帶植筋新舊混凝土粘結(jié)界面剪切強度試驗研究

林新鵬　黃璐　林燕英　廖麗云　陳勝　彭茄芯

(福州大學(xué)土木工程學(xué)院　福建福州　350116)

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帶植筋新舊混凝土粘結(jié)界面剪切強度試驗研究

林新鵬黃璐林燕英廖麗云陳勝彭茄芯

(福州大學(xué)土木工程學(xué)院福建福州350116)

新舊混凝土粘結(jié)界面的剪切強度是衡量界面粘結(jié)性能的最重要指標(biāo)。基于Z形粘結(jié)試件直剪試驗，研究植筋情況下新舊混凝土粘結(jié)界面的剪切強度。采用統(tǒng)計方法，分析植筋直徑、植筋深度及植筋率對粘結(jié)界面剪切強度的影響，結(jié)果表明：為保證新舊混凝土界面的粘結(jié)性能，植筋深度需不小于10倍的植筋直徑，且界面剪切強度隨植筋率的增大而增大。利用試驗結(jié)果，對已有新舊混凝土粘結(jié)界面剪切強度的主要計算公式進行了對比分析，分析結(jié)果表明：吻合度較高的計算公式，可供實際加固工程參考。

新舊混凝土粘結(jié)界面；直剪試驗；粘結(jié)性能；剪切強度；植筋

0　引言

當(dāng)前，我國有大量混凝土建筑物進入老化使用期，因此，對舊建筑進行加固改造以延長其使用壽命，無疑具有重要的現(xiàn)實意義[1]。以往的混凝土加固工程中，因缺乏對新舊混凝土粘結(jié)機理和力學(xué)性能的系統(tǒng)研究和認識，往往根據(jù)經(jīng)驗對新舊混凝土界面進行處理，常因界面粘結(jié)強度不足而發(fā)生開裂、剝離等現(xiàn)象，嚴重影響結(jié)構(gòu)的承載力和建筑物的正常使用[2]；可見，新舊混凝土之間的良好粘結(jié)是保證新舊結(jié)構(gòu)形成整體、共同承載的關(guān)鍵，粘結(jié)質(zhì)量的好壞直接決定結(jié)構(gòu)加固的效果[3]。

提高新舊混凝土整體性能的關(guān)鍵是增強其粘結(jié)界面的抗剪能力。國外對新舊混凝土粘結(jié)界面剪切強度的研究由來已久，Birkeland等(1966)[4]首次提出新舊混凝土粘結(jié)界面的摩擦抗剪理論，該理論影響深遠，之后的很多研究工作都是建立在摩擦抗剪理論的基礎(chǔ)上[5-8]，美國混凝土規(guī)范ACI 318-14[9]與橋規(guī)AASHTO LRFD[10]中新舊混凝土粘結(jié)界面抗剪承載力計算式也是基于該理論提出的。國內(nèi)關(guān)于新舊混凝土粘結(jié)界面剪切強度的試驗較多[11-14]，考慮因素也較多，也提出一些基于試驗結(jié)果的剪切強度經(jīng)驗公式。已有研究表明，在一定范圍內(nèi)適當(dāng)增加舊混凝土表面粗糙度，可以增大粘結(jié)界面的機械咬合力，提高粘結(jié)界面的剪切強度[15]；此外，采用合適的界面劑，也能不同程度地提高粘結(jié)界面的粘結(jié)力[16-17]。Walter等[18]提出，采用在新舊混凝土界面之間植筋的方式，可達到增強新舊混凝土粘結(jié)性能的目的。國內(nèi)外眾多學(xué)者也對植筋情況下新舊混凝土粘結(jié)界面的剪切性能進行了試驗研究，并利用試驗結(jié)果得到半經(jīng)驗半理論的剪切強度計算公式；這些公式由于考慮因素不同，存在較大的差異。

本文采用正交試驗設(shè)計方法，開展帶植筋的Z形粘結(jié)試件的直剪試驗，研究植筋直徑、植筋深度及配筋率對新舊混凝土粘結(jié)界面剪切強度的影響，并利用已有試驗數(shù)據(jù)，對常用的剪切強度計算公式進行比對，從中找出與試驗數(shù)據(jù)吻合較好的公式，以期為加固改造工程中新舊混凝土粘結(jié)界面的抗剪承載力設(shè)計計算提供參考。

1　試驗概況

1.1試驗材料

試驗試件所用的水泥選用建福牌水泥，粗骨料采用粒徑5～16 mm連續(xù)級配碎石，細骨料采用細度模數(shù)為2.3的閩江中砂；植筋選用HRB335級熱軋帶肋鋼筋，鋼筋直徑分別為6mm、8mm和10mm。根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范》(GB 50367-2013)[19]，采用增大截面法加固時所用混凝土強度等級，設(shè)計時宜比原結(jié)構(gòu)、構(gòu)件的設(shè)計混凝土強度提高一級，且不應(yīng)低于C20。本試驗取舊混凝土材料強度等級為C20，新混凝土材料強度等級為C25，新、舊混凝土配合比及實測基本力學(xué)性能參數(shù)如表1所列。

表1　混凝土配合比及實測基本力學(xué)性能參數(shù)

1.2試件設(shè)計

Hofbeck[20]最早采用Z形試件對新舊混凝土界面的粘結(jié)性能進行試驗研究，并指出Z形試件可最大程度減小粘結(jié)界面因產(chǎn)生剪力而帶來的壓應(yīng)力集中和彎矩，使界面上的應(yīng)力分布比較均勻，且能讓加載對中更加便利?？紤]加載的簡單可行性以及界面上應(yīng)力分布的均勻性等因素，本試驗采用Z形試件，尺寸取為340mm×200mm×400mm，如圖1所示；先澆注Z形試件的其中一半(舊混凝土部分)，待舊混凝土部分達到設(shè)計齡期后，在界面上植筋，再澆注另一半混凝土(新混凝土部分)。為防止試件其他部位先于粘結(jié)界面破壞，通過配置構(gòu)造鋼筋對局部進行加強。

采用正交試驗設(shè)計法進行試件設(shè)計，主要考慮植筋直徑、深度及植筋率對新舊混凝土粘結(jié)界面剪切強度的影響；利用正交表得到9組共27個Z形試件，各試件的具體植筋參數(shù)見表2。此外，本試驗還設(shè)計了3個無植筋的對照組(DZ組)試件。所有Z形試件在新澆另一半混凝土(新混凝土部分)之前，均采用人工鑿毛法進行粗糙度處理，通過灌砂法測得粗糙度△=2～4mm；界面劑采用與新澆混凝土同配比的水泥凈漿，涂刷厚度0.5mm～1.5 mm。

表2　各組試件植筋參數(shù)表

1.3加載方案

直剪試驗在福州大學(xué)“工程結(jié)構(gòu)”福建省高校重點實驗室裝備的10 000kN電液伺服長柱壓力試驗機上進行，如圖2；在試驗機上、下壓頭中線處各放置一塊2 cm寬、0.4 cm厚的鐵條，以產(chǎn)生軸向集中力。加載前調(diào)整粘結(jié)面位置，使粘結(jié)面與荷載中心線一致。試驗采用分級加載模式，每級加載完成后，停5min再進行下一級加載。初始每級荷載增量取為理論極限荷載的10%，當(dāng)加載到90%的極限荷載后，每級荷載增量取為理論極限荷載的5%，持續(xù)加載直至試件破壞為止。

2　試驗結(jié)果與分析

2.1試驗現(xiàn)象與破壞特征

無植筋對照組(DZ組)試件加載至開裂荷載時，粘結(jié)界面出現(xiàn)豎向裂縫，荷載繼續(xù)增大至極限荷載時，粘結(jié)界面發(fā)生明顯錯動，并伴有“砰砰”響聲，試件從開裂到破壞過程極短。無植筋對照組試件脆性破壞特征十分明顯，幾乎在豎向裂縫產(chǎn)生的同時粘結(jié)界面即發(fā)生破壞，新、舊混凝土沿粘結(jié)界面完全分離為兩部分，且破壞面較為平直(圖3)；此外，在新、舊混凝土破壞面，還可見舊混凝土破壞面骨料凸出，并包裹有新混凝土水泥漿，基本無骨料被剪斷；新混凝土破壞面有凹坑，在應(yīng)力較大處有硬化水泥漿體被剪斷(圖4)。

帶植筋的各組試件加載至開裂荷載時，粘結(jié)界面出現(xiàn)約0.1 mm的豎向裂縫；隨著荷載增大，新舊混凝土粘結(jié)界面附近出現(xiàn)豎向斜裂縫，并逐漸向粘結(jié)界面擴展；荷載繼續(xù)增大，豎向裂縫的寬度變化較小，然而斜裂縫寬度進一步加寬，且逐漸擴展至粘結(jié)界面，此時粘結(jié)界面兩側(cè)新舊混凝土試塊相對位移繼續(xù)增大；荷載增至極限荷載時，新舊混凝土在粘結(jié)界面處開裂，然而由于植入鋼筋的拉錨作用，并未立即破壞(圖5)，除了植筋深度及配筋率均較小的ZJ-1(圖6)組與ZJ-4組試件新舊混凝土分離且鋼筋被拔出外，其余各組試件在植筋錨固作用下未斷裂成兩部分，仍是一個整體。

2.2試驗結(jié)果及分析

新舊混凝土界面直剪破壞時，剪切強度按照公式(1)計算。

(1)

式中，τ為粘結(jié)界面的剪切強度，V為剪切破壞荷載，A為粘結(jié)界面面積。

表3列出了無植筋的對照組試件及帶植筋的各組試件新舊混凝土粘結(jié)界面剪切強度的試驗實測值，其中γ為表示植筋組試件粘結(jié)界面剪切強度提高幅度的參數(shù)，按式(2)定義。從表3中可見，與無植筋的對照組試件相比較，帶植筋的各組試件新舊混凝土粘結(jié)界面的剪切強度均有不同程度的提升。

(2)

表3　直剪試驗結(jié)果

表5　正交試驗方差分析表

3　新舊混凝土粘結(jié)界面剪切強度計算公式評價

根據(jù)Birkeland等(1966)[4]提出的摩擦抗剪理論，新舊混凝土粘結(jié)界面的抗剪承載力和剪切強度可以用下式(3)表示：

Vn=Avftanφ=Avffyμ或υn=μρfy

(3)

式中，Vn和υn分別為界面抗剪承載力和界面剪切強度；Avf、fy和ρ分別為抗剪鋼筋截面積、屈服強度和配筋率；μ為界面摩擦系數(shù)，μ=tanφ。

目前，國內(nèi)外常用的新舊混凝土粘結(jié)界面剪切強度的計算公式大多以摩擦抗剪理論為基礎(chǔ)，表6列出了其中的一些規(guī)范公式和理論公式，其中，ν為新舊混凝土粘結(jié)界面剪切強度；fc為新、舊混凝土抗壓強度平均值；fc′為混凝土圓柱體抗壓強度；Ac為新舊混凝土粘結(jié)界面面積；ft為混凝土抗拉強度。

表6　植筋試件新舊混凝土粘結(jié)界面剪切強度計算公式

表7　各公式計算結(jié)果統(tǒng)計

從表7中可見，Kahn等[6]和Mansur等[7]公式的均值都大于1，表明其對新舊混凝土粘結(jié)界面的剪切強度均存在高估情況；美國混凝土規(guī)范ACI 318-14[9]公式和葉果等[12]公式的均值分別為0.43和0.53，顯然都明顯低估了粘結(jié)界面的剪切強度；Patnaik[5]公式與試驗實測結(jié)果最為接近，其次是美國橋規(guī)AASHTO LRFD[10]公式，其他公式的均值則在0.78～0.90之間。從離散性指標(biāo)看，美國橋規(guī)AASHTO LRFD公式、Patnaik公式等與試驗實測結(jié)果的離散性較?。粐鴥?nèi)邢強等(2012)[14]所提出的公式不僅與試驗實測結(jié)果較為接近，而且離散性最小。

4　結(jié)論

(1)通過在新舊混凝土粘結(jié)界面上植筋，可以有效地提高粘結(jié)界面的剪切強度。

(2)植筋率對新舊混凝土粘結(jié)界面的剪切強度有顯著影響，植筋直徑有一定影響，植筋深度則基本沒有影響，但不宜小于10倍植筋直徑。

(3)在計算帶植筋的新舊混凝土粘結(jié)界面的剪切強度時，推薦采用美國橋規(guī)AASHTO LRFD(2007)規(guī)范公式。

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Experimental study on shear strength of the bonding interface between new and old concrete with embedded steel bars

LIN XinpengHUANG LuLIN YanyingLIAO LiyunCHEN ShengPENG Jiaxin

(College of Civil Engineering, Fuzhou University, Fuzhou 350116)

Shear strength is the most important index of bonding performance of the interface between new and old concrete. Based on direct shear experiments of Z-shaped adhesive specimens with embedded steel bars, shear strength of the bonding interface between new and old concrete was studied. The influences of the diameters, depths and ratios of the bars are investigated by statistical method. The results indicate that the depths of the bars should not less than 10 times of its diameters to ensure the bonding performance of the interface between new and old concrete, and shear strength of the interface increases with anchorage rate. On the basis of testing data, the common formulas of shear strength of the bonding interface between new and old concrete were checked, and the formula which best meets with the testing data is pointed out. The research results can be used as reference for actual strengthening project.

Interface between new and old concrete; Direct shear experiment; Bonding performance; Shear strength; Reinforced bar planting

廈門市建設(shè)與管理局科技項目( 2014-2-8)，國家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目(201510386012)

林新鵬(1992.10-)，男，碩士研究生。

E-mail:Albert_xp@163.com

2016-03-23

TU317

A

1004-6135(2016)04-0048-06