发布时间：2022-10-21 07:27:37
新老混凝土粘结断裂韧度计算方法探讨
摘 要：本文在新老混凝土粘结试件三点弯曲切口梁断裂试验的基础上，对影响新老混凝土粘结面断裂性能的主要因素进行了***性分析，其各因素对粘结断裂韧度影响的***性大小依次为界面粗糙度、界面剂类型、粘结龄期、混凝土强度、混凝土粗骨料粒径等，并推导出新老混凝土粘结断裂韧度的多因素计算公式，可为工程设计和加固维修提供参考。
关键词：新老混凝土；粘结面；影响因素；计算模式；断裂韧度
基金项目：国家自然科学基金资助项目(59778045)；河南省科技攻关资助项目(0124150)
作者简介：韩菊红(1964-)，女，河南温县人，郑州大学副教授，大连理工大学博士生，主要研究方向为混凝土基本理论及结构耐久性。
自1961年Kaplan***把断裂力学理论应用于研究混凝土材料裂缝的扩展和失稳判据以来，国内外已进行了大量的混凝土断裂试验和理论研究，取得了相应的成果，并已在水工结构中得到应用[1，2]。这些研究表明，可用混凝土的断裂韧度作为混凝土裂缝失稳扩展的判据，并给出了相应的计算公式[3，4]。但是，所有这些研究基本上均是对一次浇筑成型的整体混凝土进行的，对于新老混凝土粘结面断裂性能的研究却少见报道。而在水工结构中，大体积混凝土施工时的分层、分块浇筑、叠合构件的结构设计及当前大量已遭严重病害的混凝土建筑物的维修加固等，都会产生新老混凝土粘结面。新老混凝土粘结面成为结构的最薄弱面[5]，其上的微裂缝发展及失稳已成为结构安全性和耐久性的控制参数。本文在新老混凝土粘结面断裂性能的试验研究基础上，对影响新老混凝土粘结断裂韧度的诸多因素进行了***性检验，并提出了建议计算方法。
1 试验简介
1.1 试验方法 参照国际材料和结构试验室联合会(RILEM)试验标准(1985)，新老混凝土粘结面断裂性能试验时的试件为带切口的三点弯曲梁。
1.2 试验参变量 试验中主要考虑了试件尺寸、混凝土材料等级、粘结面粗糙度、界面剂、粗骨料粒径和粘结龄期等因素对新老混凝土粘结性能的影响[6]。
1.3 试验结果 共进行了87个新老混凝土三点弯曲切口梁的粘结面断裂试验，从试件破坏面可看出，新老混凝土粘结试件的断裂破坏均发生在新老混凝土粘结面上，破坏面迹线与老混凝土界面粗糙度迹线一致。由试件断裂破坏特征可知，新老混凝土的粘结破坏机理实质上是粘结界面的微裂缝在各种作用下的不稳定扩展而引起的。本试验条件下，新老混凝土粘结断裂韧度约为相应新混凝土整体对比试件断裂韧度的12%～56%。
限于篇幅，本文仅对新老混凝土粘结断裂韧度计算方法进行分析探讨。
2 新老混凝土粘结断裂韧度影响因素的***性检验
对影响粘结断裂韧度的每种因素均进行了3～4次重复试验，故属于重复试验一元方差分析。可对各因素进行F检验[7]，其结果见表1。从表1可看出，对新老混凝土粘结断裂韧度影响的***性大小依次为：粗糙度、界面剂、粘结龄期、混凝土强度及粗骨料粒径。
表1 新老混凝土粘结断裂韧度影响因素的***性检验结果
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影响因素 | 粗糙度 | 界面剂 | 粘结龄期 | 混凝土强度 | 粗骨料粒径 |
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***性判别 | F≥F0.025 | F0.025>F>F0.05 | F≈F0.10 | F | F≤F0.10 |
高度*** | *** | 较*** | 不太*** | 极不*** | |
| |
3 新老混凝土粘结断裂韧度计算方法探讨
3.1 新老混凝土粘结断裂韧度计算模式 选取计算模式时，主要考虑以下几点：(1)根据***性检验结果，计算模式中应包含粗糙度、界面剂、粘结龄期和混凝土强度等因素对粘结断裂韧度的影响；(2)粘结断裂韧度与新、老混凝土本体强度间的关系很复杂，无论用新、老混凝土强度或它们的线性组合都不能确切地表示出其与粘结强度的关系。结合粘结面区的多相复杂性[5]，可近似用新老混凝土劈拉强度平均值作为特征值来拟合混凝土材料性能与粘结断裂韧度的关系。
故取新老混凝土粘结断裂韧度计算模式如下：
K1c=αζ1ζ2ζ3fst | (1) |
式中：K1c为粘结断裂韧度；α为拟合系数；ζ1为粗糙度影响系数；ζ2为界面剂影响系数；ζ3为粘结龄期影响系数；fst为新老混凝土劈拉强度平均值。
3.2 各影响系数的确定
3.2.1 粗糙度影响的确定 试验结果表明，当灌砂平均深度h≥1mm时，随粗糙度h的增大，粘结断裂韧度线性提高，如图1所示。由于光面混凝土的粘结性能远小于人工轻凿面，因而在实际的新老混凝土粘结工程中，均对老混凝土粘结面进行粗糙度处理。为使研究成果符合实际工程并能应用于实际工程，本试验成果拟合分析中限制老混凝土粗糙度处理至少为人工轻凿处理，且粗糙度的灌砂平均深度指标h≥1mm。有
ζ1=0.0113h+0.2626 | (2) |
式中：h为灌砂平均深度，单位：mm。式(2)的相关系数为r=0.914。
3.2.2 界面剂影响的确定 以无界面剂时的粘结断裂韧度(K1cz)为基准，且对界面剂类型s进行量化转换，令：无界面剂时s=1；水泥膨浆界面剂时s=2；水泥砂浆界面剂时s=2.5；水泥净浆界面剂时s=2.7。则涂刷各种界面剂时的粘结断裂韧度提高比例与各种界面剂的关系如图2所示。有
ζ2=0.1s+0.9 | (3) |
式中：s为界面剂类型。式(3)的相关系数为r=0.997。
3.2.3 粘结龄期影响的确定 粘结断裂韧度与粘结龄期的关系如图3所示。有
ζ3=0.11ln(t/t0)+1.00 | (4) |
式中：t/t0为粘结龄期与粘结基准龄期(30d)的比值；式(4)的相关系数r=0.995。
3.3 粘结断裂韧度计算公式及适用条件
3.3.1 粘结断裂韧度计算公式 根据式(1)，粗糙度、界面剂、粘结龄期和混凝土强度对粘结断裂韧度的综合影响如图4所示，其综合影响系数α=0.288。则新老混凝土粘结断裂韧度的计算公式为：
K1c=0.288(0.01h+0.263)(0.10s+0.9)(0.11Ln(t/t0)+1.0)fst | (5) |
中：K1c为粘结断裂韧度，单位：MPa m1/2；h为灌砂平均深度，单位：mm,1mm≤h≤13mm。若h<1mm,则式(5)不适用，若h>13mm，则取h=13mm；s为界面剂类型量化值。无界面剂时s=1，水泥膨浆界面剂时s=2，水泥砂浆界面剂时s=2.5，水泥净浆界面剂时s=2.7；t为新老混凝土粘结龄期单位：d,30d≤t≤180d。若t>180d，则取t=180d;t0为新老混凝土粘结基准龄期，单位：d，本试验取t0=30d;fst为新老混凝土劈拉强度平均值，单位：MPa。fst=0.5(fsto+fstn);fsto为老混凝土劈拉强度，单位：MPa；fstn为新混凝土劈拉强度，单位：MPa。
3.3.2 粘结断裂韧度计算公式的有效性 对各试验水平下按计算公式(5)计算的粘结断裂韧度值与试验值进行比较，其比值的平均为1.042，变异系数为0.0844。表明该计算公式与试验结果的符合性很好，该公式可作为相近条件下的新老混凝土粘结断裂韧度的计算公式。 4 粘结断裂韧度与粘结抗折强度的关系 和粘结劈拉强度、粘结剪切强度及粘结抗折强度一样，粘结断裂韧度也是新老混凝土粘结性能好坏的一种具体衡量指标，且这些粘结强度之间都有一定的相关性。 | 图 5粘结断裂韧度与粘结抗折强度的关系 |
根据本文试验结果，新老混凝土的粘结断裂韧度和粘结抗折强度(ft/MPa)之间的关系如图5所示，有如下的相关方程：
K1c=0.18ft | (6) |
其相关系数为0.98。用式(6)可进行同条件下的新老混凝土粘结断裂韧度与粘结抗折强度的转换。
5 结语
本文在试验的基础上，对新老混凝土粘结断裂韧度的计算方法进行了探讨，可得出以下结论：(1)根据试验结果对新老混凝土粘结断裂韧度的主要影响因素进行了***性检验，结果表明，粗糙度和界面剂对新老混凝土的粘结断裂韧度影响***；粘结龄期和混凝土强度对新老混凝土的粘结断裂韧度有一定影响；粗骨粒粒径对新老混凝土的粘结断裂韧度无显性影响。(2)推导出了粘结断裂韧度的多因素计算公式，利用该公式可对相近条件下的新老混凝土粘结工程进行粘结断裂韧度的预测和评价。(3)给出了粘结断裂韧度与粘结抗折强度的相关方程。
