、B6）伴有混凝土与粘结层处的剥离破坏，如图6（e）所示。

图6 试件破坏模式

上述各组试件的试验结果显示，TRC板加固混凝土试块的界面破坏主要存在6种破坏形式，分别为：撬出破坏；射钉断裂在混凝土内部；射钉断裂在板材内部；粘结层破坏；板材与粘结层处的剥离破坏；混凝土与粘结层处的剥离破坏；其中大部分都是上述类型的混合破坏，如图7所示[图7（e）剥离破坏包含了上述后2种破坏形式]。

图7 破坏模式示意

2.3 试件破坏机理分析

根据试件的破坏形式可知，各组试件都存在撬出破坏，且撬出破坏的程度也有所不同，其可以通过射钉尖端周围混凝土表面的破碎以及由于撬出导致脱落的混凝土大小来表征。一旦发生撬出破坏，射钉就开始出现旋转现象，TRC板开始将射钉从混凝土中拉出，在这个过程中，试件会出现不同的破坏形式，包括试件粘结层发生破坏，TRC板与粘结层抑或混凝土与粘结层间的剥离破坏，射钉剪断等。可以看出，混凝土撬出破坏是由多种因素引起的，包括射钉在穿透混凝土时与粗骨料间的撞击、混凝土强度低、混凝土本身初始裂缝较多、射钉位置过于靠近混凝土边缘导致混凝土严重开裂以及射钉锚入深度不够等。

对比对照组试件与A0试件可以看出，粘结层的存在可以有效提高试件的抗剪承载力。对比A0试件与A1试件可以看出，混凝土表面凿毛处理对试件抗剪承载力的提高有显著效果。分析认为，粘结层的存在以及对混凝土表面进行凿毛处理可以有效提高TRC板与混凝土构件间通过粘结层形成的化学粘结力、摩阻力以及结合面凹凸不平产生的机械咬合力。