魏 鵬， 周明洋

(1.河南理工大學 土木工程學院， 河南 焦作 454003； 2.中鐵北京工程局集團有限公司機場工程分公司， 北京 100000 )

近幾年來，我國的房屋建筑因自然災害的原因導致大量受損，針對受損房屋的修復加固勢在必行[1]?，F(xiàn)在建筑物常用的加固方法有增大截面法、粘貼鋼板加固法、外加預應力加固法、增設支點加固法和粘貼纖維復合材料加固法等[2]。但這些方法都存在一些不足，如增大截面加固法和增設支點加固法對凈空有較大影響，粘貼鋼板加固法只適用于受彎或受拉構件，外加預應力法不適用于高濕度環(huán)境下的混凝土結構，粘貼纖維材料復合加固法早期對混凝土構件剛度提升小。工程纖維增強水泥基復合材料(Engineering Fiber Reinforced Cementitious Composites，簡稱ECC)是一種用于加固的復合材料，具有較高的韌性、延展性和耐久性，同時具有較高的抗裂性能和裂縫控制能力[3-6]。將ECC應用在房屋建筑的修復加固中，可解決現(xiàn)在常用加固方法存在的問題。然而在用復合材料對既有混凝土結構進行修復加固時，往往因粘貼面兩側材料在受力時變形不同步而產生滑移，導致修復后的構件發(fā)生剪切破壞[7-9]。因此，提高修復結構的整體工作性能，關鍵在于提高修復材料與既有混凝土構件粘結面的抗剪切能力。

本文擬對ECC與原混凝土Z型粘結試件進行試驗研究，分析4種不同類型的界面粗糙度對ECC與原混凝土界面粘結抗剪性切能的影響規(guī)律。

1 試驗概況

1.1 試驗材料

所用材料為老混凝土，它為提前澆筑的一批尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的普通混凝土試塊。老混凝土由以下材料組成：普通硅酸鹽水泥P·O42.5；細骨料，為最大粒徑5 mm普通河砂；粗骨料，為粒徑5～25 mm的碎石；普通自來水。混凝土28 d抗壓強度為34.26 MPa，其配合比如表1所示。

ECC配合比強度設計值為40 MPa，所用材料為水泥、Ⅰ級粉煤灰、細砂(粒徑小于0.6 mm)、PVA纖維(日本Kuraray公司生產的K-ⅡREC15型，其性能見表3)、減水劑、水。ECC28 d抗壓強度為42.5 MPa，其配合比如表2。

1.2 試件制作

為了使粘結試件截面上的應力分布均勻，且在加載時能保持試件粘結面與加載方向一致，結合相關試驗資料[10-11]，本文采用Z型試件對ECC與老混凝土粘結試件和混凝土整體試件的抗剪切性能進行試驗研究。Z型試件尺寸(單位為mm)如圖1所示。

表2 ECC配合比

表3 PVA纖維性能

圖1 ECC與老混凝土Z型粘結試件示意圖

試件制作過程如下：

(1) 將老混凝土試塊切割成150 mm×100 mm×75 mm的小試塊，粘結區(qū)域為100 mm×100 mm的正方形。

(2) 對老混凝土表面進行4種不同粗糙度的處理，如圖2所示。

Ⅰ型面：用鋼毛刷將老混凝土表面浮灰刷掉，使試塊表面平整光滑；

Ⅱ型面：采用手動鑿毛的方式，將老混凝土表面的部分石子和砂漿除去，刷去浮灰后用清水沖洗干凈，使表面有小幅度的凹凸不平，平均粗糙度為1～1.3 mm；

(a) Ⅰ型面 (b)Ⅱ型面

(c) Ⅲ型面 (d) Ⅳ型面圖2 處理后的老混凝土界面

Ⅲ型面：用鑿子除去部分水泥砂漿后，用水槍沖刷，使部分粗骨料裸露，試塊表面呈明顯凹凸不平狀，平均粗糙度為2.2～3 mm；

Ⅳ型面：用小型切割機對老混凝土表面每間隔30 mm 進行一次切槽處理，切槽寬為20 mm、深為10 mm。由于手工鑿毛處理老混凝土界面容易使混凝土試塊內部產生不可見裂縫或局部損傷，為了更好地控制施工質量，采用溝槽法對界面進行處理。另外，用該方法制作Z型試件，ECC嵌入溝槽內部，改變了粘結面的受力情況，可從不同角度對界面粘結性能進行對比分析。

(3) 澆筑Z型試件。將上述處理過的老混凝土試塊放入水中浸泡24 h以上，取出清洗干凈，除去表面明水；將模具刷油后在相應位置放置老混凝土塊，分別澆筑ECC(ECC的制備過程見圖3)和新混凝土，在振動臺上振動60 s，振動時用器械固定老混凝土試塊，使粘結面始終位于中軸線的位置，結束后抹平表面。

圖3 ECC制備流程圖

(4) 試件養(yǎng)護。48 h后拆模，使試件成型后具有一定的粘結強度，避免過早拆模時粘結面處的粘結強度較低而導致試件提前發(fā)生破壞，灑水后用塑料薄膜覆蓋，置于室內(溫度(20±2)℃，濕度95%)養(yǎng)護28 d后進行試驗。

1.3 試驗過程

在WAW-1000型微機控制電液伺服萬能試驗機上對Z型試件進行加載，為保證試件加載時兩端受力均衡，加載前在Z型試件上端和下端各放置一塊400 mm×200 mm×10 mm的鋼墊板，將Z型試件對中放置，使粘結面與墊板中線和加載中心線保持一致，試驗加載裝置如圖4所示。加載方式采用荷載控制，加載速度為0.3 kN/min，連續(xù)均勻加載至試件破壞。

圖4 Z型試件抗剪加載圖

2 試驗結果與分析

2.1 試驗現(xiàn)象及粘結面破壞特征

試驗過程中，經(jīng)不同粗糙度處理的4種Z型試件被破壞時，破壞面均位于粘結面處。試件加載到一定荷載時，裂縫首先出現(xiàn)在粘結面的頂端，然后隨著荷載的增加沿粘結面向下擴展，當所施加荷載大于界面粘結強度時，粘結面處兩種材料之間產生較大的滑開位移，試件發(fā)生破壞，如圖5所示。這說明在使用ECC對老混凝土構件進行修復時，粘結面容易發(fā)生剪切破壞。

圖5 粘結面破壞形態(tài)

其中，Ⅰ型面試件破壞表面較為平滑，老混凝土表面僅粘有少量ECC基體，ECC與混凝土之間的粘結作用主要來源于兩者之間的膠結力和摩擦力，且其粘結強度較小。Ⅱ型面和Ⅲ型面試件中的混凝土破壞表面存在大量被剪斷的ECC基體，甚至還有少許被拉斷的纖維殘留在粘結表面上，不同的是，Ⅲ型面試件的破壞表面還有部分混凝土粗骨料被剪斷。這說明，與Ⅰ型面試件相比，Ⅱ、Ⅲ型面試件中ECC與老混凝土之間的粘結力還多了機械咬合力，即ECC與部分混凝土粗骨料一起參與抗剪。Ⅳ型面試件破壞時槽內填充的ECC被沿粘結面剪斷，纖維被大量拉斷或拔出，部分老混凝土也被剪斷，破壞面較為平整；此時主要由ECC和少部分混凝土來參與抗剪。各類型試件粘結面破壞情況如圖6所示。

(a) Ⅰ型面 (b) Ⅱ型面

(c) Ⅲ型面 (d) Ⅳ型面圖6 各類型試件破壞面

2.2 粘結面抗剪強度試驗結果及分析

ECC與老混凝土粘結面處的抗剪強度τ可按下式計算:

(1)

式中：V為剪切破壞時的荷載值(kN)；A為粘結面的面積(mm2)。它們的取值以實際測量值為準。

為避免拆模時操作不當而影響試件的早期粘結強度，繼而影響試件的最終粘結強度，導致試驗結果離散性較大，在本試驗中，制作4種粗糙度類型試件4組共24個，同時制作1組6個混凝土整體試件。各類Z型粘結試件平均抗剪強度試驗結果見表4。

粘結試件的抗剪強度與界面粗糙度的關系如圖7所示。由圖7可以明顯看出，試件的抗剪強度隨著粗糙度的增大而增大，且粘結試件的抗剪強度均低于混凝土整體試件。這說明在使用ECC修復既有混凝土構件時，其粘結面的粘結性能是影響修復效果的主要因素之一。其中，Ⅲ型面試件中的老混凝土表面粗糙深度與Ⅰ、Ⅱ型面試件相比較大，有明顯凸出的粗骨料，使ECC與老混凝土表面的接觸面積大大增加，同時還由于ECC和部分混凝土粗骨料參與抗剪，Ⅲ型面試件抗剪強度比Ⅰ型面試件和Ⅱ型面試件的抗剪強度分別提高了167.4%和75.7%。Ⅳ型面試件與前3種粘結試件相比，其抗剪強度有明顯提高，達到了4.73 MPa，比Ⅲ型面試件提高了92.3%。這是因為Ⅳ型面試件對粘結面進行了切槽處理，粘結面上的剪力主要由嵌入槽內的ECC和部分混凝土承擔，屬于材料抗剪，不同于其他粘結面抗剪。另外，Ⅰ～ Ⅳ型面粘結試件的抗剪強度占混凝土整體試件抗剪強度的比例分別為14%、21.4%、37.6%和72.2%?？梢姡瑢匣炷两缑娌扇∏胁厶幚?，可大大提高界面粘結的抗剪強度。因此，在修復加固時，對薄弱環(huán)節(jié)采取切槽處理是非常必要的。

表4 各類試件抗剪強度

通過對試驗數(shù)據(jù)分析，得到了各粘結試件抗剪強度與界面粗糙度的函數(shù)關系，其線性關系表達式為：

τ=0.951 34Ra+0.498 56

(2)

式中，Ra為各類型試件的粗糙度(mm)。線性擬合相關系數(shù)為0.883 17，說明兩者是高度線性相關的。

圖7 粘結試件抗剪強度與界面粗糙度的關系

3 結論

本文通過對ECC與既有混凝土粘結界面抗剪性能的研究，得到如下結論：

(1) 各類型粘結試件均在粘結面處發(fā)生破壞，且各類型粘結試件的抗剪強度均低于混凝土整體試件的抗剪強度，說明ECC在對老混凝土構件進行修復時，其粘結面容易發(fā)生剪切破壞。

(2) 粘結面粗糙度的增大能顯著提高Z型粘結試件的抗剪強度。在用ECC對既有混凝土構件修復時，必須增大其粘結面的粗糙度，以增強其粘結性能。

(3) 對試驗結果進行處理得到了Z型粘結試件抗剪強度與界面粗糙度之間的函數(shù)關系式，抗剪切強度和界面粗糙度呈近似線性關系，可為實際工程的加固提供理論參考。