聚合物改性水泥砂浆层与混凝土结合面抗剪性能试验研究

 李  淼，廖维张，王  波

 （北京建筑大学工程结构与新材料北京市高等学校工程研究中心，北京  100044）

  [摘要]聚合物改性水泥砂浆层（文中简称聚合物砂浆层）与原混凝土结合面的有效黏结，是二者协同工作、结合面应力有效传递的前提，是加固层性能充分发挥的关键。通过对33个试件的双面剪切试验，探讨了剪切强度的影响参数分析了聚合物砂浆层与混凝土结合面的黏结剪切性能。试验结果表明：聚合物砂浆层与混凝土结合面的剪切强度主要取决于砂浆强度；黏结面积大于150mm×100mm时，剪切强度基本不受黏结面积变化影响；加载速率变化对界面剪切强度的变化作用显著；加载速率的增加有利于提高结合面剪切强度，但在动力加载时应充分考虑结合 面内力的加载速率增大效应。

 [关键词]聚合物改性水泥砂浆；结合面；双剪试验；剪切强度

 [中图分类号]TU502+．6 [文章编号]1002-8498(2016)10-0086-05

 目前，钢丝绳网-聚合物改性水泥砂浆（以下简称聚合物砂浆）加固工艺在工程加固中得到大量应用。该加固工艺的加固原理是先对原结构表面进行凿毛处理，而后，在结构表面绑扎固定钢丝绳网，涂抹界面剂后粉刷聚合物砂浆。该加固技术中，聚合物砂浆层与混凝土结合面黏结质量的优劣对加固构件的整体性能改善有至关重要的作用，结合面的剪切强度能较好地反映黏结面的力学性能，因而，研究结合面的抗剪性能具有非常重要的意义。

 迄今为止，国内外研究学者对此项加固技术进行了大量的理论分析和试验研究，重点集中在材料性能、梁板加固后抗弯及抗剪性能、钢筋混凝土柱加固后承载能力、抗震性能、梁柱节点抗震加固、砖砌体加固、砖墙抗震加固等方面，曹俊、黄华对钢丝绳，砂浆加固技术的界面滑移机理进行了试验研究，在试验基础上进行有限元模拟分析获得了界面黏结-滑移本构关系模型，但针对该加固技术中的砂浆层与原混凝土结构的结合面的抗剪性能研究少有完整的分析，尚需进行深入讨论与研究。

 聚合物砂浆层与混凝土结合面作为两相物质结合面，保证聚合物砂浆层与原混凝土良好黏结形成工作整体协同受力，使得应力在结合面间得到有效传递，防止结合面滑移或剥离，是保障加固层性能充分发挥的关键。所以研究聚合物砂浆层与原混凝土的结合面黏结剪切性能，对影响因素进行参数分析，能够为该加固技术的设计与施工提供重要参考。本文采用电液伺服压力试验机对聚合物砂浆与混凝土试件进行双面剪切试验，对黏结结合面上的剪切强度以及剪切性能进行规律性研究，探讨黏结面积、聚合物砂浆强度以及结合面单侧剪应力

加载速率对结合面剪切强度的影响。

1试验概况

1-1  试件设计

 本试验采用双面剪切试件，试件分为两部分，中心混凝土试块尺寸为150mm×150mm×100mm，浇筑完成自然养护28d后以150mm×150mm的两侧为与聚合物砂浆层结合面，对结合面使用电锤进行不均匀凿毛处理，浇筑砂浆前，对结合面洒水充分润湿，而后涂抹界面剂，在每侧水平涂抹厚度为50mm的聚合物砂浆层，砂浆黏结层采用中心对称粘贴，得到最终的双剪试验试件，自然养护28d后进行双面剪切试验。聚合物砂浆层与混凝土黏结试

件加工如图1所示。

1.2试验材料

 试验混凝土选用C30商用混凝土，碎石最大粒径25mm，具体配合比如表1所示，实测立方体抗压强度如表2所示。砂浆选用TCPM聚合物砂浆，选用砂浆强度等级为M30，M40，M50，组成材料为：高性能水泥，20~ 40目砂，40~ 70目砂，掺入纤维及外加剂，自来水。砂浆强度实测结果如表3所示。界面剂选用YT-302型双组分混凝土界面处理剂，其14d剪切黏结强度为1.7MPa，14d拉伸黏结强度为0. 9MPa。

1.3  试验方案及数据量测

 试验共有33个试件，研究参数包括黏结面积、聚合物砂浆强度以及结合面单侧剪应力加载速率。考虑到试验数据的离散性，每种工况3个试件，具体方案设计如表4所示。结合面凿毛效果与界面剂使用均结合实际加固工程施工，因而该试验中未对结合面粗糙度及界面剂种类进行参数分析。试验设计了推出式双剪试验装置（见图2），试验时试件两侧聚合物砂浆下侧通过钢垫板垫起，形成凹槽，上部中心区混凝土通过钢垫板与上压板接触，进行中

心纵向加载，试件承受的压力通过数据采集系统由计算机实时采集。

2试验结果与分析

2.1试验现象

 试件受剪切力作用时，砂浆层与混凝土块之间产生相对滑移，随滑移量增大，结合面顶端首先产生裂缝，而后逐渐向下发展并导致试件剪切破坏。试件主要为单黏结面破坏剥落，少量为双黏结面破坏。低加载速率时，多见单面破坏，聚合物砂浆层整体脱落破坏，破坏面较为平整，可见混凝土部分在近加载端出现轻微三角块混凝土剪切破坏现象，结合面的混凝土凿毛断面内有明显的聚合物砂浆层粘附，砂浆层下端压碎相对严重；高加载速率时，主要呈现双面破坏，混凝土部分近加载端被明显压碎，混凝土被切断部分呈三角块；砂浆层与混凝土发生错断，试件的破坏面上出现明显的混凝土骨料切断，可见切断骨料的新鲜界面。典型破坏形态如图3所示。

2.2试验分析

 试验过程中，结合不同试验参数对聚合物砂浆层与混凝土结合面的剪切性能进行讨论，具体结合面剪切强度如表5所示。

2.2.1黏结面积的影响

 结合面凿毛效果按照实际工程加固采用。本试验不计粗糙度的影响。选定聚合物砂浆强度等级为M50(58. 77MPa)，分析讨论控制剪应力加载速率，单侧黏结面积分别为150mm×50mm，150mm×100mm,150mm×150mm时，结合面剪切强度的变化规律。当加载速率为0. 005MPa/s时，单侧黏结面积为150mm X150mm的试件的剪切强度较面积为150mm×100mm和150mm×50mm的试件分别提高了0. 47%和17. 37%；当加载速率为0.05MPa/s时，单侧黏结面积为150mm X150mm的试件的剪切强度较面积为150mm×100mm和150mm×50mm的试件分别提高了0. 6%和16. 46%；当加载速率为0.5 M Pa/s时，单侧黏结面积为150mm×150mm的试件的剪切强度较面积为150mm×100mm和150mm×50mm的试件分别提高了2.59%和32.18%。由图4分析可以发现：对应3种不同加载速率，黏结面积由150mm×50mm增加到150mm×100mm时，结合面剪切强度分别增加16. 81%，15.77%和28. 84%；而当黏结面积由150mm×100mm增加到150mm×150mm时，结合面剪切强度分别增加0. 47%，0.6%和2.59%。本试验结果表明，黏结面积对结合面剪切强度的影响程度在(150mm×50mm，150mm×100mm)区间内要比(150mm×100mm，150mm×150mm)区间内更为明显。在实际加固中，由于黏结面积相对较大，因此在加固设计时，可以不用考虑黏结面积对结合面剪切强度的影响。

2.2.2砂浆强度的影响

 研究聚合物砂浆强度变化对结合面剪切强度的影响时，控制结合面黏结面积与加载速率为固定值，分别为150mm×150mm和0.05MPa/s，砂浆强度为变量。分析表5中的N3H2，N4H2，N5 H2三组试件的试验数据得到聚合物砂浆强度变化对结合面剪切强度的影响，如图5所示。从图5可以发现，结合面剪切强度随砂浆强度增大而增大，其增长幅度随砂浆强度的增大而升高，砂浆强度从32. 05MPa增加到40. 08MPa和58. 77MPa，结合面剪切强度分别增长了23.6%和86. 52%，与上一小节相比，可以看出，提高砂浆强度对结合面剪切强度的影响要更显著。

2.2.3  加载速率的影响

 为分析不同加载速率对砂浆层与混凝土结合面剪切强度的影响，选用N2H1，N2H2，N2H3三组共9个试件为代表进行不同速率的双面剪切试验，单侧结合面剪应力加载速率分别为0. 005，0.05，0. 5MPa/s，分析获得剪切强度趋势（见图6）。黏结面积为150mm×100mm时，加载速率由0.005 M Pa/s增大至0.5 M Pa/s的过程中，结合面剪切强度分别增长了30. 99%和86. 61%，这说明加载速率的增大对提升结合面黏结剪切强度有显著作用，并且剪切强度增长幅度与加载速率增长与成正相关性。

3结语

 通过对聚合物砂浆层与混凝土黏结的试件进行黏结结合面纵向双剪试验，分析33组试验数据，探讨了黏结面积、砂浆强度、结合面单侧剪应力加载速率等参数对聚合物砂浆层与混凝土结合面剪切强度的影响，得到相关结论如下。

 1)聚合物砂浆层与混凝土结合面的剪切强度主要取决于砂浆强度，其强度越高，结合面剪切强度就越大；高加载速率对剪切强度提高亦有显著作用。

 2)当黏结面积大于150mm×100mm时，剪切强度基本不受黏结面积变化影响；在实际加固设计中，由于黏结面积较大，黏结面积变化对剪切强度的影响可以忽略。

 3)高加载速率时，聚合物砂浆层与混凝土结合面剪切强度虽提高较大，但高加载速率时，结合面内力对加载速率变化很敏感，在动力加载时应充分考虑结合面内力的加载速率增大效应。