潘传银，石雪飞，周可攀

随着运营年限的增加，很多混凝土桥梁会产生不同程度的老化和损伤；即使是新建的桥梁，也会由于各种原因出现蜂窝、空洞、脱落及开裂等病害，需要补强加固［1］。在混凝土结构的维修加固中，新、老混凝土之间的粘结质量是保证结构加固后整体受力的关键［2］。

高剑平［3］等人研究指出，新、老混凝土粘结面破坏主要有3种情况：由于拉应力过大，而产生垂直于粘结面的张拉破坏；由于剪应力过大，而产生沿粘结面的剪切滑移破坏；在粘结面同时产生张拉破坏和剪切破坏。因此，粘结抗剪强度是衡量粘结面力学性能的重要指标。赵凤杰［4］等人研究指出，影响界面抗剪强度的因素主要有：表面粗糙度、界面剂、修补方位角、新（老）混凝土材料及养护龄期等。增加表面粗糙度，可以增大粘结面的机械咬合力，提高粘结面的抗剪强度。采用合适的界面剂，也可以提高粘结面的结合力。在混凝土养护过程中，若开放交通，行车引起的振动效应也将对粘结面抗剪强度造成影响［5］。在实际工程中，当采用增大截面法进行桥梁加固时，为了改善粘结面的破坏特性，要在粘结面上植入钢筋。

以界面粗糙度、修补方位角、振动及植筋为控制变量，作者拟通过6组34项共102个新、老混凝土粘结试件的抗剪试验，测得各试件的剪切破坏强度。利用试验结果，得出各因素对粘结面抗剪强度的影响规律。

1 试验概况

目前，对新、老混凝土粘结面的抗剪性能试验主要有：直剪、拉剪、压剪、拉压剪、压压剪及斜剪试验。其中：直剪试验多采用Z型试件评价粘结面抗剪强度；斜剪试验多用于评价混凝土柱加固补强时的新、老混凝土粘结强度［6］。为了模拟修补方位角的影响，本研究通过调节粘结面倾角，同时设计了直剪和斜剪试件，试件形状如图1所示。

图1 新、老混凝土粘结试件形状（单位：mm）Fig.1 The shape of new and old concrete bonding specimens（unit：mm）

1.1 试验设计和分组

根据研究思路，共设置了6个试验组和1个对照组。试验组控制变量分别为表面粗糙度、粘结面倾角、振动频率、植筋率、植筋方向及植筋深度。鉴于在试验过程中粘结面平均凿毛率不易控制，根据研究［7］结果，改用切槽法来控制粘结面平均凿毛深度，两者可获得同样的粘结效果。对照组为整体浇筑试件，所用材料与试验组试件的新浇混凝土相同。试验分组分别见表1～5。振动组和植筋组试件除振动或植筋作用外，其余处理方式均与A2B1组试件相同。

在表4，5中，除植筋方向或植筋深度不同外，试件其余处理方式均与D1组试件相同，植入钢筋位置如图2所示。

表1 切槽深度、粘结面倾角试验分组Table 1 Experimental groups of grooving depth and dip angle

表2 振动试验分组Table 2 Experimental groups of vibration

表3 植筋率试验分组Table 3 Experimental groups of planting steel ratio

表4 植筋方向试验分组Table 4 Experimental groups of planting steel direction

表5 植筋深度试验分组Table 5 Experimental groups of planting steel depth

1.2 试验材料及过程

试验设计时，老混凝土选用C40，新混凝土选用C45。试验所用材料为普通自来水、42.5级普通硅酸盐早强型水泥、细度模数2.75中砂和最大粒径30mm碎石，各自的配合比见表6。

图2 植筋组试件钢筋位置示意（单位：mm）Fig.2 Schematic of the position of embedded steel bars in specimens（unit：mm）

表6 新、老混凝土配合比Table 6 Mixture proportion of new and old concrete

整个试件分两次浇筑完成：老混凝土浇筑后，在自然条件下，养护4个月，然后浇筑新混凝土。在浇筑新混凝土前，需在老混凝土表面切槽；为了获得较大的粘结强度，切槽后在老混凝土粘结面涂抹一层与新混凝土同水灰比的水泥净浆，方可浇筑新混凝土。对于振动组，应在试件浇筑完成3d后脱模，然后放入最大负载为100kg的电磁吸合式振动台中，进行振动；对于植筋组试件，在植完钢筋后，需静置24h，待植筋胶完全硬化，方可进行下一步操作。试件浇筑过程如图3所示。

图3 新、老混凝土粘结试件制作过程Fig.3 Preparation process of new and old concrete bonding specimens

2 试验结果及分析

2.1 试验结果

试件成型3d后脱模，脱模后的试件先在20℃的气温下养护15d，然后自然养护，直至试验。试验加载在30t万能压力机上进行，采用分级方式进行加载。试验测得各试件的破坏荷载见表7。

加载过程中发现：对于素混凝土，当倾角小于30°时，试件首先从粘结面处破坏，破坏后新、老混凝土完全分离；当倾角超过30°时，试件不再从粘结面处破坏，其破坏形态与轴向受压破坏类似；对于植筋混凝土，试件最先破坏处仍出现在粘结面，破坏后由于钢筋的连接作用，新、老混凝土仍连接为一个整体。各试件破坏后的形状如图4所示。

2.2 结果分析

新、老混凝土粘结试件的加载结果见表7。从表7中可以看出，在不同参数影响下，新、老混凝土粘结试件的抗剪强度差异较大：最小的抗剪强度仅3.73MPa；最大的抗剪强度达22.08MPa。与整体浇筑试件比较，抗剪强度所占百分比分别为46%和270%。对于素混凝土，当粘结面倾角小于30°时，所有试件都呈脆性破坏，试件从开裂到破坏的时间极短，并伴有轻微的“砰砰”声；对于植筋混凝土，试件从粘结面产生裂缝到最终破坏时间较长，呈塑性破坏，破坏后新、老混凝土并未完全分离。

2.2.1 切槽、倾角对粘结面抗剪强度的影响

图4 新、老混凝土粘结试件破坏形状Fig.4 Failure shapes of new and old concrete bonding specimens

表7 新、老混凝土粘结试件加载结果Table 7 Experimental results of new and old bonding specimens

图5 切槽和倾角对粘结试件抗剪强度的影响Fig.5 Effects of grooving depth and dip angle on the shear strength

根据表7，可得切槽深度、粘结面倾角与试件抗剪强度之间的关系（如图5所示）。从图5中可以看出，当倾角相同时，切槽深度对粘结面抗剪强度的影响较小。在不同切槽深度下，新、老混凝土粘结试件的抗剪强度最大差异值分别为：1.05，1.84，1.13，1.21，1.74，1.22及1.03MPa，与对应的平均抗剪强度的百分比分别为：21%，28%，9%，8%，8%，10%及8%。考虑到离散型，可以认为：切槽深度不会对粘结面抗剪强度造成太大的影响。

从图5中还可以看出，当切槽深度相同时，随着倾角的增大，粘结面的抗剪强度逐渐增加。当倾角超过45°后，增大截面的倾角会降低界面的抗剪强度；结合图4可知，此时，粘结面已不再是最薄弱部位，随着荷载的加大，试件不会从粘结面处破坏。与整体浇筑试件相比较，不同倾角粘结试件平均抗剪强度的百分比分别为：61%，81%，154%，194%，260%，143%及162%。可见，当倾角较小时，由倾角引起的法向压应力对粘结面抗剪强度提高的作用非常明显。在桥梁加固工程中，应当充分利用各种工艺，比如：在加固前，可将老混凝土表面凿成锯齿型，以使粘结面倾斜。

2.2.2 振动对粘结面抗剪强度的影响

根据表7，可得振动频率与粘结面抗剪强度关系（如图6所示）。从图6中可以看出，当频率较低时，振动对粘结面的抗剪强度有着提高的作用。当振动频率超过5Hz时，若进一步增大振动频率，粘结面的抗剪强度反而会降低，但只要频率不超过9Hz，振动对粘结面的抗剪强度仍有提高的作用。在不同振动频率作用下，新、老混凝土粘结试件抗剪强度平均值与不振动试件的百分比分别为：113%，112%，103%及90%。可见，当频率超过9Hz时，振动会降低粘结面的抗剪强度。

图6 振动对粘结试件抗剪强度的影响Fig.6 Effects of the vibration on the shear strength

从微观结构分析，振动对粘结面抗剪强度的影响主要体现为两点：①振动可以提高混凝土的密实度，加速水泥的水化作用；②振动在混凝土养护过程中可能破坏水泥颗粒表面半渗透膜层的形成，使混凝土产生初始损伤。当频率低于9Hz时，振动对粘结面抗剪强度的提高作用大于削弱作用，最终表现为粘结面抗剪强度的提高；当振动频率高于9Hz时，振动对粘结面抗剪强度的削弱作用大于提高作用，最终表现为粘结面抗剪强度的降低。

2.2.3 植筋对粘结面抗剪强度的影响

根据表7中植筋组试验结果，可得植筋对粘结强度的影响（如图7所示）。从图7（a）中可以看出，随着植筋率的增大，粘结面的抗剪强度逐渐增大，且提高值与截面植筋率呈近似线性关系。与同条件处理的不植筋组A2B1比较，不同植筋率的新、老混凝土粘结试件的抗剪强度平均值与A2B1组的百分比分别为：100%，119%，130%，140%及143%。在D1组中，由于植筋率较小，仅0.57%，植筋对混凝土抗剪强度的提高与被植筋时钻孔对混凝土抗剪强度的损伤相抵消，导致植筋后粘结面的抗剪强度与植筋前的差异不大。根据试验结果，在工程应用中，为了获得良好的粘结效果，建议植筋率不应低于1%。

图7 植筋对粘结试件抗剪强度的影响Fig.7 Effects of embedded steel bars on the shear strength

从图7（b）中可以看出，当植筋方向垂直于新、老混凝土粘结面时，粘结面的抗剪强度最大。随着植筋方向与粘结面夹角的减小，粘结面的抗剪强度逐渐降低。当夹角为45°时，粘结面的抗剪强度仅3.73MPa，为相同条件下垂直植筋的81%。根据试验结果，在工程应用中，为了获得良好的粘结效果，建议植筋方向垂直于粘结面。

从图7（c）中可以看出，随着植筋深度的增加，粘结面的抗剪强度逐渐增大。且增加值与植筋深度呈线性关系，这与文献［8］的研究结果一致。文献［8］中还指出，当植筋深度h≥15d（钢筋植筋）时，粘结面会发生钢筋屈服破坏。在工程应用中，为了获得良好的粘结效果，建议植筋深度不低于15倍钢筋植筋。

3 结论

1）在增大截面法加固桥梁时，新、老混凝土粘结面往往是一个薄弱环节，影响界面抗剪强度的主要因素有：粗糙度、界面剂、粘结面方位角、振动及植筋等。

2）当倾角相同时，切槽深度对粘结面抗剪强度的影响不大；当切槽深度相同时，随着倾角的增大，粘结面的抗剪强度逐渐增加；当倾角超过30°时，粘结面不再成为最薄弱部位，加载时，试件不会从该处破坏。在工程应用中，为了充分利用倾角对粘结面抗剪强度提高的作用，在加固前建议将老混凝土表面凿成锯齿型，以使粘结面倾斜。

3）振动对粘结面抗剪强度的影响较大，当频率低于9Hz时，振动能提高界面的抗剪强度；当频率高于9Hz时，振动会削弱界面的抗剪强度。

4）在粘结面植筋会提高界面的抗剪强度，且强度提高值与植筋率呈线性关系。在工程应用中，为了弥补植筋时钻孔对混凝土的损伤，建议植筋率不低于1%。

5）当垂直于粘结面植筋时，能获得最好的加固效果。随着植筋方向与粘结面夹角的减小，粘结面的抗剪强度逐渐降低。在工程应用中，为了获得良好的粘结效果，建议植筋方向垂直于粘结面。

6）随着植筋深度的增加，粘结面的抗剪强度逐渐增大。且增加值与植筋深度呈线性关系。当植筋深度h≥15d（钢筋植筋）时，粘结面会发生钢筋屈服破坏。在工程应用中，为了充分利用材料，建议植筋深度不低于15倍钢筋植筋。

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