凍融循環(huán)和界面劑對(duì)新老混凝土接觸面抗剪性能的影響

王丹薇

（朝陽(yáng)市閻王鼻子水庫(kù)工程建設(shè)管理局，遼寧 朝陽(yáng) 122000）

1 引言

水利工程是用于控制和調(diào)配自然界的地表水和地下水，達(dá)到除害興利目的而修建的工程，具有十分重要的社會(huì)意義、經(jīng)濟(jì)意義和生態(tài)意義。但是，許多水利工程由于建成時(shí)間較長(zhǎng)且當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)較低，已經(jīng)不能滿足社會(huì)發(fā)展的需求，亟待進(jìn)行維修和加固。工程經(jīng)驗(yàn)表明[1]，在既有水工建筑的基礎(chǔ)上進(jìn)行加固改造，不僅可以大幅提高原水工結(jié)構(gòu)的安全性，還可以有效提升其使用功能和要求，與拆除重建相比可以大幅節(jié)省投資、縮短工期，同時(shí)還可以減少生態(tài)環(huán)境影響[2]。在水利工程加固改造過(guò)程中，勢(shì)必會(huì)涉及新老混凝土結(jié)合問(wèn)題。一般來(lái)說(shuō)，新老混凝土界面的抗剪強(qiáng)度低于整體澆筑混凝土的強(qiáng)度，會(huì)成為水工混凝土結(jié)構(gòu)的軟弱結(jié)構(gòu)面[3]。如今新老混凝土界面的研究已成為各國(guó)科研工作者所關(guān)注的重點(diǎn)。界面承載力問(wèn)題中的抗剪問(wèn)題是新老混凝土結(jié)構(gòu)中最薄弱的部分，而剪切效應(yīng)對(duì)界面穩(wěn)定性的影響較為明顯，因此，對(duì)新老混凝土界面抗剪性能的研究就顯得越來(lái)越迫切。目前被普遍接受的界面粘結(jié)機(jī)理是摩擦抗剪機(jī)理，但是隨著試驗(yàn)研究及理論探索的不斷深入，研究者發(fā)現(xiàn)摩擦抗剪不是界面存在的唯一抗剪形式，還包含了混凝土的粘結(jié)力。可見，只有混凝土新老界面之間的粘結(jié)性能達(dá)到規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，方可保證加固改造之后的水工建筑的安全性[4]。另一方面，凍融循環(huán)是混凝土建筑遭受破壞的重要因素，其抗剪強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度都會(huì)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而下降。尤其是在我國(guó)的北方寒區(qū)，水工混凝土結(jié)構(gòu)在凍融循環(huán)作用下出現(xiàn)破壞的現(xiàn)象比較普遍[5]。目前，針對(duì)常溫環(huán)境下的新老混凝土粘結(jié)性能的研究較多，但是對(duì)凍融條件下新老混凝土粘結(jié)性能缺乏足夠的關(guān)注?；诖?，此次研究針對(duì)凍融循環(huán)條件下的新老混凝土界面抗剪性能展開試驗(yàn)研究，并獲得相關(guān)變化規(guī)律，為北方寒區(qū)水利工程加固改造施工提供必要的支持。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用水泥為水利工程建設(shè)常用的P.O42.5普通硅酸鹽水泥，樣品的初凝時(shí)間為185min，終凝時(shí)間為233min，3d抗壓強(qiáng)度為16.3MPa，28d抗壓強(qiáng)度為50.5MPa；試驗(yàn)用砂為天然河砂，在沖洗干凈后晾干備用。其表觀密度為2 600kg/m3，細(xì)度模數(shù)為2.48，含泥量小于3.5%；試驗(yàn)用粗骨料為人工石灰?guī)r碎石，其表觀密度為2 680kg/m3，粒徑范圍為5—19mm，吸水率為2%，壓碎指標(biāo)為3%；試驗(yàn)用鋼筋為直徑12mm的HRB400級(jí)鋼筋；植筋膠為上海派爾科建筑植筋膠；試驗(yàn)用水為普通自來(lái)水。

2.2 試驗(yàn)方案

新老混凝土界面抗剪性能受多種因素的影響，界面鑿毛、植筋、界面劑、混凝土強(qiáng)度、凍融循環(huán)次數(shù)均為重要影響因素。此次研究中所有方案均對(duì)就混凝土做同樣的鑿毛和植筋處理。將界面劑、新混凝土強(qiáng)度和凍融循環(huán)次數(shù)作為研究變量。結(jié)合工程實(shí)踐，設(shè)置涂刷和不涂刷界面劑2種界面條件；C20、C25、C30、C35和C40共5種不同的新混凝土強(qiáng)度等級(jí)；0次、20次、40次、60次、80次和100次共6種不同的凍融循環(huán)次數(shù)；按照以上條件設(shè)置不同試驗(yàn)方案進(jìn)行試驗(yàn)。

2.3 試件制備

新老混凝土均采用150mm×150mm×150mm的立方體標(biāo)準(zhǔn)試件，試件的模板為表面平整光滑的優(yōu)質(zhì)木模板。其中，老混凝土取自于某水利工程除險(xiǎn)加固工程現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)取得的混凝土樣本利用切割機(jī)切割成規(guī)定尺寸的立方體試件。對(duì)老混凝土的結(jié)合界面采取人工鑿毛處理。在植筋過(guò)程中，首先選擇合適的鉆頭在界面中心鉆孔并將孔內(nèi)清理干凈。調(diào)制好植筋膠灌入植筋孔，將鋼筋植入孔中并反復(fù)旋轉(zhuǎn)抽插，確保植筋質(zhì)量。舊混凝土植筋示意圖如圖1所示。在植筋完成后靜置固化24h進(jìn)行新混凝土的澆筑。在澆筑過(guò)程中首先對(duì)攪拌機(jī)進(jìn)行清潔和潤(rùn)濕，然后按照配合比要求倒入水泥和粗、細(xì)骨料，然后干拌2min，將稱量好的水倒入攪拌機(jī)再攪拌3min，將拌制好的混凝土倒入模具中，利用搗棒插搗模具四周，之后嘉慶模具放到振動(dòng)臺(tái)上振搗2—3min，在混凝土表面出漿后停止振搗并利用抹刀將表面刮平。將試件靜置24h拆模并編號(hào)，將其放在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)至28d齡期。

圖1 植筋示意圖

2.4 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)前首先將試件在20℃左右的清水中浸泡4d，在試件飽和之后取出試件擦拭干凈表面并放入凍融箱進(jìn)行凍融循環(huán)，在達(dá)到設(shè)定凍融循環(huán)次數(shù)之后取出試件，利用2 000kN微機(jī)控制電液伺服壓力機(jī)進(jìn)行剪切試驗(yàn)。該試驗(yàn)機(jī)整合了壓力傳感器、位移傳感器以及數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)，使用方便，精確度高。在試驗(yàn)中首先將試件表面磨平，避免試驗(yàn)中出現(xiàn)偏心現(xiàn)象；將壓力機(jī)的壓力和位移傳感器連接于統(tǒng)一靜態(tài)測(cè)試儀上并調(diào)試平衡，然后將試件放在壓力機(jī)上。試驗(yàn)中采用位移加載模式，加載速率為0.1mm/min，直至試件破壞。當(dāng)加載超過(guò)3mm時(shí)停止試驗(yàn)，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)保存并處理。

3 結(jié)果與討論

3.1 結(jié)果

對(duì)不同試驗(yàn)方案下的混凝土接觸面抗剪強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如表1所示。對(duì)表中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表2所示。

由表1可以看出，不同混凝土等級(jí)、有無(wú)界面劑、不同凍融循環(huán)次數(shù)下新老混凝土接觸面的極限承載力存在比較明顯的差異。在其它條件相同的情況下，有界面劑試驗(yàn)方案的接觸面極限承載力明顯偏大，相比無(wú)界面劑的情況大了約17%左右。由此可見，在水利工程施工過(guò)程中，使用界面劑可以有效提升新老混凝土結(jié)合面的強(qiáng)度，提高其抗剪強(qiáng)度，有助于提升工程施工質(zhì)量和安全穩(wěn)定性。由表2可以看出，混凝土等級(jí)。界面劑和凍融循環(huán)次數(shù)等3個(gè)因素均對(duì)試驗(yàn)結(jié)果存在十分顯著的影響。基于此，在后續(xù)研究中有必要以試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)為依據(jù)，分別針對(duì)上述3個(gè)因素對(duì)新老混凝土接觸面抗剪強(qiáng)度的影響規(guī)律進(jìn)行進(jìn)一步的深入分析。

表1 實(shí)踐抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

表2 抗剪試驗(yàn)結(jié)果方差分析表

3.2 分析與討論

為了進(jìn)一步分析混凝土等級(jí)對(duì)接觸面抗剪強(qiáng)度的影響，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)繪制出如圖2所示的不同凍融循環(huán)次數(shù)下接觸面的極限承載力隨混凝土等級(jí)的變化曲線。由圖2可以看出，無(wú)論是有界面劑還是無(wú)界面劑，混凝土接觸面的抗剪強(qiáng)度均隨著新混凝土等級(jí)的提高而穩(wěn)步增大。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)接觸面極限承載力F與混凝土等級(jí)a之間的關(guān)系進(jìn)行擬合，結(jié)果如表3所示。根據(jù)擬合結(jié)果可以看出，接觸面的極限承載力與混凝土等級(jí)之間呈現(xiàn)出比較明顯的線性變化關(guān)系。由此可見，提高新混凝土的強(qiáng)度值有助于提高新老混凝土界面的結(jié)合強(qiáng)度。當(dāng)然，提高混凝土的強(qiáng)度等級(jí)也會(huì)造成施工成本的大幅提高，因此在具體的工程施工設(shè)計(jì)中應(yīng)該結(jié)合實(shí)際情況統(tǒng)籌考慮，以確定最佳的混凝土強(qiáng)度等級(jí)。

表3 極限承載力和混凝土等級(jí)之間的擬合函數(shù)

圖2 極限承載力隨混凝土等級(jí)變化曲線

為了進(jìn)一步分析凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)新老混凝土接觸面抗剪強(qiáng)度的影響規(guī)律，根據(jù)試驗(yàn)中獲取的數(shù)據(jù)，繪制新老混凝土接觸面極限承載力隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化曲線，結(jié)果如圖3所示。由圖可以看出，設(shè)置和不設(shè)置界面劑情況下，新老混凝土接觸面抗剪強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律基本一致。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，新老混凝土接觸面的極限承載力呈現(xiàn)出先緩慢下降后迅速下降再趨于穩(wěn)定的變化特點(diǎn)。原因主要是凍融循環(huán)次數(shù)較少時(shí)其影響主要集中在混凝土的表層，因此對(duì)接觸面抗剪強(qiáng)度的影響不明顯，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，水分不斷向接觸面深層滲透，使接觸面的抗剪強(qiáng)度值明顯下降。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的進(jìn)一步增加，凍融過(guò)程中的脫落物和生成物堵塞了部分內(nèi)部空隙，使凍融影響趨于減小。從具體數(shù)值來(lái)看，凍融循環(huán)40次至80次過(guò)程中接觸面抗剪強(qiáng)度下降幅度較大，在工程維護(hù)管理中需要予以重點(diǎn)關(guān)注。在100次凍融循環(huán)結(jié)束之后，接觸面極限承載力下降了約18%—20%，影響顯著。因此，在寒區(qū)水利建設(shè)和維護(hù)管理過(guò)程中，必須要重視凍融作用對(duì)新老混凝土接觸面的不利影響。

圖3 極限承載力隨凍融循環(huán)次數(shù)變化曲線

4 結(jié)語(yǔ)

此次研究通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)的方式，探討了凍融循環(huán)下新老混凝土界面的抗剪性能，獲得了新混凝土強(qiáng)度等級(jí)、凍融循環(huán)次數(shù)以及界面劑對(duì)接觸面抗剪強(qiáng)度的影響及變化規(guī)律。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，建議在施工過(guò)程中結(jié)合實(shí)際情況選擇合適的混凝土等級(jí)，充分考慮凍融循環(huán)對(duì)寒區(qū)水利工程新老混凝土接觸面的抗剪性能的影響，同時(shí)建議使用界面劑。此次研究的成果對(duì)相關(guān)水利工程的建設(shè)和維護(hù)具有重要的借鑒和指導(dǎo)作用。當(dāng)然，接觸面抗剪強(qiáng)度的影響因素是復(fù)雜的，在今后的研究中還需要進(jìn)一步探討其他因素可能產(chǎn)生的影響，力求獲得更為科學(xué)和全面的研究成果，為寒區(qū)水利工程中的混凝土施工提供強(qiáng)有力的支持。