ECC与既有混凝土粘结界面抗剪性能研究

魏 鹏， 周明洋

(1.河南理工大学 土木工程学院， 河南 焦作 454003； 2.中铁北京工程局集团有限公司机场工程分公司， 北京 100000 )

近几年来，我国的房屋建筑因自然灾害的原因导致大量受损，针对受损房屋的修复加固势在必行[1]。现在建筑物常用的加固方法有增大截面法、粘贴钢板加固法、外加预应力加固法、增设支点加固法和粘贴纤维复合材料加固法等[2]。但这些方法都存在一些不足，如增大截面加固法和增设支点加固法对净空有较大影响，粘贴钢板加固法只适用于受弯或受拉构件，外加预应力法不适用于高湿度环境下的混凝土结构，粘贴纤维材料复合加固法早期对混凝土构件刚度提升小。工程纤维增强水泥基复合材料(Engineering Fiber Reinforced Cementitious Composites，简称ECC)是一种用于加固的复合材料，具有较高的韧性、延展性和耐久性，同时具有较高的抗裂性能和裂缝控制能力[3-6]。将ECC应用在房屋建筑的修复加固中，可解决现在常用加固方法存在的问题。然而在用复合材料对既有混凝土结构进行修复加固时，往往因粘贴面两侧材料在受力时变形不同步而产生滑移，导致修复后的构件发生剪切破坏[7-9]。因此，提高修复结构的整体工作性能，关键在于提高修复材料与既有混凝土构件粘结面的抗剪切能力。

本文拟对ECC与原混凝土Z型粘结试件进行试验研究，分析4种不同类型的界面粗糙度对ECC与原混凝土界面粘结抗剪性切能的影响规律。

1 试验概况

1.1 试验材料

所用材料为老混凝土，它为提前浇筑的一批尺寸为150 mm×150 mm×150 mm的普通混凝土试块。老混凝土由以下材料组成：普通硅酸盐水泥P·O42.5；细骨料，为最大粒径5 mm普通河砂；粗骨料，为粒径5～25 mm的碎石；普通自来水。混凝土28 d抗压强度为34.26 MPa，其配合比如表1所示。

ECC配合比强度设计值为40 MPa，所用材料为水泥、Ⅰ级粉煤灰、细砂(粒径小于0.6 mm)、PVA纤维(日本Kuraray公司生产的K-ⅡREC15型，其性能见表3)、减水剂、水。ECC28 d抗压强度为42.5 MPa，其配合比如表2。

1.2 试件制作

为了使粘结试件截面上的应力分布均匀，且在加载时能保持试件粘结面与加载方向一致，结合相关试验资料[10-11]，本文采用Z型试件对ECC与老混凝土粘结试件和混凝土整体试件的抗剪切性能进行试验研究。Z型试件尺寸(单位为mm)如图1所示。

表2 ECC配合比

表3 PVA纤维性能

图1 ECC与老混凝土Z型粘结试件示意图

试件制作过程如下：

(1) 将老混凝土试块切割成150 mm×100 mm×75 mm的小试块，粘结区域为100 mm×100 mm的正方形。

(2) 对老混凝土表面进行4种不同粗糙度的处理，如图2所示。

Ⅰ型面：用钢毛刷将老混凝土表面浮灰刷掉，使试块表面平整光滑；

Ⅱ型面：采用手动凿毛的方式，将老混凝土表面的部分石子和砂浆除去，刷去浮灰后用清水冲洗干净，使表面有小幅度的凹凸不平，平均粗糙度为1～1.3 mm；

(a) Ⅰ型面 (b)Ⅱ型面

(c) Ⅲ型面 (d) Ⅳ型面图2 处理后的老混凝土界面

Ⅲ型面：用凿子除去部分水泥砂浆后，用水枪冲刷，使部分粗骨料裸露，试块表面呈明显凹凸不平状，平均粗糙度为2.2～3 mm；

Ⅳ型面：用小型切割机对老混凝土表面每间隔30 mm 进行一次切槽处理，切槽宽为20 mm、深为10 mm。由于手工凿毛处理老混凝土界面容易使混凝土试块内部产生不可见裂缝或局部损伤，为了更好地控制施工质量，采用沟槽法对界面进行处理。另外，用该方法制作Z型试件，ECC嵌入沟槽内部，改变了粘结面的受力情况，可从不同角度对界面粘结性能进行对比分析。

(3) 浇筑Z型试件。将上述处理过的老混凝土试块放入水中浸泡24 h以上，取出清洗干净，除去表面明水；将模具刷油后在相应位置放置老混凝土块，分别浇筑ECC(ECC的制备过程见图3)和新混凝土，在振动台上振动60 s，振动时用器械固定老混凝土试块，使粘结面始终位于中轴线的位置，结束后抹平表面。

图3 ECC制备流程图

(4) 试件养护。48 h后拆模，使试件成型后具有一定的粘结强度，避免过早拆模时粘结面处的粘结强度较低而导致试件提前发生破坏，洒水后用塑料薄膜覆盖，置于室内(温度(20±2)℃，湿度95%)养护28 d后进行试验。

1.3 试验过程

在WAW-1000型微机控制电液伺服万能试验机上对Z型试件进行加载，为保证试件加载时两端受力均衡，加载前在Z型试件上端和下端各放置一块400 mm×200 mm×10 mm的钢垫板，将Z型试件对中放置，使粘结面与垫板中线和加载中心线保持一致，试验加载装置如图4所示。加载方式采用荷载控制，加载速度为0.3 kN/min，连续均匀加载至试件破坏。

图4 Z型试件抗剪加载图

2 试验结果与分析

2.1 试验现象及粘结面破坏特征

试验过程中，经不同粗糙度处理的4种Z型试件被破坏时，破坏面均位于粘结面处。试件加载到一定荷载时，裂缝首先出现在粘结面的顶端，然后随着荷载的增加沿粘结面向下扩展，当所施加荷载大于界面粘结强度时，粘结面处两种材料之间产生较大的滑开位移，试件发生破坏，如图5所示。这说明在使用ECC对老混凝土构件进行修复时，粘结面容易发生剪切破坏。

图5 粘结面破坏形态

其中，Ⅰ型面试件破坏表面较为平滑，老混凝土表面仅粘有少量ECC基体，ECC与混凝土之间的粘结作用主要来源于两者之间的胶结力和摩擦力，且其粘结强度较小。Ⅱ型面和Ⅲ型面试件中的混凝土破坏表面存在大量被剪断的ECC基体，甚至还有少许被拉断的纤维残留在粘结表面上，不同的是，Ⅲ型面试件的破坏表面还有部分混凝土粗骨料被剪断。这说明，与Ⅰ型面试件相比，Ⅱ、Ⅲ型面试件中ECC与老混凝土之间的粘结力还多了机械咬合力，即ECC与部分混凝土粗骨料一起参与抗剪。Ⅳ型面试件破坏时槽内填充的ECC被沿粘结面剪断，纤维被大量拉断或拔出，部分老混凝土也被剪断，破坏面较为平整；此时主要由ECC和少部分混凝土来参与抗剪。各类型试件粘结面破坏情况如图6所示。

(a) Ⅰ型面 (b) Ⅱ型面

(c) Ⅲ型面 (d) Ⅳ型面图6 各类型试件破坏面

2.2 粘结面抗剪强度试验结果及分析

ECC与老混凝土粘结面处的抗剪强度τ可按下式计算:

(1)

式中：V为剪切破坏时的荷载值(kN)；A为粘结面的面积(mm2)。它们的取值以实际测量值为准。

为避免拆模时操作不当而影响试件的早期粘结强度，继而影响试件的最终粘结强度，导致试验结果离散性较大，在本试验中，制作4种粗糙度类型试件4组共24个，同时制作1组6个混凝土整体试件。各类Z型粘结试件平均抗剪强度试验结果见表4。

粘结试件的抗剪强度与界面粗糙度的关系如图7所示。由图7可以明显看出，试件的抗剪强度随着粗糙度的增大而增大，且粘结试件的抗剪强度均低于混凝土整体试件。这说明在使用ECC修复既有混凝土构件时，其粘结面的粘结性能是影响修复效果的主要因素之一。其中，Ⅲ型面试件中的老混凝土表面粗糙深度与Ⅰ、Ⅱ型面试件相比较大，有明显凸出的粗骨料，使ECC与老混凝土表面的接触面积大大增加，同时还由于ECC和部分混凝土粗骨料参与抗剪，Ⅲ型面试件抗剪强度比Ⅰ型面试件和Ⅱ型面试件的抗剪强度分别提高了167.4%和75.7%。Ⅳ型面试件与前3种粘结试件相比，其抗剪强度有明显提高，达到了4.73 MPa，比Ⅲ型面试件提高了92.3%。这是因为Ⅳ型面试件对粘结面进行了切槽处理，粘结面上的剪力主要由嵌入槽内的ECC和部分混凝土承担，属于材料抗剪，不同于其他粘结面抗剪。另外，Ⅰ～ Ⅳ型面粘结试件的抗剪强度占混凝土整体试件抗剪强度的比例分别为14%、21.4%、37.6%和72.2%。可见，对老混凝土界面采取切槽处理，可大大提高界面粘结的抗剪强度。因此，在修复加固时，对薄弱环节采取切槽处理是非常必要的。

表4 各类试件抗剪强度

通过对试验数据分析，得到了各粘结试件抗剪强度与界面粗糙度的函数关系，其线性关系表达式为：

τ=0.951 34Ra+0.498 56

(2)

式中，Ra为各类型试件的粗糙度(mm)。线性拟合相关系数为0.883 17，说明两者是高度线性相关的。

图7 粘结试件抗剪强度与界面粗糙度的关系

3 结论

本文通过对ECC与既有混凝土粘结界面抗剪性能的研究，得到如下结论：

(1) 各类型粘结试件均在粘结面处发生破坏，且各类型粘结试件的抗剪强度均低于混凝土整体试件的抗剪强度，说明ECC在对老混凝土构件进行修复时，其粘结面容易发生剪切破坏。

(2) 粘结面粗糙度的增大能显著提高Z型粘结试件的抗剪强度。在用ECC对既有混凝土构件修复时，必须增大其粘结面的粗糙度，以增强其粘结性能。

(3) 对试验结果进行处理得到了Z型粘结试件抗剪强度与界面粗糙度之间的函数关系式，抗剪切强度和界面粗糙度呈近似线性关系，可为实际工程的加固提供理论参考。