自密实混凝土与旧混凝土黏结界面抗剪性能试验研究

梁振刚， 刘 姗

(益阳市交通规划勘测设计院有限公司， 湖南 益阳 413000)

0 引言

在服役过程中，由于环境中有害元素的侵蚀和超载等原因，许多钢筋混凝土桥梁结构的承载性能发生了退化[1-3]，工程普遍采用增大截面法、FRP (纤维复合材料)法、钢板法等加固方法对结构进行加固，另外工程中还采用体外预应力筋来提高钢筋混凝土桥梁的承载力[4-6]。在上述加固方法中，增大截面法以施工方便、成本低、强度高以及在潮湿、低温环境下具有应用可能性等优点，成为目前应用最广泛的加固技术之一。

旧混凝土与加固层混凝土的界面黏结性能是影响增大截面法加固效果的关键因素。国内外研究表明，界面黏结性能受到各种因素的影响，如界面粗糙度、黏结剂、固化条件、加固层混凝土含水率和加固层应力状态[7-8]，其中，界面粗糙度被认为是最显著的因素之一[9]。工程中加大界面粗糙的方法有人工凿槽、开槽、喷砂、高压注水、酸蚀等。植筋是另一种广泛应用的界面处理技术。许多学者重点研究了植筋深度、钢筋植筋和钢筋间距对界面剪切强度的影响。现有研究多集中于单独研究界面粗化或植筋技术上，对上述两类技术加固效果的比较研究较少。此外，传统的增大截面法加固主要是在梁底部通过添加钢筋混凝土来提高梁的刚度和强度。对于跨河桥梁，此方法可以应用于梁的顶部，所以增大截面法包括顶面加固、侧面加固和底面加固[10]，然而，很少有研究对这些不同加固方法作用下界面黏结行为进行研究。

自密实混凝土(SCC)的发展进一步促进了增大截面法的应用。SCC的高工作性、高流动、高流动性、自动填充和自动流平使得SCC增大截面法加固施工相比普通混凝土更加有效和经济[11]。国内外学者对于SCC加固层与基层混凝土的界面性能进行了一定的研究。Diab等[12]研究了混凝土强度、界面粗糙度、粗骨料类型和添加剂(如丁苯橡胶)对SCC和基层混凝土之间剪切黏结强度的影响。Gonzlez-Taboada等[13]评估了SCC的触变性及其对层间黏结强度的影响。Zhang等[14]提出了一种新的自密实混凝土表面散射砾石制备技术，以取代现有的混凝土表面制备方法。通过劈裂试验和斜剪试验，研究了不同碎石粒径自密实混凝土与老混凝土界面黏结性能。以上工作并没有明确SCC加固层与基层混凝土之间的界面行为，对于不同的加固方法，需要进一步研究。

本文提出了一种研究旧混凝土与自密实混凝土界面抗剪强度的试验方法。为此，设计了27组由2个L型混凝土构件组成的Z型试件，并进行了直剪试验。研究3种表面处理方法(开槽、植筋、打磨)和3种加固方法(顶面、侧面和底面加固)对黏结界面强度的影响。

1 试验

1.1 加固方式

为避免较大的弯曲应力，简化加载装置，设计了Z型试件。Z型试件由新老混凝土通过黏结界面组成，尺寸为100 mm×100 mm，所有试样的厚度均为100 mm。3种不同的加固方式为: ① 顶面加固:底部为旧混凝土，顶部为SCC，如图1(a)所示。②侧面强化:新老混凝土在侧面黏结，如图1(b)所示。③底面加固:旧混凝土在上，SCC在下，如图1(c)所示。

图1 试件加固方式(单位： mm)

在L型模具中采用普通混凝土预制旧混凝土作为基层，旧混凝土养护完成并进行界面处理后，将基层放入立方体模具中。模具的其他空部分用SCC浇筑。普通混凝土与SCC之间的无黏结界面用聚苯乙烯泡沫板填充。普通混凝土强度为30 MPa。根据我国《混凝土结构加固设计规范》[15]，用于加固的混凝土应不小于20 MPa，因此，SCC强度分别为30、35、40 MPa，所有混凝土强度都是按照《混凝土结构设计规范》[16]中标准试验方法获得。

1.2 界面处理

试件在SCC加固前对基层的黏结面进行处理。试验设计了我国常用的4种界面处理方法:

第I类:将表面打磨粗糙并切出凹槽，设计出4种凹槽，如图2所示。

1)I-a:在黏结界面上切两个凹槽，长度100 mm，宽度10 mm，深度10 mm，两个凹槽之间的距离为40 mm，如图2(a)、图2(b)所示。

2)I-b:在黏结界面右缘开一个槽，长度100 mm，宽度10 mm，深度10 mm，如图2(c)、图2(d)所示。

3)I-c:在黏结界面中间开一个槽，尺寸与I-b槽相同，如图2(e)、图2(f)所示。

4)I-d:在I-b左边缘开一个槽，尺寸与I-b槽相同,如见图2(g)、图2(h)所示。

图2 开槽试件(单位： mm)

第Ⅱ类: 将表面磨粗洗净，然后用水泥浆作黏结剂，1 h内浇筑SCC加固层，水泥浆体的配合比按照国家标准《混凝土界面处理剂》[17]进行设计。减水剂为三聚氰胺甲醛磺酸盐。采用标准[17]测试水泥浆体的抗剪黏结强度和抗拉黏结强度。

第Ⅲ类: 将表面磨粗洗净，保持湿润，1 h内完成SCC加固层的浇筑。

第Ⅳ类:将表面磨粗洗净，然后将4根10 mm的钢筋埋入基材中，锚固长度为100 mm。这些钢筋的屈服强度为335 MPa。钢筋位置如图3所示。

图3 黏结面植筋位置(单位： mm)

所有试件养护后放入碳化箱碳化2个月，再进行界面处理。

1.3 试件设计

试件共27组，每组3个,旧混凝土为C30,SCC混凝土为C35。各组试件的试验参数见表1。

表1 试验试件设计试件编号加固方式表面处理方式1-1侧面加固Ⅰ-a1-2侧面加固Ⅱ1-3底面加固Ⅰ-a1-4底面加固Ⅱ1-5顶面加固Ⅰ-a1-6顶面加固Ⅱ2-1侧面加固Ⅰ-a2-2侧面加固Ⅱ2-3底面加固Ⅰ-a2-4底面加固Ⅱ2-5顶面加固Ⅰ-a

续表1 试验试件设计试件编号加固方式表面处理方式2-6顶面加固Ⅱ3-1侧面加固Ⅰ-a3-2侧面加固Ⅱ3-3底面加固Ⅰ-a3-4底面加固Ⅱ3-5顶面加固Ⅰ-a3-6顶面加固Ⅱ4-1侧面加固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顶面加固Ⅳ5-1侧面加固Ⅲ5-2底面加固Ⅲ5-3顶面加固Ⅲ

1.4 试验加载

试验加载装置如图4所示。在该装置中，黏结界面与支承板中心对齐。千斤顶通过承载板向试件施加力，试件处于纯剪切状态。加载速率为5 kN一级。对于未测量应变的试样，在各加载速率下观察其开裂情况；对于测量应变的试样，记录黏结界面应变和开裂情况。

图4 试件加载装置

为了研究旧混凝土与SCC的黏结面滑移特性，在黏结界面两侧分别粘贴应变片。应变片位置如图5所示。

图5 试件应变片黏贴示意(单位： mm)

2 试验结果

2.1 试件破坏模式

I类试件在完全破坏前，基层上的骨料丧失剪切能力，但是界面没有完全破坏，这是由于有嵌入基层切槽SCC的存在，当荷载达到极限荷载时，此类试件由于嵌入层被剪断而破坏，如图6(a)所示。

II和III类试件的最终破坏模式相似，破坏模式为一条主裂缝贯穿整个黏结界面，破坏时，界面由于剪力过大而剪断，这与Zhang等[18]的试验结果类似。但是不同的加固方法试件开裂过程和破坏后界面状态有所不同。当荷载达到极限荷载的50%时，顶部和侧面加固试件的黏结界面仍未出现裂纹，而底部加固试件的黏结界面出现了微裂纹。当荷载达到极限荷载的80%时，采用顶部和侧面加固的试件黏接界面开始开裂，底部加固试件的裂缝延伸至界面中部。对于顶部加固试件，将SCC加固层骨料切割并黏接在基层上。侧面和底面加固的试件界面没有出现明显的骨料脱落情况，如图6(b)所示。

第IV类试件界面剪应力受骨料机械咬合力和钢筋锚固作用的抵抗。加固试件除了侧面和底面破坏，界面上的裂纹较顶面加固试件的裂纹更直观,如图6(c)所示。

(a) I类界面处理试件

不同加固方式试件的破坏模式相似:首先是黏结界面失效，接着是钢筋与SCC加固层之间的黏结失效。

2.2 SCC强度和加固方式对界面抗剪强度的影响

图7为不同SCC强度试件界面抗剪强度。从图7可以看出：同一界面处理的界面抗剪强度不仅受SCC强度影响，而且受加固方法影响。底面加固试件的界面抗剪强度明显低于其他2种加固方法的试件。对于界面处理方式I的试件，在相同SCC强度下，侧向加固和上部加固试件的抗剪强度分别比底部加固的试件高90%～260%和85%～160%，顶部加固试件的抗剪强度最高。界面处理方式Ⅱ的试件也是同样情况，侧向加固和上部加固试件的抗剪强度分别比底部加固的试件高90%～205%和226%～263%。

(a)界面处理方式Ⅰ

根据Zhang等[18]的试验结果，SCC强度应略大于基层强度，但不大于5 MPa。在本试验中，相同界面处理和加固方法下，无论SCC加铺层强度是否大于5 MPa，界面抗剪强度均随SCC强度增加而增加。

2.3 界面处理方式对界面剪切强度的影响

图8为不同表面处理方式下试件的界面剪切强度。从图8可以看出，Ⅰ类开槽试件的界面抗剪强度都比较接近，说明切槽的位置对于界面抗剪强度影响较小。刷了水泥浆的Ⅱ试件界面抗剪强度比没刷水泥浆的Ⅲ类试件界面抗剪强度高68%，水泥浆的作用致使界面黏结能力更强。所有表面处理方式中，植筋(Ⅳ)能够最有效提高界面的抗剪强度，这与其破坏模式相关，Ⅳ类试件的破坏模式为界面黏结失效后，植筋与SCC黏结破坏，植筋与SCC黏结应力比单纯的SCC与基层界面打磨、切槽产生的黏结应力明显大。

图8 不同表面处理方式试件界面抗剪强度

3 结论

本文设计了27组由2个L型混凝土构件组成的Z型试件，并进行了直剪试验。研究了3种表面处理方法(开槽、植筋、打磨)和3种加固方法(顶面、侧面和底面加固)对黏结界面强度的影响，获得了如下有意义的结论：

1) 不同切槽试件的破坏模式相似，都是由于嵌入层被剪断而破坏引起，界面打磨试件破坏模式为一条主裂缝贯穿整个黏结界面，破坏时界面由于剪力过大而剪断，但不同加固方法的试件开裂过程和破坏后界面状态有所不同。不同加固方式IV类界面处理试件的破坏模式相似，首先是黏结界面失效，然后钢筋与SCC加固层之间的黏结失效。

2) 底面加固试件的界面抗剪强度明显低于其他两种加固方法的试件。相同界面处理和加固方法下，界面抗剪强度均随SCC强度增加而增加。

3) 切槽的位置对于界面剪切强度影响较小。刷了水泥浆的试件界面抗剪强度比未刷水泥浆的试件界面抗剪强度高，植筋能够最有效提高界面的剪切强度。