基于劈裂试验的新老混凝土界面粘结性能研究

时贤龙

（南京市市政工程质量安全监督站，江苏 南京 210036）

0 引言

随着社会的发展与进步，城市建筑呈现着日新月异的变化，然而随着建筑物、构建物的不断新建，可用土地也随之减少，国外发达国家建筑业已基本进入维修改造时期，我国也已开始从大规模新建时期进入新建和维修改造并重时期。新老混凝土结合面广泛存在于混凝土结构中，因此建筑结构老化、维护与修缮逐渐成为社会关注的问题之一。混凝土的老化病害问题一直存在于工程建筑行业中，对旧混凝土结构进行加固维修是常见的改善措施，如道路翻新、建筑结构修复等，而新旧交替界面将是这些结构的薄弱点，其界面的粘结性能往往影响着结构整体的安全稳定性［1］。BIJIE J［2］认为新老混凝土界面的粘结主要来源于范德华力，与集料—水泥界面粘结机理相似；田稳苓等［3］认为粘结面破坏机理与整浇混凝土破坏机理基本相同，只是存在缺陷更严重。相对的，很多研究认为机械咬合力起主导作用［4］。对于粘结力的大小，研究表明，界面粗糙度、界面剂类型、混凝土龄期、两体强度等［5］都会对界面粘结性能产生影响。

本文以劈裂抗拉强度来表征新老混凝土界面的粘结性能，研究了混凝土龄期及界面粗糙度对性能的影响，并建立了劈裂强度预测模型，具有较好的吻和性，为新老混凝土的界面的损伤评估提供参考建议。

1 试验方案

新老混凝土试件统一制成 100 mm×100 mm× 100 mm 的立方体，老混凝土强度为 C30，新混凝土为 C 35，如图 1 所示。试件分为 3 组，A 组试件的的粘结界面有一定粗糙度，而粗糙度的获取，则是先对若干个100 mm×100 mm×100 mm 的立方体试件进行劈裂试验，从中选取 2 种自然劈裂的粗糙表面（1 种粗糙面用于试验研究，剩余一种粗糙面备用），计算其粗糙分维值为 2.315，计算方法参照文献［5］，之后通过石膏模型进行倒模获得粗糙度基本一致的若干个混凝土试块。B 组试件的粘结界面为平整界面，则其粗糙分维值为 2。每组试件浇筑新混凝土龄期时老混凝土的龄期考虑为 3、14、28、60、300 d，C 组为完整试件，具体个数如表 1 所示。

图1 新老混凝土试件

劈裂试验依据 GB/T 50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行，如图 2 所示。采用负荷控制，加荷速度取每秒 0.02～0.05 MPa，本试验取 0.03 MPa，劈裂试验机采用多通道动静疲劳试验机的静载通道，劈裂抗拉强度见式（1）。

图2 劈裂试验示意图

式中：P为试件劈坏荷载，N；A为试件劈裂面面积，mm2。

劈裂面面积的测量采用游标卡尺测取劈裂面轮廓尺寸，当采用 mm 的非标准试件求取其劈拉强度应乘以尺度换算系数 0.85。

2 试验结果

试件的劈裂破坏面如图 3、图 4 所示，新老混凝土的劈裂破坏面基本沿着粘结界面破坏，在其断裂面上伴有水泥浆体的断裂，骨料的断裂、脱落现象，对于界面平整的试件（D=2.000），破坏面整体上基本保持完好，但其边缘或边角处较容易出现骨料脱落，浆体断裂的现象。

图3 粗糙界面试件劈裂破坏面

图4 平整界面试件劈裂破坏面

各组试件的劈裂抗拉强度如表 2 所示。

表2 不同老混凝土龄期试件的劈裂强度

表中，fts/fts，c35，fts/fts，c30为新老混凝土的劈裂抗拉强度占新混凝土（C35）和老混凝土（C30）的百分比。

将各组试件的劈裂强度进行拟合，结果如图 5 所示，从图 5 可以看出，界面粗糙度的影响显著，界面粗糙的试件劈裂强度明显高于平整试件。对于老混凝土的龄期，随着老混凝土龄期的增长，其劈裂抗拉强度随之降低，当老混凝土到达一定龄期后，劈拉强度变化并不明显，满足指数函数分布。

图5 界面劈拉强度随老混凝土龄期变化拟合曲线

根据新老混凝土界面粘结机理，界面粘结力主要包括机械作用力、范德华力和化学作用力［2-5］。对于本试验中界面平整的 B 组试件，由于界面粗糙度较小，其界面粘结力主要来源于由新、老混凝土中的水泥水化产物辐射生长到彼此的混凝土面而形成的机械咬合力以及化学作用力。混凝土的水泥水化反应在 28 d 后接近完全，在这之后浇筑新混凝土，其粘结力主要来源新混凝土中的水泥水化产物辐射生长到老混凝土面形成的机械咬合力，形成的粘结力较小且老混凝土龄期的长短对其影响变化不大，新、老混凝土两者间的水泥浆体连接较少，破坏面较完整；当老混凝土水泥水化反应未完全时浇筑新混凝土，新、老混凝土连接的界面上共同发生强烈的水泥水化反应，从而提高其粘结力，劈裂破坏面伴有水泥浆体断裂现象。因此，在老混凝土水泥水化反应未完全之前浇筑新混凝土，龄期较短形成的界面粘结力较大。

3 界面劈裂强度预测模型

3.1 模型建立

通过以上分析，建立强度预测模型。新老混凝土的界面粘结力主要由机械作用力形成，粘结面积越大粘结力越大，若假定单位面积的粘结力即粘结强度σ相等，则不同粗糙粘结界面的粘结力大小由其粘结面积决定，不同粗糙界面的粘结力大小F如式（2）所示。

粘结面积A可近似等于粗糙表面的总面积，文献［6］中基于分形理论建立了粗糙表面积A（δ）与分维值D间的关系，如式（3）所示。

式中：AT为粗糙断面的直观面积，δ为粗糙表面的测量尺度，这里取 0.1。将（3）式代入（2）式，粘结力大小为：

单位面积粘结力σ可以通过求取界面较为光滑平整的新老混凝土试件的劈裂抗拉强度来获得，根据本文试验数据可得界面的劈裂抗拉强度fts为：

式中：d为浇筑新混凝土时老混凝土的龄期，D为分维值。

3.2 模型验证

本文通过建立劈裂抗拉强度与界面粗糙分维的关系来预测界面的粘结力，分维可以更精确地表征粘结面的粗糙度，灌砂法虽具有局限性，但简单易行，实际中较多使用。将建立的模型与文献［7］和文献［1］中的数据进行验证，文献中的粗糙度采用灌砂法测得，针对不同粗糙度试件进行分维值D的计算和灌砂法测量，发现两者之间存在如下关系。

D=2+0.05 H （7）

其中，H为灌砂平均深度。代入公式（6）中，得：

将模型计算的劈裂强度与试验数值进行对比，由于文献中采用了界面剂，单位面积粘结力比本文大，取σ=1.91 MPa，结果如图 6、图 7 所示。

图6 试验数据与文献［7］模型预测曲线对比

从图 6、图 7 可见，劈裂抗拉强度预测值与试验值吻合较好，说明在一定灌砂平均深度范围内，采用该模型计算界面粘结力的准确合理性，满足一定精度要求。

图7 试验数据与文献［1］模型预测曲线对比

4 结论

新老混凝土粘结面已广泛存在于建设领域中，其粘结性能的好坏直接影响着结构的整体性、承载力、耐久性等。本文通过劈裂抗拉试验来研究新老混凝土界面的粘结性能，研究了混凝土龄期及界面粗糙度对性能的影响，得到以下结论。

1）界面的粗糙度对粘结力影响显著，高于混凝土龄期的影响；而龄期的影响规律满足指数分布，即随着老混凝土龄期的增长，其劈裂抗拉强度随之降低，当老混凝土到达一定龄期后，劈拉强度变化并不明显。

2）初步分析了新老混凝土界面的粘结机理，建立了劈裂强度预测模型，具有较好的吻和性，为新老混凝土的界面的损伤评估提供参考建议。Q