界面處理對自密實混凝土與老混凝土黏結滑移的影響

陳 峰，鄭建嵐,2

(1 福建江夏學院 環保節能型高性能混凝土協同創新中心,福建 福州 350108;2 福州大學 土木工程學院,福建 福州 350116)

自密實高性能混凝土在自重下能流動、密實，且具有良好的均勻性，因此吸引國內外諸多學者的關注，羅素蓉等[1]、馬少軍等[2]、Zhu等[3]、Casanova等[4]、Hadda等[5]、Kalkan等[6]、Aslani等[7]進行了大量研究工作并取得了豐富的成果。由于自密實混凝土良好的工作性能，目前已經廣泛應用于混凝土的加固及修復工作之中，因此新老混凝土之間的黏結性能成為工程界關注的焦點。自密實混凝土與老混凝土之間的自然黏結是保證新老混凝土整體工作的基礎[8-9]，然而完全黏結只在一定的受力階段內存在[10]，當新澆自密實混凝土加固層橫截面上的剪應力超過界面的黏結強度后，該段界面就會出現剝離和剪切破壞[11-12]，從而使新老混凝土之間會產生一定的相對滑移。這種滑移不是自由滑移，而是受到老混凝土的黏結以及界面摩阻力的約束，是一種黏結滑移[13]。顯然，新老混凝土結合面的黏結滑移關系是采用理論或數值計算分析其受力變形性能的基礎，但目前這方面的研究工作還相對較少。本研究利用自行設計的推出式剪切試驗裝置，通過新老混凝土黏結剪切試驗，分析不同界面處理方法對黏結滑移的影響，以期為提高新老混凝土之間的黏結性能提供參考。

1 材料與方法

1.1 原材料及配合比

老混凝土為普通混凝土試件，采用的材料為P.O 42.5普通硅酸鹽水泥、中砂(細度模數為2.3)、花崗巖碎石(粒徑為5～20 mm)。老混凝土設計強度等級為C30，齡期約90 d，在澆筑新混凝土之前測得立方體抗壓強度為34.4 MPa。

制作自密實混凝土的材料是在老混凝土原材料基礎上增加了 Ⅰ 級粉煤灰以及萘系高效減水劑，新自密實混凝土設計強度等級為C40。根據已有的研究結果[14]，設計了新混凝土的配合比并測定了其力學性能，詳見表1。同時采用坍落筒測定新自密實混凝土的工作性能，其坍落度為266 mm，擴展度為640 mm。

表1 新自密實混凝土的配合比及力學性能

1.2 黏結滑移試驗設計

根據新老混凝土黏結的不同情況，本研究主要設計了2種界面處理：①不同界面粗糙度處理。老混凝土表面設3個粗糙度水平，分別為自然光滑面、粗糙面Ⅰ和粗糙面Ⅱ，用灌砂法[15]測量平均灌砂深度(即粗糙度)，上述3個水平分別對應的平均灌砂深度為0，2.0與3.2 mm；②界面劑處理。設3個水平，分別為不涂刷界面劑的粗糙面 Ⅰ 及在粗糙面 Ⅰ 上涂刷同水膠比粉煤灰水泥漿(界面劑 Ⅰ )或摻質量分數0.75%納米氧化硅的粉煤灰水泥漿(界面劑 Ⅱ )。

試驗共制作5組共15個試件，其中新混凝土的設計尺寸為100 mm×100 mm×250 mm，老混凝土的設計尺寸為100 mm×100 mm×400 mm。

1.3 剪切試驗裝置

本研究自行設計的推出式剪切試驗裝置如圖1所示。利用該裝置能夠同時測定沿受力方向上新老混凝土加載端、自由端及局部的黏結滑移關系。試驗時每種情況各取1個試件，先固定老混凝土，在新混凝土的一側采用液壓千斤頂加載至破壞，測出破壞荷載Pu(表2)。

表2 不同界面處理條件下黏結試件的破壞荷載

然后，每種情況再各取1個試件以破壞荷載Pu的10%為增量逐級施加荷載P，使得新老混凝土交錯運動，在黏結面上產生剪應力。由于加載點并不直接通過新老混凝土黏結面，因此會有附加彎矩的影響。但由于本試驗主要考察黏結力與新老混凝土相對位移(即黏結滑移)的關系，且加載點與黏結面的偏離不大(其對黏結面應力的影響在5%左右)，因此本研究中不考慮這種彎曲效應的影響。同時在新自密實混凝土兩側靠近黏結面處，沿加載方向交錯布置應變片(圖2)，以測定局部黏結滑移性能。

圖1 推出式剪切裝置示意圖(單位:mm)

2 結果與分析

2.1 黏結面應變的分布

通過IMP應變采集儀測得不同測點處的混凝土應變ε，圖3即為各種處理條件下新老混凝土黏結試件在不同加載下各測點應變的分布，其中橫坐標X為距自由端距離，Pu為破壞荷載。

圖3 不同界面處理及荷載條件下新老混凝土黏結面應變的分布

由圖3可以看到，不同處理下混凝土黏結面的應變發展及分布均比較相近。以粗糙面Ⅰ的自密實混凝土黏結試件為例，剛開始加載時，自密實混凝土應變沿黏結長度的變化很小，測得最大應變(X=225 mm處)與最小應變(X=25 mm處)僅相差10.8×10-6；而隨著荷載的逐步加大，加載端附近混凝土的應變增長速度明顯大于自由端附近的混凝土，在圖形上表現為應變曲線不斷上翹，直至極限荷載時最大與最小應變差值達到最大，為103.3×10-6。

2.2 混凝土試件黏結應力的變化

設界面上黏結應力τ沿黏結長度(加載方向)傳遞，如圖4所示(其中垂直于平面方向為新混凝土高h)，由微段dX上力的平衡關系：

τ·dX·b=dσ·b·h。

(1)

即

(2)

式中:b為試件寬，b=100 mm;h為試件高,h=100 mm;EC為混凝土彈性模量，σ為橫截面上正應力。

設2個相鄰應變測點與自由端的距離為Xi和Xj，相應的應變值分別為εi和εj，則這2點間黏結應力τ由下式計算：

(3)

圖4 黏結面及微段dX受力分析

各種界面處理及荷載條件下新老混凝土黏結試件的黏結應力曲線如圖5所示。

圖5 不同界面處理及荷載條件下新老混凝土黏結試件應力的分布

圖5表明，除了自然光滑面外，其余進行了界面處理的試件，在剛開始加載時，加載端附近應力較大，而自由端附近卻幾乎沒有應力。此后隨著荷載逐步增大，黏結面不同測點處應力也不斷增大。荷載加至40%Pu后，試件黏結的應力沿加載方向的分布大致成“兩頭變化快，中間較平穩”的發展趨勢，即自由端與加載端附近混凝土黏結面上的應力增長較快，而中間部分的應力變化較小，在變化曲線上表現出明顯的三段式變化特點。尤其當荷載加至80%Pu以上時，沿黏結長度上黏結應力分布比較均勻，僅在靠自由端與加載端處應力有較大變化，并且沿黏結長度上的應力都要較其他各級荷載明顯增大。這說明隨著外荷載的不斷增大，剪應力也將迅速增大，且更均勻地沿著黏結面傳遞。

對于界面為自然光滑面(圖5-a)的黏結試件，隨著外荷載的不斷加大，其應力曲線也不斷向上翹起，即應力從自由端到加載端不斷增大，曲線斜率不斷增加；有別于有粗糙度界面的黏結試件(圖5-b、c)中間部分應力變化較小的情況。這是由于光滑界面的機械咬合力較弱，無法對老混凝土形成足夠的約束，應力傳遞很不均勻，從而使得自由端至加載端應力不斷增大且變化速度較快。

對于涂刷界面劑的黏結試件(圖5-d、e)，由于界面劑作為一個過渡層存在，使得其應力分布較不涂刷界面劑的試件略有不同，主要表現在試件中間部分混凝土的應力分布并不平穩，而是隨著距自由端距離的不斷增加而增大，曲線變化表現為曲線尾端不斷上翹，表明在加載端附近應力增加較快。

2.3 黏結滑移關系分析

由位移傳感器可測得試件自由端的滑移Sf，則在黏結長度上任一點的滑移可表示為：

(4)

式中：Sf為自由端滑移值，X為距自由端的距離。由于無法連續測得試件的應變，因此式中的積分可近似用不連續的應變測試值(離散數值)之和代替，即：

(5)

這樣由黏結應力τ與滑移S就可以得到τ-S關系。圖6列出了新老混凝土黏結試件的黏結滑移試驗結果。

圖6 不同界面處理條件下新老混凝土的黏結滑移試驗結果

由圖6可知，各種試驗條件下黏結試件的黏結滑移關系表現出相似的分布與發展規律。由于黏結應力的不斷增大，新老混凝土局部的黏結滑移不斷增加。黏結面處發生的是脆性破壞，因而得到的τ-S關系曲線沒有下降段。在靠近自由端處，由于加載后黏結面上的應力增長較慢，因此曲線斜率較??；在加載至50%Pu后，黏結應力才開始逐漸加快增長，曲線也逐步向上翹起；在靠近加載端處，由于受到加載的影響較大，因此黏結應力與滑移均增長得較快；在沿黏結長度方向的大部分區域(X=75～175 mm)內，黏結面在克服了初始靜摩擦后滑移迅速增長，至彈塑性階段滑移隨應力增長有所減緩，在臨近極限荷載時又迅速增加直至破壞。

通過圖6還可看出，涂刷界面劑與否對黏結滑移的發展規律影響并不大，涂有界面劑的黏結試件(圖6-d、e)的自由端、加載端和中部的黏結滑移曲線形式基本與粗糙面Ⅰ的黏結試件(圖6-b)相近。自然光滑面的黏結試件(圖6-a)與粗糙面Ⅰ、粗糙面Ⅱ(圖6-c)相比，其加載端與自由端的局部黏結滑移曲線之間距離較小，曲線更為接近且斜率要小得多；而界面為粗糙面Ⅱ的黏結試件，其局部黏結滑移曲線則與粗糙面Ⅰ十分相近?？梢?，是否對黏結面進行粗糙處理對黏結滑移性能有明顯影響，而在對老混凝土表面進行一定的粗糙處理后，其粗糙度的大小對新老混凝土的黏結滑移性能影響并不大。

對圖6結果進行回歸分析，可知自由端處曲線發展可采用二次函數來描述，即：

τ=0.000 06S2+0.001 1S-0.013 7，R2=0.976。

(6)

加載端曲線發展可采用一次函數來描述，即：

τ=0.022S+0.242 3，R2=0.963。

(7)

中間部分的黏結滑移關系可采用分段函數來表示，即：

(8)

式(8)中，R2=0.942。

3 結 語

(1) 本研究通過自行設計的推出式剪切試驗裝置，進行了自密實混凝土與老混凝土的黏結滑移關系試驗，通過測定新老混凝土在加載端、自由端的位移以及沿受力方向上各點的應變來推算黏結面上的黏結應力，再結合沿黏結面長度方向上各點的位移值，推算新老混凝土的黏結滑移關系。

(2) 通過對試驗數據的分析可知，各種界面處理下的新老混凝土黏結面處的應變分布和發展基本相近，越靠近加載端的混凝土應變增長越快，變化曲線上表現為曲線尾端隨荷載增大而不斷上翹。

(3) 通過對新老混凝土黏結界面上各處黏結應力的推算，表明各試件的黏結應力曲線呈明顯的三段式曲線發展，且剪應力隨外荷載的增大而更加均勻地沿著黏結面傳遞。界面為自然光滑面的黏結試件，應力傳遞不均勻，自由端至加載端應力不斷增大且變化速度較快；而涂刷界面劑的黏結試件，由于界面劑作為一個過渡層存在，使得試件中間部分的混凝土應力分布隨著距自由端距離的不斷增加而增大，尤其在加載端附近應力增加較快。

(4) 通過本試驗結果可以得到新老混凝土不同界面處理情況下黏結試件的黏結滑移關系，其中涂刷界面劑與否對黏結滑移的發展規律影響并不大；而界面為自然光滑面的試件，各點間黏結滑移曲線比較接近且斜率較小，黏結面的粗糙處理對新老混凝土的黏結有明顯增強效果。經過回歸分析后能得到新老混凝土黏結滑移的本構關系函數式，可供實際工程計算參考。

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