楊培仕

(中鐵十二局集團第二工程有限公司， 太原 030032)

0 引 言

隨著現(xiàn)有工程結構(拱壩、橋梁)中混凝土的老化與損害，在老混凝土結構上澆注新混凝土是混凝土結構補強加固中常用的方法，在新老混凝土共同承載情況下，不同承載方式時界面力學性能是影響混凝土結構補強加固的關鍵[1-4]。

大量工程實際和試驗研究表明：新老混凝土結合面是構件最薄弱環(huán)節(jié)。新老混凝土結構主要通過剪力的方式進行力的傳遞，其界面抗剪性能直接決定新老混凝土結構性能的優(yōu)劣[5]。新老混凝土界面力學性主要受界面粗糙度、修補材料(新混凝土)、界面劑和界面植筋等4種因素影響[6]。1)粗糙度：新老混凝土界面的粗糙度有效提高了結構的抗剪性能，目前提高新老混凝土界面粗糙度的方法主要有切槽法和人工鑿毛法[1,7]。2)修補材料：雖然目前修補材料一般都采用不同強度和不同類型的混凝土，但一般新混凝土對新老混凝土界面的抗剪性能的影響有限，因此，在新混凝土中摻雜一些特殊材料，可提高新老混凝土的抗剪性能[8-10]。3)界面劑：在混凝土結構修補或加固時，常用劑有膨脹劑、水泥凈砂漿或粉煤灰等涂抹在修補面上，從而提高界面的黏結性能[11-12]。4)界面植筋：在老混凝土打入鋼筋后澆注新混凝土，改善了新老混凝土界面抗剪性，極大提升新結構的承載力，是一種有效的加固處理方法[13-16]。盡管眾多學者對提高新老混凝土的力學性能的研究取得了許多有益的成果，但在改善新老混凝土結構性能，改變承載方式等方面依然有待深入研究。

在直剪條件下對7種界面傾角(修補方位角)和5種法向應力情況下新老混凝土進行剪切破壞試驗，并分析界面傾角及法向應力對新老混凝土剪切破壞的力學特性影響規(guī)律。

1 試驗方法

試驗試件為含不同傾角的新老混凝土塊，因此，在含新老混凝土界面的混凝土塊上切割不同傾角的混凝土試件(圖1)，將切割后的混凝土表面打磨，試件尺寸長寬高為100 mm×100 mm×80 mm。新老混凝土切割試件設置7種界面傾角分別為 0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°。

圖1 新老混凝土不同界面傾角試件

采用RMT-150B 型電液伺服巖石力學試驗系統(tǒng)對試件進行直剪試驗。該系統(tǒng)采用伺服控制，可實現(xiàn)載荷控制和位移控制。該系統(tǒng)的垂直最大壓縮荷載為1×103kN，水平軸最大荷載為50 kN，載荷控制精度≤1%FS。試驗采用分步加載的方式，首先要達到法向荷載的預定值，所以以0.5 kN/s的加載速率進行法向荷載的施加，并保持預定值不變；再以0.01 mm/s的剪切變形速率進行水平剪切力的施加，加載示意如圖2所示。

a—混凝土界面作用力； b—混凝土直剪試驗系統(tǒng)。

2 試驗測試及分析

從新老混凝土界面傾角、法向應力大小等方面對新老混凝土界面剪切力學特性進行測試。

2.1 界面傾角對剪切破壞力學性能影響

在法向應力6 MPa下，分別測試了新老混凝土界面傾角α為0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°時的剪切性能。不同試件的剪應力-剪切變形曲線如圖3所示，由圖可知，剪應力-剪切變形曲線均為峰值型曲線，且隨著界面傾角變化，剪應力-剪切變形曲線的變化趨勢基本一致。在剪切過程中，大致經歷了線彈性變化階段，破壞階段與殘余強度階段。初始階段隨著加載力增大，剪應力呈近直線增長，即線彈性階段；剪應力達到峰值后迅速減小，即破壞階段；由于法向應力的作用，剪切破壞后的試件剪切面產生摩擦阻力，剪應力基本不變，即殘余強度階段。

圖3 不同界面傾角剪應力-剪切位移曲線

在同一法向應力(6 MPa)作用下，不同新老混凝土界面傾角試件的峰值剪應力如圖4所示，峰值剪應力隨著界面傾角增大呈冪指數(shù)增大，相關系數(shù)R2在0.99以上。與界面傾角為0°時的峰值剪切應力相比，界面傾角為15°、30°、45°、60°、75°、90°時的峰值剪應力分別增加了23.22%、30.57%、35.26%、38.47%、40.58%和44.25%。由于新老混凝土界面的存在，使得混凝土具有高度各向異性，在剪切破壞沿界面(α=0°)發(fā)生破壞時，此時峰值剪應力最?。辉跈M切界面(α=90°)發(fā)生剪斷破壞，峰值剪應力最大；因此界面傾角在0°～90°時，峰值剪應力介于兩者之間。

圖4 峰值剪應力隨界面傾角變化規(guī)律

在法向應力(6 MPa)及剪切作用下，不同界面傾角新老混凝土的剪切位移-法向位移曲線如圖5所示。剪切位移-法向位移曲線斜率為正時表示剪縮，而斜率為負時表示剪脹。由圖可知：在剪切過程初始階段，法向位移隨剪切位移增大變化不大，此階段剪脹剪縮現(xiàn)象均不明顯；而后隨著剪切位移增大法向位移迅速增大，曲線斜率為負，表現(xiàn)為剪脹現(xiàn)象；當達到峰值應力后，曲線斜率變?yōu)檎?，變現(xiàn)為剪縮現(xiàn)象；在殘余強度階段，不同界面傾角時法向位移-剪切位移曲線的斜率也不同，當界面傾角較小(0°、15°和30°)時，曲線斜率為負但值較小，表現(xiàn)為輕微的剪縮現(xiàn)象，而當界面傾角較大(45°、60°、75°和90°)時，曲線斜率為正，表現(xiàn)為明顯的剪脹現(xiàn)象。

圖5 不同界面傾角剪切位移-法向位移曲線

不同界面傾角新老混凝土在壓剪作用下的破壞形態(tài)如圖6所示。由圖可知：界面傾角為0°時(圖6a)，試件的破壞為沿界面發(fā)生剪斷效應，裂紋沿界面擴展貫通；界面傾角為15°時(圖6b)，裂紋沿預定剪切面方向曲折擴展至貫通，并在主裂紋兩側出現(xiàn)不同程度的次生裂紋，主裂紋兩側的混凝土出現(xiàn)脫落現(xiàn)象，混凝土塊脫落方向與結構面傾角方向一致；界面傾角為30°時(圖6c)，主裂紋沿剪切面貫通，左端剪切接觸位置向右上方萌生出兩條與主裂紋近似平行的裂紋，混凝土表面出現(xiàn)剝落現(xiàn)象；界面傾角為45°時(圖6d)，裂紋并未在剪切方向貫通，裂紋從剪切面左右兩端開始擴展為上下兩條貫通裂紋，其中上裂紋從剪切面左端起向右上方擴展至界面方向，最終沿右上方界面開裂至貫通，而下裂紋從剪切面右端起向左下方擴展至界面方向，最終沿左下方界面開裂至貫通，在這兩條裂紋附近出現(xiàn)次生裂紋，并出現(xiàn)混凝土塊剝落現(xiàn)象；界面傾角為60°時(圖6e)，出現(xiàn)上下兩條主裂紋，其中上裂紋從剪切面左端起擴展至右上方，下裂紋從剪切面右端起擴展至左下方，兩條主裂紋并未貫通且附近出現(xiàn)少量次生裂紋，裂紋的起始端與最終擴展端附近都出現(xiàn)混凝土塊剝落現(xiàn)象；界面傾角為75°時(圖6f)，出現(xiàn)上下兩條主裂紋，其中一條從左端剪切面起擴展至右上方，另一條從右端剪切面起擴展至左下方，主裂紋附近出現(xiàn)少量次生裂紋，并且上主裂紋附近出現(xiàn)一條與其平行的裂紋，界面附近出現(xiàn)混凝土塊剝落現(xiàn)象，裂紋傾斜角度較界面傾角為60°時主裂紋傾斜角度要大；界面傾角為90°時(圖6g)，混凝土表面裂紋沿預定剪切面方向向前曲折擴展，擴展方向并不平整，在主裂紋兩側產生了不同程度的次生裂紋，并且在界面兩端出現(xiàn)大面積的混凝土塊剝落現(xiàn)象。綜上所述，在同等條件下，界面傾角不同，裂紋擴展模式不同，新老混凝土表面的裂紋分布形態(tài)復雜程度不同。

圖6 不同界面傾角剪切破壞形態(tài)

2.2 法向應力對剪切破壞力學性能影響

以界面傾角為0°和30°的新老混凝土為例，試驗測試在5種法向應力(2，4，6，8，10 MPa)下新老混凝土的剪切破壞力學特性。新老混凝土界面傾角為0°和30°時不同法向應力下的剪應力-剪切位移曲線如圖7所示。由圖可知，不同法向應力對新老混凝土剪切破壞的剪切應力-剪切位移形態(tài)基本一致，均表現(xiàn)為脆性破壞特征。

新老混凝土界面傾角為0°時(圖7a)，剪應力-剪切位移曲線為峰值型曲線，這是因為新老混凝土界面有一定咬合力，在剪切過程中初始階段曲線成近直線，剪應力產生呈線性增長，此時試件的力學性質表現(xiàn)為線彈性，此階段為線彈性階段；剪應力達到峰值后迅速下降，試件從彈性變?yōu)樗苄裕穗A段的試件內部在壓剪力作用下產生大量微裂紋并導致整個剪切面貫通，從而發(fā)生脆斷，此階段屬于破壞階段；試件破壞后剪應力相對穩(wěn)定，此階段的強度由法向應力下的摩擦力產生，屬于殘余強度階段。同時，從圖7a還可以看出，當法向應力較大時(6，8，10 MPa)，剪應力達到峰值后試件突然產生一個應力下降(剪應力幾乎達到0)，這是因為試件內部積蓄的能量得到突然的釋放，破裂面貫通，并伴隨著較大的斷裂聲[17]。隨著能量的釋放完全，在法向應力的作用下剪切面產生摩擦力，剪應力跌近 0 后又增大至某一數(shù)值。

a—α=0°；b—α=30°。2 MPa; 4 MPa; 6 MPa; 8 MPa; 10 MPa。

新老混凝土界面傾角為30°時(圖7b)，剪應力-剪切位移曲線為典型的脆斷復合型。當法向應力較小時(2，4 MPa)，在剪切過程中初始階段的曲線成近直線，剪應力產生呈線性增長，此時試件的力學性質表現(xiàn)為線彈性，此階段屬于線彈性階段；而后剪應力已經超過屈服強度，剪切位移變化較大，由彈性變形轉變?yōu)樗苄宰冃?，由于界面的存在加大了試件的塑性特征，此階段的混凝土內部開始出現(xiàn)裂紋并發(fā)育，產生局部裂隙帶，但仍具有一定的承載力。當剪應力達到峰值后，隨著裂紋不斷發(fā)展，混凝土內部裂紋貫通造成徹底斷裂，在很小的剪切變形下剪應力發(fā)生驟降，此時試件完全不具有承載力，發(fā)生失穩(wěn)破壞；剪應力降至最小值后，在法向應力作用下剪應力主要是由破壞面摩擦力產生，該階段屬于殘余強度階段。當法向應力較大時(6，8，10 MPa)，剪應力-剪切位移曲線與界面傾角為0°的混凝土在法向應力較小時的剪應力-剪切位移曲線相似(圖7a)。

峰值剪切應力與法向應力的關系如圖8所示。由圖可知，隨著法向應力增大，剪切峰值剪應力呈線性增大，相關系數(shù)R2均在0.98以上，這是因為隨著法向應力增大，剪切面兩側的顆粒被壓制得更為緊密，剪切面要克服顆粒之間的相關作用而發(fā)生相對滑移，所需的剪切力也隨之增大。界面傾角為30°時，剪切面在新老混凝土內部，而界面傾角為0°時剪切面即為新老混凝土界面，相對而言，剪切面沿新老混凝土界面時更容易發(fā)生剪切破壞，因而，界面傾角越大，剪切破壞時的峰值剪切應力越大。

圖8 峰值剪應力與法向應力關系曲線

在不同法向應力作用下，試件剪切破壞過程中的法向位移隨剪切位移的變化規(guī)律如圖9所示。由圖可知，在法向應力較小時(2，4 MPa)法向位移-剪切位移曲線基本一致，而法向應力較大時(6，8，10 MPa)法向位移-剪切位移曲線基本一致。即法向應力的大小對法向位移-剪切位移曲線影響明顯。而且，界面傾角較大時，法向位移的變化量顯著大于界面傾角較小時的法向位移。當界面傾角為0°時(圖9a)，在法向應力較小條件下加載初始階段的剪切位移-法向位移曲線斜率為正，表現(xiàn)為剪縮現(xiàn)象；而后剪切位移-法向位移曲線斜率為負，表現(xiàn)為剪脹現(xiàn)象。在法向應力較大的情況下，剪切應力達到峰值前法向位移隨剪切位移增大，曲線斜率為負，表現(xiàn)為剪脹現(xiàn)象；達到峰值應力后，剪切位移-法向位移曲線斜率突然發(fā)生變化，變?yōu)檎?，即發(fā)生劇烈的剪縮現(xiàn)象，而后斜率雖為正但變小，剪縮現(xiàn)象不明顯。當界面傾角為30°時(圖9b)，不同法向應力做作用下剪切位移-法向位移曲線形態(tài)基本一致，均是在達到峰值剪應力之前曲線斜率為負，表現(xiàn)為剪脹現(xiàn)象；在達到峰值應力之后，曲線斜率突然為正，表現(xiàn)為劇烈的剪縮現(xiàn)象。

a—α=0°； b—α=30°。2 MPa; 4 MPa; 6 MPa; 8 MPa; 10 MPa。

不同法向應力作用下試件剪切破壞形態(tài)如圖10所示。由圖可知：當界面傾角0°時，裂紋沿剪切面(界面)方向向前擴展形成主裂紋，并通過界面貫通，主裂紋兩端有輕微的次生裂紋產生并發(fā)生混凝土塊剝落現(xiàn)象，且隨著法向應力的增大，表面混凝土塊剝落的面積增大，表面破壞程度越高；當界面傾角為30°時，剪切面與界面都有裂紋產生，混凝土表面有剝落現(xiàn)象；隨著法向應力增大，主裂紋沿剪切面貫通，剪切接觸位置萌生出近似平行于界面的裂紋，剪切面兩端的混凝土表面剝落面增大。法向應力越大，裂紋越易沿預定剪切面方向擴展貫通，且主裂紋的寬度越大，混凝土表面剝落面積越大，剪切破壞程度越高。

a—α=0°, σ=2 MPa； b—α=0°, σ=4 MPa； c—α=0°, σ=6 MPa； d—α=0°, σ=8 MPa； e—α=0°, σ=10 MPa； f—α=30°, σ=2 MPa； g—α=30°, σ=4 MPa； h—α=30°, σ=6 MPa； i—α=30°, σ=8 MPa； j—α=30°, σ=10 MPa。

3 結 論

1)新老混凝土不同界面傾角時剪切過程中剪應力-剪切位移曲線均為峰值型曲線，大致經歷線彈性變化階段、破壞階段和殘余強度階段。

2)在同一法向應力作用下，不同新老混凝土界面傾角試件的峰值剪應力隨著界面傾角增大呈冪指數(shù)增大，相關系數(shù)R2在0.99以上。

3)在剪切過程中，新老混凝土剪切破壞一般表現(xiàn)為剪脹-剪縮混合型。界面傾角對剪切破壞裂紋擴展模式裂紋分布影響顯著。

4)不同法向應力對新老混凝土剪切破壞的剪切應力-剪切位移形態(tài)基本一致，均表現(xiàn)為脆性破壞特征。且隨著法向應力增大，剪切峰值剪應力呈線性增大，相關系數(shù)R2均在0.98以上。

5)法向應力的大小對法向位移-剪切位移曲線影響明顯，界面傾角較大時，法向位移的變化量顯著大于界面傾角較小時的法向位移。

6)法向應力越大，裂紋越易沿預定剪切面方向擴展貫通，且主裂紋的寬度越大，混凝土表面剝落面積越大，剪切破壞程度越高。

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