冻融循环和界面剂对新老混凝土接触面抗剪性能的影响

王丹薇

（朝阳市阎王鼻子水库工程建设管理局，辽宁 朝阳 122000）

1 引言

水利工程是用于控制和调配自然界的地表水和地下水，达到除害兴利目的而修建的工程，具有十分重要的社会意义、经济意义和生态意义。但是，许多水利工程由于建成时间较长且当时的设计建设标准较低，已经不能满足社会发展的需求，亟待进行维修和加固。工程经验表明[1]，在既有水工建筑的基础上进行加固改造，不仅可以大幅提高原水工结构的安全性，还可以有效提升其使用功能和要求，与拆除重建相比可以大幅节省投资、缩短工期，同时还可以减少生态环境影响[2]。在水利工程加固改造过程中，势必会涉及新老混凝土结合问题。一般来说，新老混凝土界面的抗剪强度低于整体浇筑混凝土的强度，会成为水工混凝土结构的软弱结构面[3]。如今新老混凝土界面的研究已成为各国科研工作者所关注的重点。界面承载力问题中的抗剪问题是新老混凝土结构中最薄弱的部分，而剪切效应对界面稳定性的影响较为明显，因此，对新老混凝土界面抗剪性能的研究就显得越来越迫切。目前被普遍接受的界面粘结机理是摩擦抗剪机理，但是随着试验研究及理论探索的不断深入，研究者发现摩擦抗剪不是界面存在的唯一抗剪形式，还包含了混凝土的粘结力。可见，只有混凝土新老界面之间的粘结性能达到规定标准，方可保证加固改造之后的水工建筑的安全性[4]。另一方面，冻融循环是混凝土建筑遭受破坏的重要因素，其抗剪强度和抗拉强度都会随着冻融循环次数的增加而下降。尤其是在我国的北方寒区，水工混凝土结构在冻融循环作用下出现破坏的现象比较普遍[5]。目前，针对常温环境下的新老混凝土粘结性能的研究较多，但是对冻融条件下新老混凝土粘结性能缺乏足够的关注。基于此，此次研究针对冻融循环条件下的新老混凝土界面抗剪性能展开试验研究，并获得相关变化规律，为北方寒区水利工程加固改造施工提供必要的支持。

2 试验材料与方法

2.1 试验材料

试验用水泥为水利工程建设常用的P.O42.5普通硅酸盐水泥，样品的初凝时间为185min，终凝时间为233min，3d抗压强度为16.3MPa，28d抗压强度为50.5MPa；试验用砂为天然河砂，在冲洗干净后晾干备用。其表观密度为2 600kg/m3，细度模数为2.48，含泥量小于3.5%；试验用粗骨料为人工石灰岩碎石，其表观密度为2 680kg/m3，粒径范围为5—19mm，吸水率为2%，压碎指标为3%；试验用钢筋为直径12mm的HRB400级钢筋；植筋胶为上海派尔科建筑植筋胶；试验用水为普通自来水。

2.2 试验方案

新老混凝土界面抗剪性能受多种因素的影响，界面凿毛、植筋、界面剂、混凝土强度、冻融循环次数均为重要影响因素。此次研究中所有方案均对就混凝土做同样的凿毛和植筋处理。将界面剂、新混凝土强度和冻融循环次数作为研究变量。结合工程实践，设置涂刷和不涂刷界面剂2种界面条件；C20、C25、C30、C35和C40共5种不同的新混凝土强度等级；0次、20次、40次、60次、80次和100次共6种不同的冻融循环次数；按照以上条件设置不同试验方案进行试验。

2.3 试件制备

新老混凝土均采用150mm×150mm×150mm的立方体标准试件，试件的模板为表面平整光滑的优质木模板。其中，老混凝土取自于某水利工程除险加固工程现场，对取得的混凝土样本利用切割机切割成规定尺寸的立方体试件。对老混凝土的结合界面采取人工凿毛处理。在植筋过程中，首先选择合适的钻头在界面中心钻孔并将孔内清理干净。调制好植筋胶灌入植筋孔，将钢筋植入孔中并反复旋转抽插，确保植筋质量。旧混凝土植筋示意图如图1所示。在植筋完成后静置固化24h进行新混凝土的浇筑。在浇筑过程中首先对搅拌机进行清洁和润湿，然后按照配合比要求倒入水泥和粗、细骨料，然后干拌2min，将称量好的水倒入搅拌机再搅拌3min，将拌制好的混凝土倒入模具中，利用捣棒插捣模具四周，之后嘉庆模具放到振动台上振捣2—3min，在混凝土表面出浆后停止振捣并利用抹刀将表面刮平。将试件静置24h拆模并编号，将其放在标准养护室内养护至28d龄期。

图1 植筋示意图

2.4 试验方法

试验前首先将试件在20℃左右的清水中浸泡4d，在试件饱和之后取出试件擦拭干净表面并放入冻融箱进行冻融循环，在达到设定冻融循环次数之后取出试件，利用2 000kN微机控制电液伺服压力机进行剪切试验。该试验机整合了压力传感器、位移传感器以及数据采集存储系统，使用方便，精确度高。在试验中首先将试件表面磨平，避免试验中出现偏心现象；将压力机的压力和位移传感器连接于统一静态测试仪上并调试平衡，然后将试件放在压力机上。试验中采用位移加载模式，加载速率为0.1mm/min，直至试件破坏。当加载超过3mm时停止试验，将试验数据保存并处理。

3 结果与讨论

3.1 结果

对不同试验方案下的混凝土接触面抗剪强度进行试验，结果如表1所示。对表中的试验数据进行方差分析，结果如表2所示。

由表1可以看出，不同混凝土等级、有无界面剂、不同冻融循环次数下新老混凝土接触面的极限承载力存在比较明显的差异。在其它条件相同的情况下，有界面剂试验方案的接触面极限承载力明显偏大，相比无界面剂的情况大了约17%左右。由此可见，在水利工程施工过程中，使用界面剂可以有效提升新老混凝土结合面的强度，提高其抗剪强度，有助于提升工程施工质量和安全稳定性。由表2可以看出，混凝土等级。界面剂和冻融循环次数等3个因素均对试验结果存在十分显著的影响。基于此，在后续研究中有必要以试验结果数据为依据，分别针对上述3个因素对新老混凝土接触面抗剪强度的影响规律进行进一步的深入分析。

表1 实践抗剪强度试验结果

表2 抗剪试验结果方差分析表

3.2 分析与讨论

为了进一步分析混凝土等级对接触面抗剪强度的影响，根据试验结果数据绘制出如图2所示的不同冻融循环次数下接触面的极限承载力随混凝土等级的变化曲线。由图2可以看出，无论是有界面剂还是无界面剂，混凝土接触面的抗剪强度均随着新混凝土等级的提高而稳步增大。根据试验结果，对接触面极限承载力F与混凝土等级a之间的关系进行拟合，结果如表3所示。根据拟合结果可以看出，接触面的极限承载力与混凝土等级之间呈现出比较明显的线性变化关系。由此可见，提高新混凝土的强度值有助于提高新老混凝土界面的结合强度。当然，提高混凝土的强度等级也会造成施工成本的大幅提高，因此在具体的工程施工设计中应该结合实际情况统筹考虑，以确定最佳的混凝土强度等级。

表3 极限承载力和混凝土等级之间的拟合函数

图2 极限承载力随混凝土等级变化曲线

为了进一步分析冻融循环次数对新老混凝土接触面抗剪强度的影响规律，根据试验中获取的数据，绘制新老混凝土接触面极限承载力随冻融循环次数的变化曲线，结果如图3所示。由图可以看出，设置和不设置界面剂情况下，新老混凝土接触面抗剪强度随冻融循环次数的变化规律基本一致。随着冻融循环次数的增加，新老混凝土接触面的极限承载力呈现出先缓慢下降后迅速下降再趋于稳定的变化特点。原因主要是冻融循环次数较少时其影响主要集中在混凝土的表层，因此对接触面抗剪强度的影响不明显，随着冻融循环次数的增加，水分不断向接触面深层渗透，使接触面的抗剪强度值明显下降。随着冻融循环次数的进一步增加，冻融过程中的脱落物和生成物堵塞了部分内部空隙，使冻融影响趋于减小。从具体数值来看，冻融循环40次至80次过程中接触面抗剪强度下降幅度较大，在工程维护管理中需要予以重点关注。在100次冻融循环结束之后，接触面极限承载力下降了约18%—20%，影响显著。因此，在寒区水利建设和维护管理过程中，必须要重视冻融作用对新老混凝土接触面的不利影响。

图3 极限承载力随冻融循环次数变化曲线

4 结语

此次研究通过室内试验的方式，探讨了冻融循环下新老混凝土界面的抗剪性能，获得了新混凝土强度等级、冻融循环次数以及界面剂对接触面抗剪强度的影响及变化规律。根据试验结果，建议在施工过程中结合实际情况选择合适的混凝土等级，充分考虑冻融循环对寒区水利工程新老混凝土接触面的抗剪性能的影响，同时建议使用界面剂。此次研究的成果对相关水利工程的建设和维护具有重要的借鉴和指导作用。当然，接触面抗剪强度的影响因素是复杂的，在今后的研究中还需要进一步探讨其他因素可能产生的影响，力求获得更为科学和全面的研究成果，为寒区水利工程中的混凝土施工提供强有力的支持。