預制TRC板與混凝土界面性能研究

吳子林，杜運興，周芬

（湖南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410082）

0 引言

目前，預制織物增強混凝土（TRC板）由于其在工廠預制的快速高效，且施工質量可以得到保證，越來越多的學者開始嘗試采用預制TRC板加固混凝土構件[1-5]，但從已有的研究來看，預制TRC板與混凝土構件之間的粘結性能相比于現場濕作業有所減弱[6]。且從以往文獻[7-9]中發現，無論是采用纖維織物側面粘貼還是U型粘貼的方法，FRCM加固混凝土均易發生剝離破壞，剝離面一般為FRCM與混凝土的粘貼層，并且此種錨固方式易受到外界環境的影響，纖維織物的耐久性對溫度及濕度有嚴格的要求。針對以上問題，本試驗將在采用無機基質作為粘結層的基礎上，利用射釘槍探索一種新的錨固方式，以避免TRC與混凝土易發生剝離破壞的問題，使加固達到最大效果。且采用射釘槍的加固不易受溫度等環境因素的影響，試驗裝置簡易、操作簡單、施工效率高。

綜上所述，本文基于預制TRC板加固混凝土構件的單面剪切試驗，探討了邊緣距離、粘結層厚度、粘結層強度、是否鑿毛等不同界面處理方式以及不同混凝土強度等級對預制TRC板與混凝土構件間界面粘結抗剪性能的影響。

1 試驗

1.1 試驗方法及試驗設計

本試驗采用單面剪切試驗，具體試驗裝置見圖1。

圖1 單面剪切試驗裝置示意

混凝土構件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，混凝土設計強度等級分別為C25、C30、C35。混凝土所用材料如下：P·O42.5普通硅酸鹽水泥；普通河砂，細度模數為2.5，Ⅱ區中砂；碎石，粒徑5～25 mm。試驗制作了3組共9個150 mm×150 mm×150 mm的混凝土試塊，實測28 d的抗壓強度見表1。

表1 混凝土試塊的抗壓強度 MPa

試驗預制TRC板尺寸為150 mm×150 mm×16 mm，主要材料包括碳纖維織物、短切鋼纖維以及高性能水泥基體。水泥基體所用材料是湖南固特邦公司提供的HPG-B水泥摻合料，板材水泥基體采用0.23的水膠比；粘結層所用材料與板材水泥基體相同，但采用了3種不同的水膠比。為了了解高性能水泥基體的力學性能，本文根據GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢測方法》對高性能水泥基進行了抗折強度試驗以及抗壓強度試驗，試驗制作了40 mm×40 mm×160 mm的水泥試塊，實測7、14、28 d的抗壓強度、抗折強度見表2。

表2 水泥基體的力學性能

試驗所用射釘直徑為5 mm，長度為42 mm，材料為65號鋼，射擊C30混凝土后，施加載荷將釘子拔出，其抗拉拔力≥2 kN。

本次試驗共制作了20種工況，根據混凝土強度等級不同分為A、B、C三組試件，錨固數量均為4根射釘，錨固邊緣距離（射釘位置距TRC板邊緣的距離）分別為50、40、60 mm，具體試驗工況見表3。

表3 試驗工況

1.2 試件制作及加固流程

混凝土試塊澆筑24 h后拆模，在（20±2）℃的室溫中澆水養護15 d，然后自然養護至28 d。老混凝土試塊齡期達到60 d后，在試塊一側進行鑿毛以及射釘錨固處理。

TRC板的制作在特制的預應力張拉模具上進行，按下列步驟制作TRC板材：（1）清理模具；（2）將一層浸漬過環氧樹脂的碳纖維織物平直的固定于模具中；（3）分3次澆筑水泥基體，在澆筑高性能水泥基的過程中摻入體積分數為1%的短切鋼纖維。鋼纖維的摻入是為了改善高性能水泥基體與碳纖維織物間的界面粘結性能，進一步提升板材的性能。（4）在澆筑完成后，用平板式震動器進行震動，最后抹平水泥基表面。（5）預埋木條。利用尺子等測量工具根據工況標注木條位置，將切割好的木條豎直插入對應位置，由于高性能水泥基的自密實性，木條與水泥基有良好的粘結性能。（6）拆模與養護。板材初步硬化后，在板材表面覆蓋濕毛巾并進行灑水養護。3 d后將兩端織物剪斷，將板材從模具中取出，并移至標準養護室內，養護至28 d。經測量，板材的平均厚度約為16 mm。（7）將養護好的大板用切割機切成小板。

TRC板在制作過程中預埋木條，很大程度上減輕了預制TRC板在射釘錨固過程中的損傷，另外，粘結層的存在也減輕了射釘對試件的損傷，詳見圖2。

圖2 TRC板射釘后初始裂縫

在混凝土構件以及TRC板均養護完成后，進行混凝土構件的加固，加固流程分為以下幾個步驟：（1）對加固的粘結面進行處理，對老混凝土試塊的粘結表面進行鑿毛處理，除去老混凝土表面浮漿層，并在板材的粘結表面刻上斜痕，最后都用清水清洗干凈，見圖3。（2）用高性能水泥基將TRC板粘貼在老混凝土試塊上，粘接層厚度分別為2 mm、4 mm。粘貼完成后在TRC板預埋木條處進行射釘錨固，見圖4。在粘結層的水泥基材料養護7 d后，對試件進行單面剪切試驗。

圖3 混凝土試塊鑿毛

圖4 TRC板加固混凝土剪切試件制作

1.3 試驗裝置及試驗方案

試驗采用600 kN萬能液壓試驗機進行。由于是單面剪切試驗，為了消除非剪切面的摩擦力，在非剪切面粘貼了特氟龍板。為了消除試驗裝置存在間隙的影響，進行預加載。預加載后，采用位移控制的方式進行單調加載，加載速率為0.5 mm/min。

2 試驗結果及試件破壞模式

2.1 試驗結果（見表4）

表4 單面剪切試驗結果

2.1.1 粘結層對抗剪承載力的影響

試驗結果表明，A0工況相對于對照組工況，抗剪承載力提高了28.35%。粘結層對試件的抗剪承載力提高的原因表現在2個方面：一方面，來自于粘結層的粘結強度，另一方面，粘結層有助于減輕射釘對試件的損傷（見圖2）。因此，粘結層對于改加固技術是必要的。本文設置了3種不同粘結層水膠比（0.20、0.23、0.26），2種不同粘接層厚度（2、4 mm），進而研究粘結層對試件界面抗剪承載力的影響。為研究粘結層水泥基體不同水膠比對試件平均抗剪承載力的影響。對比表4中試件A1、A2、A3，B1、B2、B3，C1、C2、C3結果可知，各組試件的抗剪承載力均隨著粘結層水膠比的增大而減小，變化趨勢基本一致，對于A組試件，當粘結層水膠比從0.20增至0.23時，其平均抗剪承載力提高幅度由206.49%降低至172.48%，繼續增大水膠比至0.26，抗剪承載力的減小更加明顯。對比于A組試件，其余各組試件抗剪承載力隨水膠比的增大而減小的幅度相對較小。由于各組試件在粘結層水膠比為0.20時，抗剪承載力達到最大值，因此，后續試件粘結層的水膠比均采用0.20。試驗結果表明，各組試件平均抗剪承載力均隨著粘結層厚度的增加而減小。主要有2個方面的原因：一方面，由于粘結層厚度增大導致剪切變形增大，對抗剪承載力產生了一定的影響；另一方面，是由于粘結層厚度的增加導致射釘埋入混凝土構件的深度有所減小，以致于抗剪承載力下降。因此，后續試件粘結層的厚度均采用2 mm。

2.1.2 射釘位置對抗剪承載力的影響

由于不同的射釘位置對于射釘過程中試件的損傷程度有明顯的影響，因此，不同的射釘位置會間接影響到試件的抗剪承載力。本文設置了3種不同的邊緣距離（射釘位置距TRC板邊緣的距離）40、50、60mm，以此來表征不同的射釘位置。為研究不同邊緣距離對試件抗剪承載力的影響，對比表4中試件A5、A1、A6，B5、B1、B6，C5、C1、C6結果可知，不同邊緣距離對試件抗剪承載力影響顯著，當邊緣距離由40 mm增大至50mm，各組試件抗剪承載力均有著不同程度的提升，繼續增大至60 mm時，除B組試件外，其余試件抗剪承載力隨著邊緣距離的增大都出現了降低的趨勢。其中B組試件的混凝土強度等級為C25，可認為是低強度的混凝土對于邊緣距離的要求更加嚴格，當邊緣距離為60mm時，抗剪承載力達到最大值。由于大部分試件在邊緣距離為50 mm時達到最大值，故后續試件采用50mm的邊緣距離。

2.1.3 混凝土強度等級對抗剪承載力的影響

為研究不同混凝土強度等級對試件抗剪承載力的影響，對比表4中試件B1、A1、C1，B2、A2、C2，B3、A3、C3，B4、A4、C4，B5、A5、C5、B6、A6、C6結果可知，除B5、A5、C5外，其余試件都在混凝土強度等級為C30時抗剪承載力達到最大值，隨著混凝土強度等級的提升，抗剪承載力出現先增后減的趨勢，具體機理有待進一步研究。對比A1、B1、C1，A2、B2、C2，A3、B3、C3組試件可以看到，A1、B1、C1試件提升的幅度最小，且在下降段降低的幅度最大，故可認為粘結層水泥基體水膠比對于混凝土強度與抗剪承載力的關系也有著一定程度的影響。對比A1、B1、C1，A4、B4、C4組試件可以看出，隨著粘結層厚度增加，試件抗剪承載力提升幅度有所減小，下降幅度有所增大。對比A1、B1、C1，A5、B5、C5，A6、B6、C6組試件可以看出，邊緣距離對于混凝土強度等級與試件抗剪承載力關系也有著一定程度的影響。

2.2 試件破壞模式

根據試驗現象發現，所有試件均存在撬出破壞現象，主要可以概括為3種形式：（a）混凝土表面有明顯裂縫，裂縫由射釘尖端向混凝土邊緣處開展，但并未出現混凝土破碎現象如圖5（a）所示；（b）混凝土表面裂縫持續開展，直至混凝土呈三角錐式破碎，如圖5（b）所示；（c）混凝土表面無明顯裂縫，但在混凝土與粘結層界面處存在破碎情況，如圖5（c）所示。

圖5 試件撬出破壞

除此之外，試件（A1、A2、A3、A4、A6、B2、B3、C2、C4、C5）伴有TRC板與界面粘結層處的剝離破壞，如圖6（a）所示。試件（A5、B1、B4、C6）伴有粘結界面發生了破壞，如圖6（b）所示。試件C1破壞模式為射釘在混凝土內部斷裂以及TRC板與界面粘結層處的剝離破壞同時存在的混合破壞模式，如圖6（c）所示。試件C3破壞模式為射釘在板材內部斷裂以及TRC板與界面粘結層處的剝離破壞同時存在的混合破壞模式，如圖6（d）所示。其余試件（A0、B6）伴有混凝土與粘結層處的剝離破壞，如圖6（e）所示。

圖6 試件破壞模式

上述各組試件的試驗結果顯示，TRC板加固混凝土試塊的界面破壞主要存在6種破壞形式，分別為：撬出破壞；射釘斷裂在混凝土內部；射釘斷裂在板材內部；粘結層破壞；板材與粘結層處的剝離破壞；混凝土與粘結層處的剝離破壞；其中大部分都是上述類型的混合破壞，如圖7所示[圖7（e）剝離破壞包含了上述后2種破壞形式]。

圖7 破壞模式示意

2.3 試件破壞機理分析

根據試件的破壞形式可知，各組試件都存在撬出破壞，且撬出破壞的程度也有所不同，其可以通過射釘尖端周圍混凝土表面的破碎以及由于撬出導致脫落的混凝土大小來表征。一旦發生撬出破壞，射釘就開始出現旋轉現象，TRC板開始將射釘從混凝土中拉出，在這個過程中，試件會出現不同的破壞形式，包括試件粘結層發生破壞，TRC板與粘結層抑或混凝土與粘結層間的剝離破壞，射釘剪斷等?？梢钥闯?，混凝土撬出破壞是由多種因素引起的，包括射釘在穿透混凝土時與粗骨料間的撞擊、混凝土強度低、混凝土本身初始裂縫較多、射釘位置過于靠近混凝土邊緣導致混凝土嚴重開裂以及射釘錨入深度不夠等。

對比對照組試件與A0試件可以看出，粘結層的存在可以有效提高試件的抗剪承載力。對比A0試件與A1試件可以看出，混凝土表面鑿毛處理對試件抗剪承載力的提高有顯著效果。分析認為，粘結層的存在以及對混凝土表面進行鑿毛處理可以有效提高TRC板與混凝土構件間通過粘結層形成的化學粘結力、摩阻力以及結合面凹凸不平產生的機械咬合力。

3 結論

（1）鑿毛能有效提高TRC層與混凝土試塊之間的粘結抗剪強度，其抗剪強度可提高138.9%；

（2）粘結層的存在無論對射釘過程中試件的損傷還是試件粘結抗剪強度都十分有利。在沒有鑿毛的情況下，對比無粘結層試件，其抗剪強度可提高28.35%。粘結層水泥基體的水膠比減小，粘結層強度提高，試件抗剪強度也相應提高；粘接層厚度增加，射釘在混凝土內部的埋入深度有所減小，試件抗剪強度有所減??；

（3）當混凝土強度等級達到C30時，最佳邊緣距離為50 mm左右，其抗剪強度提高可達206.49%。當混凝土強度等級較低時，對于邊緣距離的要求更嚴格，最佳邊緣距離有所增大。