织物增强混凝土与钢筋混凝土构件界面粘结性能试验研究.pdf

第 3 7卷第 4期 2 0 1 1 年 8月 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 55 织物增强混凝土与钢筋混凝土构件界面粘结 性能试验研究 苟 勇 ， 肖保辉 ， 张 勤。 ， 支正东 ( 1 盐城工学院土木工程学院， 江苏 盐城2 2 4 0 0 1 ； 2 江苏大学土木工程系， 江苏 镇江2 1 2 0 1 3 ； 3 大连理工大学结构工程研究所， 辽宁 大连1 1 6 0 2 4 ) 摘要： 本试验共设计制作了4 5 个试件， 以老混凝土的界面处理方式和 T R C加固层数为参量， 研究了T R C与 R c构件的界面 粘结性能。试验使用双面剪切试验方法 ， 试验结果表明， T R C加固层数的增加有利于改善其界面抗剪强度， 且凿糙、 植筋和沟 槽等界面处理方法均能有效提高 T R C与 R c的粘结抗剪强度， 其中凿糙对抗剪强度提高的贡献程度较大。试验表明， 老混凝 土界面最佳粗糙度为 2 4 I T ln l ， 最佳植筋率为0 3 3 左右。 关键词 ： 织物增强混凝土； 界面粘结； 抗剪强度 中图分类号： T U 3 7 5 文献标识码： A 文章编号 ： 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 1 ) 0 40 5 5 0 5 Ex p e r i me nt a l s t u d y o n i n t e r f a c e s b o n d b e h a v i o r o f t e x t i l e r e i n f o r c e d c o n c r e t e( TRC)wi t h RC c o mp o n e n t X U N Y o n g ， XI A 0 B a o h u i ， Z H AN G Q i n ， Z H I Z h e n d o n g ( 1 S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， Y a n c h e n g I n s ti t u t e o f T e c h n o l o g y ， Y a n c h e n g 2 2 4 0 0 1 ， C h i n a ； 2 D e p a r t m e n t o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， J i a n g s u U n i v e r s i t y ， Z h e n j i a n g 2 1 2 0 1 3 ， C h i n a ； 3 D al i a n U n i v e rs i ty o f T e c h n o l o gy， D al i a n 1 1 6 0 2 4 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： Th i s t e s t h a s d e s i g n e d a n d ma n u f a c t u r e d a t o t a l o f 4 5 s p e c i me n s ，t h e o l d c o n c r e t e i n t e rf a c e a p p r o a c h a n d T RC r e i n f o r c e me n t l a y e rs as t h e e x p e r i me n t al p a r a me t e r s ， t o res e a r c h t h e i n t e rf a c e b o n din g p r o p e i e s o f T RC a n d RC c o mp o n e n t E x p e ri me n t u s i n g d o u b l e s i d e d s h e a r t e s t me t h o d， t h e res u l t s s h o w s t h a t w h i t t h e i n c r e a s e o f TR C r e i n f o r c e me n t l a y e rs t h e i n t e rf a c e s h e ar s t r e n g t h b e c o me w e l 1 T h e i n t e r f a c i a l t rea t me n t s u c h as rou g h s u r f a c e， reb a r - p l a n t i n g a n d g r o o v e c a n e ff e c t i v e l y i mp rov e s t r e n gth a d h e s i v e a n d s h e a ri n g s t ren g t h o f T R C w h i t R C c o mp o n e n t ， r o u g h s u rf a c e o f o l d c o n c r e t e c o n t r i b u t i o n h i g h e r o n t h e s h e a r s t ren g t h T e s t s s h o w e d t h a t t h e b e s t r o u g h n e s s o f o l d c o n c ret e i s 2-4 mm， t h e r a t e o f p l ant i n g r e i n f o r c e me n t i s a b o u t 0 3 3 Ke y wo r d s ： t e x t i l e r e i n f o r c e d c o n c r e t e； i n t e ffa c i a l b o n d； s h e a r s t ren g t h 0 引 言 织物增强 混凝 土 ( T R C) 主要是指用 耐碱纤维 ( 如碳纤维、 芳纶纤维、 A R一 玻璃纤维)织物来增强 高性能细骨料混凝土( 砂浆) 的一种新型复合材料。 采用织物增强混凝土( T R C ) 加固钢筋混凝土结构是 目前加固领域一个新的课题 ， 与现有加 固技术相 比， T R C复合材料加 固技术施工简便 、 适用 面广及有钢 材所无法 比拟的耐腐蚀性和可塑性。 在 T R C 用于结构的维修和加固中， 老混凝土与 加固层之间的良好粘结是保证加固效果的关键。国 收稿 日期 ： 2 0 1 0 1 1 2 作者简介： 苟勇 ( 1 9 6 4一) ， 男 ， 江苏滨海人 ， 教 授 ， 主要从事新 型结 构材料及其应用技术研究。 E ma i l ： x b h 6 6 0 0 1 6 3 c o rn 内外大量有关新 老混凝土界面粘结 的试 验研究 表 明， 新老混凝土粘结强度的影 响因素对界 面粘结强 度影响程度大小依次 为： 老混凝土表 面粗糙度 ( 或 界面处理方法) 、 界面剂或修补方位、 新混凝土种类 及配比、 粘结龄期等- 】 引。T R C与 R C构件的粘结和 新老混凝土的界面粘结不尽相同， 且国内关于 T R C 与 R C的界面粘结性能研究相对较少 J ， 本文作者 主要研 究 老混 凝 土界 面处 理 方法 对 老 混凝 土 和 T R C加固层粘结强 度的影响 ， 对 凿糙 、 加植抗 剪钢 筋和沟槽式等四种不同的界面处理方式进行了试验 研究和分析。 1 试验概况 1 1 试验方法 国内外对界面抗剪强度的测试有众多的试验方 5 6 四川建筑科学研究 第 3 7卷 法， 如采用劈裂抗拉粘结试件法、 z形柱单剪面试 验 引、 斜剪试件、 缺口梁四点受力试验 和采用“ 8 ” 字试件法等。由于本 文粘结试验新加层为 T R C薄 层 ， 故选择双面剪切法 直接进行新加 固层与老混 凝土的双面剪切试验 ， 试验如图 1 所示。 图 1 双面剪切试验示意 F i g 1 Di a g r a m o f d o u b l e - s i d e d s h e a r t e s t 参照图 1 ， 双面剪切试验抗剪强度可按下式计 算 ： 7 - ： P m ( 1 ) 式中 为结合面抗剪强度( M P a ) ； P 为结合面抗 剪极限荷 载 ( N) ； A为新 老混凝 土结合 面面积 ( H u n ) ， 本试验为双面剪切试验， 取 A=2 A 。， A 。 为 单侧新老混凝土结合面面积 ， 理论值为( 1 5 0 4 0 0 ) m m ， 计算按实际面积取值。 1 2 试件设计 试验老混凝土部分采用钢筋混凝 土短柱 ， 尺寸 为 1 5 0 m m 1 5 0 m m 4 0 0 m m， 配筋如图2 所示， 配 筋率 P=0 8 9 ， 混凝 土保护层厚 度为 1 5 m m。混 凝土设计等级为 C 2 5 ， 配合 比为： 水泥： 砂： 石： 水： 外 加剂 =1 ： 1 7 7 ： 3 4 4 ： 0 4 6 ： 0 O O 6 。采用江苏八菱海 螺水泥有限公司生产的 P 0 3 2 5普通硅酸盐水泥； 普通河砂； 粒径为 5 2 5 m m的碎石( 经人工筛选而 得) 及普通的萘系减水剂浇筑 而成 ， 其立方抗压强 度2 8 d 实测值为 2 8 3 M P a 。 图 2 短柱 配筋 F i g 2 Th e r e i n f o r c e me n t o f s h o r t - c o l u mn 本试验共设计了四组不 同的剪切界面试件 ， 以 粗糙度 日、 植筋率 P、 人工沟槽 和织物网层数为参变 量， 每种界面粘结形式均有 2 3个剪切试验试件， 共4 5 个试件。试件编号及分组情况见表 1 。 表 1 试验试件分组及编号 Ta b l e 1 Th e g r o u p s a n d n u mb e r i n g o f t h e s p e c i me n A组试件老混凝土表面粗糙度 日用灌砂平 均 深度来评定 ， 取平 均深度 H=标 准砂 的总重量 ( 试件横截面积 A标准砂容重 P ) 。B组植筋所用 钢筋为 H P B 2 3 5钢筋 ， f r =2 3 5 N ra m ， 钢筋直径为 6 5 m m， 双面双排植筋， 所植抗剪筋深度为5 0 m m， 植筋的外露长度与加固层厚度相当， 约为2 0 m m， 但 不露于加 固层 外。c组沟槽 尺寸为 1 5 0 m m1 5 0 mT l x 3 0 m T l ， 构 件每侧 凿两个人 工沟槽 ， 定位好 以 后采用切割机配合人工凿取 。 新老混凝土浇筑 的龄期差为一个月 ， T R C层与 老混凝土之间界面剂使用水泥净浆， 老混凝土表面 处理完成后， 在试件两侧粘贴 T R C加固层。T R C由 碳纤维织物和高性能细骨料混凝土 ( 砂浆 ) 组成 ， 其 中织物采用碳 玻纤维混编织物 ， 网孔大小为 1 0 mm 1 0 m m。为改善织物与基 体间界面粘结 性能 ， 同 时避免加固层中碳纤维织物因受力不均而出现单根 纤维断裂现象 ， 在织物铺设前对其进行了浸 胶处理 ( 使用环氧树脂胶) 。细骨料混凝土设计等级及配 合比见表 2 ， 其 6块立方体抗压试块 ( 7 0 7 m m 7 0 7 m m 7 0 7 m m) 2 8 d抗压强度平 均值 为 5 0 5 M P a ， 符合有关规定 ， 即混凝土结构加固时所用 的 混凝土强度等级 ， 宜 比原结构 、 构件的设计混凝土强 度提高一级， 且不应低于 C 2 0 。 表2 T R C用细骨料混凝土质量配合比 Ta b l e 2 Co n c r e t e mi x t u r e p r o p o r t i o n s o f TRC 箜 塑 二 垒 M5 O l 1 3 6 O 3 4 O 0 1 6 注： J M P C A ( I) 为南京苏博特新材料有限公司生产的混凝土超塑 化剂 ， 减水 能 力为 1 8 2 2 。试 验 中掺 量 约 为 胶凝 材 料 量 的 1 5 1 3 加载方案 剪切试验在6 0 0 k N万能试验机上进行， 采用位 2 0 1 1 N o 4 苟勇， 等： 织物增强混凝土与钢筋混凝土构件界面粘结性能试验研究 5 7 移控制的方案进行正 向单调加载 ， 加荷 速度为 0 5 mm m i n ， 直至试件破坏。 2 试验结果及试件破坏情况 2 1 试验结果 试验结果见表 3 ， 表中各组试件的极限破坏荷 载和抗剪强度均为试验试件的平均值。 表 3 试验结果 Tabl e 3 Te s t r esul 试件编号 极限 荷 k N 载值 结合 m 面 m 面 2积 惹 度 2 2 各组试件破坏情况 B 0对比组： 破坏发生在粘结界面处， 破坏前无 明显预兆， 加固层突然从老混凝土上整体剥落， 如图 3 ( a ) 所示。破坏为加固层与老混凝土界 面粘 结性 能差所致 ， 属脆性破坏。 A组 ： 凿糙处理 以后新老混凝土界面粘结性能 有所提高， 试件无一出现加固层整体剥落现象， 破坏 发生在加固层中织物网和高性能砂浆的粘结处， 表 现为随着荷载的增加T R C层由下至上分层破坏， 见 图 3 ( b ) ， 分层一般延伸至 T R C层 的 1 41 3处而 破坏。其中 A 3和 A 4组分层破坏现象尤为突 出， 且 个别试件甚至伴随有部分老混凝土被拉裂的现象。 B组 ： 当荷载加至 1 0 0 k N时， T R C加固层 与混 凝土界面粘结处首先出现裂缝， 继续加载， 加固层与 老混凝土之间产生相对位移， 由于抗剪钢筋的存在， 受力端加固层植筋处 因应力集中而开裂 ， 最终 ， 裂缝 沿植筋位置纵向贯穿而破坏 ， 如图 3 ( c ) 所示。由于 植筋率的不同各个试件裂缝贯穿程度也各不相 同。 破坏显示纵向裂缝的发展与植筋率有关， 其中 B 1 组试件植筋率较小( P= 0 2 2 ) ， 纵向裂缝贯穿缓 慢， 最大裂缝宽度较小， 约为 0 5 0 8 m m， 植筋率 较大时( =0 5 5 ) ， 沿植筋点形成两条 主要 的纵 ( a ) 剥离破坏 ( b )分层破坏 ( c ) 劈裂破坏 图 3 破坏形态 F i g 3 F a i l u r e m o d e 向劈裂裂缝而破坏， 最大裂缝宽度可达 2 3 m m 。 C组 ： 凿糙 +人工沟槽处理 ， 破坏发生在受力端 T R C加 固层 中基体与织物网的粘结处 ， 与 A组只进 行凿糙处理的试件 的破坏情况大致相同， 但是本组 试件裂缝出现较早， 加载至5 1 6 k N时， 加固层开始 出现竖向裂缝。但裂缝发展缓慢， 延性较好。其中 c 3 组试件破坏时， 老混凝土表面区域被拉裂。 D组 ： 凿糙 +植筋处理， 裂缝出现时的荷载较 B 组小 ， 随着荷载 的继续增加 ， T R C加 固层裂缝 的发 展与 B组情况大致相 同， 裂缝沿植筋位置贯穿 ， 试 验最终 以加固层与老混凝土的剥离为破坏标志。本 组和c组粘贴3 层织物网的试件均比贴 1 层加固的 粘结效果好。 上述各组试件的试验结果显示 ， 织物增强混凝 土加固层 与老混凝 土的粘结破坏存在 四种破坏形 式 ， 分别为 ： 1 ) 加固层中基体和织物间的分层破坏； 2 ) 加固层沿植筋方向劈裂破坏( 此种破坏最终 表现为加固层因劈裂而剥离) ； 3 ) 加 固层与老混凝土粘结处的剥离破坏 ； 4 ) 老混凝土层的破坏 ( 破坏发生在靠近老混凝 土表面区域内或形成深层弧坑剥离破坏) 。 当然 ， 还可能发生上述类型的混合破坏。 3 试验结果分析 3 1 T R C与混凝土粘结抗剪强度的影响因素分析 3 1 1 粗糙度对粘结强度的影响 图4为粗糙度对试件平均抗剪强度的影响， 由 图4和 A组试验结果可知， 老混凝土表面粗糙度对 界面粘结抗剪强度影响显著， 粗糙度从对比组的 0 2 4 m m仅提高到 1 0 IL rn时， 其平均抗剪强度就 提高了6 3 8 ， 继续提高粗糙度， 抗剪强度的增加 趋于缓慢， 当粗糙度达到 4 0 6 m m时， 平均抗剪强 5 8 四川建筑科学研究 第 3 7卷 度达到最大值， 较对比试件提高了 1 0 8 5 3 。若继 续增加粗糙度， 界面粘结强度会出现下降趋势， 故老 混凝土界面处理的最佳粗糙度应该控制在 2 0 4 0 ra i n之间。 皇 、 蝮 器 辖 瞽 - 图 4 粗糙 度对 r的影响 Fi g 4 T h e e ffe c t s o f r o u g h n e s s 3 1 2 植筋率对粘结强度的影响 如图5 所示， T R C加固层与老混凝土的粘结抗 剪强度随植筋率的增加而提高， 当植筋率为0 2 2 和 0 3 3 时 ， 抗 剪强 度较 对 比试 件 分别 提 高 了 4 5 5 7 和 7 1 5 7 。若继续增加植筋 ， 则抗剪强度 呈现下降趋势， 故植筋率不易过大且最佳植筋率应 为 0 3 3 左右 。 图 5 植筋率对 的影响 Fi g 5 The e ffe c t s o f ba r pl an t i ng r at e 3 1 3 人 工沟槽处理对粘结强度的影响 在其他情况均相 同的条件下 ， 进行沟槽式处理 与没有进行沟槽式处理的试件的试验抗剪强度对比 如图6所示。文献 8 的试验研究表明， 对于提高 新老混凝土的粘结抗剪强度， 在老混凝 土表 面切割 沟槽是一种非常有效 的方法。在本 系列试验 中， 进 行人工沟槽处理的试件与对比试件相比， 其抗剪强 度提高了7 5 o 4 ， 但是却比只进行凿糙处理的试 件的抗剪强度低， 原因可能为凿糙加沟槽处理致使 老混凝土表面粗糙度过大所致。 3 1 4织物 网层 数对 粘 结强度 的影 响 取 C， D两组试验结果进行分析 ， 如图 7所示 ， 图6 沟槽对 f的影响 F i g 6 Th e e ffe c t s o fg r o o v e 由图 7可知， 尽管两组试件界面处理方式不同， 但是 其抗剪强度随着织物网层 数的增加 ， 都表现出 了近 似于线性增加的趋势。织物网层数越多， 值越大， 两组试件贴3层织物网的抗剪强度均比贴单层的提 高了2 0 以上。故可认为， 织物网层数的增加对界 面粘结强度的提高十分有利。 至 、 魁 鼎 瓠 图 7 织物网层数对 r的影 响 F i g 7 Th e e ff e c t s o f f a b r i c l a y e r s 3 1 5不同界面处理方法的组合对 比 本系列四组试验织物网层数相同的情况下， 对 粘结强度提高幅度的最值对比如图8 所示。四种界 面处理方法对 比显示 ： 粗糙度是影响界 面粘结 的关 键控制因素 ， 植筋可以提高粘结强度但受限于 T R C 加 固层 的抗劈裂能力 ， 其对界 面抗剪能力的提高幅 度小于凿糙处理的试件， 而凿糙加植筋处理的试件， 7 - 值提高最小， 分析认为， 由于T R C加固层抗劈裂能 1 8 1 6 1 4 1 2 对比组 凿糙 +植筋 植筋 凿糙 +沟槽 凿糙 图8 不同处理方法的 r 最值对比 F i g 8 M a x c o n t r a s t o f t h e r v a l u e b y t h e d i ff e r e n t t r e a t m e nt = 呈 。 日 童 、 魁蹑钕辗霸睁 _ I = = = = = = = = = = = = = = r ， ， 。 - L r r L 2 0 1 1 N o 4 荀勇， 等： 织物增强混凝土与钢筋混凝土构件界面粘结性能试验研究 5 9 力较弱所致。 3 2 试验现象分析 前述四种破坏形式 中， I ) 与 2 ) 同属于加固层 的 破坏， 故实际上破坏共存在 3 个破坏面， 即加固层、 界面粘结处和老混凝土层 。试验中， 老混凝土层的 破坏很少见。 新老混凝土的界面粘结理论众多， 从宏观上讲， 普遍认为新老混凝土的粘结力一般由三部分组成： 加固层与老混凝土之间通过界面剂形成的化学粘结 力 、 摩阻力和结合面 凹凸不平 产生 的机械 咬合力 。 对 比试件界面光滑， 其 界面粘结力主要是化学粘结 力， 当界面水泥晶体被剪断后， 结合面发生相对滑 移， 化学粘结力急剧下降， 加固层脆性剥落。进行凿 糙处理后， 界面的摩阻力和机械咬合力得到显著增 强， 从而使界面粘结强度提高。 加固层中的分层破坏和劈裂破坏： 加固层的分 层开裂强度取决于纤维与基体的粘结强度 ， 混凝土 表面进行凿糙处理后 ， 加固层与混凝土的粘结强度 提高， 从而使破坏面从加固层与老混凝土的粘结界 面处转移到了T R C加固层中， 即加固层中织物纤维 与基体的粘结界面成为相对薄弱面， 故引起加固层 的分层破坏。进行植筋处理的试件 ， 当初载破坏加 固层与混凝土的粘结后加固层会 出现相对滑移 ， 此 时植筋会阻止这种滑移并 开始承担界面剪应力 ， 相 应地在T R C层的植筋处即会产生应力集中， 形成劈 裂裂缝， 最后裂缝贯穿发展而劈裂破坏。由于 T R C 层的抗劈裂能力较弱， 钢筋的强度也得不到发挥。 凿糙加沟槽 的试件 ， 或许会 因为粗糙度过高而 不及只进行凿糙处理的试件粘结效果好 ， 其原 因尚 需探讨。但值得注意的是 ， 界面粗糙度和沟槽不宜 过大。凿糙加植筋的处理方法， 虽然相对对比试件 其抗剪强度提高了近6 0 ， 但不能根本解决加固层 抗劈裂破坏弱的本质， 不如其他界面处理方法的抗 剪强度高 ， 且制作复杂浪费材料 ， 故不宜使用 。 值随着织物 网层数 的增加而增加 ， 分析认 为 存在两方面的原因： 1 ) 随着织物网层数和加 固层厚度 的增加， 加固 层的整体工作性能更好； 2 ) T R C层数增加使受力端受力面积增加， 从而 使受力端区域的高集中应力减小。 鉴于此类试验较少 ， T R C板的整体工作性 能与 织物网层数 的关系尚不明确。 4结论与展望 1 ) 凿糙能有效提高 T R C层与混凝土的粘结强 度， 凿糙处理的老混凝土界面 的最佳灌砂平均深度 应控 制 在 24 mm， 其 粘 结 强 度 最 多 可 提 高 1 08 53 。 2 ) 最佳植筋率为0 3 3 左右， 植筋处理的构件 延性较好， 其界面抗剪强度提高可达7 2 。 3 ) 沟槽法的沟槽率和大小的设计尚需研究， 与 凿糙相结合时， 应注意其综合粗糙度不宜过大。 4 ) 加固层织物 网层数 的增 加可 以提高加固层 的整体工作性能， 从而提高其与混凝土的粘结强度。 但是 ， T R C层厚度的增加不会使其与混凝土 的粘结 强度无限增加， 其最值尚不明确。 5 ) 关于 T R C与 R C构件界面粘结强度的多因 素计算方法， 有待进一步研究。 参 考 文 献 ： 1 韩菊红， 赵国藩， 张雷顺 新老混凝土粘结面断裂性能试验研 究 J 土木工程学报， 2 0 0 3 ， 3 6 ( 6 ) ： 3 2 - 3 6 2 卜良桃 ， 毛晶晶 新老混凝土补强加固界面粘结质量检验研究 J 四川建筑科学研究， 2 0 0 6 ， 3 2 ( 3 ) ： 6 4 - 6 6 3 李庚英， 谢慧才， 熊光晶 混凝土修补界面的微观结构及与宏 观力学性能的关系 J 混凝土， 1 9 9 9 ( 6 ) ： 1 3 2 ， 1 8 4 苟勇 ， 张勤织物增 强混凝 土( T R C)加 固技 术研究进展 J 工业建筑 ， 2 0 0 8， 3 8 ( 增刊 ) ： 9 8 6 - 9 9 2 5 李平先 ， 张雷顺 冻融循环作用下混凝土的剪切强度试验研究 J 郑州大学学报： 工学版， 2 0 0 4 ， 2 5 ( 4 ) ： 1 2 1 2 5 6 I O S I P E S C U N ， N E G O IT A A 1 A n w m e t h o d f o r d e t e r m i n i n g t h e p u r e s h e a r i n g s t r e n g t h o f c o n c r e t e J C o n c r e t e J o u rn a l o f t h e C o n c r e t e S o c i e t y ， 1 9 6 9， 3 ( 3 ) ： 8 8 - 9 5 1 7 尚守平 ， 曾令宏 ， 彭晖 ， 等 复合砂浆 钢丝网加 固 R C受弯构 件 的试验研究 J 建筑结构学报 ， 2 0 0 3 ， 2 4 ( 6 ) ： 8 7 - 9 1 8 张雷顺 ， 闰国新 ， 张晓磊 新老混 凝土切 槽法结合 面抗剪 性能 试验研究分析 J 工业建筑， 2 0 0 7 ， 3 7 ( 6 ) ： 1 0 1 1 0 5