不同結(jié)合面處理方法的新舊混凝土結(jié)合面抗剪性能試驗(yàn)研究

不同結(jié)合面處理方法的新舊混凝土結(jié)合面抗剪性能試驗(yàn)研究

1新舊混凝土結(jié)合面處理試驗(yàn)由于工業(yè)設(shè)備的搬遷和變化，鋼筋混凝土銷售站的設(shè)計(jì)被改造成一個(gè)旅游設(shè)施（圖1（a））。經(jīng)過改造,達(dá)到既保留工業(yè)時(shí)代的痕跡,又賦予其新的功能的目的。煙囪高165m,筒身壁厚隨著高度變化逐漸減小,由底到頂各段壁厚分別為400mm,300mm,200mm和160mm。按改造方案經(jīng)計(jì)算分析,原煙囪壁厚不能滿足設(shè)計(jì)要求,且煙囪壁沿豎向分布有溫度裂縫,需要補(bǔ)強(qiáng)加固。綜合考慮各因素,煙囪加固方案采用在筒壁外再澆筑一定厚度配筋混凝土使新舊混凝土共同受力的做法。新舊混凝土之間能否有效的結(jié)合,是設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問題。新舊混凝土結(jié)合面處理方法常見的有三種:鑿毛、開槽、植筋。為驗(yàn)證這三種結(jié)合面處理方法的安全性能及可行性,進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)。本試驗(yàn)設(shè)計(jì)制作4組加固于煙囪表面的不同結(jié)合面處理方法的抗剪試件,分別承受剪切荷載至破壞。通過試件的剪切試驗(yàn),分析新舊混凝土結(jié)合面的抗剪切性能。為了更好地體現(xiàn)現(xiàn)場實(shí)際操作環(huán)境狀況,本試驗(yàn)在實(shí)際比例的煙囪模型上完成,試驗(yàn)現(xiàn)場位于諸暨市某工廠內(nèi)(圖1(b))。2試驗(yàn)總結(jié)2.1混凝土試件的制作本試驗(yàn)中新混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35,舊混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25。抗剪試件按結(jié)合面處理方法的不同共分為4組,每組3個(gè),共12個(gè)試件。各試件的尺寸及構(gòu)造見表1。第一組(JA1～JA3)試件:采取鑿毛的做法。將舊混凝土外表面進(jìn)行鑿毛處理,露出堅(jiān)實(shí)石子和水泥石,用高壓水清洗干凈,在此鑿毛的結(jié)合面上,澆筑制作新混凝土試件(圖2(a))。第二組(JB1～JB3)試件:采取鑿毛、開槽的做法。將原混凝土外表面進(jìn)行鑿毛處理,露出堅(jiān)實(shí)石子和水泥石,用高壓水清洗干凈,并在此鑿毛的結(jié)合面上開寬、深均為10mm、長200mm的凹槽,然后在帶有凹槽的鑿毛結(jié)合面上澆筑制作新混凝土試件(圖2(b))。第三組(JC1～JC3)試件:采取鑿毛、開槽并植筋的做法。將原混凝土外表面進(jìn)行鑿毛處理,露出堅(jiān)實(shí)石子和水泥石,用高壓水清洗干凈,并在此鑿毛的結(jié)合面上開寬、深均為10mm,長200mm的凹槽,然后按要求在混凝土中鉆孔,用空壓機(jī)吹凈孔內(nèi)灰屑,注入植筋藥劑,植入鋼筋(?ˉ8@150(?ˉ8@150mm,植入深度80mm),再澆筑制作新混凝土試件(圖2(c))。第四組(JD1～JD3)試件:為“凸”字形整澆混凝土試件,用以對(duì)比以上各組試件的抗剪性能。其中,直接與煙囪連接的大塊部分尺寸為400mm×400mm×200mm,小塊部分尺寸為200mm×200mm×180mm,與大塊部分整澆。新澆混凝土與煙囪之間的結(jié)合面施工時(shí)鑿毛、植筋,與煙囪牢固連接,以避免新澆混凝土與混凝土煙囪之間發(fā)生連接破壞(圖2(d))。2.2應(yīng)變片、位移計(jì)、數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)本試驗(yàn)所用試驗(yàn)器材如下。千斤頂:采用60t型號(hào)電動(dòng)液壓千斤頂。應(yīng)變片:用于采集試件加載后應(yīng)變變化情況。位移計(jì):位移計(jì)置于各混凝土試件上,用以量測節(jié)點(diǎn)的變形情況。計(jì)算機(jī)系統(tǒng):采集數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)主要來源于各應(yīng)變片、位移計(jì)等的信息。試驗(yàn)裝置如圖3所示。2.3混凝土抗剪試驗(yàn)試驗(yàn)于2008年11月17日澆筑混凝土試件完畢,12月18日進(jìn)行抗剪試驗(yàn),混凝土齡期為30d。進(jìn)行施工操作時(shí),因煙囪模型表面保護(hù)層較厚,為露出石子鑿毛時(shí)盡量多鑿,另外在各試件的混凝土壁上方多鑿出約20mm。2.4試驗(yàn)量測與位移本次試驗(yàn)為現(xiàn)場靜力試驗(yàn),量測指標(biāo)主要有豎向剪力、各試件的豎向位移等。豎向荷載由60t千斤頂提供,千斤頂采用電動(dòng)油泵加載,為避免油泵的讀數(shù)誤差,剪力由力傳感器通過應(yīng)變數(shù)據(jù)采集儀接入電腦控制。試驗(yàn)量測時(shí),千斤頂置于各試件正下方,為保證各試件受力均勻,千斤頂與試件之間放置鋼墊板。位移計(jì)置于各試件正上方,位移計(jì)探頭與試件之間放置玻璃墊片。位移計(jì)讀數(shù)由數(shù)據(jù)采集儀接入電腦。整個(gè)試驗(yàn)過程除人工觀察記錄特征點(diǎn)數(shù)值外,均采用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連續(xù)采集剪力、位移及混凝土應(yīng)變數(shù)據(jù)。2.5接觸不均勻等情況試驗(yàn)準(zhǔn)備工作完成后預(yù)加載1～3kN以消除各儀器構(gòu)件之間的接觸不均勻等現(xiàn)象。試驗(yàn)正式操作時(shí),開動(dòng)測力試驗(yàn)儀、電動(dòng)液壓加載系統(tǒng),以連續(xù)、均勻的速率加荷,加荷速度2～5mm/min,試樣自加荷至破壞的時(shí)間控制在5min以內(nèi)。1試驗(yàn)件在誹金回收時(shí),加載方向位移分別當(dāng)荷載較小時(shí),加載方向幾乎沒有位移,隨著荷載的增加,位移少量增加,分別加載至45.68kN,42.63kN,47.85kN時(shí),加載方向位移分別達(dá)到0.10mm,0.13mm,0.09mm,試件在瞬間發(fā)生破壞。隨后,荷載迅速卸載,試件發(fā)生大幅位移,終止試驗(yàn)。JA1～JA3的荷載位移曲線如圖4所示,JA2破壞后的圖片如圖5所示。2試驗(yàn)加載方向位移試驗(yàn)過程與JA組試件相類似,JB組極限荷載略有增加。當(dāng)荷載較小時(shí),加載方向幾乎沒有位移,隨著荷載的增加,位移少量增加,分別加載至50.46kN,52.20kN,50.03kN時(shí),加載方向位移達(dá)到0.38mm,0.39mm,0.46mm,試件在瞬間發(fā)生破壞。隨后,荷載迅速卸載,試件發(fā)生大幅位移,終止試驗(yàn)。JB1～JB3的荷載位移曲線如圖6所示,JB1～JB3破壞后的圖片如圖7所示。3試驗(yàn)結(jié)果及分析當(dāng)荷載較小時(shí),加載方向幾乎沒有位移,隨著荷載的增加,位移少量增加,新舊混凝土結(jié)合面周圍逐漸出現(xiàn)細(xì)微裂縫,加載至50～60kN時(shí),細(xì)微裂縫演化成顯見的粗裂縫,裂縫的開展較為平穩(wěn)。加載至88.01kN,92.68kN,90.27kN時(shí),試件豎向位移達(dá)到0.19mm,0.17mm,0.22mm,可聽到細(xì)微連續(xù)的“噼啪”聲,隨后荷載緩慢卸載,試驗(yàn)完畢。JC1～JC3的荷載位移曲線見圖8所示,JC1,JC2破壞后的圖片如圖9所示。4試驗(yàn)結(jié)果及分析當(dāng)豎向剪切荷載較小時(shí),加載方向幾乎沒有位移,隨著荷載增加,位移少量增加,加載至69.60kN,67.44kN,66.9kN時(shí),加載方向位移達(dá)0.33mm,0.29mm,0.23mm,試件在瞬間發(fā)生破壞。隨后荷載迅速卸載,結(jié)束試驗(yàn)。JD1～JD3的荷載位移曲線見圖10所示,JD1,JD2破壞后的圖片如圖11所示。3新舊混凝土抗剪性能若試件破壞時(shí),中間截面的剪力為Vp,考慮到剪應(yīng)力分布的不均勻性,混凝土的抗剪強(qiáng)度τp的取值為τp=1.2VpA(1)τp=1.2VpA(1)本次試驗(yàn)各試件的極限承載力見表2所示。本試驗(yàn)中,三個(gè)整澆混凝土試件的平均抗剪強(qiáng)度為τp1=2.04N/mm2,與其軸心抗拉強(qiáng)度ft=2.2kN/mm2接近,試件的破壞形態(tài)和裂縫特征也相同。從表2可以看出,新舊混凝土經(jīng)過鑿毛處理后的結(jié)合面上的承載力比整澆混凝土低,是其承載力的67%。在新舊混凝土的結(jié)合面進(jìn)行鑿毛和開槽處理,主要是改變了結(jié)合面的粗糙程度從而改善新舊混凝土之間的粘結(jié)性能。目前關(guān)于結(jié)合面處理的粗糙程度與粘結(jié)性能的確切關(guān)系還不是很清楚,但新舊混凝土結(jié)合面的粘結(jié)性能與其界面的某些粗糙程度指標(biāo)之間存在一定的關(guān)系。3.1切槽試驗(yàn)復(fù)核對(duì)于結(jié)合面采用切槽處理的新舊混凝土試件,可以用切槽率γ來評(píng)價(jià)結(jié)合面的粗糙程度:γ=切槽面積粘結(jié)界面面積=nΔabab=nΔaa(2)γ=切槽面積粘結(jié)界面面積=nΔabab=nΔaa(2)式中,a為結(jié)合面長度,沿此方向間隔切槽;b為結(jié)合面寬度,順此方向間隔切槽;Δa為每個(gè)槽的平均寬度;n為結(jié)合面長度方向的切槽個(gè)數(shù)。本試驗(yàn)的切槽率為γ=0.2。結(jié)合面的抗剪強(qiáng)度隨著切槽率的增加而增大,但是抗剪強(qiáng)度不會(huì)隨著切槽率的提高而無限制增大,當(dāng)切槽率達(dá)到一定數(shù)值后,結(jié)合面的抗剪強(qiáng)度反而會(huì)下降。引用文獻(xiàn)的公式及試驗(yàn)結(jié)果,對(duì)本次試驗(yàn)進(jìn)行復(fù)核。對(duì)于采用切槽處理的新舊混凝土結(jié)合面的抗剪強(qiáng)度可用式(3)表示:τp3=α1(1?γ)τn+α2γτp1(3)τp3=α1(1-γ)τn+α2γτp1(3)式中,τn為未開槽結(jié)合面的抗剪強(qiáng)度;τp1為整澆混凝土的抗剪強(qiáng)度;α1為界面劑影響系數(shù);α2為切槽率影響系數(shù)。本試驗(yàn)取鑿毛處理的新舊混凝土結(jié)合面剪切強(qiáng)度τn=1.36N/mm2。當(dāng)無界面劑時(shí),α1取1.0。切槽率影響系數(shù)α2的取值尚未有較為可靠的方法,根據(jù)文獻(xiàn)中的試驗(yàn)結(jié)果,當(dāng)結(jié)合面的不平度為2.5mm時(shí),剪切強(qiáng)度達(dá)到最大值,此時(shí)α2取1.31。于是對(duì)于本試驗(yàn),切槽處理的新舊混凝土結(jié)合面剪切強(qiáng)度計(jì)算值為τp2=1.62N/mm2,與試驗(yàn)結(jié)果較為接近,這也能說明本次試驗(yàn)結(jié)果有一定的參考性。3.2新舊混凝土粘結(jié)強(qiáng)度的提高值復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下新老混凝土結(jié)合面剪切試驗(yàn)結(jié)果表明,法向壓應(yīng)力可以提高結(jié)合面的抗剪強(qiáng)度,當(dāng)結(jié)合面粗糙度一定時(shí),抗剪強(qiáng)度與法向壓應(yīng)力在一定范圍內(nèi)成正比。本試驗(yàn)中,當(dāng)試件承受剪切荷載時(shí),結(jié)合面處將產(chǎn)生豎向剪切應(yīng)變和法向拉應(yīng)變,其中,豎向剪切應(yīng)變可使混凝土結(jié)合面及鋼筋橫截面產(chǎn)生剪應(yīng)力,法向拉應(yīng)變則使結(jié)合面產(chǎn)生拉應(yīng)力,并使構(gòu)造鋼筋同步受拉。此時(shí),鋼筋拉應(yīng)力反作用于結(jié)合面,可起到削弱結(jié)合面拉應(yīng)力的作用,且拉應(yīng)變?cè)酱?反向壓應(yīng)力就越大。因此,對(duì)于設(shè)置抗剪鋼筋的新舊混凝土結(jié)合面的抗剪強(qiáng)度,應(yīng)考慮鋼筋對(duì)抗剪強(qiáng)度的提高作用,提高值的大小一般與植筋的方式和植筋率等有關(guān)。對(duì)于同一種植筋方式,抗剪強(qiáng)度的提高基本與植筋率成線性關(guān)系。螺紋鋼筋和混凝土之間的極限粘結(jié)強(qiáng)度:τu=13ξfc(4)τu=13ξfc(4)式中,ξ為粘結(jié)系數(shù),當(dāng)混凝土澆筑方向與鋼筋方向一致時(shí)取1.0,當(dāng)與鋼筋方向垂直時(shí)取2/3;fc為混凝土抗壓強(qiáng)度。當(dāng)達(dá)到鋼筋和混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度時(shí),新舊混凝土結(jié)合面處的鋼筋拉力為F=πdLτu(5)F=πdLτu(5)式中,L為鋼筋植入新或舊混凝土的深度;d為鋼筋直徑。則抗剪鋼筋的拉應(yīng)力為σ1=FA=4Ldτu(6)σ1=FA=4Ldτu(6)假定鋼筋處于三向應(yīng)力狀態(tài),σ1=σ2,于是有τmax=σ12=2Ldτu(7)τmax=σ12=2Ldτu(7)則抗剪鋼筋對(duì)新舊混凝土粘結(jié)強(qiáng)度的提高值為τs=nAsAτmax=ρτmax=2Ldρτu=γsρτu(8)τs=nAsAτmax=ρτmax=2Ldρτu=γsρτu(8)式中,γs為鋼筋抗剪強(qiáng)度增強(qiáng)系數(shù);ρ為抗剪鋼筋植筋率。在本試驗(yàn)中,粘結(jié)系數(shù)取ξ=1.0,混凝土取其立方體抗壓強(qiáng)度fc=35N/mm2,植筋?ˉ8@150?ˉ8@150mm,植入深度L=80mm。植筋率為ρ=0.50%,鋼筋和混凝土的極限粘結(jié)強(qiáng)度為τu=11.7N/mm2?？辜翡摻顚?duì)新舊混凝土粘結(jié)強(qiáng)度的提高值為τs=1.17N/mm2。經(jīng)過鑿毛切槽并植筋處理的新舊混凝土結(jié)合面剪切強(qiáng)度為τp3=2.71N/mm2,與試驗(yàn)結(jié)果正好一致。本文認(rèn)為可以采用上式計(jì)算植筋對(duì)新舊混凝土結(jié)合面抗剪強(qiáng)度的提高值。通過以上分析可知,為使新舊混凝土有效地結(jié)合在一起,共同受力,采用植筋的方式更為有效。在植筋率為0.25%的情況下,植筋新舊混凝土結(jié)合面的抗剪強(qiáng)度基本可以與整澆混凝土的抗剪強(qiáng)度一致。4新舊混凝土的結(jié)合面總結(jié)以上試驗(yàn)結(jié)果,可以得出如下結(jié)論:(1)新舊