不同法向壓力條件下新舊混凝土粘結面抗剪性能試驗研究

胡忠君，李家祥，王傲，趙洋，龍冰

（吉林大學 建設工程學院，吉林 長春 130026）

0 引言

既有混凝土結構加固改造過程中經常遇到新舊混凝土界面結合問題，保證新舊混凝土間必要的粘結強度是工程改造取得預期效果的關鍵?，F有研究成果表明：在無植筋條件下，新舊混凝土結合面的粘結強度主要取決于舊混凝土結合面的粗糙度、界面劑類型和新舊混凝土的抗壓強度等因素[1-4]。部分學者針對不同條件下的新舊混凝土結合面抗剪性能進行了相關試驗研究[5-8]，相比傳統的界面處理方法，一些新型的混凝土界面劑不斷涌現[9]，其中采用新型混凝土界面結合膠（AY/HY133LP）可較大幅度提高新舊混凝土結合面的粘結強度，但在不同法向壓力作用下其結合面抗剪性能實際效果如何目前尚無相關研究工作開展。本文針對此問題開展靜力壓剪試驗研究，為工程加固改造中新舊混凝土結合面粘結抗剪強度的確定提供一定的參考。

1 試驗設計

1.1 原材料

新舊混凝土試件分別采用P·O42.5和P·C32.5水泥（長春亞泰水泥廠產鼎鹿牌）澆筑，按照相似理論，考慮試件的實際尺寸，粗骨料選用粒徑為3～6 mm連續級配碎石，細骨料選用細度模數為2.7～2.4的中砂，其平均粒徑為0.3～0.5 mm，含泥量為1.2%。

混凝土界面劑采用AY/HY133LP新舊混凝土界面結合膠，由大連法施達公司提供，該復合改性樹脂膠由AY133和HY133B雙組分組成，混合后密度為1.03 g/ml，黏度為500 mPa·s。使用時，將AY133和HY133B以5∶2的質量比混合攪拌后，均勻無氣泡地涂抹在舊混凝土表面，涂抹膠層厚度不大于1 mm。結合膠涂刷完成后，立即澆筑新混凝土，充分振搗后放入標準養護箱。AY/HY133LP的力學性能指標見表1。

表1 AY/HY133LP結合膠主要力學性能指標

注：①與混凝土。

1.2 試件設計與制作

1.2.1 新舊混凝土粘結面人造粗糙度模板的制作

為保證每組試件的結合面擁有相同的粗糙度，試驗中采用3D打印技術制備新舊混凝土粘結面人造粗糙度控制塑料模板，將模板固定在混凝土澆筑模具上，從而澆筑獲得多組粗糙度條件相同的新舊混凝土粘結面試件。

圖1為用三維設計軟件（UG）設計的4種粗糙度控制模板的三維模型，其中，圖1（a）為平直粗糙度模板，圖1（b）、（c）、（d）是由三維設計軟件（UG）隨機生成的模型中選取的3個表面設計粗糙程度依次增大的三維模型。根據實驗室壓剪試驗機的剪切加載鋼模具尺寸，采用的三維模型水平投影面積為100 mm×50 mm，為使模板經過混凝土擠壓后不產生裂紋、變形微小且能夠反復利用，試驗采用的三維模型的厚度為1.5 mm。

圖1 4種粗糙度控制模板的三維模型

根據試件設計對模具數量的需求，試驗采用UPBOX型3D打印機完成4組粗糙度控制模板（圖1中A、B、C和D組）各打印3個，得到12個新舊混凝土粘結面人造粗糙度控制塑料模板，打印模板所用材料為ABS塑料。

1.2.2 新舊混凝土結合試件制作

將粗糙度塑料控制模板涂刷機油潤滑后插入圓環形鋼模具中，卡入凹槽并加以固定，進行混凝土澆筑，24 h后拆模，并將2塊混凝土中間的塑料控制模板取出，待28 d養護完成后，獲得多組粗糙度條件相同的混凝土粘結面試件擬作舊混凝土試件，具體如圖2所示。放置90 d后，再將舊混凝土試件進行界面處理后重新放入鋼模具中，澆筑新混凝土，養護后得到完整的新舊混凝土結合試件。界面處理方式：A1、B1、C1、D1直接澆筑；A2、B2、C2、D2涂覆結合膠然后澆筑。試件為直徑50 mm、高度100 mm的圓柱體。全部試件分批澆筑，試驗預留混凝土試塊，實測各組新舊混凝土平均抗壓強度標準值fcuk'分別為：A1、A2、B1 組為 36.64 MPa；B2、C1、C2 組為 37.74 MPa；D1、D2 組為 37.58 MPa。

1.2.3 人造粗糙度表征

三維設計軟件生成粗糙度控制模板模型時，通過采集獲得模型表面上的各點坐標作為分形維數的測量點，然后使用張亞衡等[10]提出的粗糙表面分形維數估算的改進立方體覆蓋法，對A、B、C和D組的分形維數進行了計算，同時為了校核分形維數表示粗糙度數據的準確性，也采用了灌砂法表征舊混凝土粘結面粗糙度，見表2。

圖2 A組和D組舊混凝土試件

表2 4組舊混凝土試件的表面粗糙度

1.2.4 試驗加載

試驗使用小型混凝土壓剪儀測量新舊混凝土粘結面的抗剪強度，加載裝置如圖3（a）所示，該儀器的法向最大壓力為500 kN，橫向最大剪切力為300 kN，儀器分辨率為0.01 kN，儀器加載精度能夠滿足試驗要求。

根據試驗設計中設置的4組粗糙度情況，綜合考慮到試件尺寸及混凝土試件粘結面的抗壓能力，試驗采用0、0.6、1.2 MPa共3組恒定法向壓力分別對A、B、C、D4種粗糙度、2種結合面處理方法（直接澆注和涂覆界面結合膠）的24組（共72個）新舊混凝土結合試件進行靜力抗剪試驗。由于采用液壓油泵手動加載，具體法向壓力以實際加載數值為準，剪切盒內試件結合面受力情況如圖3（b）所示。

圖3 壓剪試驗機及粘結面加載受力示意

2 試驗結果及分析

新舊混凝土結合面壓剪試驗相關數據見表3。

表3 新舊混凝土粘結試件壓剪試驗結果

2.1 粘結面抗剪性能分析

試件剪切加載至破壞時，新舊混凝土粘結面發生錯動并伴有一定響聲，試件脆性破壞的特征較為明顯。由表3可以看出：（1）當粘結面法向壓應力和粗糙度均不變時，界面采用結合膠處理較直接澆筑的粘結抗剪強度有較大幅度的提高。以D組試樣為例，當法向壓應力為0.6 MPa，粗糙度分形維數為2.23（平均灌砂深度2.45 mm）時，D2-23較D1-20粘結抗剪強度提高59.6%。（2）當粘結面粗糙度和界面處理方式不變時，新舊混凝土粘結面抗剪強度隨粘結面壓應力的增加而提高。以B組試樣為例，對于直接澆筑的處理方式，當法向壓應力由0 MPa增加到1.2 MPa時，B1-09較B1-07粘結面抗剪強度提高114.1%；對于采用界面結合膠的處理方式，當法向壓應力0 MPa增加到1.2 MPa時，B2-12較B2-10結合面抗剪強度提高80.3%。（3）當粘結面法向壓應力和界面處理方式不變時，新舊混凝土粘結面抗剪強度隨粘結面粗糙度的增加而提高。以B和D組試樣對比為例，法向壓應力為0.6 MPa且界面采用結合膠處理時，當分形維數從2.08增加到2.23時（灌砂平均深度從1.79 mm增大到2.45 mm）時，B2-11對比D2-23粘結面抗剪強度由2.19 MPa增加到2.41 MPa，也即粗糙度分形維數增加了7.2%，新舊混凝土粘結面抗剪強度增加了10.1%，而平均灌砂深度增加了36.9%，需要進一步整體分析分形維數和平均灌砂深度與粘結抗剪強度之間的關系。

采用直接澆筑時，分形維數和平均灌砂深度與τ/fcuk'之間的關系分別見圖4、圖5。

由圖4和圖5可以看出：壓力恒定時，直接澆注粘結面τ/fcuk'隨分形維數和平均灌砂深度增加而增大，當σ/fcuk'在0～0.02時（法向應力由0增加到0.6 MPa），分形維數和平均灌砂深度均與τ/fcuk'之間具有良好的線性關系；當法向壓應力為1.2 MPa時，線性相關性稍差，表明分形維數法和灌砂法均可定量表征舊混凝土粘結面的粗糙度，當粗糙度在較小范圍內變化時，對于小面積構件表面粗糙度的精確測定，分形維數法略優于灌砂法。

圖4 分形維數與τ/fcuk'之間的關系

圖5 平均灌砂深度與τ/fcuk'之間的關系

2.2 粘結面粘結抗剪強度計算

本次試驗中剪切破壞以新舊混凝土粘結面粘結破壞（界面發生錯動）為準，不考慮法向壓力較大時粘結面發生錯動后的抗剪能力，即在不發生剪切破壞的前提下，粘結面的抗剪承載力主要取決于新舊混凝土的粘結力。在無植筋條件下，國內外學者針對新舊混凝土粘結面抗剪性能進行了相關試驗研究[11-12]，但對壓剪條件下新舊混凝土粘結面的粘結抗剪強度試驗研究相對較少。美國AASHTO（2003）、JGJ1—91《裝配式大板居住建筑設計施工規程》和現有研究成果[1，7，11，13]均表明，新舊混凝土粘結面的抗剪強度與粘結面的粗糙度、界面劑類型和新舊混凝土的平均抗壓強度相關。當粘結面粗糙度分形維數在2.00～2.23（平均灌砂深度在0～2.45 mm）時，由表3中試驗數據對τ/fcuk'與σ/fcuk'關系進行線性擬合（見圖6），線性關系見式（1）：

式中：τ——新舊混凝土粘結面粘結抗剪強度，MPa；

σ——新舊混凝土粘結面法向壓應力，MPa；

k1、k2——曲線擬合系數，對于直接澆筑的界面處理方式，k1=0.74，k2=0.022，線性擬合相關系數 R2=0.896；對于涂覆結合膠的界面處理方式，k1=0.992，k2=0.047，線性擬合相關系數R2=0.945。

圖6 τ/fcuk'與σ/fcuk'關系曲線

對式（1）進行整理有：

王振領[13]的試驗結果表明：

式中：ζ1——粘結面粗糙度影響系數；

ζ2——粘結面界面劑類型影響系數。

令式（2）中σ＝0，則可獲得粘結面界面劑類型影響系數ζ2，假定直接澆筑時 ζ2＝1．0，計算得涂刷界面結合膠時 ζ2＝2．14。

圖4和圖5中擬合線性直線的斜率可以反映粘結面粗糙度影響系數ζ1的變化規律，隨著法向壓應力的增加，ζ1逐漸減小。

上述計算公式是針對無植筋條件得出的，由于影響新舊混凝土粘結面粘結抗剪強度的因素眾多，限于試驗試件尺寸和試件數量，計算公式的適用性還有待更多試驗數據的驗證。

3 結論

（1）當法向壓應力和粗糙度不變時，界面采用結合膠處理較直接澆筑的粘結面抗剪強度有較大幅度的提高；當粗糙度和界面處理方式不變時，新舊混凝土粘結抗剪強度隨粘結面壓應力增加而提高；當法向壓應力和界面處理方式不變時，新舊混凝土粘結抗剪強度隨粘結面粗糙度增加而提高。

（2）新舊混凝土結合試件粘結面剪切加載至破壞時，粘結面發生錯動并伴有一定響聲，試件粘結面脆性破壞的特征較為明顯。

（3）依據試驗結果對τ/fcuk'與σ/fcuk'關系進行了線性擬合，提出了新舊混凝土粘結面粘結抗剪強度的計算公式，公式同

時考慮了法向壓應力、粘結面粗糙度和粘結面界面劑類型的影響，受試驗構件尺寸和數量的限制，論文提出的粘結抗剪強度計算公式還有待更多試驗數據的進一步驗證。

[1] 袁群，劉健.新舊混凝土粘結的剪切強度研究[J].建筑結構學報，2001，22（2）：46-50.

[2] 趙志方，周厚貴，袁群.新老混凝土的粘結機理研究與工程應用[M].北京：中國水利水電出版社，2003.

[3] 張雄，張蕾.新老混凝土粘結面人造粗糙度表征及性能研究[J].同濟大學學報（自然科學版），2013，41（5）：753-758.

[4] 閆國新，張曉磊，張雷順.新老混凝土黏結面粗糙度評價方法綜述[J].混凝土，2010（1）：25-29.

[5] 林擁軍，錢永久，王振領.新舊混凝土結合面粘結強度計算方法研究[J].工業建筑，2006，36（S1）：844-846.

[6] 張曉光，陳澤赳，劉星，等.新舊混凝土結合面抗剪性能現場試驗研究[J].結構工程師，2010，26（6）：70-75.

[7] 江志偉.溝槽和植筋新舊混凝土界面抗剪性能試驗研究[D].廣州：廣東工業大學，2014.

[8] 劉傳奇.新舊混凝土界面粘貼機理試驗研究[D].西安：長安大學，2014.

[9] 史長城，于春霞，王大輝，等.地質聚合物界面劑對新老混凝土粘結強度影響研究[J].新型建筑材料，2017（3）：110-113.

[10] 張亞衡，周宏偉，謝和平.粗糙表面分形維數估算的改進立方體覆蓋法[J].巖石力學與工程學報，2005，24（17）：3192-3196.

[11] 王少波.新舊混凝土粘結面抗剪強度試驗研究[D].鄭州：鄭州工業大學，2000.

[12] 白文君，何兆益，胡金玉，等.新舊混凝土黏結強度特性研宄[J].混凝土，2008（1）：45-48.

[13] 王振領.新老混凝土粘結理論與試驗及在橋梁加固工程中應用研宄[D].成都：西南交通大學，2007.