梁振剛， 劉 姍

(益陽市交通規(guī)劃勘測設計院有限公司， 湖南 益陽 413000)

0 引言

在服役過程中，由于環(huán)境中有害元素的侵蝕和超載等原因，許多鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的承載性能發(fā)生了退化[1-3]，工程普遍采用增大截面法、FRP (纖維復合材料)法、鋼板法等加固方法對結(jié)構(gòu)進行加固，另外工程中還采用體外預應力筋來提高鋼筋混凝土橋梁的承載力[4-6]。在上述加固方法中，增大截面法以施工方便、成本低、強度高以及在潮濕、低溫環(huán)境下具有應用可能性等優(yōu)點，成為目前應用最廣泛的加固技術(shù)之一。

舊混凝土與加固層混凝土的界面黏結(jié)性能是影響增大截面法加固效果的關鍵因素。國內(nèi)外研究表明，界面黏結(jié)性能受到各種因素的影響，如界面粗糙度、黏結(jié)劑、固化條件、加固層混凝土含水率和加固層應力狀態(tài)[7-8]，其中，界面粗糙度被認為是最顯著的因素之一[9]。工程中加大界面粗糙的方法有人工鑿槽、開槽、噴砂、高壓注水、酸蝕等。植筋是另一種廣泛應用的界面處理技術(shù)。許多學者重點研究了植筋深度、鋼筋植筋和鋼筋間距對界面剪切強度的影響?，F(xiàn)有研究多集中于單獨研究界面粗化或植筋技術(shù)上，對上述兩類技術(shù)加固效果的比較研究較少。此外，傳統(tǒng)的增大截面法加固主要是在梁底部通過添加鋼筋混凝土來提高梁的剛度和強度。對于跨河橋梁，此方法可以應用于梁的頂部，所以增大截面法包括頂面加固、側(cè)面加固和底面加固[10]，然而，很少有研究對這些不同加固方法作用下界面黏結(jié)行為進行研究。

自密實混凝土(SCC)的發(fā)展進一步促進了增大截面法的應用。SCC的高工作性、高流動、高流動性、自動填充和自動流平使得SCC增大截面法加固施工相比普通混凝土更加有效和經(jīng)濟[11]。國內(nèi)外學者對于SCC加固層與基層混凝土的界面性能進行了一定的研究。Diab等[12]研究了混凝土強度、界面粗糙度、粗骨料類型和添加劑(如丁苯橡膠)對SCC和基層混凝土之間剪切黏結(jié)強度的影響。Gonzlez-Taboada等[13]評估了SCC的觸變性及其對層間黏結(jié)強度的影響。Zhang等[14]提出了一種新的自密實混凝土表面散射礫石制備技術(shù)，以取代現(xiàn)有的混凝土表面制備方法。通過劈裂試驗和斜剪試驗，研究了不同碎石粒徑自密實混凝土與老混凝土界面黏結(jié)性能。以上工作并沒有明確SCC加固層與基層混凝土之間的界面行為，對于不同的加固方法，需要進一步研究。

本文提出了一種研究舊混凝土與自密實混凝土界面抗剪強度的試驗方法。為此，設計了27組由2個L型混凝土構(gòu)件組成的Z型試件，并進行了直剪試驗。研究3種表面處理方法(開槽、植筋、打磨)和3種加固方法(頂面、側(cè)面和底面加固)對黏結(jié)界面強度的影響。

1 試驗

1.1 加固方式

為避免較大的彎曲應力，簡化加載裝置，設計了Z型試件。Z型試件由新老混凝土通過黏結(jié)界面組成，尺寸為100 mm×100 mm，所有試樣的厚度均為100 mm。3種不同的加固方式為: ① 頂面加固:底部為舊混凝土，頂部為SCC，如圖1(a)所示。②側(cè)面強化:新老混凝土在側(cè)面黏結(jié)，如圖1(b)所示。③底面加固:舊混凝土在上，SCC在下，如圖1(c)所示。

圖1 試件加固方式(單位： mm)

在L型模具中采用普通混凝土預制舊混凝土作為基層，舊混凝土養(yǎng)護完成并進行界面處理后，將基層放入立方體模具中。模具的其他空部分用SCC澆筑。普通混凝土與SCC之間的無黏結(jié)界面用聚苯乙烯泡沫板填充。普通混凝土強度為30 MPa。根據(jù)我國《混凝土結(jié)構(gòu)加固設計規(guī)范》[15]，用于加固的混凝土應不小于20 MPa，因此，SCC強度分別為30、35、40 MPa，所有混凝土強度都是按照《混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》[16]中標準試驗方法獲得。

1.2 界面處理

試件在SCC加固前對基層的黏結(jié)面進行處理。試驗設計了我國常用的4種界面處理方法:

第I類:將表面打磨粗糙并切出凹槽，設計出4種凹槽，如圖2所示。

1)I-a:在黏結(jié)界面上切兩個凹槽，長度100 mm，寬度10 mm，深度10 mm，兩個凹槽之間的距離為40 mm，如圖2(a)、圖2(b)所示。

2)I-b:在黏結(jié)界面右緣開一個槽，長度100 mm，寬度10 mm，深度10 mm，如圖2(c)、圖2(d)所示。

3)I-c:在黏結(jié)界面中間開一個槽，尺寸與I-b槽相同，如圖2(e)、圖2(f)所示。

4)I-d:在I-b左邊緣開一個槽，尺寸與I-b槽相同,如見圖2(g)、圖2(h)所示。

圖2 開槽試件(單位： mm)

第Ⅱ類: 將表面磨粗洗凈，然后用水泥漿作黏結(jié)劑，1 h內(nèi)澆筑SCC加固層，水泥漿體的配合比按照國家標準《混凝土界面處理劑》[17]進行設計。減水劑為三聚氰胺甲醛磺酸鹽。采用標準[17]測試水泥漿體的抗剪黏結(jié)強度和抗拉黏結(jié)強度。

第Ⅲ類: 將表面磨粗洗凈，保持濕潤，1 h內(nèi)完成SCC加固層的澆筑。

第Ⅳ類:將表面磨粗洗凈，然后將4根10 mm的鋼筋埋入基材中，錨固長度為100 mm。這些鋼筋的屈服強度為335 MPa。鋼筋位置如圖3所示。

圖3 黏結(jié)面植筋位置(單位： mm)

所有試件養(yǎng)護后放入碳化箱碳化2個月，再進行界面處理。

1.3 試件設計

試件共27組，每組3個,舊混凝土為C30,SCC混凝土為C35。各組試件的試驗參數(shù)見表1。

表1 試驗試件設計試件編號加固方式表面處理方式1-1側(cè)面加固Ⅰ-a1-2側(cè)面加固Ⅱ1-3底面加固Ⅰ-a1-4底面加固Ⅱ1-5頂面加固Ⅰ-a1-6頂面加固Ⅱ2-1側(cè)面加固Ⅰ-a2-2側(cè)面加固Ⅱ2-3底面加固Ⅰ-a2-4底面加固Ⅱ2-5頂面加固Ⅰ-a

續(xù)表1 試驗試件設計試件編號加固方式表面處理方式2-6頂面加固Ⅱ3-1側(cè)面加固Ⅰ-a3-2側(cè)面加固Ⅱ3-3底面加固Ⅰ-a3-4底面加固Ⅱ3-5頂面加固Ⅰ-a3-6頂面加固Ⅱ4-1側(cè)面加固Ⅳ4-2-上底面加固Ⅰ-b4-2-中底面加固Ⅰ-c4-2-下底面加固Ⅰ-d4-2-植底面加固Ⅳ4-3頂面加固Ⅳ5-1側(cè)面加固Ⅲ5-2底面加固Ⅲ5-3頂面加固Ⅲ

1.4 試驗加載

試驗加載裝置如圖4所示。在該裝置中，黏結(jié)界面與支承板中心對齊。千斤頂通過承載板向試件施加力，試件處于純剪切狀態(tài)。加載速率為5 kN一級。對于未測量應變的試樣，在各加載速率下觀察其開裂情況；對于測量應變的試樣，記錄黏結(jié)界面應變和開裂情況。

圖4 試件加載裝置

為了研究舊混凝土與SCC的黏結(jié)面滑移特性，在黏結(jié)界面兩側(cè)分別粘貼應變片。應變片位置如圖5所示。

圖5 試件應變片黏貼示意(單位： mm)

2 試驗結(jié)果

2.1 試件破壞模式

I類試件在完全破壞前，基層上的骨料喪失剪切能力，但是界面沒有完全破壞，這是由于有嵌入基層切槽SCC的存在，當荷載達到極限荷載時，此類試件由于嵌入層被剪斷而破壞，如圖6(a)所示。

II和III類試件的最終破壞模式相似，破壞模式為一條主裂縫貫穿整個黏結(jié)界面，破壞時，界面由于剪力過大而剪斷，這與Zhang等[18]的試驗結(jié)果類似。但是不同的加固方法試件開裂過程和破壞后界面狀態(tài)有所不同。當荷載達到極限荷載的50%時，頂部和側(cè)面加固試件的黏結(jié)界面仍未出現(xiàn)裂紋，而底部加固試件的黏結(jié)界面出現(xiàn)了微裂紋。當荷載達到極限荷載的80%時，采用頂部和側(cè)面加固的試件黏接界面開始開裂，底部加固試件的裂縫延伸至界面中部。對于頂部加固試件，將SCC加固層骨料切割并黏接在基層上。側(cè)面和底面加固的試件界面沒有出現(xiàn)明顯的骨料脫落情況，如圖6(b)所示。

第IV類試件界面剪應力受骨料機械咬合力和鋼筋錨固作用的抵抗。加固試件除了側(cè)面和底面破壞，界面上的裂紋較頂面加固試件的裂紋更直觀,如圖6(c)所示。

(a) I類界面處理試件

不同加固方式試件的破壞模式相似:首先是黏結(jié)界面失效，接著是鋼筋與SCC加固層之間的黏結(jié)失效。

2.2 SCC強度和加固方式對界面抗剪強度的影響

圖7為不同SCC強度試件界面抗剪強度。從圖7可以看出：同一界面處理的界面抗剪強度不僅受SCC強度影響，而且受加固方法影響。底面加固試件的界面抗剪強度明顯低于其他2種加固方法的試件。對于界面處理方式I的試件，在相同SCC強度下，側(cè)向加固和上部加固試件的抗剪強度分別比底部加固的試件高90%～260%和85%～160%，頂部加固試件的抗剪強度最高。界面處理方式Ⅱ的試件也是同樣情況，側(cè)向加固和上部加固試件的抗剪強度分別比底部加固的試件高90%～205%和226%～263%。

(a)界面處理方式Ⅰ

根據(jù)Zhang等[18]的試驗結(jié)果，SCC強度應略大于基層強度，但不大于5 MPa。在本試驗中，相同界面處理和加固方法下，無論SCC加鋪層強度是否大于5 MPa，界面抗剪強度均隨SCC強度增加而增加。

2.3 界面處理方式對界面剪切強度的影響

圖8為不同表面處理方式下試件的界面剪切強度。從圖8可以看出，Ⅰ類開槽試件的界面抗剪強度都比較接近，說明切槽的位置對于界面抗剪強度影響較小。刷了水泥漿的Ⅱ試件界面抗剪強度比沒刷水泥漿的Ⅲ類試件界面抗剪強度高68%，水泥漿的作用致使界面黏結(jié)能力更強。所有表面處理方式中，植筋(Ⅳ)能夠最有效提高界面的抗剪強度，這與其破壞模式相關，Ⅳ類試件的破壞模式為界面黏結(jié)失效后，植筋與SCC黏結(jié)破壞，植筋與SCC黏結(jié)應力比單純的SCC與基層界面打磨、切槽產(chǎn)生的黏結(jié)應力明顯大。

圖8 不同表面處理方式試件界面抗剪強度

3 結(jié)論

本文設計了27組由2個L型混凝土構(gòu)件組成的Z型試件，并進行了直剪試驗。研究了3種表面處理方法(開槽、植筋、打磨)和3種加固方法(頂面、側(cè)面和底面加固)對黏結(jié)界面強度的影響，獲得了如下有意義的結(jié)論：

1) 不同切槽試件的破壞模式相似，都是由于嵌入層被剪斷而破壞引起，界面打磨試件破壞模式為一條主裂縫貫穿整個黏結(jié)界面，破壞時界面由于剪力過大而剪斷，但不同加固方法的試件開裂過程和破壞后界面狀態(tài)有所不同。不同加固方式IV類界面處理試件的破壞模式相似，首先是黏結(jié)界面失效，然后鋼筋與SCC加固層之間的黏結(jié)失效。

2) 底面加固試件的界面抗剪強度明顯低于其他兩種加固方法的試件。相同界面處理和加固方法下，界面抗剪強度均隨SCC強度增加而增加。

3) 切槽的位置對于界面剪切強度影響較小。刷了水泥漿的試件界面抗剪強度比未刷水泥漿的試件界面抗剪強度高，植筋能夠最有效提高界面的剪切強度。