不同法向压力条件下新旧混凝土粘结面抗剪性能试验研究

胡忠君，李家祥，王傲，赵洋，龙冰

（吉林大学 建设工程学院，吉林 长春 130026）

0 引言

既有混凝土结构加固改造过程中经常遇到新旧混凝土界面结合问题，保证新旧混凝土间必要的粘结强度是工程改造取得预期效果的关键。现有研究成果表明：在无植筋条件下，新旧混凝土结合面的粘结强度主要取决于旧混凝土结合面的粗糙度、界面剂类型和新旧混凝土的抗压强度等因素[1-4]。部分学者针对不同条件下的新旧混凝土结合面抗剪性能进行了相关试验研究[5-8]，相比传统的界面处理方法，一些新型的混凝土界面剂不断涌现[9]，其中采用新型混凝土界面结合胶（AY/HY133LP）可较大幅度提高新旧混凝土结合面的粘结强度，但在不同法向压力作用下其结合面抗剪性能实际效果如何目前尚无相关研究工作开展。本文针对此问题开展静力压剪试验研究，为工程加固改造中新旧混凝土结合面粘结抗剪强度的确定提供一定的参考。

1 试验设计

1.1 原材料

新旧混凝土试件分别采用P·O42.5和P·C32.5水泥（长春亚泰水泥厂产鼎鹿牌）浇筑，按照相似理论，考虑试件的实际尺寸，粗骨料选用粒径为3～6 mm连续级配碎石，细骨料选用细度模数为2.7～2.4的中砂，其平均粒径为0.3～0.5 mm，含泥量为1.2%。

混凝土界面剂采用AY/HY133LP新旧混凝土界面结合胶，由大连法施达公司提供，该复合改性树脂胶由AY133和HY133B双组分组成，混合后密度为1.03 g/ml，黏度为500 mPa·s。使用时，将AY133和HY133B以5∶2的质量比混合搅拌后，均匀无气泡地涂抹在旧混凝土表面，涂抹胶层厚度不大于1 mm。结合胶涂刷完成后，立即浇筑新混凝土，充分振捣后放入标准养护箱。AY/HY133LP的力学性能指标见表1。

表1 AY/HY133LP结合胶主要力学性能指标

注：①与混凝土。

1.2 试件设计与制作

1.2.1 新旧混凝土粘结面人造粗糙度模板的制作

为保证每组试件的结合面拥有相同的粗糙度，试验中采用3D打印技术制备新旧混凝土粘结面人造粗糙度控制塑料模板，将模板固定在混凝土浇筑模具上，从而浇筑获得多组粗糙度条件相同的新旧混凝土粘结面试件。

图1为用三维设计软件（UG）设计的4种粗糙度控制模板的三维模型，其中，图1（a）为平直粗糙度模板，图1（b）、（c）、（d）是由三维设计软件（UG）随机生成的模型中选取的3个表面设计粗糙程度依次增大的三维模型。根据实验室压剪试验机的剪切加载钢模具尺寸，采用的三维模型水平投影面积为100 mm×50 mm，为使模板经过混凝土挤压后不产生裂纹、变形微小且能够反复利用，试验采用的三维模型的厚度为1.5 mm。

图1 4种粗糙度控制模板的三维模型

根据试件设计对模具数量的需求，试验采用UPBOX型3D打印机完成4组粗糙度控制模板（图1中A、B、C和D组）各打印3个，得到12个新旧混凝土粘结面人造粗糙度控制塑料模板，打印模板所用材料为ABS塑料。

1.2.2 新旧混凝土结合试件制作

将粗糙度塑料控制模板涂刷机油润滑后插入圆环形钢模具中，卡入凹槽并加以固定，进行混凝土浇筑，24 h后拆模，并将2块混凝土中间的塑料控制模板取出，待28 d养护完成后，获得多组粗糙度条件相同的混凝土粘结面试件拟作旧混凝土试件，具体如图2所示。放置90 d后，再将旧混凝土试件进行界面处理后重新放入钢模具中，浇筑新混凝土，养护后得到完整的新旧混凝土结合试件。界面处理方式：A1、B1、C1、D1直接浇筑；A2、B2、C2、D2涂覆结合胶然后浇筑。试件为直径50 mm、高度100 mm的圆柱体。全部试件分批浇筑，试验预留混凝土试块，实测各组新旧混凝土平均抗压强度标准值fcuk'分别为：A1、A2、B1 组为 36.64 MPa；B2、C1、C2 组为 37.74 MPa；D1、D2 组为 37.58 MPa。

1.2.3 人造粗糙度表征

三维设计软件生成粗糙度控制模板模型时，通过采集获得模型表面上的各点坐标作为分形维数的测量点，然后使用张亚衡等[10]提出的粗糙表面分形维数估算的改进立方体覆盖法，对A、B、C和D组的分形维数进行了计算，同时为了校核分形维数表示粗糙度数据的准确性，也采用了灌砂法表征旧混凝土粘结面粗糙度，见表2。

图2 A组和D组旧混凝土试件

表2 4组旧混凝土试件的表面粗糙度

1.2.4 试验加载

试验使用小型混凝土压剪仪测量新旧混凝土粘结面的抗剪强度，加载装置如图3（a）所示，该仪器的法向最大压力为500 kN，横向最大剪切力为300 kN，仪器分辨率为0.01 kN，仪器加载精度能够满足试验要求。

根据试验设计中设置的4组粗糙度情况，综合考虑到试件尺寸及混凝土试件粘结面的抗压能力，试验采用0、0.6、1.2 MPa共3组恒定法向压力分别对A、B、C、D4种粗糙度、2种结合面处理方法（直接浇注和涂覆界面结合胶）的24组（共72个）新旧混凝土结合试件进行静力抗剪试验。由于采用液压油泵手动加载，具体法向压力以实际加载数值为准，剪切盒内试件结合面受力情况如图3（b）所示。

图3 压剪试验机及粘结面加载受力示意

2 试验结果及分析

新旧混凝土结合面压剪试验相关数据见表3。

表3 新旧混凝土粘结试件压剪试验结果

2.1 粘结面抗剪性能分析

试件剪切加载至破坏时，新旧混凝土粘结面发生错动并伴有一定响声，试件脆性破坏的特征较为明显。由表3可以看出：（1）当粘结面法向压应力和粗糙度均不变时，界面采用结合胶处理较直接浇筑的粘结抗剪强度有较大幅度的提高。以D组试样为例，当法向压应力为0.6 MPa，粗糙度分形维数为2.23（平均灌砂深度2.45 mm）时，D2-23较D1-20粘结抗剪强度提高59.6%。（2）当粘结面粗糙度和界面处理方式不变时，新旧混凝土粘结面抗剪强度随粘结面压应力的增加而提高。以B组试样为例，对于直接浇筑的处理方式，当法向压应力由0 MPa增加到1.2 MPa时，B1-09较B1-07粘结面抗剪强度提高114.1%；对于采用界面结合胶的处理方式，当法向压应力0 MPa增加到1.2 MPa时，B2-12较B2-10结合面抗剪强度提高80.3%。（3）当粘结面法向压应力和界面处理方式不变时，新旧混凝土粘结面抗剪强度随粘结面粗糙度的增加而提高。以B和D组试样对比为例，法向压应力为0.6 MPa且界面采用结合胶处理时，当分形维数从2.08增加到2.23时（灌砂平均深度从1.79 mm增大到2.45 mm）时，B2-11对比D2-23粘结面抗剪强度由2.19 MPa增加到2.41 MPa，也即粗糙度分形维数增加了7.2%，新旧混凝土粘结面抗剪强度增加了10.1%，而平均灌砂深度增加了36.9%，需要进一步整体分析分形维数和平均灌砂深度与粘结抗剪强度之间的关系。

采用直接浇筑时，分形维数和平均灌砂深度与τ/fcuk'之间的关系分别见图4、图5。

由图4和图5可以看出：压力恒定时，直接浇注粘结面τ/fcuk'随分形维数和平均灌砂深度增加而增大，当σ/fcuk'在0～0.02时（法向应力由0增加到0.6 MPa），分形维数和平均灌砂深度均与τ/fcuk'之间具有良好的线性关系；当法向压应力为1.2 MPa时，线性相关性稍差，表明分形维数法和灌砂法均可定量表征旧混凝土粘结面的粗糙度，当粗糙度在较小范围内变化时，对于小面积构件表面粗糙度的精确测定，分形维数法略优于灌砂法。

图4 分形维数与τ/fcuk'之间的关系

图5 平均灌砂深度与τ/fcuk'之间的关系

2.2 粘结面粘结抗剪强度计算

本次试验中剪切破坏以新旧混凝土粘结面粘结破坏（界面发生错动）为准，不考虑法向压力较大时粘结面发生错动后的抗剪能力，即在不发生剪切破坏的前提下，粘结面的抗剪承载力主要取决于新旧混凝土的粘结力。在无植筋条件下，国内外学者针对新旧混凝土粘结面抗剪性能进行了相关试验研究[11-12]，但对压剪条件下新旧混凝土粘结面的粘结抗剪强度试验研究相对较少。美国AASHTO（2003）、JGJ1—91《装配式大板居住建筑设计施工规程》和现有研究成果[1，7，11，13]均表明，新旧混凝土粘结面的抗剪强度与粘结面的粗糙度、界面剂类型和新旧混凝土的平均抗压强度相关。当粘结面粗糙度分形维数在2.00～2.23（平均灌砂深度在0～2.45 mm）时，由表3中试验数据对τ/fcuk'与σ/fcuk'关系进行线性拟合（见图6），线性关系见式（1）：

式中：τ——新旧混凝土粘结面粘结抗剪强度，MPa；

σ——新旧混凝土粘结面法向压应力，MPa；

k1、k2——曲线拟合系数，对于直接浇筑的界面处理方式，k1=0.74，k2=0.022，线性拟合相关系数 R2=0.896；对于涂覆结合胶的界面处理方式，k1=0.992，k2=0.047，线性拟合相关系数R2=0.945。

图6 τ/fcuk'与σ/fcuk'关系曲线

对式（1）进行整理有：

王振领[13]的试验结果表明：

式中：ζ1——粘结面粗糙度影响系数；

ζ2——粘结面界面剂类型影响系数。

令式（2）中σ＝0，则可获得粘结面界面剂类型影响系数ζ2，假定直接浇筑时 ζ2＝1．0，计算得涂刷界面结合胶时 ζ2＝2．14。

图4和图5中拟合线性直线的斜率可以反映粘结面粗糙度影响系数ζ1的变化规律，随着法向压应力的增加，ζ1逐渐减小。

上述计算公式是针对无植筋条件得出的，由于影响新旧混凝土粘结面粘结抗剪强度的因素众多，限于试验试件尺寸和试件数量，计算公式的适用性还有待更多试验数据的验证。

3 结论

（1）当法向压应力和粗糙度不变时，界面采用结合胶处理较直接浇筑的粘结面抗剪强度有较大幅度的提高；当粗糙度和界面处理方式不变时，新旧混凝土粘结抗剪强度随粘结面压应力增加而提高；当法向压应力和界面处理方式不变时，新旧混凝土粘结抗剪强度随粘结面粗糙度增加而提高。

（2）新旧混凝土结合试件粘结面剪切加载至破坏时，粘结面发生错动并伴有一定响声，试件粘结面脆性破坏的特征较为明显。

（3）依据试验结果对τ/fcuk'与σ/fcuk'关系进行了线性拟合，提出了新旧混凝土粘结面粘结抗剪强度的计算公式，公式同

时考虑了法向压应力、粘结面粗糙度和粘结面界面剂类型的影响，受试验构件尺寸和数量的限制，论文提出的粘结抗剪强度计算公式还有待更多试验数据的进一步验证。

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