粗糙度对新老混凝土粘结性的影响

粗糙度对新老混凝土粘结性的影响

李亚宾

河北省水利水电勘测设计研究院集团有限公司  天津  300220

摘要：混凝土结构由于大气环境、荷载作用及自身性能退化，故混凝土耐久性成为土木工程领域内研究的主要方向。对现有混凝土结构的检测评估、维修加固已成为研究的热点方向。新老混凝土结合面的粘结性能取决于粘结面的粘结强度以及耐久性能。其粘结面的耐久性能又由诸多因素决定。文章指出了修补新型材料在混凝土加固修补工程中的优势。

关键词：粗糙度；混凝土；粘结性

1试验材料及方法

1.1试验材料

（1）混凝土所用水泥为P·O42.5普通硅酸盐水泥，选用的中砂、碎石和自来水各项指标均符合相关规定；试验采用中博植筋胶，植筋选用直径8HRB400级钢筋；试验采用山东烟台宏祥建材有限公司生产的U型膨胀剂，为白色粉末，对钢筋无锈蚀作用，可抵抗氯离子侵蚀；试验采用平均长度为25~30mm的短切玄武岩纤维。（2）混凝土配合比。混凝土配合比如下表所示。

1.2浇筑老混凝土

老混凝土的形状为L型，尺寸如图1所示。

（1）人工凿毛

老混凝土表面处理采用人工凿毛法，利用铁锤和凿子对其表面敲击，使水泥石剥落，露出坚硬骨料，呈凹凸不平状态。新老混凝土界面粗糙度可以采用灌砂法进行测量，粗糙度为1.67~2.00mm。

（2）植筋

如果需要植筋，试验采用中博植筋胶，植筋选用直径 8HRB400级钢筋，钢筋长度20cm，植筋1根时，钢筋布置在试件中心处；植筋2根时，长度方向布置在试件中心，宽度方向2根钢筋各布置在宽度三分点上。

（3）浇筑新混凝土部分

老混凝土试块放置180d后，将老混凝土试块在水中浸泡1d，然后制作模板，浇筑新混凝土。为了研究新老混凝土黏结Ⅱ型断裂性能，对剪切断裂试验进行试件设计，尽可能多地减少弯曲应力的产生，使黏结面处于纯剪切状态，采用Z型试件，并预留3cm初始裂缝。Z型试件尺寸如图1所示，新老混凝土黏结面尺寸为15cm×12cm。

（4）加载试件

试验采用液压千斤顶加载装置 （图2），在试件上下面均放置钢垫板，使其受力均匀，黏结面应对准千斤顶中心。千斤顶上部顶住反力架，从而千斤顶下部通过钢垫板给试件施加压力。试验采用DynaTest700液压伺服试验机，加载方式选择按位移加载，加载速度为1mm/min，使用力传感器、位移传感器同步测量加载力及位移。

1.3直接拉拔试验

在混凝土基面四周粘贴海绵胶带，预留1.5mm高度用于浇筑制备好的丙乳净浆，并在整个表面涂抹均匀。将制作好的试样放入标准养护室分别养护3，7，14，28d。之后取出试样在表面钻孔并粘贴直径50ｍｍ的拉拔头。然后采用直接拉拔仪测试丙乳净浆与混凝土的粘结强度，加载速率为5mm／min。拉拔试验一组6块，去除表面未被粘住面积超过20％的试件，粘结强度以剩下的不少于3个试件的算术平均值表示。

1.4正交试验设计

采用3因素3水平的正交试验方案，研究新老混凝土界面植筋情况、界面剂类型和玄武岩纤维掺量3种因素对新老混凝土界面Ⅱ型断裂性能的影响，对试验结果进行极差分析和方差分析，得出各因素的影响程度及最优方案。新老混凝土黏结断裂正交试验方案各因素及水平分布如表2所示，正交设计方案如表3所示。

2试验结果

2.1粘结强度及破坏模式

结合面粗糙度的处理方法在随着老混凝土的维修加固中不断更新，目前施工中常用的处理粗糙度的方法有切槽法和人工凿毛法等。人工凿毛法要求施工技术含量低，不使用大型机械设备，工程造价低。切槽法易于控制处理面的粗糙程度，容易保证施工质量，工程中应用普遍。新老混凝土结合界面的粗糙度对结构的耐久性能有重要影响。在抗渗性、抗冻性和抗氯离子的侵蚀性能方面影响更为显著。结果表明，当老混凝土的粗糙度在2~3mm时，结合界面处抗渗性能可达最好。研究了结合界面粗糙度对新老混凝土界面区氯离子传输扩散性能的影响。最终发现，在不同粗糙度的界面处理情况下，界面区的氯离子传输性能也不同。

2.2粘结滑移曲线

（1）HRB600钢筋。下图为HRB600试验组3个试件的粘结滑移曲线，发现最大荷载相差不大，即图中的粘结强度相差2~3MPa左右，滑移量也各不相同，主要取决于试件自身的因素，与荷载相关，但不是完全对应的关系，曲线下降段的斜率也有差异。曲线整体趋势相同，同时将粘结滑移曲线分为微滑移段、滑移段、加速滑移段和下降段4个阶段。

（2）HRB500钢筋。下图为HRB500试验组3个试件的粘结滑移曲线，发现试件1和试件2曲线整体趋势相同，可以将粘结滑移曲线分为微滑移段、滑移段、加速滑移段和下降段4个阶段，在最大粘结强度和滑移量等稍有不同。

（3）HRB400钢筋。下图为HR4600试验组3个试件的粘结滑移曲线，发现最大荷载相差不大，即下图中的粘结强度相差2~3MPa左右，滑移量也各不相同，主要取决于试件自身的因素，与荷载相关，但不是完全对应的关系，曲线下降段的形状各异。

2.3粘结性能对比分析

根据上述粘结滑移曲线分析，在每组中选取1个试件进行对比分析，选取试件分别为HRB600–1、HRB500–2和HRB400–1。在以钢筋滑移量为横坐标、以换算的粘结强度为纵坐标的坐标系中进行对比，结果如下图所示。从下图可以看出，3种不同强度等级钢筋与超高性能混凝土的粘结滑移曲线和时间–滑移量曲线形状相似，说明粘结机理相同，粘结滑移过程相似，但也有很多不同。

（1）钢筋强度等级越高，极限荷载越大，即粘结强度越高。因为钢筋强度越高，其屈服强度就越高，在与超高性能混凝土的粘结滑移过程中，由于超高性能混凝土的强度比普通混凝土高得多，粘结力也会提高很多，在中心拉拔试验中，每组试验钢筋都超过了屈服阶段，而强度低的钢筋会先进入屈服阶段，进入屈服阶段后，钢筋不再是弹性，发生塑性形变，极限荷载也随之提前到来，混凝土发生劈裂破坏，最终导致极限粘结强度的差异。

（2）钢筋强度等级越高，其滑移量越大。因为钢筋强度带来的极限荷载增大，在到达极限荷载后，强度更高的钢筋和混凝土之间的粘结力更高，在混凝土破坏过程中会变慢。也就是说，混凝土从极限荷载衰减的时间更长，这个过程滑移量会更大。

（3）钢筋强度等级越高，粘结滑移时间越长。是因为钢筋屈服强度越高，进入屈服阶段的时间更晚，而且在极限荷载后的衰减时间也更长，合起来粘结滑移的时间更长。

综上对比分析，HRB600钢筋在粘结性能上和超高性能混凝土的粘结时间更长，且在加速滑移后也能和混凝土协同作用更长时间，能够使混凝土和钢筋二者更好地发挥协同受力作用。

结束语

通过4组粘结滑移试验，研究不同强度钢筋和不同构造钢筋与超高性能混凝土的粘结机理，得出以下结论。（1）超高性能混凝土与不同钢筋的试验构件破坏模式，几乎所有带肋钢筋发生的是劈拉破坏，所有光圆钢筋发生的是拔出破坏。（2）不同强度带肋钢筋粘结滑移曲线相似，可以分为微滑移段、滑移段、加速滑移段和下降段4个阶段，但在极限荷载、最大粘结强度、滑移量、滑移时间等特征参数上各不相同。（3）光圆钢筋和带肋钢筋与超高性能混凝土的粘结机理不同。光圆钢筋和混凝土之间不存在机械咬合力，粘结滑移曲线差别很大，二者在极限荷载、滑移量都有很大区别。

参考文献

[1]贾方方,贺奎,安明喆,等.钢纤维活性粉末混凝土与钢筋粘结性能研究[J].建筑技术,2014,45(12):1094–1096.

[2]耿红斌,穆卓辉,于晓光.光圆钢筋与混凝土界面粘结滑移本构模型研究[J].硅酸盐通报,2017,36(9):3064–3069.