直剪作用下再生混凝土黏结界面强度影响因素分析

张绍松，黄芳玮，陈宇良，覃贝录，秦裕全

摘  要：为研究再生混凝土新旧黏结界面的剪切强度，对新旧混凝土进行了黏结强度直剪试验.考虑到新旧混凝土类型对新旧混凝土黏结界面强度的影响，设计了4组试验，共12个标准立方体试件，得到了各界面试件的破坏形态、剪切应力-名义应变曲线及损伤发展曲线，提取了峰值应力、峰值名义应变、初始剪切模量等特征值参数，对比分析了再生混凝土新旧黏结界面抗剪性能及损伤变化规律.结果表明：新旧混凝土类型对结合试件的破坏形态影响较小，试件均为结合面剪切破坏，且其黏结界面是剪切破坏的薄弱界面;新旧混凝土类型对结合试件的黏结强度和变形影响较大;所有试件的损伤曲线趋势基本相同，新旧混凝土类型均为再生混凝土时，其损伤相较于其他类型试件出现最早.

关键词：再生混凝土;新旧混凝土;黏结界面;抗剪强度

中图分类号：TU528.7          DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2021.04.011

0    引言

随着我国城镇化发展不断推进，建筑垃圾数量逐年增长，对环境造成了巨大的影响.再生混凝土技术可以有效地使建筑废弃混凝土得到重新利用，极大程度地减少了建筑垃圾，具有广泛的经济价值、社会价值和环境价值[1].再生混凝土属于一种绿色建材，符合国家节能环保、绿色建筑、资源循环利用的发展要求.目前国内外学者对再生混凝土进行了大量研究.王长青等[2]研究了循环往复荷载下约束再生混凝土的力学性能，建立了循环往复荷载下约束再生混凝土的残余变形方程.张椿民等[3]研究了再生混凝土取代率对钢筋锈蚀的影响，结果表明，取代率越大，抵抗钢筋锈蚀的能力越差.晏方等[4]研究了道路再生骨料对混凝土的多轴受压强度及损伤演变性能的影响，结果表明，围压越大，再生混凝土的强度越大，变形性能越好.Goncalves等[5]研究了再生骨料和再生混凝土的基本力学性能.

在实际工程应用中，新旧混凝土黏结界面强度至关重要.新旧混凝土黏结界面在装配式结构的接缝处、既有结构的加固改造处和现浇结构的施工缝处较为常见，其界面强度是工程能否起到预期效果的关键.目前国内外学者对新旧混凝土的界面黏结性能进行了大量研究.Rashid等[6]研究了不同界面剂对新旧混凝土黏结强度的影响，结果表明苯乙烯丁二烯橡胶乳胶相较于水泥膏、环氧结合剂、碳纤维增强聚合物具有更好的修复效果.Chen等[7]提出了新旧混凝土界面抗剪承载力公式.Tayeh等[8]研究了普通混凝土基体与超高性能纤维混凝土作为修复材料的界面黏结特性，结果表明，超高性能纤维混凝土作为混凝土结构修复的优秀材料具有显著的潜力.林新鹏等[9]研究了植筋情况下新旧混凝土黏结界面的剪切强度，结果表明，界面剪切强度随植筋率的增大而增大.吴吉昊等[10]研究了硅灰掺量对水泥基灌浆料（CGM）与老混凝土界面黏结强度的影响，结果表明，硅灰掺量为4%～5%时，对界面黏结强度提升最大.对新旧混凝土的种类（普通混凝土、纤维混凝土、自密实混凝土等）也有相关研究[11-14]，而关于再生混凝土新旧黏结界面的力学性能研究鲜有报道，其相关机制尚不明确，不利于再生混凝土的推广和利用.

基于此，对再生混凝土界面试件进行直剪试验研究，考虑到新旧混凝土类型的影响，研究黏结界面试件的破坏机理，分析再生混凝土新旧黏结界面抗剪性能，以期为再生混凝土的应用提供参考.

1    试验概况

1.1   原材料

水泥（C）采用鱼峰牌P·O42.5普通硅酸盐水泥;粗骨料采用再生粗骨料（RA）和天然粗骨料（NA），粒径为5～20 mm，再生粗骨料来源于实验室废弃混凝土试块和废弃混凝土梁，粗骨料物理指标如 表1所示;细骨料（S）采用中砂，细度模数为2.45，表观密度为2 581 kg/m3;试验用水（W）采用城市自来水.

1.2   试验配合比

混凝土的水胶比为0.551，砂率为36%，设计强度等级为C30.再生混凝土的取代率為100%.详细配合比见表2.界面试件尺寸为150 mm×150 mm×150 mm.为保证混凝土的水胶比不变，再生混凝土浇筑时需添加附加用水，附加用水量由再生骨料和天然骨料的吸水率差值决定.试块28 d实测抗压强度为30.93 MPa.

1.3   试件制作

共设计4组立方体试件，每组3个，编号分别为N-R、R-N、R-R、N-N，其中编号前半部分表示旧混凝土的类型，后半部分表示新混凝土的类型;N表示天然混凝土，R表示再生混凝土（例如：N-R表示天然混凝土-再生混凝土试件）.

界面试件制作流程：①完成4组（天然混凝土、再生混凝土各2组）混凝土直剪试验，制得旧混凝土试块;②清除旧混凝土试块破坏面的灰尘和碎屑，将清理完毕后的试件放入尺寸为150 mm×150 mm×150 mm的模具中（图1）;③浇筑新混凝土（共有天然混凝土和再生混凝土2种），振捣后抹平，浇水养护28 d.试件设计图如图2所示.

1.4   试验装置及加载制度

加载装置采用RMT-301岩石与混凝土力学试验机.加载时，试件位于剪切盒中（剪切盒分为上下两部分），上剪切盒通过横向钢挡板固定，下剪切盒通过水平作动器单向运动，使试件受到纯剪作用（剪力由水平作动器提供的拉力转换得到）.试验加载装置模型及试件受力模型分别见图3、图4.

加载制度采用位移控制，加载速率为0.02 mm/s.正式加载前进行水平预加载，使试块紧贴剪切盒，再进行水平方向正式加载，连续单调加载至试件 破坏.

2    试件破坏形态

所有试件呈脆性破坏，正面及侧面存在一条平直的剪切裂缝，无其他明显破坏特征.N-R试件破坏面旧混凝土一侧和未浇筑前基本一致，凸出的骨料表面附着有新水泥浆体，新混凝土一侧能够看到明显的摩擦痕迹;R-N试件破坏面旧混凝土一侧存在部分骨料被剪断，新混凝土一侧在应力较大处有硬化水泥浆体被剪断;R-R试件破坏面两侧均存在部分骨料被剪断的现象;N-N试件破坏面旧混凝土一侧部分凸出骨料表面附着有水泥砂浆，新混凝土一侧少部分骨料被剪断.以上分析表明，新旧混凝土黏结界面是剪切破坏的薄弱面.试件典型破坏形态如图5所示.

3    试验结果与分析

3.1   试验特征参数

通过对界面试件进行直剪试验，得到了试件的剪切应力-名义应变曲线，并提取了峰值剪力、抗剪强度、名义峰值应变、名义破坏应变、破坏应力、剪切模量等特征参数，具体数值见表3.

其中抗剪强度按式（1）进行计算：

[τ0=VA]                                （1）

式中：[τ0]为抗剪强度，MPa;[V]为峰值剪力，kN;[A]为剪切面面积，mm2.

名义应变按式（2）进行计算：

[γ=sb]                                （2）

式中：[γ]为名义应变，[s]为试件位移，mm;[b]为试件宽度，mm.

3.2   试验结果分析

3.2.1   剪切应力-名义应变全过程曲线

图6为各试件的剪切应力-名义应变曲线.由图6可知，各试件的剪切应力-名义应变曲线经历弹性、内部裂缝发展、可见裂缝发展和破坏4个阶段.加载初期，试件处于弹性阶段，剪切应力-名义应变曲线呈线性增长趋势;随着荷载加大，剪切应力-名义应变曲线斜率开始逐渐减小，内部微裂缝尖端应力集中，微裂缝随着荷载增大不断发展延伸，荷载主要由水泥基体间的黏聚力承担;随着荷载进一步加大，当内部微裂缝发展为宏观裂缝时，荷载主要由未开裂部分的黏聚力及开裂部分的机械咬合力承担;最后裂缝贯穿整个黏结界面，试件被剪坏，荷载主要由剪切破坏面之间的机械咬合力和摩擦力共同承担.和N-N试件相比，其他类型试件的剪切应力-名义应变曲线下降段更为陡峭，说明4类试件中N-N试件的脆性最小;各试件的剪切应力-名义应变曲线趋势基本相似，且在γ≥0.05时曲线基本重合，说明新旧混凝土类型对剪切应力-名义应变曲线影响不大.

3.2.2   新旧混凝土类型对直剪变形的影响

图7为各试件的名义峰值应变比较.由图7可知，R-R试件相较于R-N试件，其名义峰值应变降低了40.73%;N-R试件相较于N-N试件，其名义峰值应变降低了18.28%.相较于N-R试件，R-R试件的名义峰值应变降低了40.04%;相较于N-N试件，R-N试件名义峰值应变降低了17.32%.综上所述，无论旧混凝土为何种类型，试验中再生混凝土和天然混凝土黏结试件相比较，其延性均有所降低.这是因为骨料与水泥浆的黏结面强度是影响混凝土变形性能的一个主要因素[2]，而新旧混凝土结合面中新砂浆和再生粗骨料存在多个结合面（新砂浆和旧砂浆、新砂浆和原天然骨料、旧砂浆和原天然骨料等），导致新旧混凝土结合面强度大幅降低.

3.2.3   新旧混凝土类型对直剪强度的影响

图8为各试件黏结抗剪强度比较.由图8可知，R-R试件相较于R-N试件，其抗剪强度提高了17.18%;相较于N-N试件，N-R试件抗剪强度降低了35.25%.R-R试件相较于N-R试件，其抗剪强度提高了37.54%;相较于N-N试件，R-N试件抗剪强度降低了24.00%.主要原因为：再生粗骨料的性能（密度、压碎指标等）比天然粗骨料的低，随着再生粗骨料取代率的提高，再生混凝土内部薄弱区增多（新旧砂浆界面区、原生粗骨料和新旧砂浆界面区） ，导致其强度有所降低[15].

3.2.4   新旧混凝土类型对初始剪切模量的影响

图9为各试件的初始剪切模量比较.由图9可知，R-R试件相较于R-N试件，其剪切模量提高了183.47%;相较于N-N试件，N-R试件剪切模量降低了24.68%.R-R试件相较于N-R试件，其剪切模量提高了247.92%;相较于N-N试件，R-N试件剪切模量降低了6.26%.由此可以判断，当旧混凝土为再生混凝土时，使用再生混凝土作为新混凝土使试件的刚性有很大的提高.

3.2.5   工程建议分析

根据以上新旧混凝土類型对混凝土黏结界面抗剪强度、直剪变形、初始剪切模量的影响分析可知，和N-R、R-N试件相比，R-R、N-N试件的抗剪强度平均提高约33% ，R-R试件的初始剪切模量平均提高约2.12倍，N-N试件的直剪变形平均提高约22%，R-R试件的直剪变形平均降低约40%.综上所述，从总体考虑，同类型混凝土黏结试件性能要优于新旧混凝土类型不同的黏结试件，因此，建议在实际工程应用中，新旧混凝土黏结界面使用同类型混凝土.

3.3    损伤分析

为了反映混凝土抗剪强度的损伤变化，通过损伤变量[D]（0≤[D]≤1）分析混凝土试件的损伤变化，[D]越大，代表试件的损伤越大.损伤变量[D]在参考文献[16]的计算公式如式（3）所示：

[D=1-GdG0]                          （3）

式中：[Gd]为剪切模量，[G0]为初始剪切模量.

图10为试件的损伤曲线.由图10可知，所有试件的损伤曲线趋势基本相似，当[D] =0.7左右时， R-R试件损伤曲线的上升速率开始减缓;当[D] =0.5左右时，其余试件损伤曲线的上升速率开始减缓，说明R-R试件的损伤更早出现.当新旧混凝土类型均为再生混凝土时，其损伤曲线起点接近原点且远远早于其余试件，损伤曲线呈直线上升，说明R-R试件最早出现损伤且混凝土内部的裂缝发展迅速，原因为：再生骨料破碎时产生的裂纹对试件的损伤发展具有加速作用;当新旧混凝土类型均为天然混凝土時，其损伤曲线起点对应的应变最大，说明N-N试件的损伤最晚出现.

4    结论

通过对再生混凝土黏结界面的直剪强度试验研究，可以得到以下结论：

1）新旧混凝土类型对试件的破坏形态影响不大.试件的破坏类型为剪切破坏，且破坏面均为黏结界面，说明黏结界面为剪切破坏的薄弱面.

2）新旧混凝土类型对试件的界面黏结强度影响显著，和R-R试件相比，R-N试件、N-R试件的黏结强度降低幅值约为27%;和N-N试件相比，R-N试件、N-R试件的黏结强度降低幅值约为30%.新旧混凝土类型对试件的延性影响较大，和R-R试件相比，R-N试件、N-R试件的名义峰值应变提高幅值约为40.0%;和N-N试件相比，R-N试件、N-R试件的名义峰值应变下降幅值约为17.5%.

3）根据试验结果，在实际工程应用中，新旧混凝土黏结界面处建议使用同类型混凝土.综合考虑新旧混凝土类型对黏结试件的抗剪强度、直剪变形、初始剪切模量的影响，同类型混凝土黏结试件的性能相对更好.

4）R-R试件相较于其他试件，其损伤速度更快，时间更早.因此，在应用天然混凝土的结构加固或施工缝等工程中不建议使用再生混凝土.由于试验样本有限，试验中仅考虑了新旧混凝土类型的影响，界面处理剂及新旧混凝土强度等因素有待进一步研究.

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Analysis of influencing factors of bond interface strength of recycled concrete under direct shear

ZHANG Shaosong， HUANG Fangwei， CHEN Yuliang*， QIN Beilu， QIN Yuquan

（School of Civil Engineering and Architecture， Guangxi University of Science and Technology，

Liuzhou 545006， China）

Abstract： In order to study the shear strength of the new and old bonding interface of recycled           aggregate concrete， a direct shear test of the bonding strength of the new and old concrete was          conducted. Considering the influence of the new and old concrete types on the strength of the bonding interface ， 4 groups of 12 standard cube specimens were designed for testing， and the failure morphology， shear stress-nominal strain curve and damage development curve of each interface specimen were obtained. The characteristic value parameters such as peak stress， peak nominal strain， and initial shear modulus were extracted， and the shear properties and damage change rules of the new and old bonding interface of recycled aggregate concrete were compared and analyzed. The results showed that the new and old concrete types had little effect on the failure mode of the bonded specimens.The specimens were all destroyed by shear damage of the bond surface， and the bonding interface was a weak interface for shear failure. The bonding of the new and old concrete types on the bonded specimens strength and deformation had a greater impact. The damage curve trend of all  specimens was basically the same. When the new and old concrete types were recycled aggregate concrete， the damage appeared earlier than other types of specimens.

Key words： recycled concrete; new and existing concrete; bonding interface; shear strength

（责任编辑：罗小芬）