直剪作用下再生混凝土黏結(jié)界面強(qiáng)度影響因素分析

張紹松，黃芳瑋，陳宇良，覃貝錄，秦裕全

摘? 要：為研究再生混凝土新舊黏結(jié)界面的剪切強(qiáng)度，對(duì)新舊混凝土進(jìn)行了黏結(jié)強(qiáng)度直剪試驗(yàn).考慮到新舊混凝土類型對(duì)新舊混凝土黏結(jié)界面強(qiáng)度的影響，設(shè)計(jì)了4組試驗(yàn)，共12個(gè)標(biāo)準(zhǔn)立方體試件，得到了各界面試件的破壞形態(tài)、剪切應(yīng)力-名義應(yīng)變曲線及損傷發(fā)展曲線，提取了峰值應(yīng)力、峰值名義應(yīng)變、初始剪切模量等特征值參數(shù)，對(duì)比分析了再生混凝土新舊黏結(jié)界面抗剪性能及損傷變化規(guī)律.結(jié)果表明：新舊混凝土類型對(duì)結(jié)合試件的破壞形態(tài)影響較小，試件均為結(jié)合面剪切破壞，且其黏結(jié)界面是剪切破壞的薄弱界面;新舊混凝土類型對(duì)結(jié)合試件的黏結(jié)強(qiáng)度和變形影響較大;所有試件的損傷曲線趨勢(shì)基本相同，新舊混凝土類型均為再生混凝土?xí)r，其損傷相較于其他類型試件出現(xiàn)最早.

關(guān)鍵詞：再生混凝土;新舊混凝土;黏結(jié)界面;抗剪強(qiáng)度

中圖分類號(hào)：TU528.7? ? ? ? ? DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2021.04.011

0? ? 引言

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化發(fā)展不斷推進(jìn)，建筑垃圾數(shù)量逐年增長(zhǎng)，對(duì)環(huán)境造成了巨大的影響.再生混凝土技術(shù)可以有效地使建筑廢棄混凝土得到重新利用，極大程度地減少了建筑垃圾，具有廣泛的經(jīng)濟(jì)價(jià)值、社會(huì)價(jià)值和環(huán)境價(jià)值[1].再生混凝土屬于一種綠色建材，符合國(guó)家節(jié)能環(huán)保、綠色建筑、資源循環(huán)利用的發(fā)展要求.目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)再生混凝土進(jìn)行了大量研究.王長(zhǎng)青等[2]研究了循環(huán)往復(fù)荷載下約束再生混凝土的力學(xué)性能，建立了循環(huán)往復(fù)荷載下約束再生混凝土的殘余變形方程.張椿民等[3]研究了再生混凝土取代率對(duì)鋼筋銹蝕的影響，結(jié)果表明，取代率越大，抵抗鋼筋銹蝕的能力越差.晏方等[4]研究了道路再生骨料對(duì)混凝土的多軸受壓強(qiáng)度及損傷演變性能的影響，結(jié)果表明，圍壓越大，再生混凝土的強(qiáng)度越大，變形性能越好.Goncalves等[5]研究了再生骨料和再生混凝土的基本力學(xué)性能.

在實(shí)際工程應(yīng)用中，新舊混凝土黏結(jié)界面強(qiáng)度至關(guān)重要.新舊混凝土黏結(jié)界面在裝配式結(jié)構(gòu)的接縫處、既有結(jié)構(gòu)的加固改造處和現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的施工縫處較為常見，其界面強(qiáng)度是工程能否起到預(yù)期效果的關(guān)鍵.目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)新舊混凝土的界面黏結(jié)性能進(jìn)行了大量研究.Rashid等[6]研究了不同界面劑對(duì)新舊混凝土黏結(jié)強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明苯乙烯丁二烯橡膠乳膠相較于水泥膏、環(huán)氧結(jié)合劑、碳纖維增強(qiáng)聚合物具有更好的修復(fù)效果.Chen等[7]提出了新舊混凝土界面抗剪承載力公式.Tayeh等[8]研究了普通混凝土基體與超高性能纖維混凝土作為修復(fù)材料的界面黏結(jié)特性，結(jié)果表明，超高性能纖維混凝土作為混凝土結(jié)構(gòu)修復(fù)的優(yōu)秀材料具有顯著的潛力.林新鵬等[9]研究了植筋情況下新舊混凝土黏結(jié)界面的剪切強(qiáng)度，結(jié)果表明，界面剪切強(qiáng)度隨植筋率的增大而增大.吳吉昊等[10]研究了硅灰摻量對(duì)水泥基灌漿料（CGM）與老混凝土界面黏結(jié)強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明，硅灰摻量為4%～5%時(shí)，對(duì)界面黏結(jié)強(qiáng)度提升最大.對(duì)新舊混凝土的種類（普通混凝土、纖維混凝土、自密實(shí)混凝土等）也有相關(guān)研究[11-14]，而關(guān)于再生混凝土新舊黏結(jié)界面的力學(xué)性能研究鮮有報(bào)道，其相關(guān)機(jī)制尚不明確，不利于再生混凝土的推廣和利用.

基于此，對(duì)再生混凝土界面試件進(jìn)行直剪試驗(yàn)研究，考慮到新舊混凝土類型的影響，研究黏結(jié)界面試件的破壞機(jī)理，分析再生混凝土新舊黏結(jié)界面抗剪性能，以期為再生混凝土的應(yīng)用提供參考.

1? ? 試驗(yàn)概況

1.1? ?原材料

水泥（C）采用魚峰牌P·O42.5普通硅酸鹽水泥;粗骨料采用再生粗骨料（RA）和天然粗骨料（NA），粒徑為5～20 mm，再生粗骨料來源于實(shí)驗(yàn)室廢棄混凝土試塊和廢棄混凝土梁，粗骨料物理指標(biāo)如 表1所示;細(xì)骨料（S）采用中砂，細(xì)度模數(shù)為2.45，表觀密度為2 581 kg/m3;試驗(yàn)用水（W）采用城市自來水.

1.2? ?試驗(yàn)配合比

混凝土的水膠比為0.551，砂率為36%，設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C30.再生混凝土的取代率為100%.詳細(xì)配合比見表2.界面試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm.為保證混凝土的水膠比不變，再生混凝土澆筑時(shí)需添加附加用水，附加用水量由再生骨料和天然骨料的吸水率差值決定.試塊28 d實(shí)測(cè)抗壓強(qiáng)度為30.93 MPa.

1.3? ?試件制作

共設(shè)計(jì)4組立方體試件，每組3個(gè)，編號(hào)分別為N-R、R-N、R-R、N-N，其中編號(hào)前半部分表示舊混凝土的類型，后半部分表示新混凝土的類型;N表示天然混凝土，R表示再生混凝土（例如：N-R表示天然混凝土-再生混凝土試件）.

界面試件制作流程：①完成4組（天然混凝土、再生混凝土各2組）混凝土直剪試驗(yàn)，制得舊混凝土試塊;②清除舊混凝土試塊破壞面的灰塵和碎屑，將清理完畢后的試件放入尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的模具中（圖1）;③澆筑新混凝土（共有天然混凝土和再生混凝土2種），振搗后抹平，澆水養(yǎng)護(hù)28 d.試件設(shè)計(jì)圖如圖2所示.

1.4? ?試驗(yàn)裝置及加載制度

加載裝置采用RMT-301巖石與混凝土力學(xué)試驗(yàn)機(jī).加載時(shí)，試件位于剪切盒中（剪切盒分為上下兩部分），上剪切盒通過橫向鋼擋板固定，下剪切盒通過水平作動(dòng)器單向運(yùn)動(dòng)，使試件受到純剪作用（剪力由水平作動(dòng)器提供的拉力轉(zhuǎn)換得到）.試驗(yàn)加載裝置模型及試件受力模型分別見圖3、圖4.

加載制度采用位移控制，加載速率為0.02 mm/s.正式加載前進(jìn)行水平預(yù)加載，使試塊緊貼剪切盒，再進(jìn)行水平方向正式加載，連續(xù)單調(diào)加載至試件 破壞.

2? ? 試件破壞形態(tài)

所有試件呈脆性破壞，正面及側(cè)面存在一條平直的剪切裂縫，無其他明顯破壞特征.N-R試件破壞面舊混凝土一側(cè)和未澆筑前基本一致，凸出的骨料表面附著有新水泥漿體，新混凝土一側(cè)能夠看到明顯的摩擦痕跡;R-N試件破壞面舊混凝土一側(cè)存在部分骨料被剪斷，新混凝土一側(cè)在應(yīng)力較大處有硬化水泥漿體被剪斷;R-R試件破壞面兩側(cè)均存在部分骨料被剪斷的現(xiàn)象;N-N試件破壞面舊混凝土一側(cè)部分凸出骨料表面附著有水泥砂漿，新混凝土一側(cè)少部分骨料被剪斷.以上分析表明，新舊混凝土黏結(jié)界面是剪切破壞的薄弱面.試件典型破壞形態(tài)如圖5所示.

3? ? 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1? ?試驗(yàn)特征參數(shù)

通過對(duì)界面試件進(jìn)行直剪試驗(yàn)，得到了試件的剪切應(yīng)力-名義應(yīng)變曲線，并提取了峰值剪力、抗剪強(qiáng)度、名義峰值應(yīng)變、名義破壞應(yīng)變、破壞應(yīng)力、剪切模量等特征參數(shù)，具體數(shù)值見表3.

其中抗剪強(qiáng)度按式（1）進(jìn)行計(jì)算：

[τ0=VA]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中：[τ0]為抗剪強(qiáng)度，MPa;[V]為峰值剪力，kN;[A]為剪切面面積，mm2.

名義應(yīng)變按式（2）進(jìn)行計(jì)算：

[γ=sb]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

式中：[γ]為名義應(yīng)變，[s]為試件位移，mm;[b]為試件寬度，mm.

3.2? ?試驗(yàn)結(jié)果分析

3.2.1? ?剪切應(yīng)力-名義應(yīng)變?nèi)^程曲線

圖6為各試件的剪切應(yīng)力-名義應(yīng)變曲線.由圖6可知，各試件的剪切應(yīng)力-名義應(yīng)變曲線經(jīng)歷彈性、內(nèi)部裂縫發(fā)展、可見裂縫發(fā)展和破壞4個(gè)階段.加載初期，試件處于彈性階段，剪切應(yīng)力-名義應(yīng)變曲線呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì);隨著荷載加大，剪切應(yīng)力-名義應(yīng)變曲線斜率開始逐漸減小，內(nèi)部微裂縫尖端應(yīng)力集中，微裂縫隨著荷載增大不斷發(fā)展延伸，荷載主要由水泥基體間的黏聚力承擔(dān);隨著荷載進(jìn)一步加大，當(dāng)內(nèi)部微裂縫發(fā)展為宏觀裂縫時(shí)，荷載主要由未開裂部分的黏聚力及開裂部分的機(jī)械咬合力承擔(dān);最后裂縫貫穿整個(gè)黏結(jié)界面，試件被剪壞，荷載主要由剪切破壞面之間的機(jī)械咬合力和摩擦力共同承擔(dān).和N-N試件相比，其他類型試件的剪切應(yīng)力-名義應(yīng)變曲線下降段更為陡峭，說明4類試件中N-N試件的脆性最小;各試件的剪切應(yīng)力-名義應(yīng)變曲線趨勢(shì)基本相似，且在γ≥0.05時(shí)曲線基本重合，說明新舊混凝土類型對(duì)剪切應(yīng)力-名義應(yīng)變曲線影響不大.

3.2.2? ?新舊混凝土類型對(duì)直剪變形的影響

圖7為各試件的名義峰值應(yīng)變比較.由圖7可知，R-R試件相較于R-N試件，其名義峰值應(yīng)變降低了40.73%;N-R試件相較于N-N試件，其名義峰值應(yīng)變降低了18.28%.相較于N-R試件，R-R試件的名義峰值應(yīng)變降低了40.04%;相較于N-N試件，R-N試件名義峰值應(yīng)變降低了17.32%.綜上所述，無論舊混凝土為何種類型，試驗(yàn)中再生混凝土和天然混凝土黏結(jié)試件相比較，其延性均有所降低.這是因?yàn)楣橇吓c水泥漿的黏結(jié)面強(qiáng)度是影響混凝土變形性能的一個(gè)主要因素[2]，而新舊混凝土結(jié)合面中新砂漿和再生粗骨料存在多個(gè)結(jié)合面（新砂漿和舊砂漿、新砂漿和原天然骨料、舊砂漿和原天然骨料等），導(dǎo)致新舊混凝土結(jié)合面強(qiáng)度大幅降低.

3.2.3? ?新舊混凝土類型對(duì)直剪強(qiáng)度的影響

圖8為各試件黏結(jié)抗剪強(qiáng)度比較.由圖8可知，R-R試件相較于R-N試件，其抗剪強(qiáng)度提高了17.18%;相較于N-N試件，N-R試件抗剪強(qiáng)度降低了35.25%.R-R試件相較于N-R試件，其抗剪強(qiáng)度提高了37.54%;相較于N-N試件，R-N試件抗剪強(qiáng)度降低了24.00%.主要原因?yàn)椋涸偕止橇系男阅埽芏?、壓碎指?biāo)等）比天然粗骨料的低，隨著再生粗骨料取代率的提高，再生混凝土內(nèi)部薄弱區(qū)增多（新舊砂漿界面區(qū)、原生粗骨料和新舊砂漿界面區(qū)） ，導(dǎo)致其強(qiáng)度有所降低[15].

3.2.4? ?新舊混凝土類型對(duì)初始剪切模量的影響

圖9為各試件的初始剪切模量比較.由圖9可知，R-R試件相較于R-N試件，其剪切模量提高了183.47%;相較于N-N試件，N-R試件剪切模量降低了24.68%.R-R試件相較于N-R試件，其剪切模量提高了247.92%;相較于N-N試件，R-N試件剪切模量降低了6.26%.由此可以判斷，當(dāng)舊混凝土為再生混凝土?xí)r，使用再生混凝土作為新混凝土使試件的剛性有很大的提高.

3.2.5? ?工程建議分析

根據(jù)以上新舊混凝土類型對(duì)混凝土黏結(jié)界面抗剪強(qiáng)度、直剪變形、初始剪切模量的影響分析可知，和N-R、R-N試件相比，R-R、N-N試件的抗剪強(qiáng)度平均提高約33% ，R-R試件的初始剪切模量平均提高約2.12倍，N-N試件的直剪變形平均提高約22%，R-R試件的直剪變形平均降低約40%.綜上所述，從總體考慮，同類型混凝土黏結(jié)試件性能要優(yōu)于新舊混凝土類型不同的黏結(jié)試件，因此，建議在實(shí)際工程應(yīng)用中，新舊混凝土黏結(jié)界面使用同類型混凝土.

3.3? ? 損傷分析

為了反映混凝土抗剪強(qiáng)度的損傷變化，通過損傷變量[D]（0≤[D]≤1）分析混凝土試件的損傷變化，[D]越大，代表試件的損傷越大.損傷變量[D]在參考文獻(xiàn)[16]的計(jì)算公式如式（3）所示：

[D=1-GdG0]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

式中：[Gd]為剪切模量，[G0]為初始剪切模量.

圖10為試件的損傷曲線.由圖10可知，所有試件的損傷曲線趨勢(shì)基本相似，當(dāng)[D] =0.7左右時(shí)， R-R試件損傷曲線的上升速率開始減緩;當(dāng)[D] =0.5左右時(shí)，其余試件損傷曲線的上升速率開始減緩，說明R-R試件的損傷更早出現(xiàn).當(dāng)新舊混凝土類型均為再生混凝土?xí)r，其損傷曲線起點(diǎn)接近原點(diǎn)且遠(yuǎn)遠(yuǎn)早于其余試件，損傷曲線呈直線上升，說明R-R試件最早出現(xiàn)損傷且混凝土內(nèi)部的裂縫發(fā)展迅速，原因?yàn)椋涸偕橇掀扑闀r(shí)產(chǎn)生的裂紋對(duì)試件的損傷發(fā)展具有加速作用;當(dāng)新舊混凝土類型均為天然混凝土?xí)r，其損傷曲線起點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變最大，說明N-N試件的損傷最晚出現(xiàn).

4? ? 結(jié)論

通過對(duì)再生混凝土黏結(jié)界面的直剪強(qiáng)度試驗(yàn)研究，可以得到以下結(jié)論：

1）新舊混凝土類型對(duì)試件的破壞形態(tài)影響不大.試件的破壞類型為剪切破壞，且破壞面均為黏結(jié)界面，說明黏結(jié)界面為剪切破壞的薄弱面.

2）新舊混凝土類型對(duì)試件的界面黏結(jié)強(qiáng)度影響顯著，和R-R試件相比，R-N試件、N-R試件的黏結(jié)強(qiáng)度降低幅值約為27%;和N-N試件相比，R-N試件、N-R試件的黏結(jié)強(qiáng)度降低幅值約為30%.新舊混凝土類型對(duì)試件的延性影響較大，和R-R試件相比，R-N試件、N-R試件的名義峰值應(yīng)變提高幅值約為40.0%;和N-N試件相比，R-N試件、N-R試件的名義峰值應(yīng)變下降幅值約為17.5%.

3）根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，在實(shí)際工程應(yīng)用中，新舊混凝土黏結(jié)界面處建議使用同類型混凝土.綜合考慮新舊混凝土類型對(duì)黏結(jié)試件的抗剪強(qiáng)度、直剪變形、初始剪切模量的影響，同類型混凝土黏結(jié)試件的性能相對(duì)更好.

4）R-R試件相較于其他試件，其損傷速度更快，時(shí)間更早.因此，在應(yīng)用天然混凝土的結(jié)構(gòu)加固或施工縫等工程中不建議使用再生混凝土.由于試驗(yàn)樣本有限，試驗(yàn)中僅考慮了新舊混凝土類型的影響，界面處理劑及新舊混凝土強(qiáng)度等因素有待進(jìn)一步研究.

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Analysis of influencing factors of bond interface strength of recycled concrete under direct shear

ZHANG Shaosong， HUANG Fangwei， CHEN Yuliang*， QIN Beilu， QIN Yuquan

（School of Civil Engineering and Architecture， Guangxi University of Science and Technology，

Liuzhou 545006， China）

Abstract： In order to study the shear strength of the new and old bonding interface of recycled? ? ? ? ? ?aggregate concrete， a direct shear test of the bonding strength of the new and old concrete was? ? ? ? ? conducted. Considering the influence of the new and old concrete types on the strength of the bonding interface ， 4 groups of 12 standard cube specimens were designed for testing， and the failure morphology， shear stress-nominal strain curve and damage development curve of each interface specimen were obtained. The characteristic value parameters such as peak stress， peak nominal strain， and initial shear modulus were extracted， and the shear properties and damage change rules of the new and old bonding interface of recycled aggregate concrete were compared and analyzed. The results showed that the new and old concrete types had little effect on the failure mode of the bonded specimens.The specimens were all destroyed by shear damage of the bond surface， and the bonding interface was a weak interface for shear failure. The bonding of the new and old concrete types on the bonded specimens strength and deformation had a greater impact. The damage curve trend of all? specimens was basically the same. When the new and old concrete types were recycled aggregate concrete， the damage appeared earlier than other types of specimens.

Key words： recycled concrete; new and existing concrete; bonding interface; shear strength

（責(zé)任編輯：羅小芬）