UHPC與普通混凝土界面黏結(jié)性能研究綜述

周建庭，周 璐，楊 俊，王宗山

(1.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074；2.重慶交通大學(xué) 省部共建山區(qū)橋梁及隧道工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400074；3.廣西交通設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530029)

超高性能混凝土(ultra high performance concrete，UHPC)具有超高強(qiáng)度和超強(qiáng)耐久性，契合混凝土結(jié)構(gòu)高強(qiáng)深遠(yuǎn)、低碳環(huán)保的發(fā)展趨勢(shì).UHPC在橋梁工程領(lǐng)域表現(xiàn)突出，已成功應(yīng)用于四百余座新建橋梁[1]，在橋梁維修加固領(lǐng)域也表現(xiàn)出色，已有關(guān)于UHPC維修加固橋面板、橋墩、防撞護(hù)欄等方面的研究[2].UHPC優(yōu)越的性能使加固后的橋梁結(jié)構(gòu)在高強(qiáng)荷載、嚴(yán)苛環(huán)境等條件下正常工作，避免了加固材料老化、銹蝕等缺陷，減少后期維護(hù)費(fèi)用，降低能源消耗和碳排放.新舊材料界面的黏結(jié)是加固結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié).瑞士某橋梁橋面板在混凝土修補(bǔ)2年后出現(xiàn)30%～35%黏結(jié)面剝離，更嚴(yán)重者僅在修補(bǔ)8個(gè)月后便出現(xiàn)黏結(jié)面完全剝離[3].所以良好、高效和持久的黏結(jié)是成功加固的關(guān)鍵，這決定著橋梁加固工程的安全性和耐久性.因此UHPC與普通混凝土(normal concrete，NC)界面黏結(jié)性能的研究逐漸成為熱點(diǎn).為了行文方便，將活性粉末混凝土(RPC)、超高性能纖維增強(qiáng)混凝土(UHPFRC)等超高性能混凝土統(tǒng)稱為UHPC.筆者以UHPC-NC黏結(jié)界面為研究對(duì)象，從影響因素、力學(xué)性能與耐久性能3個(gè)方面梳理分析當(dāng)前研究現(xiàn)狀和存在問(wèn)題，并對(duì)該領(lǐng)域尚待深入研究的內(nèi)容進(jìn)行討論.

1 UHPC-NC界面黏結(jié)性能影響因素

掌握影響UHPC-NC界面黏結(jié)性能的因素，有助于提高界面黏結(jié)性能.綜合國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，在UHPC纖維、界面處理情況、澆筑方位、養(yǎng)護(hù)方式及齡期等眾多因素中，纖維與界面處理情況是影響界面黏結(jié)性能的重要因素.

1.1 纖 維

通常在新混凝土中加入纖維材料，能夠提高新老混凝土間的界面黏結(jié)性能.碳纖維受拉彈性模量超高，能明顯提高混凝土基材的拉壓比.CHEN P.W.等[4]、謝慧才等[5]在新混凝土中加入碳纖維，發(fā)現(xiàn)新老混凝土界面黏結(jié)性能提高80%～120%.SHUO F.等[6]研究了長(zhǎng)10 mm的碳纖維對(duì)UHPC-NC黏結(jié)界面的影響，結(jié)果表明：試件劈裂損傷延性被改善，其黏結(jié)界面滑移量比無(wú)纖維的增大38%.

聚丙烯纖維、聚乙丙烯纖維和尼龍纖維等聚合物纖維，添加到修復(fù)材料中可顯著增強(qiáng)界面黏附力[7].UHPC修復(fù)材料的高致密性保證了其常溫下的耐久性，卻會(huì)導(dǎo)致高溫下發(fā)生爆裂，聚合物纖維的加入可有效提高UHPC的抗高溫爆裂性[8]，適用于可能發(fā)生火災(zāi)的加固場(chǎng)景.

鋼纖維是UHPC中常使用的材料，其自身強(qiáng)度高于聚合物纖維，形成強(qiáng)大纖維骨架對(duì)UHPC力學(xué)性能改善做出重要貢獻(xiàn).例如在動(dòng)載作用下，含鋼纖維UHPC的韌性比含聚合物纖維的高出27.3%[9].鋼纖維對(duì)于修補(bǔ)混凝土界面黏結(jié)性能的改善，也比加入聚合物纖維的優(yōu)越[10].近年來(lái)鋼纖維的銹蝕問(wèn)題引起了人們的關(guān)注[11-12].如果維修加固現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境較為惡劣，黏結(jié)界面上暴露在空隙中的鋼纖維則會(huì)銹蝕加劇，從而影響?zhàn)そY(jié)強(qiáng)度.

不同試驗(yàn)中獲得的黏結(jié)強(qiáng)度不同，纖維加入能顯著提升界面黏結(jié)強(qiáng)度.為將不同文獻(xiàn)的試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)一比較，定義混凝土界面黏結(jié)強(qiáng)度提高率為

(1)

式中：q1為含纖維混凝土與NC黏結(jié)強(qiáng)度；q2為NC與NC黏結(jié)強(qiáng)度.

由式(1)可得到文獻(xiàn)中含纖維混凝土在單面直剪[10]、雙面直剪[4]、劈拉[13]、彎拉[13]和鉆芯拉拔[5]試驗(yàn)下獲得的黏結(jié)強(qiáng)度提高率如圖1所示.可見黏結(jié)強(qiáng)度提高程度可達(dá)到100%以上.

圖1 不同試驗(yàn)情況下加入纖維獲得的黏結(jié)強(qiáng)度提高率

纖維增強(qiáng)UHPC主要是改變峰值后力學(xué)響應(yīng)和約束裂縫.其研究理論有將纖維與基體看作多相體系來(lái)分析的復(fù)合材料力學(xué)理論、將纖維看作裂縫擴(kuò)展約束的纖維間距理論和損傷力學(xué)理論等.纖維界面黏結(jié)增強(qiáng)原理如圖2所示，主要有如下3方面：① 加入纖維后UHPC收縮量減小，能有效降低收縮應(yīng)力和收縮裂縫風(fēng)險(xiǎn)；② 無(wú)序亂向的纖維提高了UHPC界面的粗糙程度，交界處的纖維伸入普通混凝土界面的孔隙帶來(lái)更高的機(jī)械咬合力；③ 界面受力過(guò)程中，纖維與纖維的橋連作用能有效抑制微裂縫發(fā)展，改變黏結(jié)面破壞形態(tài).

圖2 纖維界面黏結(jié)增強(qiáng)原理示意圖

關(guān)于纖維摻量對(duì)UHPC-NC黏結(jié)強(qiáng)度的影響，存在不同的觀點(diǎn).有研究認(rèn)為UHPC-NC黏結(jié)強(qiáng)度與纖維摻量呈正相關(guān).沈捷[12]對(duì)鋼纖維體積摻量為0%，0.5%，1.0%，1.5%，2.0%的UHPC-NC黏結(jié)試件進(jìn)行劈拉和抗彎試驗(yàn)，結(jié)果表明：當(dāng)鋼纖維體積摻量從0.5%提高到2.0%時(shí)，界面黏結(jié)強(qiáng)度提高率從36.9%上升到78.1%.而有研究認(rèn)為纖維摻量并不是影響UHPC-NC黏結(jié)強(qiáng)度的原因.L.HUSSEIN等[13]對(duì)鋼纖維體積摻量為1.0%，1.5%，2.0%的UHPC-NC黏結(jié)試件進(jìn)行劈拉試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果差異很小，雖然黏結(jié)強(qiáng)度有所提高，但提高率受纖維摻量影響不大.另外，界面處的纖維分布量及纖維方向等因素也會(huì)對(duì)黏結(jié)強(qiáng)度造成影響.目前對(duì)于纖維的研究多以真實(shí)試驗(yàn)為主，借助有限元模擬軟件和計(jì)算機(jī)程序，建立黏結(jié)滑移模型、亂向分布模型等分析界面處纖維的力學(xué)行為也是新的研究思路.

1.2 界面處理情況

表面粗糙情況、連接鍵設(shè)置、含水量、黏結(jié)材料和清潔程度等界面處理情況影響?zhàn)そY(jié)強(qiáng)度.UHPC加固一般步驟如圖3所示，無(wú)論是現(xiàn)澆加固還是預(yù)制加固，界面處理都是加固的首要步驟.

圖3 UHPC加固一般步驟

常用的UHPC-NC界面處理方式有鉆孔、刷洗、噴砂、切槽和設(shè)置連接鍵等.研究表明：通過(guò)清潔混凝土表面灰塵雜質(zhì)和松動(dòng)結(jié)構(gòu)，提高表面粗糙程度可以增加黏結(jié)性，但并不是混凝土表面越粗糙越好，當(dāng)粗糙程度超過(guò)某一值時(shí)會(huì)造成原結(jié)構(gòu)損傷，反而降低黏結(jié)性能[14].沈捷[12]研究認(rèn)為，UHPC在實(shí)際工程中會(huì)出現(xiàn)的最大粗糙度界面為劈裂面(用試驗(yàn)機(jī)將已經(jīng)成型的混凝土試塊從中劈裂得到)，當(dāng)人工處理界面的粗糙度超過(guò)劈裂面的粗糙度時(shí)，反而使黏結(jié)面的性能降低.M.SAFRITT[15]使用鹽酸處理普通混凝土表面，試驗(yàn)后所有的UHPC-NC試件黏結(jié)強(qiáng)度都低于表面未處理試件，說(shuō)明表面損傷過(guò)度，造成黏結(jié)強(qiáng)度降低.

噴砂是較理想的混凝土表面處理方式，通過(guò)控制噴射速度和時(shí)間得到適合的表面粗糙度.B.A.TAYEH等[16]使用噴砂、鋼絲刷刷洗、鉆孔及切槽方法處理UHPC-NC黏結(jié)試件的NC表面，結(jié)果表明：處理組的黏結(jié)強(qiáng)度均好于未經(jīng)處理組的，其中噴砂處理組的黏結(jié)強(qiáng)度最高，其界面黏結(jié)劈拉和斜剪強(qiáng)度比未處理組提高程度均大于100%.LI Z.Q.等[17]研究了噴砂處理對(duì)UHPC-NC黏結(jié)性能的影響，使用鋪砂試驗(yàn)和激光輪廓分析量化混凝土表面粗糙度，指出NC砂漿部分比粗骨料部分更容易變粗糙，結(jié)果表明試驗(yàn)中噴砂處理試件黏結(jié)面未破壞.

值得注意的是，同種粗糙處理方式的混凝土表面，在承受不同種類荷載時(shí)獲得的黏結(jié)性能不盡相同.所以不能籠統(tǒng)地對(duì)某一界面處理方式進(jìn)行單一評(píng)價(jià)，要綜合考慮界面所承受的荷載種類.

界面連接鍵能有效提高UHPC-NC的黏結(jié)性能.但與NC相比，UHPC利用其強(qiáng)度與自重的優(yōu)良比例，在復(fù)合構(gòu)件中截面尺寸可明顯減小，這時(shí)傳統(tǒng)連接鍵適用性不強(qiáng).為適應(yīng)輕薄化的UHPC層，學(xué)者們[18]認(rèn)為短栓釘連接較為適用.王興旺[19]用鑿毛、切槽、植入栓釘對(duì)NC表面處理，結(jié)果表明：栓釘極大提高UHPC-NC界面黏結(jié)抗剪強(qiáng)度和延性，其強(qiáng)度比未處理的提高103.3%.張陽(yáng)等[20]對(duì)使用栓釘連接的UHPC加固箱梁頂板進(jìn)行抗彎試驗(yàn)，試驗(yàn)后UHPC-NC黏結(jié)面強(qiáng)度未達(dá)到破壞強(qiáng)度，而是NC側(cè)先出現(xiàn)滑移破壞，說(shuō)明栓釘能夠改善黏結(jié)面薄弱的情況.

有學(xué)者認(rèn)為UHPC-NC界面連接鍵非必要，UHPC-NC的黏結(jié)性能足以提供足夠強(qiáng)度.L.HUSSEIN等[13]對(duì)UHPC-NC、UHPC和高強(qiáng)混凝土黏結(jié)試件進(jìn)行了研究，指出UHPC與這2種材料間的黏結(jié)強(qiáng)度非常高，可不需要使用界面連接鍵.

界面干濕程度對(duì)UHPC-NC黏結(jié)性能有不確定影響.混凝土表面吸水產(chǎn)生氣泡影響?zhàn)そY(jié)密實(shí)程度，降低黏結(jié)性能，KANG S.H.等[21]的試驗(yàn)指出水分使黏結(jié)強(qiáng)度降低37%.而UHPC水灰比極低，有大量未水化顆粒，UHPC吸水飽和在黏結(jié)面過(guò)渡區(qū)產(chǎn)生新水化產(chǎn)物，提高黏結(jié)強(qiáng)度，KANG S.H.等[21]的另一試驗(yàn)指出水分使黏結(jié)強(qiáng)度提高34.7%.

對(duì)預(yù)制加固的情況，預(yù)制的UHPC表面也要經(jīng)過(guò)處理并使用界面黏結(jié)材料，如結(jié)構(gòu)膠、砂漿等.界面黏結(jié)材料的性能會(huì)影響界面過(guò)渡區(qū)的礦物特性和微觀組織性質(zhì).張孝臣[22]分別使用結(jié)構(gòu)膠和灌漿料作為界面黏結(jié)材料，對(duì)使用結(jié)構(gòu)膠黏結(jié)的試件只做清污除灰處理，對(duì)使用灌漿料黏結(jié)的試件表面切槽處理，結(jié)果表明結(jié)構(gòu)膠試件組的界面剪切強(qiáng)度明顯高于灌漿料試件組.

1.3 其他因素

UHPC澆筑方位影響UHPC-NC界面黏結(jié)性能，垂直澆筑時(shí)黏結(jié)面易出現(xiàn)離析，使界面黏結(jié)層不均勻，水平澆筑能獲得更好的黏結(jié)性能.沈捷[12]通過(guò)試驗(yàn)研究指出水平澆筑的UHPC-NC黏結(jié)劈拉強(qiáng)度為垂直澆筑的1.1～1.3倍.提高NC強(qiáng)度也能在一定范圍內(nèi)提高界面黏結(jié)性能.經(jīng)蒸汽養(yǎng)護(hù)的試件黏結(jié)強(qiáng)度要比常溫養(yǎng)護(hù)的高[21].

綜上所述，UHPC纖維、界面處理情況、澆筑方位、養(yǎng)護(hù)方式、養(yǎng)護(hù)齡期各因素對(duì)UHPC-NC黏結(jié)性能影響程度不同，UHPC中的纖維參數(shù)以及混凝土表面處理方式對(duì)界面黏結(jié)性能影響顯著.但需注意，根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)實(shí)際受力條件及身處環(huán)境，選擇適合因素組合才更具工程意義.

2 UHPC-NC界面黏結(jié)力學(xué)性能

掌握新老混凝土界面黏結(jié)力學(xué)性能的前提，是選擇一種合適的試驗(yàn)方法來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)并評(píng)價(jià).測(cè)試新老混凝土界面黏結(jié)力學(xué)性能方法很多，常見分類如圖4所示，其中關(guān)于抗剪性能和抗拉性能的測(cè)試研究較多.

圖4 界面黏結(jié)力學(xué)性能試驗(yàn)分類

目前未有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的新老混凝土界面黏結(jié)試驗(yàn)方法和評(píng)價(jià)指標(biāo).各國(guó)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)及文獻(xiàn)使用的抗剪、抗拉試驗(yàn)方法很多，如圖5所示.

圖5 界面黏結(jié)力學(xué)性能試驗(yàn)示意圖

2.1 黏結(jié)抗剪性能

ACI 224.1R-072007.03.01《混凝土結(jié)構(gòu)開裂的原因、評(píng)估和修補(bǔ)》基于斜剪試驗(yàn)，給出混凝土維修工程中維修材料的最小可接受黏結(jié)強(qiáng)度建議：1 d齡期最小可接受強(qiáng)度為2.76～6.90 MPa；7 d齡期最小可接受強(qiáng)度為6.90～12.41 MPa；28 d齡期最小可接受強(qiáng)度為12.41～20.68 MPa.

近年來(lái)各國(guó)學(xué)者對(duì)UHPC-NC黏結(jié)抗剪性能開展了研究.B.A.TAYEH等[16, 23]配制抗壓強(qiáng)度為170 MPa的UHPC，使用尺寸100 mm×100 mm×300 mm，斜剪角度30°的UHPC-NC棱柱體黏結(jié)試件進(jìn)行斜剪試驗(yàn)，使用SEM/EDS掃描電鏡對(duì)黏結(jié)過(guò)渡區(qū)進(jìn)行微觀檢測(cè)，結(jié)果表明：現(xiàn)澆UHPC-NC試件短期黏結(jié)強(qiáng)度較高，破壞基本發(fā)生在NC結(jié)構(gòu)中，UHPC-NC界面黏結(jié)充分可靠，其界面強(qiáng)度甚至高于NC強(qiáng)度.J.SARKAR[24]、M.A.CARBONELL MUOZ等[25]、A.F.ALHALLAQ等[26]也進(jìn)行了類似的斜剪試驗(yàn)研究，張孝臣[22]還研究了15°和30°不同斜剪角度對(duì)UHPC-NC黏結(jié)性能的影響，建立了界面黏結(jié)-滑移簡(jiǎn)化模型.M.SAFRITT[15]對(duì)尺寸φ101.6 mm×203.2 mm、斜剪角度30°的UHPC-NC圓柱體黏結(jié)試件進(jìn)行了斜剪試驗(yàn)，并且使用DIC數(shù)字圖像技術(shù)測(cè)試黏結(jié)試件的變形.KANG S.H.等[21]配制了抗壓強(qiáng)度為155 MPa的UHPC，用尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的UHPC-NC立方體黏結(jié)試件(UHPC部分尺寸為100 mm×150 mm×150 mm)進(jìn)行單面直剪試驗(yàn)研究其黏結(jié)性能.王興旺[19]配制了抗壓強(qiáng)度116 MPa的UHPC，用尺寸為400 mm×460 mm×300 mm(UHPC部分尺寸為50 mm×460 mm×300 mm)的UHPC-NC黏結(jié)試件進(jìn)行雙面剪切試驗(yàn)，建立ANSYS黏結(jié)數(shù)值模型，給出UHPC-NC界面抗剪承載力計(jì)算公式.

表1統(tǒng)計(jì)了相關(guān)文獻(xiàn)中UHPC-NC黏結(jié)抗剪性能試驗(yàn)數(shù)據(jù).其中：破壞模式A為只有NC破壞；B為只有界面破壞；C為界面與NC破壞；D為NC與UHPC破壞而界面未破壞；E為只有UHPC破壞；√表示出現(xiàn)該類破壞模式但文獻(xiàn)未給出具體數(shù)值.

表1 UHPC-NC黏結(jié)抗剪性能試驗(yàn)研究結(jié)果

從表1可以看出：斜剪試驗(yàn)獲得的黏結(jié)抗剪強(qiáng)度約為10～20 MPa，符合ACI混凝土維修指南給出的最小可接受強(qiáng)度.不同試驗(yàn)所得黏結(jié)抗剪強(qiáng)度有所差異，純剪黏結(jié)強(qiáng)度在10 MPa以內(nèi)，斜剪比純剪的強(qiáng)度高出約4～5倍，因?yàn)樾奔艚缑嫔系恼龎毫μ岣吡私缑骈g摩擦力.不同試驗(yàn)所得結(jié)果的換算關(guān)系仍有待研究.從破壞模式分布可看出，單純的黏結(jié)界面破壞(模式B)在總量中所占比重不大，出現(xiàn)最多的為NC破壞(模式A)，說(shuō)明UHPC與NC的界面黏結(jié)有效可靠.

2.2 黏結(jié)抗拉性能

ACI混凝土維修指南基于直接拉伸試驗(yàn)，給出混凝土維修工程中維修材料的最小可接受黏結(jié)強(qiáng)度建議：1 d齡期最小可接受強(qiáng)度為0.5～1.0 MPa；7 d齡期最小可接受強(qiáng)度為1.0～1.7 MPa；28 d齡期最小可接受強(qiáng)度為1.7～2.1 MPa.

C.OZYILDIRIM[27]給出了混凝土界面黏結(jié)強(qiáng)度的評(píng)價(jià)等級(jí)，分5等：黏結(jié)強(qiáng)度≥2.1 MPa評(píng)價(jià)為極好；黏結(jié)強(qiáng)度為1.7～2.1 MPa評(píng)級(jí)為很好；黏結(jié)強(qiáng)度為1.4～1.7 MPa評(píng)級(jí)為好；黏結(jié)強(qiáng)度為0.7～1.4 MPa評(píng)級(jí)為一般；黏結(jié)強(qiáng)度為0～0.7 MPa評(píng)級(jí)為差.該評(píng)級(jí)是基于UHPC加固層與NC基層鉆芯取樣，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行軸心黏結(jié)拉拔試驗(yàn)給出.

近年來(lái)各國(guó)學(xué)者對(duì)UHPC-NC黏結(jié)抗拉性能開展了研究.B.A.TAYEH等[16]配制了抗壓強(qiáng)度170 MPa的UHPC，用尺寸φ100 mm×200 mm的 UHPC-NC圓柱體黏結(jié)試件進(jìn)行劈拉試驗(yàn)，用SEM/EDS掃描電鏡對(duì)黏結(jié)過(guò)渡區(qū)進(jìn)行微觀檢測(cè)，證明黏結(jié)過(guò)渡區(qū)是可靠的.J.SARKAR等[24]、A.F.ALHALLAQ等[26]也進(jìn)行了類似的試驗(yàn)研究.LI Z.Q.等[17]配制了抗壓強(qiáng)度為123.5，158.2 MPa的UHPC，使用尺寸75 mm×75 mm×285 mm的UHPC-NC棱柱體黏結(jié)試件進(jìn)行3點(diǎn)抗彎試驗(yàn)，結(jié)果表明：試件整體性良好，破壞后也未出現(xiàn)界面分離.沈捷[12]、F.J.ALAEE等[28]、B.A.TAYEH等[29]也進(jìn)行了類似的彎拉試驗(yàn)研究.H.H.HUSSEIN等[30]配制了抗壓強(qiáng)度158.5 MPa的UHPC，用尺寸φ75 mm×150 mm的UHPC-NC鉆芯圓柱體黏結(jié)試件進(jìn)行直接拉伸試驗(yàn)，用試驗(yàn)結(jié)果反推摩擦系數(shù).LI Z.Q.等[17]、B.A.TAYEH等[23]、M.A.CARBONELL MUOZ等[25]進(jìn)行了類似的試驗(yàn).

表2統(tǒng)計(jì)了相關(guān)文獻(xiàn)中UHPC-NC黏結(jié)抗拉性能試驗(yàn)數(shù)據(jù).

表2 UHPC-NC黏結(jié)抗拉性能試驗(yàn)研究

從表2可以看出：黏結(jié)抗拉試驗(yàn)獲得的黏結(jié)抗拉強(qiáng)度離散性較大，但符合ACI混凝土維修指南給出的最小可接受強(qiáng)度.鉆芯拉拔試件的黏結(jié)質(zhì)量評(píng)價(jià)為好和極好.統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)UHPC-NC界面黏結(jié)劈拉強(qiáng)度為NC整體的65%～115%左右，而NC-NC黏結(jié)劈拉強(qiáng)度為NC整體的62%～75%左右[31].劈裂試驗(yàn)中，NC整體試件沿著粗骨料與水泥基體界面破壞，級(jí)配優(yōu)良、受拉區(qū)分布均勻的UHPC整體試件的破壞貫穿骨料.約有30%的UHPC-NC黏結(jié)劈拉試件沿黏結(jié)面或其附近小范圍破壞，這類試件界面黏結(jié)強(qiáng)度較低，與NC-NC黏結(jié)劈拉強(qiáng)度相比提高不大，因此有必要進(jìn)一步提高UHPC-NC界面黏結(jié)強(qiáng)度，獲得理想破壞模式.不同試驗(yàn)得出的黏結(jié)抗拉強(qiáng)度差異較大，差異原因有待分析.從破壞模式分布可看出，單純的黏結(jié)界面破壞(模式B)在總量中所占比重很低，出現(xiàn)最多的為NC出現(xiàn)破壞(模式A)，與黏結(jié)抗剪試件的模式分布相似，進(jìn)一步說(shuō)明UHPC與NC的界面黏結(jié)有效可靠.

2.3 黏結(jié)收縮性能

加固層澆筑后，新澆混凝土的收縮受舊混凝土約束產(chǎn)生拉應(yīng)力，此拉應(yīng)力大于界面黏結(jié)強(qiáng)度時(shí)會(huì)出現(xiàn)裂縫，降低界面黏結(jié)性能，有害物質(zhì)通過(guò)裂縫入侵結(jié)構(gòu)內(nèi)部，進(jìn)一步降低加固結(jié)構(gòu)耐久性.針對(duì)NC約束收縮性能有較多研究.H.BEUSHAUSEN[32]研究了新老混凝土黏結(jié)面在不同影響參數(shù)下(環(huán)境、養(yǎng)護(hù)條件、加固層厚度等)的收縮開裂，討論了這些因素量化分離及相互組合的影響.劉健等[33]用新老混凝土黏結(jié)試件研究了新混凝土約束收縮情況，建立出可計(jì)算界面黏結(jié)約束力和橫截面應(yīng)變的約束收縮力學(xué)模型.陳峰等[34]用Abaqus軟件建立新老混凝土黏結(jié)約束收縮有限元模型，使用當(dāng)量溫差法進(jìn)行計(jì)算，分析指出黏結(jié)面兩端存在嚴(yán)重應(yīng)力集中現(xiàn)象.因UHPC超低水膠比和高膠凝材料量，其收縮量比NC高，UHPC收縮總量為5×10-4～7×10-4[35]，而NC的為3×10-4～5×10-4.因此將UHPC作為加固材料時(shí)應(yīng)考慮收縮影響.研究認(rèn)為熱養(yǎng)護(hù)是降低UHPC約束收縮開裂風(fēng)險(xiǎn)的有效措施.王興旺[19]測(cè)試了UHPC加固試件NC側(cè)附加應(yīng)變，發(fā)現(xiàn)UHPC在熱養(yǎng)護(hù)后完成大部分收縮，試件未產(chǎn)生收縮裂縫.若能找到更有效降低UHPC收縮性的方法，如在配合比中使用高吸水性聚合物、減縮劑、優(yōu)化膠凝材料等，既可降低初始收縮缺陷，也可減免實(shí)際加固工程中蒸汽養(yǎng)護(hù)的不便.

綜上所述，UHPC-NC黏結(jié)試件的破壞模式以NC部分出現(xiàn)破壞為主，證明UHPC-NC的界面黏結(jié)有效可靠，且比NC-NC界面黏結(jié)性能優(yōu)越.UHPC-NC界面存在約束收縮開裂的問(wèn)題，蒸汽養(yǎng)護(hù)措施能夠抑制界面約束收縮開裂.

3 UHPC-NC界面黏結(jié)耐久性能

對(duì)首要考慮耐久性的待加固混凝土結(jié)構(gòu)，UHPC是很好的選擇.UHPC具有優(yōu)異的抗凍融循環(huán)能力和抗?jié)B性能，顆粒緊密堆積設(shè)計(jì)理論的科學(xué)配比設(shè)計(jì)，有效降低混凝土中的孔隙率.

3.1 抗凍性能

黏結(jié)面凍融損傷機(jī)理分為2方面[36]：① 凍融循環(huán)作用下，進(jìn)入黏結(jié)界面微小孔隙中的水遇冷結(jié)冰使黏結(jié)面受到拉應(yīng)力，融化過(guò)程拉應(yīng)力消失，該交替應(yīng)力導(dǎo)致黏結(jié)面損傷并產(chǎn)生微裂縫，降低界面上的膠著力和機(jī)械咬合力.同時(shí)融化過(guò)程中的水分滲入裂縫，再次凍結(jié)時(shí)因裂縫中的水結(jié)冰體積膨脹帶來(lái)新的拉應(yīng)力，使黏結(jié)面進(jìn)一步開裂.界面劑結(jié)構(gòu)也由密實(shí)變得疏松多孔；② 新混凝土受到舊混凝土約束產(chǎn)生的收縮應(yīng)力，與凍融循環(huán)過(guò)程中因溫度變化產(chǎn)生的交替拉壓應(yīng)力疊加，加速黏結(jié)面開裂.法國(guó)UHPC設(shè)計(jì)規(guī)程[35]給出UHPC凍融循環(huán)質(zhì)量損失為0.004～0.006 kg·m-2，而NC的損失量約為UHPC的600倍.關(guān)于凍融循環(huán)條件對(duì)UHPC-NC界面黏結(jié)性能的影響，存在不同的研究結(jié)果.有研究認(rèn)為凍融循環(huán)后的黏結(jié)強(qiáng)度得到提高，因?yàn)閁HPC水灰比低，存在大量未水化顆粒，UHPC-NC界面混凝土吸水飽和后，有助于在黏結(jié)面過(guò)渡區(qū)產(chǎn)生水化產(chǎn)物，從而在UHPC與NC之間產(chǎn)生高黏聚力.M.A.CARBONELL MUOZ等[25]對(duì)UHPC-NC劈拉試件分別進(jìn)行0，300，600，900次凍融循環(huán)試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)幾乎所有試件凍融后的劈拉強(qiáng)度要高于未凍融試件，說(shuō)明凍融條件能使UHPC-NC黏結(jié)性能得到改善.另外的研究認(rèn)為凍融循環(huán)條件會(huì)導(dǎo)致UHPC-NC界面黏結(jié)性能退化.張孝臣[22]研究了凍融循環(huán)后UHPC-NC界面剪切黏結(jié)強(qiáng)度和退化規(guī)律，給出凍融后界面黏結(jié)-滑移退化模型.沈捷[12]對(duì)UHPC-NC黏結(jié)試件進(jìn)行了凍融后劈拉試驗(yàn)，結(jié)果表明隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而劈拉強(qiáng)度下降.M.G.LEE等[37]使用黏結(jié)面45°的圓柱形斜剪試件進(jìn)行了1 000次凍融循環(huán)試驗(yàn)，研究了NC-NC、NC與高強(qiáng)砂漿、UHPC-NC、UHPC-UHPC界面黏結(jié)的抗凍性能，發(fā)現(xiàn)凍融后黏結(jié)斜剪強(qiáng)度分別損失69%，44%，34%和3%，NC-NC試件在600次凍融后嚴(yán)重破壞，均為界面失效，而UHPC-UHPC試件的黏結(jié)界面并未出現(xiàn)失效，其他試件則是NC破壞或界面失效.

3.2 抗?jié)B性能

新老混凝土黏結(jié)面的抗?jié)B性能是指黏結(jié)界面抵抗外部物質(zhì)入侵的能力，如水、氣體、侵蝕性離子等.新老混凝土黏結(jié)界面并非緊密接觸，比整體混凝土存在更多孔隙.介質(zhì)從黏結(jié)面孔隙進(jìn)入混凝土內(nèi)部，引起黏結(jié)面附近混凝土的溶解腐蝕，造成結(jié)構(gòu)稀松，受力性能下降.我國(guó)SL 352—2018《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》推薦使用抗?jié)B儀增加水壓，觀察試件滲水情況來(lái)研究抗?jié)B性能，如圖6所示.李平先等[38]使用圓臺(tái)柱體黏結(jié)試件進(jìn)行相對(duì)滲透性試驗(yàn)對(duì)新老NC黏結(jié)面的透水性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明新老NC黏結(jié)面的滲透性遠(yuǎn)大于新老混凝土本體的滲透性，兩者相差可達(dá)1個(gè)數(shù)量級(jí)，并推導(dǎo)出黏結(jié)面等效水力隙寬及滲透系數(shù)計(jì)算公式.高丹盈等[39]對(duì)鋼纖維混凝土與NC黏結(jié)面的抗?jié)B性進(jìn)行了研究，建立了鋼纖維混凝土與NC黏結(jié)面滲流計(jì)算模型.

圖6 相對(duì)滲透性試驗(yàn)示意圖

有學(xué)者給出混凝土黏結(jié)界面氯離子滲透性的評(píng)價(jià)等級(jí)[27]，分5等：總電荷值>4 000 C時(shí)滲透性評(píng)價(jià)為高；總電荷值2 000～4 000 C時(shí)為中等；總電荷值1 000～2 000 C時(shí)為低；總電荷值100～1 000 C時(shí)為很低；總電荷值<100 C時(shí)為可忽略.該評(píng)級(jí)是基于UHPC加固層與NC基層鉆芯取樣，進(jìn)行氯離子滲透性試驗(yàn)給出.該研究結(jié)果顯示UHPC-NC黏結(jié)試件的滲透性評(píng)價(jià)為低和很低，說(shuō)明抗氯離子滲透性很好.

法國(guó)UHPC設(shè)計(jì)規(guī)程[35]給出UHPC氯離子擴(kuò)散系數(shù)為10-13m2·s-1，而NC氯離子擴(kuò)散系數(shù)大于10-11m2·s-1.美國(guó)材料實(shí)驗(yàn)協(xié)會(huì)(ASTM)推薦用直流電法來(lái)研究抗?jié)B性能，記錄電池通過(guò)的電流來(lái)計(jì)算氯離子滲透能力，如圖7所示.B.A.TAYEH等[40]對(duì)UHPC-NC黏結(jié)試件進(jìn)行氯離子滲透性研究，試驗(yàn)測(cè)得的總電荷數(shù)值屬于ASTM C1202中劃分的“可忽略不計(jì)的氯離子滲透率”的范疇；還對(duì)UHPC-NC黏結(jié)試件的氣體滲透性和透水性進(jìn)行了研究，試驗(yàn)結(jié)果均表明黏結(jié)面的滲透性很低.

圖7 直流電法示意圖

綜上所述，UHPC-NC的耐久性能優(yōu)越.凍融循環(huán)作用對(duì)UHPC-NC黏結(jié)性能的影響程度還存在爭(zhēng)議，但UHPC-NC的抗凍性能確實(shí)優(yōu)于NC-NC.UHPC-NC黏結(jié)界面的氯離子滲透性能可忽略不計(jì)，證明抗?jié)B性能超強(qiáng).

4 結(jié) 論

1)UHPC-NC界面黏結(jié)有效可靠.UHPC的纖維及界面處理情況對(duì)UHPC-NC界面黏結(jié)性能影響顯著.纖維摻量、界面連接鍵、界面干濕程度對(duì)界面黏結(jié)性能的影響效果存在不同研究結(jié)論，待繼續(xù)論證.關(guān)于UHPC纖維的方向、分布、銹蝕程度等黏結(jié)性能影響因素的研究很少，結(jié)合微觀力學(xué)、數(shù)值模擬等探索纖維對(duì)UHPC-NC界面黏結(jié)性能的影響是值得研究的方向.

2)UHPC-NC界面黏結(jié)力學(xué)性能的試驗(yàn)方法和評(píng)價(jià)指標(biāo)未有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，已有黏結(jié)抗剪性能研究集中在純剪、斜剪方面，黏結(jié)抗拉性能研究集中在劈拉、鉆芯拉拔方面.缺少同性能在不同試驗(yàn)方法下獲得不同結(jié)果的原因分析，UHPC-NC界面黏結(jié)試件總量少，未能建立成熟的計(jì)算公式，數(shù)值模擬試驗(yàn)少.現(xiàn)有研究主要關(guān)注UHPC-NC界面單一受力狀態(tài)下的力學(xué)特性，對(duì)復(fù)雜受力狀態(tài)下的研究較少，這些問(wèn)題都需繼續(xù)研究.

3)UHPC-NC黏結(jié)界面的不均勻約束收縮是亟待解決的問(wèn)題，仍需探尋更加有效的降低UHPC收縮方法，來(lái)避免因收縮引起的開裂風(fēng)險(xiǎn).

4)UHPC-NC界面黏結(jié)抗凍性能和抗?jié)B性能超強(qiáng).對(duì)高溫環(huán)境下的界面黏結(jié)耐久性能考慮較少，UHPC-NC界面耐火性能是有待研究的問(wèn)題.

5)雖然已開展許多關(guān)于界面黏結(jié)性能的研究，但未見對(duì)UHPC-NC本構(gòu)關(guān)系的研究，2種材料性能不同，探究黏結(jié)后的應(yīng)力-應(yīng)變曲線特點(diǎn)以及擬合公式，可供加固設(shè)計(jì)、施工計(jì)算參考.

6)目前關(guān)于UHPC-NC界面黏結(jié)力學(xué)性能的研究主要關(guān)注其靜力特性，涉及動(dòng)力特性(如抗沖擊性能、抗爆性能)和疲勞特性的研究相對(duì)較少，這些方面仍有待研究.