超高性能混凝土與普通混凝土的界面抗剪性能試驗研究*

饒欣頻，霍文斌，胡智敏，張 陽

(1 廣東省建筑設計研究院有限公司， 廣州 510010；2 湖南大學風工程與橋梁工程湖南省重點實驗室， 長沙 410082)

0 引言

普通混凝土(normal concrete, NC)作為一種性能優(yōu)良的傳統材料被廣泛應用于現代土木工程結構中，但隨著使用年限的增加，在不斷增大的荷載，長期的物理、化學及生物的作用下，世界各國的混凝土結構都普遍出現了不同程度的損傷或破壞，導致結構的承載能力逐漸下降甚至垮塌，嚴重影響了混凝土結構的安全性和耐久性。鑒于混凝土結構的維護加固工程量龐大，研發(fā)高效、耐久、低成本的混凝土結構維修加固技術是土木工程師所面臨的挑戰(zhàn)[1]。超高性能混凝土(ultra-high performance concrete, UHPC)具有超高強度、超高韌性、超高耐久性等優(yōu)異性能[2-4],是當今世界上先進的水泥基復合材料。目前的一些研究和工程應用已經表明UHPC是一種有前途的損傷鋼筋混凝土結構的加固維修材料[5-8]。瑞士首先針對橋梁的典型性劣化損傷，比較系統地研究和實踐了用UHPC維修加固混凝土橋梁，并通過歐洲的聯合項目在歐洲國家推廣應用[9]。UHPC加固混凝土結構的潛在優(yōu)點主要來源于其超高的力學性能和不可滲透性，UHPC加固層既可增強混凝土結構的承載能力，還能顯著提升其抗?jié)B透性和耐久性，有效延長結構的使用年限[10]。

采用UHPC薄層加固方法形成UHPC-NC組合構件共同抵抗外部荷載時，能否保證兩種材料協同工作是實現有效加固NC結構需要解決的關鍵問題，因此作為組合構件受力薄弱環(huán)節(jié)的UHPC與NC交界面(UHPC-NC界面)的粘結可靠性直接影響構件的抗裂性能和極限承載力。為此，國外研究者Carbonell M A等[11]、Harris D K等[12]通過斜剪、劈裂和拉拔試驗，探討了UHPC層與NC基材之間的粘結特性，研究參數包括界面粗糙度、混凝土濕潤度和凍融循環(huán)等。結果表明，無論哪種研究參數和外荷載，兩種材料之間的界面粘結性能都能有效實現對原有混凝土結構的加固，并指出了在表征界面粘結性能方面存在的挑戰(zhàn)，包括基材界面粗糙度的標定、試件過早失效、材料強度不匹配和測試方法一致性等。Tayeh B A等[13-14]通過斜剪和劈裂試驗，研究了UHPC-NC界面的結合強度，并通過水、氣體和快速氯離子滲透試驗評價了滲透性能。試驗結果表明，UHPC層與NC基體的粘接強度較高，UHPC-NC界面的抗?jié)B透特性良好，可顯著改善混凝土基體的抗?jié)B透性。Hussein H H等[15]進行了UHPC-NC界面的直接拉伸試驗，確定了具有不同基體界面粗糙度的UHPC與NC之間的黏聚性能并利用直接拉伸試驗所得到的界面黏聚力值，結合已有界面斜剪試驗結果反推出UHPC與NC基材之間的摩擦系數。國內季文玉等[16]對配筋UHPC-NC組合梁的界面受力性能進行了試驗研究和有限元分析，并探討了側向壓力對結合面強度的影響。

綜上所述，現有研究基本上是采用斜剪、劈拉和拉拔試驗等方法來研究UHPC-NC界面的粘結性能(斜剪強度、劈裂強度和直拉強度)，而UHPC-NC界面的直剪性能目前還未見有相關研究。因此，本文通過常溫條件下現澆UHPC與NC界面的抗剪推出試驗，研究不同NC界面處理(光滑、鑿毛、刻槽、露筋、鉆孔、植筋)的UHPC-NC界面抗剪粘結性能和破壞模式。同時，結合斜剪試驗研究UHPC齡期、NC界面粗糙度(界面處理方法)、NC基體濕潤度以及養(yǎng)護條件對UHPC-NC界面抗剪性能的影響。本文研究將為UHPC加固損傷NC結構的界面設計和施工可提供依據與有益的參考。

1 推出試驗設計

1.1 材料性能

試驗中NC按照C50混凝土配制。試驗用UHPC由水泥、石英砂、硅灰、粉煤灰、石英粉、高強鋼纖維、減水劑和水拌制而成。其中水泥∶石英砂∶硅灰∶粉煤灰∶石英粉的質量比為1∶1.1∶0.2∶0.1∶0.2；高強鋼纖維體積摻量為3.5%，包括2%的13mm長、直徑0.2mm的端鉤型鋼纖維和1.5%的8mm長、直徑0.12mm的圓直型鋼纖維，鋼纖維抗拉強度高于2 850MPa，彈性模量200GPa；減水劑采用體積含量1.5%的聚羧酸高效減水劑，減水率大于35%；UHPC的水膠比為0.18。通過材性試驗，得到NC和UHPC的材料性能如表1所示。

NC和UHPC 的材料性能 表1

試驗中的栓釘采用4.6級直徑13mm的栓釘，其屈服強度為453MPa。NC中鋼筋為HRB400鋼筋，其屈服強度為400MPa。

1.2 推出試驗模型

如圖1所示，試驗模型中混凝土部分的尺寸參照規(guī)范ENV 1994-2[17]中所規(guī)定的標準推出試件來確定，兩側UHPC層的厚度為50mm，層內密集配置直徑10mm的HRB400鋼筋，鋼筋間的豎向間距為50mm，橫向間距為40mm。根據6種不同的NC界面處理方式(光滑、鑿毛、露筋、刻槽、鉆孔、植筋)、UHPC中摻加膨脹劑(減縮劑)共制作了7組(每組2個)推出試驗模型。試驗模型制作過程：首先澆筑NC部件，常溫養(yǎng)護60d；然后對NC兩側界面進行相應的界面處理，并對界面充分灑水濕潤；最后在NC兩側澆筑UHPC層、常溫養(yǎng)護28d后加載。

圖1 推出試驗模型

NC界面的處理方式如圖2所示。光滑組對界面未進行任何處理，鑿毛組通過鑿毛處理，露出約80%以上的NC粗骨料；露筋組將NC的保護層鑿掉，露出NC表層鋼筋約50%的界面面積；刻槽組的每個界面含4條尺寸為槽寬20mm、槽深20mm的刻槽；鉆孔組鉆孔直徑20mm、洞深150mm，每個界面鉆9個孔；植筋組的每個界面布置4根長150mm、直徑13mm的栓釘。

圖2 NC界面處理方式

1.3 試驗加載及測試

如圖3所示，采用千分表測試界面相對滑移位移，每個試件界面的兩側分別對稱設置2個千分表，共4個千分表。推出試驗采用液壓千斤頂進行加載(圖3)，加載千斤頂額定噸位為150t，試驗荷載值由壓力傳感器測得。加載方式采用單點連續(xù)加載，試驗前先進行預壓，即預壓到200kN，然后卸載至0；再逐級正式加載，試驗加載為每20kN一級。

圖3 試驗模型加載示意圖

2 試驗結果與分析

2.1 破壞模式與試驗特征值

UHPC與NC組合推出試件的典型破壞模式如圖4所示。各種UHPC-NC界面的剪切破壞模式可以分為以下3類：1)完全界面破壞,剪切破壞發(fā)生在界面粘結面上，破壞時NC未出現損傷或脫落，兩種材料的界面保持光滑或粘結少量的NC(粘結面積比小于10%)；2)部分界面+部分NC破壞，剪切破壞發(fā)生在界面的過渡區(qū)，破壞時UHPC界面部分粘結NC基體或骨料(粘結面積比在10%～90%之間)；3)NC剪切破壞，界面附近的NC基體被剪切破壞或試驗失效時UHPC界面粘附著大量的NC(粘結面積比大于90%)，UHPC-NC界面基本處于完整狀態(tài)。此外，刻槽和鉆孔組破壞時，刻槽內UHPC鍵齒和鉆孔內UHPC榫均已剪斷，植筋組破壞時，界面處植筋栓釘已經屈服。

圖4 試件典型破壞模式

推出試驗得到的各組試件的荷載特征值及對應界面滑移、破壞模式如表2所示，表中GH，ZM，ZMP，LJ，KC，ZK，ZJ分別為光滑、鑿毛、鑿毛+膨脹劑、露筋、刻槽、鉆孔、植筋界面處理的各組試件；A,B,C為完全界面破壞、部分界面+部分NC破壞、NC剪切破壞；Pu，Su分別為極限荷載及對應的界面滑移；D為UHPC粘結NC部分的厚度；R為破壞后UHPC粘結的NC部分所占整個界面面積的比例。

推出試驗結果匯總 表2

從表2的界面極限荷載可以看出，鑿毛組和露筋組由于界面粗糙度較大，展現了較高的界面抗剪性能；刻槽組和鑿毛+膨脹劑組次之；而植筋組和鉆孔組界面抗剪能力相對偏低，這是因為植筋組和鉆孔組的NC界面未作處理(光滑)，結合面粗糙度較低，使得UHPC與NC粘結性能相對較弱，加之栓釘、鉆孔的數量和截面積較小，植入NC內的UHPC榫和栓釘提供的抗剪能力也相對較小。就界面破壞模式來講，鑿毛組、鑿毛+膨脹劑組和露筋組的剪切破壞基本都發(fā)生在界面附近的NC側(C類破壞)，UHPC粘結的NC部分厚度在7～17mm之間，表明NC界面通過鑿毛或露筋處理后，UHPC與NC的粘結強度較高，其界面抗剪能力甚至可以超過NC自身的材料強度。刻槽組的界面破壞形式為B類，即部分界面破壞和部分NC破壞，破壞時UHPC側面粘結了部分普通混凝土基體或碎石骨料，粘結在UHPC側面上的剝離NC面積占整個界面的平均比例為24%。而植筋組和鉆孔組的界面基本表現為完全界面剪切破壞(A類破壞)，破壞時NC面基本完整或粘結少量的NC。從試件達到極限荷載時的界面滑移量來看，植筋組界面在抗剪過程中呈現了一定的延性，界面完全剝離破壞時的最大界面相對滑移高達4.5mm，且栓釘僅屈服、未剪斷；其余各組達到極限荷載時的界面滑移在0.327～0.783mm范圍內，剪切破壞過程中界面滑移量較小。

需要注意的是，光滑組中兩個試件抗剪強度、破壞形式差異較大，試件GH-1極限荷載高達到1 013kN，破壞形式為NC受剪破壞；而試件GH-2僅加載到187kN時，突然破壞，破壞形式為完全的界面剝離破壞。這一方面說明即使在NC界面光滑的情況下，UHPC-NC界面也可能獲得較高的粘結強度；但從另一方面來說，光滑UHPC-NC界面的粘結可靠性較差，在施工過程中操作稍有不當就會對界面粘結性能帶來不確定的致命影響。此外，從深鑿毛+膨脹劑組和鑿毛組對比來看，UHPC摻入膨脹劑并未提高界面抗剪能力，其極限荷載反而略低于鑿毛組。一方面是因為試驗模型的截面尺寸較小，加之UHPC齡期不長，因此UHPC收縮對界面抗剪性能的影響還不明顯；另一方面有可能是膨脹劑在UHPC固化過程中的化學作用減弱了界面粘結強度，這個原因還需要進一步研究。

2.2 荷載-滑移曲線

通過圖3所示的千分表測試每級荷載下推出試件4個位置的界面相對滑移值，然后取4個測試結果的平均值作為試件的界面滑移測試值，得到UHPC-NC界面荷載-滑移曲線如圖5所示。

圖5 各組試件UHPC-NC界面的荷載-滑移曲線

從圖5(a)可知，光滑和鑿毛界面處理的試件的界面荷載-滑移曲線基本上未曾經歷屈服及下降階段，荷載-滑移曲線經歷近似于線性上升階段后，界面瞬間剪切破壞，單側UHPC層滑落，試件界面具有明顯的脆性破壞特征。

由圖5(b)可知，對于鉆孔組和露筋組而言，界面的剪切破壞介于延性破壞和脆性破壞之間，表現出了有限的延性。具體來說，鉆孔組界面在極限荷載以前的滑移曲線上升段基本上呈線性，隨后其荷載-滑移曲線經歷了較短的下降段后界面破壞，這是因為UHPC與NC粘結面破壞后，鉆孔內的UHPC榫仍然具有一定的抗剪能力和延性，使其滑移曲線出現下降段；而露筋組界面在試驗荷載達到約88.8%極限荷載之前，荷載-滑移曲線基本呈線性，其荷載-滑移曲線在上升階段后開始進入滑移增速的屈服階段，并在極限荷載后經歷了較短的下降段后發(fā)生界面破壞，這是因為露筋界面較為粗糙，加之外露鋼筋與UHPC緊密粘結，使得露筋界面在達到極限荷載后仍然保持一定的抗剪承載力，荷載-滑移曲線出現下降段。

由圖5(c)可知，對于刻槽組和植筋組而言，界面在抗剪全過程中顯示出較好的延性，界面破壞前出現較大的滑移，荷載-滑移曲線屈服段或下降段較長。具體來說，刻槽組的荷載-滑移曲線在荷載達到極限荷載前基本為線性階段，隨后試驗荷載緩慢降低、滑移快速增長，荷載-滑移曲線進入了較長的下降階段直至最后界面破壞；刻槽組荷載-滑移曲線出現下降段主要是因為嵌入NC中的UHPC鍵齒延緩了界面剪切破壞過程，其界面完全破壞時的平均滑移為3.0mm左右。植筋組的界面荷載-滑移曲線經歷了明顯的線性、屈服、下降和后期上升4個階段；在荷載達到78%極限荷載以前荷載-滑移曲線呈線性上升趨勢，然后荷載-滑移曲線開始進入屈服階段；當荷載達到88.4%極限荷載后荷載-滑移曲線迅速下降，然后逐漸上升，直至界面破壞；破壞時植筋試件ZJ-1，ZJ-2的界面相對滑移分別為4.51mm和4.01mm，體現了良好的抗剪延性。植筋組界面荷載-滑移曲線的線性和屈服階段(圖中曲線A點之前)的界面剪力主要由UHPC與NC粘結力和栓釘共同承擔；曲線A點之后，界面粘結力失效，界面剪力完全由栓釘承擔，因此曲線迅速下降(AB段)；曲線B點之后，栓釘自身的抗剪強度逐漸發(fā)揮，柔性栓釘仍然可以提供界面抗剪能力，因此荷載-滑移曲線逐漸上升，直至栓釘屈服；同時栓釘較好的變形能力使得界面抗剪延性大幅提高。

2.3 UHPC-NC界面抗剪強度和剛度

推出試件的界面抗剪強度可以采用式(1)計算：

(1)

式中：Pu為極限荷載；a，b分別為UHPC-NC界面的長度與寬度。

UHPC-NC界面抗剪剛度的取值方法可參照栓釘連接件抗剪剛度計算的割線模量法，即在各試件界面荷載-滑移曲線的線性階段取合適的界面剪力值，然后用該界面剪力值除以對應的滑移量來近似計算界面的抗剪剛度。根據圖5所示的荷載-滑移曲線，各組試件在75%極限荷載之前的界面荷載-滑移曲線近似呈線性，因此本文計算UHPC-NC界面抗剪剛度K時采取0.7Pu對應的割線模量作為其抗剪剛度，即0.7Pu除以對應的界面滑移值S0.7Pu，如下式：

(2)

各組試件實測的界面抗剪強度和抗剪剛度平均值如表3所示，由于光滑組中兩個試件的試驗結果差異較大，因此在表3中未列出。為了便于比較，將各組試件界面抗剪強度和抗剪剛度繪制成柱狀圖，如圖6所示。

界面抗剪強度和抗剪剛度平均值 表3

圖6 各試件組界面抗剪強度和抗剪剛度對比

由表3和圖6可知，不同界面處理的UHPC-NC界面抗剪強度從小到大依次為鉆孔、植筋、鑿毛+膨脹劑、露筋、刻槽和鑿毛組。鑿毛組界面由于NC界面粗糙度較高、增加了界面的接觸面積與摩擦阻力，從而其界面表現出較高的抗剪強度，達到了5MPa以上。植筋、鑿毛+膨脹劑、露筋和刻槽組由于界面粗糙、外露鋼筋與UHPC粘結作用、栓釘銷栓作用和嵌入NC凹槽內的UHPC鍵齒咬合作用等原因，也增加了界面的粘結力和機械咬合力，使其界面的抗剪強度達到4～5MPa之間，其界面抗剪強度可以達到鑿毛組界面抗剪強度的77.2%～89.6%。對于鉆孔組而言，由于界面光滑、加之嵌入NC孔內的UHPC榫面積較小，因此鉆孔組界面抗剪強度最小(3.16MPa)，僅達到鑿毛組抗剪強度的56.7%。

從各組試件的界面抗剪剛度來看，露筋組的界面抗剪剛度最大，達到1 692kN·mm-1；刻槽組和鉆孔組界面也表現出較大的抗剪剛度(1 100～1 200kN·mm-1)，分別為露筋組抗剪剛度的66.9%和71.2%；鑿毛組和植筋組的界面抗剪剛度在900～1 000kN·mm-1之間，達到了露筋組抗剪剛度的58%左右；而鑿毛+膨脹劑組界面抗剪剛度最小，僅為露筋組抗剪剛度的37%。

3 結論

(1)損傷混凝土采用UHPC修復后，能夠同時增強結構的承載力和抗?jié)B透性。

(2)UHPC與NC基體之間具有良好的界面抗剪粘結性能，試件破壞時多表現出部分界面+部分NC破壞和NC剪切破壞，完全界面破壞情形較少。

(3)NC基材和UHPC之間的界面抗剪強度隨著NC界面粗糙度的增加而增大；NC界面進行鑿毛、露筋和刻槽處理后，UHPC-NC界面可以獲得良好的抗剪承載力，界面剪切破壞模式基本上為NC剪切破壞或部分界面+部分NC破壞。

(4)界面抗剪荷載-滑移曲線表明，植筋和刻槽界面顯出較好的延性，露筋和鉆孔界面破壞介于延性破壞和脆性破壞之間，而光滑和鑿毛界面破壞則為脆性破壞。