胡忠君，李家祥，王傲，趙洋，龍冰

（吉林大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)院，吉林 長春 130026）

0 引言

既有混凝土結(jié)構(gòu)加固改造過程中經(jīng)常遇到新舊混凝土界面結(jié)合問題，保證新舊混凝土間必要的粘結(jié)強(qiáng)度是工程改造取得預(yù)期效果的關(guān)鍵。現(xiàn)有研究成果表明：在無植筋條件下，新舊混凝土結(jié)合面的粘結(jié)強(qiáng)度主要取決于舊混凝土結(jié)合面的粗糙度、界面劑類型和新舊混凝土的抗壓強(qiáng)度等因素[1-4]。部分學(xué)者針對(duì)不同條件下的新舊混凝土結(jié)合面抗剪性能進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)研究[5-8]，相比傳統(tǒng)的界面處理方法，一些新型的混凝土界面劑不斷涌現(xiàn)[9]，其中采用新型混凝土界面結(jié)合膠（AY/HY133LP）可較大幅度提高新舊混凝土結(jié)合面的粘結(jié)強(qiáng)度，但在不同法向壓力作用下其結(jié)合面抗剪性能實(shí)際效果如何目前尚無相關(guān)研究工作開展。本文針對(duì)此問題開展靜力壓剪試驗(yàn)研究，為工程加固改造中新舊混凝土結(jié)合面粘結(jié)抗剪強(qiáng)度的確定提供一定的參考。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 原材料

新舊混凝土試件分別采用P·O42.5和P·C32.5水泥（長春亞泰水泥廠產(chǎn)鼎鹿牌）澆筑，按照相似理論，考慮試件的實(shí)際尺寸，粗骨料選用粒徑為3～6 mm連續(xù)級(jí)配碎石，細(xì)骨料選用細(xì)度模數(shù)為2.7～2.4的中砂，其平均粒徑為0.3～0.5 mm，含泥量為1.2%。

混凝土界面劑采用AY/HY133LP新舊混凝土界面結(jié)合膠，由大連法施達(dá)公司提供，該復(fù)合改性樹脂膠由AY133和HY133B雙組分組成，混合后密度為1.03 g/ml，黏度為500 mPa·s。使用時(shí)，將AY133和HY133B以5∶2的質(zhì)量比混合攪拌后，均勻無氣泡地涂抹在舊混凝土表面，涂抹膠層厚度不大于1 mm。結(jié)合膠涂刷完成后，立即澆筑新混凝土，充分振搗后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱。AY/HY133LP的力學(xué)性能指標(biāo)見表1。

表1 AY/HY133LP結(jié)合膠主要力學(xué)性能指標(biāo)

注：①與混凝土。

1.2 試件設(shè)計(jì)與制作

1.2.1 新舊混凝土粘結(jié)面人造粗糙度模板的制作

為保證每組試件的結(jié)合面擁有相同的粗糙度，試驗(yàn)中采用3D打印技術(shù)制備新舊混凝土粘結(jié)面人造粗糙度控制塑料模板，將模板固定在混凝土澆筑模具上，從而澆筑獲得多組粗糙度條件相同的新舊混凝土粘結(jié)面試件。

圖1為用三維設(shè)計(jì)軟件（UG）設(shè)計(jì)的4種粗糙度控制模板的三維模型，其中，圖1（a）為平直粗糙度模板，圖1（b）、（c）、（d）是由三維設(shè)計(jì)軟件（UG）隨機(jī)生成的模型中選取的3個(gè)表面設(shè)計(jì)粗糙程度依次增大的三維模型。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室壓剪試驗(yàn)機(jī)的剪切加載鋼模具尺寸，采用的三維模型水平投影面積為100 mm×50 mm，為使模板經(jīng)過混凝土擠壓后不產(chǎn)生裂紋、變形微小且能夠反復(fù)利用，試驗(yàn)采用的三維模型的厚度為1.5 mm。

圖1 4種粗糙度控制模板的三維模型

根據(jù)試件設(shè)計(jì)對(duì)模具數(shù)量的需求，試驗(yàn)采用UPBOX型3D打印機(jī)完成4組粗糙度控制模板（圖1中A、B、C和D組）各打印3個(gè)，得到12個(gè)新舊混凝土粘結(jié)面人造粗糙度控制塑料模板，打印模板所用材料為ABS塑料。

1.2.2 新舊混凝土結(jié)合試件制作

將粗糙度塑料控制模板涂刷機(jī)油潤滑后插入圓環(huán)形鋼模具中，卡入凹槽并加以固定，進(jìn)行混凝土澆筑，24 h后拆模，并將2塊混凝土中間的塑料控制模板取出，待28 d養(yǎng)護(hù)完成后，獲得多組粗糙度條件相同的混凝土粘結(jié)面試件擬作舊混凝土試件，具體如圖2所示。放置90 d后，再將舊混凝土試件進(jìn)行界面處理后重新放入鋼模具中，澆筑新混凝土，養(yǎng)護(hù)后得到完整的新舊混凝土結(jié)合試件。界面處理方式：A1、B1、C1、D1直接澆筑；A2、B2、C2、D2涂覆結(jié)合膠然后澆筑。試件為直徑50 mm、高度100 mm的圓柱體。全部試件分批澆筑，試驗(yàn)預(yù)留混凝土試塊，實(shí)測各組新舊混凝土平均抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fcuk'分別為：A1、A2、B1 組為 36.64 MPa；B2、C1、C2 組為 37.74 MPa；D1、D2 組為 37.58 MPa。

1.2.3 人造粗糙度表征

三維設(shè)計(jì)軟件生成粗糙度控制模板模型時(shí)，通過采集獲得模型表面上的各點(diǎn)坐標(biāo)作為分形維數(shù)的測量點(diǎn)，然后使用張亞衡等[10]提出的粗糙表面分形維數(shù)估算的改進(jìn)立方體覆蓋法，對(duì)A、B、C和D組的分形維數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，同時(shí)為了校核分形維數(shù)表示粗糙度數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，也采用了灌砂法表征舊混凝土粘結(jié)面粗糙度，見表2。

圖2 A組和D組舊混凝土試件

表2 4組舊混凝土試件的表面粗糙度

1.2.4 試驗(yàn)加載

試驗(yàn)使用小型混凝土壓剪儀測量新舊混凝土粘結(jié)面的抗剪強(qiáng)度，加載裝置如圖3（a）所示，該儀器的法向最大壓力為500 kN，橫向最大剪切力為300 kN，儀器分辨率為0.01 kN，儀器加載精度能夠滿足試驗(yàn)要求。

根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)中設(shè)置的4組粗糙度情況，綜合考慮到試件尺寸及混凝土試件粘結(jié)面的抗壓能力，試驗(yàn)采用0、0.6、1.2 MPa共3組恒定法向壓力分別對(duì)A、B、C、D4種粗糙度、2種結(jié)合面處理方法（直接澆注和涂覆界面結(jié)合膠）的24組（共72個(gè)）新舊混凝土結(jié)合試件進(jìn)行靜力抗剪試驗(yàn)。由于采用液壓油泵手動(dòng)加載，具體法向壓力以實(shí)際加載數(shù)值為準(zhǔn)，剪切盒內(nèi)試件結(jié)合面受力情況如圖3（b）所示。

圖3 壓剪試驗(yàn)機(jī)及粘結(jié)面加載受力示意

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

新舊混凝土結(jié)合面壓剪試驗(yàn)相關(guān)數(shù)據(jù)見表3。

表3 新舊混凝土粘結(jié)試件壓剪試驗(yàn)結(jié)果

2.1 粘結(jié)面抗剪性能分析

試件剪切加載至破壞時(shí)，新舊混凝土粘結(jié)面發(fā)生錯(cuò)動(dòng)并伴有一定響聲，試件脆性破壞的特征較為明顯。由表3可以看出：（1）當(dāng)粘結(jié)面法向壓應(yīng)力和粗糙度均不變時(shí)，界面采用結(jié)合膠處理較直接澆筑的粘結(jié)抗剪強(qiáng)度有較大幅度的提高。以D組試樣為例，當(dāng)法向壓應(yīng)力為0.6 MPa，粗糙度分形維數(shù)為2.23（平均灌砂深度2.45 mm）時(shí)，D2-23較D1-20粘結(jié)抗剪強(qiáng)度提高59.6%。（2）當(dāng)粘結(jié)面粗糙度和界面處理方式不變時(shí)，新舊混凝土粘結(jié)面抗剪強(qiáng)度隨粘結(jié)面壓應(yīng)力的增加而提高。以B組試樣為例，對(duì)于直接澆筑的處理方式，當(dāng)法向壓應(yīng)力由0 MPa增加到1.2 MPa時(shí)，B1-09較B1-07粘結(jié)面抗剪強(qiáng)度提高114.1%；對(duì)于采用界面結(jié)合膠的處理方式，當(dāng)法向壓應(yīng)力0 MPa增加到1.2 MPa時(shí)，B2-12較B2-10結(jié)合面抗剪強(qiáng)度提高80.3%。（3）當(dāng)粘結(jié)面法向壓應(yīng)力和界面處理方式不變時(shí)，新舊混凝土粘結(jié)面抗剪強(qiáng)度隨粘結(jié)面粗糙度的增加而提高。以B和D組試樣對(duì)比為例，法向壓應(yīng)力為0.6 MPa且界面采用結(jié)合膠處理時(shí)，當(dāng)分形維數(shù)從2.08增加到2.23時(shí)（灌砂平均深度從1.79 mm增大到2.45 mm）時(shí)，B2-11對(duì)比D2-23粘結(jié)面抗剪強(qiáng)度由2.19 MPa增加到2.41 MPa，也即粗糙度分形維數(shù)增加了7.2%，新舊混凝土粘結(jié)面抗剪強(qiáng)度增加了10.1%，而平均灌砂深度增加了36.9%，需要進(jìn)一步整體分析分形維數(shù)和平均灌砂深度與粘結(jié)抗剪強(qiáng)度之間的關(guān)系。

采用直接澆筑時(shí)，分形維數(shù)和平均灌砂深度與τ/fcuk'之間的關(guān)系分別見圖4、圖5。

由圖4和圖5可以看出：壓力恒定時(shí)，直接澆注粘結(jié)面τ/fcuk'隨分形維數(shù)和平均灌砂深度增加而增大，當(dāng)σ/fcuk'在0～0.02時(shí)（法向應(yīng)力由0增加到0.6 MPa），分形維數(shù)和平均灌砂深度均與τ/fcuk'之間具有良好的線性關(guān)系；當(dāng)法向壓應(yīng)力為1.2 MPa時(shí)，線性相關(guān)性稍差，表明分形維數(shù)法和灌砂法均可定量表征舊混凝土粘結(jié)面的粗糙度，當(dāng)粗糙度在較小范圍內(nèi)變化時(shí)，對(duì)于小面積構(gòu)件表面粗糙度的精確測定，分形維數(shù)法略優(yōu)于灌砂法。

圖4 分形維數(shù)與τ/fcuk'之間的關(guān)系

圖5 平均灌砂深度與τ/fcuk'之間的關(guān)系

2.2 粘結(jié)面粘結(jié)抗剪強(qiáng)度計(jì)算

本次試驗(yàn)中剪切破壞以新舊混凝土粘結(jié)面粘結(jié)破壞（界面發(fā)生錯(cuò)動(dòng)）為準(zhǔn)，不考慮法向壓力較大時(shí)粘結(jié)面發(fā)生錯(cuò)動(dòng)后的抗剪能力，即在不發(fā)生剪切破壞的前提下，粘結(jié)面的抗剪承載力主要取決于新舊混凝土的粘結(jié)力。在無植筋條件下，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)新舊混凝土粘結(jié)面抗剪性能進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)研究[11-12]，但對(duì)壓剪條件下新舊混凝土粘結(jié)面的粘結(jié)抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)研究相對(duì)較少。美國AASHTO（2003）、JGJ1—91《裝配式大板居住建筑設(shè)計(jì)施工規(guī)程》和現(xiàn)有研究成果[1，7，11，13]均表明，新舊混凝土粘結(jié)面的抗剪強(qiáng)度與粘結(jié)面的粗糙度、界面劑類型和新舊混凝土的平均抗壓強(qiáng)度相關(guān)。當(dāng)粘結(jié)面粗糙度分形維數(shù)在2.00～2.23（平均灌砂深度在0～2.45 mm）時(shí)，由表3中試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)τ/fcuk'與σ/fcuk'關(guān)系進(jìn)行線性擬合（見圖6），線性關(guān)系見式（1）：

式中：τ——新舊混凝土粘結(jié)面粘結(jié)抗剪強(qiáng)度，MPa；

σ——新舊混凝土粘結(jié)面法向壓應(yīng)力，MPa；

k1、k2——曲線擬合系數(shù)，對(duì)于直接澆筑的界面處理方式，k1=0.74，k2=0.022，線性擬合相關(guān)系數(shù) R2=0.896；對(duì)于涂覆結(jié)合膠的界面處理方式，k1=0.992，k2=0.047，線性擬合相關(guān)系數(shù)R2=0.945。

圖6 τ/fcuk'與σ/fcuk'關(guān)系曲線

對(duì)式（1）進(jìn)行整理有：

王振領(lǐng)[13]的試驗(yàn)結(jié)果表明：

式中：ζ1——粘結(jié)面粗糙度影響系數(shù)；

ζ2——粘結(jié)面界面劑類型影響系數(shù)。

令式（2）中σ＝0，則可獲得粘結(jié)面界面劑類型影響系數(shù)ζ2，假定直接澆筑時(shí) ζ2＝1．0，計(jì)算得涂刷界面結(jié)合膠時(shí) ζ2＝2．14。

圖4和圖5中擬合線性直線的斜率可以反映粘結(jié)面粗糙度影響系數(shù)ζ1的變化規(guī)律，隨著法向壓應(yīng)力的增加，ζ1逐漸減小。

上述計(jì)算公式是針對(duì)無植筋條件得出的，由于影響新舊混凝土粘結(jié)面粘結(jié)抗剪強(qiáng)度的因素眾多，限于試驗(yàn)試件尺寸和試件數(shù)量，計(jì)算公式的適用性還有待更多試驗(yàn)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證。

3 結(jié)論

（1）當(dāng)法向壓應(yīng)力和粗糙度不變時(shí)，界面采用結(jié)合膠處理較直接澆筑的粘結(jié)面抗剪強(qiáng)度有較大幅度的提高；當(dāng)粗糙度和界面處理方式不變時(shí)，新舊混凝土粘結(jié)抗剪強(qiáng)度隨粘結(jié)面壓應(yīng)力增加而提高；當(dāng)法向壓應(yīng)力和界面處理方式不變時(shí)，新舊混凝土粘結(jié)抗剪強(qiáng)度隨粘結(jié)面粗糙度增加而提高。

（2）新舊混凝土結(jié)合試件粘結(jié)面剪切加載至破壞時(shí)，粘結(jié)面發(fā)生錯(cuò)動(dòng)并伴有一定響聲，試件粘結(jié)面脆性破壞的特征較為明顯。

（3）依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)τ/fcuk'與σ/fcuk'關(guān)系進(jìn)行了線性擬合，提出了新舊混凝土粘結(jié)面粘結(jié)抗剪強(qiáng)度的計(jì)算公式，公式同

時(shí)考慮了法向壓應(yīng)力、粘結(jié)面粗糙度和粘結(jié)面界面劑類型的影響，受試驗(yàn)構(gòu)件尺寸和數(shù)量的限制，論文提出的粘結(jié)抗剪強(qiáng)度計(jì)算公式還有待更多試驗(yàn)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步驗(yàn)證。

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