黃林青 ，譚莉莉 ，龔世豪 ，蘇杰 ，宋杰 ，廖新雪

（1 重慶科技學(xué)院 建筑工程學(xué)院，重慶 401331；2 重慶中機(jī)中聯(lián)檢測技術(shù)有限公司工程檢測中心，重慶 400707）

在結(jié)構(gòu)加固工程中，新舊材料的粘結(jié)面是結(jié)構(gòu)的受力薄弱部位，粘結(jié)面的處理方式直接影響整體構(gòu)件的受力性能。目前，存在大量的改造加固工程，涉及新舊材料粘結(jié)面的處理，粘結(jié)面的抗剪能力是衡量粘結(jié)面受力情況的重要指標(biāo)之一。對于新舊材料粘結(jié)面的處理方式已經(jīng)存在一定的研究[1-5]，粘結(jié)面的抗剪能力的影響因素有界面的粗糙度[6]、界面機(jī)械連接方式[7]、界面劑的選用等[8-9]。在已有研究中，大多數(shù)實(shí)驗(yàn)在選材方面使用相同的混凝土材料，強(qiáng)度等級有所不同。本次試驗(yàn)在選材方面，采用水泥基灌漿料與普通硅酸鹽水泥進(jìn)行試驗(yàn)研究。粘結(jié)面處理方式采用開槽基礎(chǔ)上進(jìn)行植筋，通過抗剪試驗(yàn)分析不同植筋率對粘結(jié)面抗剪能力影響。

1 試件設(shè)計(jì)

1.1 試件形狀

本次試驗(yàn)試件由兩個長方體試塊組成，尺寸同為150mm×150mm×300mm， 粘結(jié)面并非完全貼合，相互錯開30mm，形成錯臺，其有效接觸面積為150mm×270mm，如圖1 所示。

圖1 試件示意圖

1.2 粘結(jié)面處理方式

本次試驗(yàn)試件的粘結(jié)面是在一定的開槽基礎(chǔ)進(jìn)行植筋，植筋率有所不同。粘結(jié)面開槽個數(shù)為2 條，尺寸為150mm×20mm×10mm。在前期試驗(yàn)中對開槽個數(shù)、位置進(jìn)行研究，開槽數(shù)為1 時，應(yīng)力集中比較明顯，試件直接被剪斷，破壞迅速；開槽數(shù)為2、3 時，抗剪能力明顯提高且試塊基體也發(fā)生了破壞，出現(xiàn)較多裂縫?？紤]經(jīng)濟(jì)性和效率，2 條溝槽使應(yīng)力分布更均勻，3 條溝槽可能破壞構(gòu)件整體性，最終選取開槽2 條基礎(chǔ)上進(jìn)行植筋。

對于粘結(jié)面的植筋，植筋位置沒有發(fā)生變化，值筋深度也沒有改變，有研究表明，植筋深度需大于10 倍直徑，才能使鋼筋更好地參與受力，與結(jié)構(gòu)形成一個整體[10]。本次試驗(yàn)的植筋深度選取12 倍直徑，只改變植筋率，對粘結(jié)面的處理見圖2。

1.3 試件級別分類

本次試驗(yàn)所用混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為C35 普通硅酸鹽水泥，水泥基灌漿料采用CGM 的高強(qiáng)無收縮灌漿料，鋼筋選用HRB335 三級鋼筋，直徑分別為6mm、8mm、10mm、12mm，植筋深度為12 倍鋼筋直徑，打孔直徑大于鋼筋直徑2mm，在孔洞中加入植筋膠，再植入鋼筋。

本試驗(yàn)共設(shè)計(jì)5 個分組，為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效及可靠性，每組制作3 個試件，共15 個試件，1 組試件界面僅作開槽處理，開槽率為15%；2、3、4、5 組試件界面開槽且植筋，開槽率15%，植筋率分別為0.14%、0.25%、0.39%、0.56%，界面處理方式及編號見表1。

表1 試件組別分類

2 試驗(yàn)方案

2.1 試件加載設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)主要研究水泥基灌漿料與混凝土粘結(jié)面的抗剪性能，傳統(tǒng)抗剪性能研究選擇Z 型試件，但本次試驗(yàn)選擇如圖1 所示的試件。試件的錯臺設(shè)計(jì)相較于Z 型試件的優(yōu)點(diǎn)有：（1）試件制作更方便；（2）Z 型試件在拐角內(nèi)側(cè)容易形成應(yīng)力集中，錯臺型構(gòu)件則避開了這點(diǎn)；（3）界面受彎矩作用影響更小，界面承受純剪力；（4）對試塊進(jìn)行開槽、植筋更方便，且界面的處理效果更好；（5）錯臺型試件粘結(jié)面的有效面積更大，這樣更符合實(shí)際工程，能更好地反映粘結(jié)面的抗剪性能。試件的加載設(shè)計(jì)見圖3。

圖3 試件加載設(shè)計(jì)

2.2 實(shí)驗(yàn)加載制度

實(shí)驗(yàn)設(shè)備：YJ-IID-L-500 型建筑結(jié)構(gòu)組合實(shí)驗(yàn)反力架，伺服油泵控制系統(tǒng)，EasyTest 測控軟件，DH3821 動態(tài)采集儀，位移計(jì)。

正式試驗(yàn)開始前，以5kN 的力預(yù)先施壓，對試件進(jìn)行預(yù)加載，當(dāng)預(yù)加載完成后：對試件進(jìn)行檢查，檢查試件是否有損壞，試件與加載設(shè)備是否貼合；對加載設(shè)備進(jìn)行檢查，檢查儀器、線路是否正常工作。如果有問題及時進(jìn)行調(diào)整，預(yù)荷載需要持續(xù)120s，使儀器設(shè)備有一定的作用時間，使荷載有效作用于試件，從而及時發(fā)現(xiàn)問題。

預(yù)壓完成后卸除荷載，繼續(xù)以5kN 為一個分級進(jìn)行分級加載。加載的速率為0.5kN/s，為使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更貼合實(shí)際、更準(zhǔn)確，加載速率不宜過快；當(dāng)所加荷載達(dá)到分級設(shè)計(jì)值時保持120s，觀察界面破壞情況，對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行標(biāo)記，對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄；若粘結(jié)面出現(xiàn)裂縫或局部破壞現(xiàn)象，將原有的加載速率降低為0.2kN/s，并保持240s，仔細(xì)觀察分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，若未出現(xiàn)前面所述現(xiàn)象，則按試驗(yàn)計(jì)劃方案進(jìn)行下一階段。

2.3 數(shù)據(jù)采集

此次試驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集使用的是EasyTest 測控軟件內(nèi)置的采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)在荷載加載的同時對其過程進(jìn)行記錄，本次試驗(yàn)將記錄頻率設(shè)置為每隔0.5s 采集一次，加載結(jié)束載荷值會以表格形式輸出，這樣方便后期數(shù)據(jù)處理。

本次試驗(yàn)選取量程為100mm 位移計(jì)，將位移計(jì)連接到DH3821 動態(tài)采集儀，以每0.5s 采集一次的頻率采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)。位移計(jì)分別放置于加載端和自由端，采集加載端和自由端的滑移值。

3 試驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)破壞過程及特征

界面僅做開槽處理的試件，試驗(yàn)過程中，粘結(jié)面出現(xiàn)裂縫，當(dāng)達(dá)到界面承載力最大值時，試件瞬間破壞并伴隨“砰”一聲，粘結(jié)面發(fā)生破壞，出現(xiàn)巨大凹槽，新舊混凝土的基體發(fā)生了破壞，且完全分離為兩個部分，破壞在瞬間完成，屬于脆性破壞，見圖4 所示；界面在開槽基礎(chǔ)上進(jìn)行植筋試件中，不同植筋率的破壞模式有所不同。植筋率為0.14%的試件屬于脆性破壞，當(dāng)達(dá)到界面承載力最大值時，試件瞬間破壞并伴隨“砰”的一聲，界面中鋼筋被剪斷，試件被分成兩部分，開槽處水泥基灌漿料部分被剪斷，粘結(jié)面較平整，試件基體未發(fā)生破壞，見圖5 所示。植筋率分別是0.25%、0.39%、0.56%的試件，試驗(yàn)過程中破壞相對緩慢，其破壞特點(diǎn)均為延性破壞，當(dāng)荷載達(dá)到最大承載力時，界面所植入的鋼筋并未被剪斷，且試件破壞后新舊混凝土未完全分離為兩部分，見圖6 所示。

圖4 開槽率15%試件破壞

圖5 開槽率15%+植筋率0.25%

圖6 開槽+植筋試件破壞

3.2 試件F-S 曲線

從試件的F-S 曲線中可以得出，隨著植筋率的增加，構(gòu)件所承受的最大荷載值不斷提高；發(fā)生相同位移時，隨著植筋率的變化，構(gòu)件所承受荷載值也不斷變化，其呈現(xiàn)的規(guī)律為：隨著植筋率的增加，發(fā)生相同位移時構(gòu)件承受最大荷載值隨之增加，此試驗(yàn)結(jié)果反應(yīng)出試件整體的塑性隨著植筋率的增加而提高（圖7-圖11）。

圖7 1 組試件F-S 曲線

圖8 2 組試件F-S 曲線

圖9 3 組試件F-S 曲線

圖10 4 組試件F-S 曲線

圖11 5 組試件F-S 曲線

圖12 數(shù)據(jù)擬合曲線

3.3 抗剪性能分析

從表2 中可以看出，在開槽率保持不變的前提下，改變植筋率，隨著植筋率不斷提高，粘結(jié)面的抗剪能力明顯提高，當(dāng)植筋率為0.63%時，界面抗剪能力是僅開槽時的3倍。 因此，在一定開槽率的基礎(chǔ)上，提高植筋率可以明顯提高界面抗剪能力和界面承載能力。建議在實(shí)際施工中，采取開槽與植筋相結(jié)合的方式，可以大大提高界面抗剪能力。相比傳統(tǒng)鑿毛方式，開槽與植筋更方便操作，且更容易把握開槽尺寸及植筋率，鑿毛在實(shí)際工程施工中不能精確控制鑿毛率。

表2 試驗(yàn)結(jié)果

利用MATLAB 數(shù)據(jù)分析軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到植筋率0.63%以內(nèi)，植筋率與界面抗剪強(qiáng)度的關(guān)系：y=-2.96x2+4.62x+0.86；其中x 為植筋率（%），y 為界面的抗剪強(qiáng)度（MPa）。關(guān)系式與實(shí)測數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)為R2=0.98，R2越接近1，表示擬合曲線與實(shí)際數(shù)據(jù)越吻合，由此可以判斷擬合曲線比較符合實(shí)際情況。

4 結(jié)論

1）加固界面在開槽基礎(chǔ)上進(jìn)行植筋可以更高效地提高新舊材料粘結(jié)面的抗剪性能，傳統(tǒng)鑿毛的處理方法在實(shí)際施工中不能精確掌握界面處理程度，開槽與植筋在實(shí)際工程中更方便操作，且對界面處理程度可以精準(zhǔn)把握。

2）對構(gòu)件進(jìn)行植筋，相比無植筋處理，改變了構(gòu)件的破壞形式，隨著植筋率的提高，構(gòu)件的塑性也隨之提升。

3）實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在一定開槽基礎(chǔ)上進(jìn)行植筋處理，植筋率為0.63%時，界面抗剪能力是僅開槽時的3 倍，提升效果顯著，從而可以得出植筋可以有效提高界面的抗剪能力。