新旧混凝土结合面抗剪性能现场试验研究

1、新旧混凝土结合面抗剪性能现场试验研究第26卷第6期2010年12月结构工程师StructuralEngineersVo1.26,No.6Dec.2010新旧混凝土结合面抗剪性能现场试验研究张晓光陈泽赳,刘星何天森(1.同济大学建筑设计研究院,上海200092;2.同济大学建筑工程系,上海200092;3.中建钢构有限公司,深圳518000)摘要以某实际工程为背景,通过与整浇混凝土试件进行比较,对凿毛,开槽,植筋三种不同结合面处理方法的新旧混凝土粘结试件进行了结合面抗剪性能的现场试验研究.描述了试验过程和现象.分析了各种结合面处理方法下新旧混凝土之间的结合程度,提出了切槽和植筋对结合面抗剪强度提

2、高的经验公式.最后,对如何保证新113混凝土结合面的抗剪强度提出的意见,可供工程实践参考.关键词新113混凝土,抗剪性能,凿毛,开槽,植筋Field-TestStudyonShearingPropertyofBondingInterfaceBetweenNewandOldConcreteZHANGXiaoguangCHENZejin?LIUXingHETiansen(1.TheArchitecturalDesign&ResearchInstituteofToniUniversity,Shanghai200092,China;2.DepartmentofBuildingEngin

3、eering,ToniUniversity,Shanghai200092,China;3.ChinaConstructionSteelStructureCorp.,Ltd.,Shenzhen518000,China)AbstractTakingapracticalprojectasthebackground,thefieldteststudyonshearingpropertyofthebondinginterfacebetweennewandoldconcretewascarriedoutwiththreedifferentdisposalmethods,namelydabbing,cutt

4、inggrooveandplantingsteelbar.Thetestprocedureandphenomenonweredescribedindetail.Thedegreeofcombinationbetweenoldandnewconcretewasanalyzedinthispaper,andtheeorrespondingempiriealformulawasobtained.Basedonthat,somesuggestionsabouthowtoensuretheshearingstrengthofthebondinginterfacebetweennewandoldconcr

5、etewereproposedforengineeringpractice.Keywordsnew-oldconcrete,shearingproperty,dabbing,cuttinggroove,plantingsteelbar1引言某钢筋混凝土烟囱因工业厂房的搬迁改变用途,拟改造成观光用构筑物(图1(a).经过改造,达到既保留工业时代的痕迹,又赋予其新的功能的目的.烟囱高165m,筒身壁厚随着高度变化逐渐减小,由底到顶各段壁厚分别为400mm.300mm.200mm和160mm.按改造方案经计算分析,原烟囱壁厚不能满足设计要求,且烟囱壁沿竖向分布有温度裂缝,需要补强加固.综合考虑各因素

6、,烟囱加固方案采用在筒壁外收稿日期:20100529联系作者.Email:Chenzejiu213163.COB再浇筑一定厚度配筋混凝土使新旧混凝土共同受力的做法.新旧混凝土之间能否有效的结合,是设计中的关键问题.新旧混凝土结合面处理方法常见的有三种:凿毛,开槽,植筋.为验证这三种结合面处理方法的安全性能及可行性,进行了现场试验.本试验设计制作4组加固于烟囱表面的不同结合面处理方法的抗剪试件,分别承受剪切荷载至破坏.通过试件的剪切试验,分析新旧混凝土结合面的抗剪切性能.为了更好地体现现场实际操作环境状况,本试验在实际比例的烟囱模型上完成,试验现场位于诸暨市某工厂内(图1(b).?试验研究?结构

7、工程师第26卷第6期(a)建筑效果图(b)施工现场图图1烟囱效果图及现场施工图Fig.1Designsketch&constructiondrawingoffunnel2试验概况2.1试件的设计与制作本试验中新混凝土强度等级为C35,旧混凝土强度等级为C25.抗剪试件按结合面处理方法的不同共分为4组,每组3个,共12个试件.各试件的尺寸及构造见表1.表1试件尺寸构造一览表Table1Listofdimensionsofspecimens编号尺寸/mm界面处理方法JA1JA320()×200×18O凿毛凿毛,开槽JB1JB3200×2t)O×

8、;18()槽长×宽×深=200lIlnl×10mill×10lnnl凿毛,开槽并植筋槽长×宽×深=200himJC1JC320()×200×18O×10mmx10mill植筋:B815()mill植筋深度:80mIll“凸”字形整浇混凝土块新浇混凝土和烟囱之间JD1JD3大块尺寸:400x400X200牢固连接小块尺寸:200×2()O×18O大小混凝土块之间整浇第一组(JA1JA3)试件:采取凿毛的做法.将旧混凝土外表面进行凿毛处理,露出坚实石子和水泥石,用高压水清洗干净,在此凿毛的

9、结合面上,浇筑制作新混凝土试件(图2(a).第二组(JB1JB3)试件:采取凿毛,开槽的做法.将原混凝土外表面进行凿毛处理,露出坚实石子和水泥石,用高压水清洗干净,并在此凿毛的结合面上开宽,深均为10mm,长200mm的凹槽,然后在带有凹槽的凿毛结合面上浇筑制作新混凝土试件(图2(b).第三组(JC1JC3)试件:采取凿毛,开槽并植筋的做法.将原混凝土外表面进行凿毛处理,露出坚实石子和水泥石,用高压水清洗干净,并在此凿毛的结合面上开宽,深均为10mm,长200him的凹槽,然后按要求在混凝土中钻孔,用空压机吹净孔内灰屑,注入植筋药剂,植入钢筋(150mill,植入深度80mm),再浇筑制作新混

10、凝土试件(图2(c).第四组(JD1JD3)试件:为”凸”字形整浇混凝土试件,用以对比以上各组试件的抗剪性能.其中,直接与烟囱连接的大块部分尺寸为400mmx400mill×200mm,小块部分尺寸为200mm×200mm×180mm,与大块部分整浇.新浇混凝土与烟囱之间的结合面施工时凿毛,植筋,与烟囱牢固连接,以避免新浇混凝土与混凝土烟囱之间发生连接破坏(图2(d).舅圈(C)JCIJC3(d)JD1-JD3图2试件结合面处理方法Fig.2TreatmentofbondingSUrfaceofspecimens2.2试验设备本试验所用试验器材如下.千斤顶:采用6

11、0t型号电动液压千斤顶.应变片:用于采集试件加载后应变变化情况.位移计:位移计置于各混凝土试件上,用以量测节点的变形情况.计算机系统:采集数据,数据主要来源于各应变片,位移计等的信息.试验装置如图3所示.2.3试件施工试验于2008年11月17日浇筑混凝土试件完毕,12月18日进行抗剪试验,混凝土龄期为30d.进行施工操作时,因烟囱模型表面保护层较厚,为露出石子凿毛时尽量多凿,另外在各试件的混凝土壁上方多凿出约20nlm.StructuralEngineersVo1.26,No.6ExperimentStudy(a)JAJC试件(b)JD试件图3试验装置Fig.3Setupofshearing

12、test2.4量测指标与加载装置本次试验为现场静力试验,量测指标主要有竖向剪力,各试件的竖向位移等.竖向荷载由60t千斤顶提供,千斤顶采用电动油泵加载,为避免油泵的读数误差,剪力由力传感器通过应变数据采集仪接人电脑控制.试验量测时,千斤顶置于各试件正下方,为保证各试件受力均匀,千斤顶与试件之间放置钢垫板.位移计置于各试件正上方,位移计探头与试件之间放置玻璃垫片.位移计读数由数据采集仪接人电脑.整个试验过程除人工观察记录特征点数值外,均采用数据采集系统连续采集剪力,位移及混凝土应变数据.2.5试验过程与现象试验准备工作完成后预加载13kN以消除各仪器构件之间的接触不均匀等现象.试验正式操作时,开

13、动测力试验仪,电动液压加载系统,以连续,均匀的速率加荷,加荷速度25mm/min,试样自加荷至破坏的时间控制在5min以内.1)试件JA1JA3当荷载较小时,加载方向几乎没有位移,随着荷载的增加,位移少量增加,分别加载至45.68kN,42.63kN,47.85kN时,加载方向位移分别达到0.10film,0.13mm,0.09mm,试件在瞬间发生破坏.随后,荷载迅速卸载,试件发生大幅位移,终止试验.JA1JA3的荷载位移曲线如图4所示,JA2破坏后的图片如图5所示.2)试件JB1JB3试验过程与JA组试件相类似,JB组极限荷载略有增加.当荷载较小时,加载方向几乎没有位移,随着荷载的增加,位移

14、少量增加,分别加载至50.46kN,52.20kN,50.03kN时,加载方向位移达到0.38mm,0.39mm,0.46mm,试件在瞬间发生破坏.随后,荷载迅速卸载,试件发生大幅位移,终止试验.JB1JB3的荷载位移曲线如图6所示,JB1一JB3破坏后的图片如图7所示.互柱位移/mm图4JA1JA3荷载位移曲线Fig.4LoaddisplacementCHIVESofJA1JA3图5试件JA2破坏后图片Fig.5PhotosofspecimenJA2afterdamage765堇42l位移/mm图6JB1JB3荷载位移曲线Fig.6LoaddisplacementCHIvesofJB1一JB

15、3图7试件JB1JB3破坏后图片Fig.7PhotosofspecimenJB1一JB3afterdamage6OOOOO0OC?试验研究?结构工程师第26卷第6期3)试件JC1JC3当荷载较小时,加载方向几乎没有位移,随着荷载的增加,位移少量增加,新旧混凝土结合面周围逐渐出现细微裂缝,加载至5060kN时,细微裂缝演化成显见的粗裂缝,裂缝的开展较为平稳.加载至88.01kN,92.68kN,90.27kN时,试件竖向位移达到0.19mm,0.17in111,0.22mm,可听到细微连续的”噼啪”声,随后荷载缓慢卸载,试验完毕.JC1JC3的荷载位移曲线见图8所示,JC1,JC2破坏后的图片如

16、图9所示.Z柱位移/roll/图8JC1JC3荷载位移曲线Fig.8LoaddisplacementCHIVesofJC1一JC3图9试件JC1,JC2破坏后照片Fig.9PhotosofspecimenJC1,JC2afterdamage4)试件JD1JD3当竖向剪切荷载较小时,加载方向几乎没有位移,随着荷载增加,位移少量增加,加载至69.60kN,67.44kN,66.9kN时,加载方向位移达0.33HInl,0.29HIIll,0.23mill,试件在瞬间发生破坏.随后荷载迅速卸载,结束试验.JD1JD3的荷载位移曲线见图10所示,JD1,JD2破坏后的图片如图11所示.3试验结果整理与

17、理论分析若试件破坏时,中间截面的剪力为,考虑到剪应力分布的不均匀性,混凝土的抗剪强度的取值为r2鲁()本次试验各试件的极限承载力见表2所示.互柱位移/mm图10JD1JD3荷载位移曲线Fig.10LoaddisplacementCUlWeSofJD1一JD3图11试件JD1,JD2破坏后图片Fig.11PhotosofspecimenJD1,JD2afterdamage表2各试件承载力统计Table2Bearingcapacityofthespecimen试件试件抗剪极限剪切强度剪切强度平均值相对于整编号做法荷载/kN/(N?Illlll一)/(N?mill)浇混凝土JA145.681.37J

18、A2凿毛42.631.281.36()67JA347.851.44JB150461.51JB2凿毛,52.201.571.530.75开槽JB35().031.50JC1凿毛,88.()】2.64JC2开槽,92.682.782.711.33JC3植筋90.272.71JD169.6(12.()9JD2整浇67.442.022.()41.()OJD366.992.()1本试验中,三个整浇混凝土试件的平均抗剪强度为r=2.04N/ram.,与其轴心抗拉强度=2.2kN/mm接近,试件的破坏形态和裂缝特征也相I司.从表2可以看出,新旧混凝土经过凿毛处理后的结合面上的承载力比整浇混凝土低,是其承载力

19、的67%.StructuralEngineersVo1.26,No.6.74.ExperimentStudy在新旧混凝土的结合面进行凿毛和开槽处理,主要是改变了结合面的粗糙程度从而改善新旧混凝土之间的粘结性能.目前关于结合面处理的粗糙程度与粘结性能的确切关系还不是很清楚,但新旧昆凝土结合面的粘结性能与其界面的某些粗糙程度指标之间存在一定的关系.3.1切槽对结合面抗剪性能的影响对于结合面采用切槽处理的新旧混凝土试件,可以用切槽率来评价结合面的粗糙程度:切槽面积nAabn,Say瓣(2)式中,0为结合面长度,沿此方向间隔切槽;b为结合面宽度,顺此方向间隔切槽;Aa为每个槽的平均宽度;n为结合面长度

20、方向的切槽个数.本试验的切槽率为=0.2.结合面的抗剪强度随着切槽率的增加而增大,但是抗剪强度不会随着切槽率的提高而无限制增大,当切槽率达到一定数值后,结合面的抗剪强度反而会下降.引用文献2的公式及试验结果,对本次试验进行复核.对于采用切槽处理的新旧混凝土结合面的抗剪强度可用式(3)表示:p3=Ot1(1一)丁+2丁Pl(3)式中,为未开槽结合面的抗剪强度;.为整浇混凝土的抗剪强度;OL为界面剂影响系数;为切槽率影响系数.本试验取凿毛处理的新旧混凝土结合面剪切强度7I=1.36N/mm.当无界面剂时,Ot取1.0.切槽率影响系数Ot:的取值尚未有较为可靠的方法,根据文献2中的试验结果,当结合面

21、的不平度为2.5mm时,剪切强度达到最大值,此时:取1.51.于是对于本试验,切槽处理的新旧昆凝土结合面剪切强度计算值为=1.62N/ram,与试验结果较为接近,这也能说明本次试验结果有一定的参考性.3.2植筋对结合面抗剪性能的影响复合应力状态下新老混凝土结合面剪切试验结果表明,法向压应力可以提高结合面的抗剪强度,当结合面粗糙度一定时,抗剪强度与法向压应力在一定范围内成正比.本试验中,当试件承受剪切荷载时,结合面处将产生竖向剪切应变和法向拉应变,其中,竖向剪切应变可使混凝土结合面及钢筋横截面产生剪应力,法向拉应变则使结合面产生拉应力,并使构造钢筋同步受拉.此时,钢筋拉应力反作用于结合面,可起到

22、削弱结合面拉应力的作用,且拉应变越大,反向压应力就越大.因此,对于设置抗剪钢筋的新旧混凝土结合面的抗剪强度,应考虑钢筋对抗剪强度的提高作用,提高值的大小一般与植筋的方式和植筋率等有关.对于同一种植筋方式,抗剪强度的提高基本与植筋率成线性关系.螺纹钢筋和混凝土之间的极限粘结强度:1=_=-(4)j式中,为粘结系数,当混凝土浇筑方向与钢筋方向一致时取1.0,当与钢筋方向垂直时取2/3;fo为混凝土抗压强度.当达到钢筋和混凝土的粘结强度时,新旧混凝土结合面处的钢筋拉力为F=.trdL”(5)式中,为钢筋植入新或旧混凝土的深度;d为钢筋直径.则抗剪钢筋的拉应力为I:F:4L(6)Iu0假定钢筋处于三向

23、应力状态,=,于是有=2L“/max2(7)一uL则抗剪钢筋对新旧混凝土粘结强度的提高值为:y(8)=_.rmax=JDmax=了pu=y.ru6式中,为钢筋抗剪强度增强系数;p为抗剪钢筋植筋率.在本试验中,粘结系数取=1.0,混凝土取其立方体抗压强度=35N/mm.,植筋150mln,植入深度L=80rfllTl.植筋率为P=0.50%,钢筋和混凝土的极限粘结强度为=11.7N/mm.抗剪钢筋对新旧混凝土粘结强度的提高值为下=1.17N/ram.经过凿毛切槽并植筋处理的新旧混凝土结合面剪切强度为丁=2.71N/mm,与试验结果正好一致.本文认为可以采用上式计算植筋对新旧混凝土结合面抗剪强度的

24、提高值.通过以上分析可知,为使新旧混凝土有效地结合在一起,共同受力,采用植筋的方式更为有效.在植筋率为0.25%的情况下,植筋新旧混凝?试验研究?75?结构工程师第26卷第6期土结合面的抗剪强度基本可以与整浇混凝土的抗剪强度一致.4试验结论总结以上试验结果,可以得出如下结论:(1)新旧混凝土经过凿毛处理后的结合面上的承载力比整浇混凝土低,是其承载力的67%.(2)新旧混凝土结合面凿毛后开槽能较为有效地提高结合面的粗糙程度.承载力比仅凿毛的结合面提高12%,但仍比整浇混凝土低,是其承载力的75%.(3)为使新旧混凝土有效的结合在一起,共同受力,采用植筋的方式更为有效.(4)为使新旧混凝土有效地结

25、合,建议植筋率不低于0.25%.(5)新旧混凝土结合面也常采用界面剂的处理方式,但考虑到界面剂对结合面抗剪强度影响的复杂性和试验结果的不稳定性,本文未对其进行讨论.参考文献1张雷顺,郭进军.新旧混凝土植筋结合面剪切性能试验对比J.工业建筑,2007,37(11):7173.ZhangLS.GuoJJ.ExperimentonshearpropeyofnewandoldconcretebondingwithplantingsteelJ.IndustrialConstruction,2007,37(11):7173.(inChinese)2张雷顺,闫国新,张晓磊.新老混凝土切槽法结合面抗剪性能试验

26、研究分析J.工业建筑,2007,37(6):101103.ZhangLS,YahGX,ZhangXL.ExperimentalstudyandanalysisonshearingpropeyofinterficialbondingofnewtooldconcretebycuttinggrooveJ.IndustrialConstruction,2007,37(6):101103.(inChinese)3袁群,刘健.新老混凝土粘结的剪切强度研究J.建筑结构,2001,22(2):4650.YuanQ.LiuJ.Study0nAdhesiveShearStrengthofYoungonOldCon

27、creteJ.JournalofBuildingStructures,2001,22(2):4650.(inChinese)4胡铁明,黄承逵,陈小锋.构造钢筋影响下新老混凝土结合面抗剪试验研究J.混凝土,2009(3):26-28.HuTM,HuangCK,ChenXF.ExperimentalresearchonshearofbondinginterfacebetweenyoungandoldconcreteinfluencedbyconstructionalreinforcementJ.Concrete,2009(3):2628.(inChinese)5闫国新,张晓磊,张雷顺.新老混凝土黏结面粗糙度评价方法综述J.混凝土,2OL