王丹薇

（朝陽市閻王鼻子水庫工程建設(shè)管理局，遼寧 朝陽 122000）

1 引言

水利工程是用于控制和調(diào)配自然界的地表水和地下水，達到除害興利目的而修建的工程，具有十分重要的社會意義、經(jīng)濟意義和生態(tài)意義。但是，許多水利工程由于建成時間較長且當(dāng)時的設(shè)計建設(shè)標準較低，已經(jīng)不能滿足社會發(fā)展的需求，亟待進行維修和加固。工程經(jīng)驗表明[1]，在既有水工建筑的基礎(chǔ)上進行加固改造，不僅可以大幅提高原水工結(jié)構(gòu)的安全性，還可以有效提升其使用功能和要求，與拆除重建相比可以大幅節(jié)省投資、縮短工期，同時還可以減少生態(tài)環(huán)境影響[2]。在水利工程加固改造過程中，勢必會涉及新老混凝土結(jié)合問題。一般來說，新老混凝土界面的抗剪強度低于整體澆筑混凝土的強度，會成為水工混凝土結(jié)構(gòu)的軟弱結(jié)構(gòu)面[3]。如今新老混凝土界面的研究已成為各國科研工作者所關(guān)注的重點。界面承載力問題中的抗剪問題是新老混凝土結(jié)構(gòu)中最薄弱的部分，而剪切效應(yīng)對界面穩(wěn)定性的影響較為明顯，因此，對新老混凝土界面抗剪性能的研究就顯得越來越迫切。目前被普遍接受的界面粘結(jié)機理是摩擦抗剪機理，但是隨著試驗研究及理論探索的不斷深入，研究者發(fā)現(xiàn)摩擦抗剪不是界面存在的唯一抗剪形式，還包含了混凝土的粘結(jié)力?？梢?，只有混凝土新老界面之間的粘結(jié)性能達到規(guī)定標準，方可保證加固改造之后的水工建筑的安全性[4]。另一方面，凍融循環(huán)是混凝土建筑遭受破壞的重要因素，其抗剪強度和抗拉強度都會隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而下降。尤其是在我國的北方寒區(qū)，水工混凝土結(jié)構(gòu)在凍融循環(huán)作用下出現(xiàn)破壞的現(xiàn)象比較普遍[5]。目前，針對常溫環(huán)境下的新老混凝土粘結(jié)性能的研究較多，但是對凍融條件下新老混凝土粘結(jié)性能缺乏足夠的關(guān)注。基于此，此次研究針對凍融循環(huán)條件下的新老混凝土界面抗剪性能展開試驗研究，并獲得相關(guān)變化規(guī)律，為北方寒區(qū)水利工程加固改造施工提供必要的支持。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料

試驗用水泥為水利工程建設(shè)常用的P.O42.5普通硅酸鹽水泥，樣品的初凝時間為185min，終凝時間為233min，3d抗壓強度為16.3MPa，28d抗壓強度為50.5MPa；試驗用砂為天然河砂，在沖洗干凈后晾干備用。其表觀密度為2 600kg/m3，細度模數(shù)為2.48，含泥量小于3.5%；試驗用粗骨料為人工石灰?guī)r碎石，其表觀密度為2 680kg/m3，粒徑范圍為5—19mm，吸水率為2%，壓碎指標為3%；試驗用鋼筋為直徑12mm的HRB400級鋼筋；植筋膠為上海派爾科建筑植筋膠；試驗用水為普通自來水。

2.2 試驗方案

新老混凝土界面抗剪性能受多種因素的影響，界面鑿毛、植筋、界面劑、混凝土強度、凍融循環(huán)次數(shù)均為重要影響因素。此次研究中所有方案均對就混凝土做同樣的鑿毛和植筋處理。將界面劑、新混凝土強度和凍融循環(huán)次數(shù)作為研究變量。結(jié)合工程實踐，設(shè)置涂刷和不涂刷界面劑2種界面條件；C20、C25、C30、C35和C40共5種不同的新混凝土強度等級；0次、20次、40次、60次、80次和100次共6種不同的凍融循環(huán)次數(shù)；按照以上條件設(shè)置不同試驗方案進行試驗。

2.3 試件制備

新老混凝土均采用150mm×150mm×150mm的立方體標準試件，試件的模板為表面平整光滑的優(yōu)質(zhì)木模板。其中，老混凝土取自于某水利工程除險加固工程現(xiàn)場，對取得的混凝土樣本利用切割機切割成規(guī)定尺寸的立方體試件。對老混凝土的結(jié)合界面采取人工鑿毛處理。在植筋過程中，首先選擇合適的鉆頭在界面中心鉆孔并將孔內(nèi)清理干凈。調(diào)制好植筋膠灌入植筋孔，將鋼筋植入孔中并反復(fù)旋轉(zhuǎn)抽插，確保植筋質(zhì)量。舊混凝土植筋示意圖如圖1所示。在植筋完成后靜置固化24h進行新混凝土的澆筑。在澆筑過程中首先對攪拌機進行清潔和潤濕，然后按照配合比要求倒入水泥和粗、細骨料，然后干拌2min，將稱量好的水倒入攪拌機再攪拌3min，將拌制好的混凝土倒入模具中，利用搗棒插搗模具四周，之后嘉慶模具放到振動臺上振搗2—3min，在混凝土表面出漿后停止振搗并利用抹刀將表面刮平。將試件靜置24h拆模并編號，將其放在標準養(yǎng)護室內(nèi)養(yǎng)護至28d齡期。

圖1 植筋示意圖

2.4 試驗方法

試驗前首先將試件在20℃左右的清水中浸泡4d，在試件飽和之后取出試件擦拭干凈表面并放入凍融箱進行凍融循環(huán)，在達到設(shè)定凍融循環(huán)次數(shù)之后取出試件，利用2 000kN微機控制電液伺服壓力機進行剪切試驗。該試驗機整合了壓力傳感器、位移傳感器以及數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)，使用方便，精確度高。在試驗中首先將試件表面磨平，避免試驗中出現(xiàn)偏心現(xiàn)象；將壓力機的壓力和位移傳感器連接于統(tǒng)一靜態(tài)測試儀上并調(diào)試平衡，然后將試件放在壓力機上。試驗中采用位移加載模式，加載速率為0.1mm/min，直至試件破壞。當(dāng)加載超過3mm時停止試驗，將試驗數(shù)據(jù)保存并處理。

3 結(jié)果與討論

3.1 結(jié)果

對不同試驗方案下的混凝土接觸面抗剪強度進行試驗，結(jié)果如表1所示。對表中的試驗數(shù)據(jù)進行方差分析，結(jié)果如表2所示。

由表1可以看出，不同混凝土等級、有無界面劑、不同凍融循環(huán)次數(shù)下新老混凝土接觸面的極限承載力存在比較明顯的差異。在其它條件相同的情況下，有界面劑試驗方案的接觸面極限承載力明顯偏大，相比無界面劑的情況大了約17%左右。由此可見，在水利工程施工過程中，使用界面劑可以有效提升新老混凝土結(jié)合面的強度，提高其抗剪強度，有助于提升工程施工質(zhì)量和安全穩(wěn)定性。由表2可以看出，混凝土等級。界面劑和凍融循環(huán)次數(shù)等3個因素均對試驗結(jié)果存在十分顯著的影響?；诖耍诤罄m(xù)研究中有必要以試驗結(jié)果數(shù)據(jù)為依據(jù)，分別針對上述3個因素對新老混凝土接觸面抗剪強度的影響規(guī)律進行進一步的深入分析。

表1 實踐抗剪強度試驗結(jié)果

表2 抗剪試驗結(jié)果方差分析表

3.2 分析與討論

為了進一步分析混凝土等級對接觸面抗剪強度的影響，根據(jù)試驗結(jié)果數(shù)據(jù)繪制出如圖2所示的不同凍融循環(huán)次數(shù)下接觸面的極限承載力隨混凝土等級的變化曲線。由圖2可以看出，無論是有界面劑還是無界面劑，混凝土接觸面的抗剪強度均隨著新混凝土等級的提高而穩(wěn)步增大。根據(jù)試驗結(jié)果，對接觸面極限承載力F與混凝土等級a之間的關(guān)系進行擬合，結(jié)果如表3所示。根據(jù)擬合結(jié)果可以看出，接觸面的極限承載力與混凝土等級之間呈現(xiàn)出比較明顯的線性變化關(guān)系。由此可見，提高新混凝土的強度值有助于提高新老混凝土界面的結(jié)合強度。當(dāng)然，提高混凝土的強度等級也會造成施工成本的大幅提高，因此在具體的工程施工設(shè)計中應(yīng)該結(jié)合實際情況統(tǒng)籌考慮，以確定最佳的混凝土強度等級。

表3 極限承載力和混凝土等級之間的擬合函數(shù)

圖2 極限承載力隨混凝土等級變化曲線

為了進一步分析凍融循環(huán)次數(shù)對新老混凝土接觸面抗剪強度的影響規(guī)律，根據(jù)試驗中獲取的數(shù)據(jù)，繪制新老混凝土接觸面極限承載力隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化曲線，結(jié)果如圖3所示。由圖可以看出，設(shè)置和不設(shè)置界面劑情況下，新老混凝土接觸面抗剪強度隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律基本一致。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，新老混凝土接觸面的極限承載力呈現(xiàn)出先緩慢下降后迅速下降再趨于穩(wěn)定的變化特點。原因主要是凍融循環(huán)次數(shù)較少時其影響主要集中在混凝土的表層，因此對接觸面抗剪強度的影響不明顯，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，水分不斷向接觸面深層滲透，使接觸面的抗剪強度值明顯下降。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的進一步增加，凍融過程中的脫落物和生成物堵塞了部分內(nèi)部空隙，使凍融影響趨于減小。從具體數(shù)值來看，凍融循環(huán)40次至80次過程中接觸面抗剪強度下降幅度較大，在工程維護管理中需要予以重點關(guān)注。在100次凍融循環(huán)結(jié)束之后，接觸面極限承載力下降了約18%—20%，影響顯著。因此，在寒區(qū)水利建設(shè)和維護管理過程中，必須要重視凍融作用對新老混凝土接觸面的不利影響。

圖3 極限承載力隨凍融循環(huán)次數(shù)變化曲線

4 結(jié)語

此次研究通過室內(nèi)試驗的方式，探討了凍融循環(huán)下新老混凝土界面的抗剪性能，獲得了新混凝土強度等級、凍融循環(huán)次數(shù)以及界面劑對接觸面抗剪強度的影響及變化規(guī)律。根據(jù)試驗結(jié)果，建議在施工過程中結(jié)合實際情況選擇合適的混凝土等級，充分考慮凍融循環(huán)對寒區(qū)水利工程新老混凝土接觸面的抗剪性能的影響，同時建議使用界面劑。此次研究的成果對相關(guān)水利工程的建設(shè)和維護具有重要的借鑒和指導(dǎo)作用。當(dāng)然，接觸面抗剪強度的影響因素是復(fù)雜的，在今后的研究中還需要進一步探討其他因素可能產(chǎn)生的影響，力求獲得更為科學(xué)和全面的研究成果，為寒區(qū)水利工程中的混凝土施工提供強有力的支持。