超高性能混凝土与普通混凝土的界面抗剪性能试验研究*

饶欣频，霍文斌，胡智敏，张 阳

(1 广东省建筑设计研究院有限公司， 广州 510010；2 湖南大学风工程与桥梁工程湖南省重点实验室， 长沙 410082)

0 引言

普通混凝土(normal concrete, NC)作为一种性能优良的传统材料被广泛应用于现代土木工程结构中，但随着使用年限的增加，在不断增大的荷载，长期的物理、化学及生物的作用下，世界各国的混凝土结构都普遍出现了不同程度的损伤或破坏，导致结构的承载能力逐渐下降甚至垮塌，严重影响了混凝土结构的安全性和耐久性。鉴于混凝土结构的维护加固工程量庞大，研发高效、耐久、低成本的混凝土结构维修加固技术是土木工程师所面临的挑战[1]。超高性能混凝土(ultra-high performance concrete, UHPC)具有超高强度、超高韧性、超高耐久性等优异性能[2-4],是当今世界上先进的水泥基复合材料。目前的一些研究和工程应用已经表明UHPC是一种有前途的损伤钢筋混凝土结构的加固维修材料[5-8]。瑞士首先针对桥梁的典型性劣化损伤，比较系统地研究和实践了用UHPC维修加固混凝土桥梁，并通过欧洲的联合项目在欧洲国家推广应用[9]。UHPC加固混凝土结构的潜在优点主要来源于其超高的力学性能和不可渗透性，UHPC加固层既可增强混凝土结构的承载能力，还能显著提升其抗渗透性和耐久性，有效延长结构的使用年限[10]。

采用UHPC薄层加固方法形成UHPC-NC组合构件共同抵抗外部荷载时，能否保证两种材料协同工作是实现有效加固NC结构需要解决的关键问题，因此作为组合构件受力薄弱环节的UHPC与NC交界面(UHPC-NC界面)的粘结可靠性直接影响构件的抗裂性能和极限承载力。为此，国外研究者Carbonell M A等[11]、Harris D K等[12]通过斜剪、劈裂和拉拔试验，探讨了UHPC层与NC基材之间的粘结特性，研究参数包括界面粗糙度、混凝土湿润度和冻融循环等。结果表明，无论哪种研究参数和外荷载，两种材料之间的界面粘结性能都能有效实现对原有混凝土结构的加固，并指出了在表征界面粘结性能方面存在的挑战，包括基材界面粗糙度的标定、试件过早失效、材料强度不匹配和测试方法一致性等。Tayeh B A等[13-14]通过斜剪和劈裂试验，研究了UHPC-NC界面的结合强度，并通过水、气体和快速氯离子渗透试验评价了渗透性能。试验结果表明，UHPC层与NC基体的粘接强度较高，UHPC-NC界面的抗渗透特性良好，可显著改善混凝土基体的抗渗透性。Hussein H H等[15]进行了UHPC-NC界面的直接拉伸试验，确定了具有不同基体界面粗糙度的UHPC与NC之间的黏聚性能并利用直接拉伸试验所得到的界面黏聚力值，结合已有界面斜剪试验结果反推出UHPC与NC基材之间的摩擦系数。国内季文玉等[16]对配筋UHPC-NC组合梁的界面受力性能进行了试验研究和有限元分析，并探讨了侧向压力对结合面强度的影响。

综上所述，现有研究基本上是采用斜剪、劈拉和拉拔试验等方法来研究UHPC-NC界面的粘结性能(斜剪强度、劈裂强度和直拉强度)，而UHPC-NC界面的直剪性能目前还未见有相关研究。因此，本文通过常温条件下现浇UHPC与NC界面的抗剪推出试验，研究不同NC界面处理(光滑、凿毛、刻槽、露筋、钻孔、植筋)的UHPC-NC界面抗剪粘结性能和破坏模式。同时，结合斜剪试验研究UHPC龄期、NC界面粗糙度(界面处理方法)、NC基体湿润度以及养护条件对UHPC-NC界面抗剪性能的影响。本文研究将为UHPC加固损伤NC结构的界面设计和施工可提供依据与有益的参考。

1 推出试验设计

1.1 材料性能

试验中NC按照C50混凝土配制。试验用UHPC由水泥、石英砂、硅灰、粉煤灰、石英粉、高强钢纤维、减水剂和水拌制而成。其中水泥∶石英砂∶硅灰∶粉煤灰∶石英粉的质量比为1∶1.1∶0.2∶0.1∶0.2；高强钢纤维体积掺量为3.5%，包括2%的13mm长、直径0.2mm的端钩型钢纤维和1.5%的8mm长、直径0.12mm的圆直型钢纤维，钢纤维抗拉强度高于2 850MPa，弹性模量200GPa；减水剂采用体积含量1.5%的聚羧酸高效减水剂，减水率大于35%；UHPC的水胶比为0.18。通过材性试验，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

试验中的栓钉采用4.6级直径13mm的栓钉，其屈服强度为453MPa。NC中钢筋为HRB400钢筋，其屈服强度为400MPa。

1.2 推出试验模型

如图1所示，试验模型中混凝土部分的尺寸参照规范ENV 1994-2[17]中所规定的标准推出试件来确定，两侧UHPC层的厚度为50mm，层内密集配置直径10mm的HRB400钢筋，钢筋间的竖向间距为50mm，横向间距为40mm。根据6种不同的NC界面处理方式(光滑、凿毛、露筋、刻槽、钻孔、植筋)、UHPC中掺加膨胀剂(减缩剂)共制作了7组(每组2个)推出试验模型。试验模型制作过程：首先浇筑NC部件，常温养护60d；然后对NC两侧界面进行相应的界面处理，并对界面充分洒水湿润；最后在NC两侧浇筑UHPC层、常温养护28d后加载。

图1 推出试验模型

NC界面的处理方式如图2所示。光滑组对界面未进行任何处理，凿毛组通过凿毛处理，露出约80%以上的NC粗骨料；露筋组将NC的保护层凿掉，露出NC表层钢筋约50%的界面面积；刻槽组的每个界面含4条尺寸为槽宽20mm、槽深20mm的刻槽；钻孔组钻孔直径20mm、洞深150mm，每个界面钻9个孔；植筋组的每个界面布置4根长150mm、直径13mm的栓钉。

图2 NC界面处理方式

1.3 试验加载及测试

如图3所示，采用千分表测试界面相对滑移位移，每个试件界面的两侧分别对称设置2个千分表，共4个千分表。推出试验采用液压千斤顶进行加载(图3)，加载千斤顶额定吨位为150t，试验荷载值由压力传感器测得。加载方式采用单点连续加载，试验前先进行预压，即预压到200kN，然后卸载至0；再逐级正式加载，试验加载为每20kN一级。

图3 试验模型加载示意图

2 试验结果与分析

2.1 破坏模式与试验特征值

UHPC与NC组合推出试件的典型破坏模式如图4所示。各种UHPC-NC界面的剪切破坏模式可以分为以下3类：1)完全界面破坏,剪切破坏发生在界面粘结面上，破坏时NC未出现损伤或脱落，两种材料的界面保持光滑或粘结少量的NC(粘结面积比小于10%)；2)部分界面+部分NC破坏，剪切破坏发生在界面的过渡区，破坏时UHPC界面部分粘结NC基体或骨料(粘结面积比在10%～90%之间)；3)NC剪切破坏，界面附近的NC基体被剪切破坏或试验失效时UHPC界面粘附着大量的NC(粘结面积比大于90%)，UHPC-NC界面基本处于完整状态。此外，刻槽和钻孔组破坏时，刻槽内UHPC键齿和钻孔内UHPC榫均已剪断，植筋组破坏时，界面处植筋栓钉已经屈服。

图4 试件典型破坏模式

推出试验得到的各组试件的荷载特征值及对应界面滑移、破坏模式如表2所示，表中GH，ZM，ZMP，LJ，KC，ZK，ZJ分别为光滑、凿毛、凿毛+膨胀剂、露筋、刻槽、钻孔、植筋界面处理的各组试件；A,B,C为完全界面破坏、部分界面+部分NC破坏、NC剪切破坏；Pu，Su分别为极限荷载及对应的界面滑移；D为UHPC粘结NC部分的厚度；R为破坏后UHPC粘结的NC部分所占整个界面面积的比例。

推出试验结果汇总 表2

从表2的界面极限荷载可以看出，凿毛组和露筋组由于界面粗糙度较大，展现了较高的界面抗剪性能；刻槽组和凿毛+膨胀剂组次之；而植筋组和钻孔组界面抗剪能力相对偏低，这是因为植筋组和钻孔组的NC界面未作处理(光滑)，结合面粗糙度较低，使得UHPC与NC粘结性能相对较弱，加之栓钉、钻孔的数量和截面积较小，植入NC内的UHPC榫和栓钉提供的抗剪能力也相对较小。就界面破坏模式来讲，凿毛组、凿毛+膨胀剂组和露筋组的剪切破坏基本都发生在界面附近的NC侧(C类破坏)，UHPC粘结的NC部分厚度在7～17mm之间，表明NC界面通过凿毛或露筋处理后，UHPC与NC的粘结强度较高，其界面抗剪能力甚至可以超过NC自身的材料强度。刻槽组的界面破坏形式为B类，即部分界面破坏和部分NC破坏，破坏时UHPC侧面粘结了部分普通混凝土基体或碎石骨料，粘结在UHPC侧面上的剥离NC面积占整个界面的平均比例为24%。而植筋组和钻孔组的界面基本表现为完全界面剪切破坏(A类破坏)，破坏时NC面基本完整或粘结少量的NC。从试件达到极限荷载时的界面滑移量来看，植筋组界面在抗剪过程中呈现了一定的延性，界面完全剥离破坏时的最大界面相对滑移高达4.5mm，且栓钉仅屈服、未剪断；其余各组达到极限荷载时的界面滑移在0.327～0.783mm范围内，剪切破坏过程中界面滑移量较小。

需要注意的是，光滑组中两个试件抗剪强度、破坏形式差异较大，试件GH-1极限荷载高达到1 013kN，破坏形式为NC受剪破坏；而试件GH-2仅加载到187kN时，突然破坏，破坏形式为完全的界面剥离破坏。这一方面说明即使在NC界面光滑的情况下，UHPC-NC界面也可能获得较高的粘结强度；但从另一方面来说，光滑UHPC-NC界面的粘结可靠性较差，在施工过程中操作稍有不当就会对界面粘结性能带来不确定的致命影响。此外，从深凿毛+膨胀剂组和凿毛组对比来看，UHPC掺入膨胀剂并未提高界面抗剪能力，其极限荷载反而略低于凿毛组。一方面是因为试验模型的截面尺寸较小，加之UHPC龄期不长，因此UHPC收缩对界面抗剪性能的影响还不明显；另一方面有可能是膨胀剂在UHPC固化过程中的化学作用减弱了界面粘结强度，这个原因还需要进一步研究。

2.2 荷载-滑移曲线

通过图3所示的千分表测试每级荷载下推出试件4个位置的界面相对滑移值，然后取4个测试结果的平均值作为试件的界面滑移测试值，得到UHPC-NC界面荷载-滑移曲线如图5所示。

图5 各组试件UHPC-NC界面的荷载-滑移曲线

从图5(a)可知，光滑和凿毛界面处理的试件的界面荷载-滑移曲线基本上未曾经历屈服及下降阶段，荷载-滑移曲线经历近似于线性上升阶段后，界面瞬间剪切破坏，单侧UHPC层滑落，试件界面具有明显的脆性破坏特征。

由图5(b)可知，对于钻孔组和露筋组而言，界面的剪切破坏介于延性破坏和脆性破坏之间，表现出了有限的延性。具体来说，钻孔组界面在极限荷载以前的滑移曲线上升段基本上呈线性，随后其荷载-滑移曲线经历了较短的下降段后界面破坏，这是因为UHPC与NC粘结面破坏后，钻孔内的UHPC榫仍然具有一定的抗剪能力和延性，使其滑移曲线出现下降段；而露筋组界面在试验荷载达到约88.8%极限荷载之前，荷载-滑移曲线基本呈线性，其荷载-滑移曲线在上升阶段后开始进入滑移增速的屈服阶段，并在极限荷载后经历了较短的下降段后发生界面破坏，这是因为露筋界面较为粗糙，加之外露钢筋与UHPC紧密粘结，使得露筋界面在达到极限荷载后仍然保持一定的抗剪承载力，荷载-滑移曲线出现下降段。

由图5(c)可知，对于刻槽组和植筋组而言，界面在抗剪全过程中显示出较好的延性，界面破坏前出现较大的滑移，荷载-滑移曲线屈服段或下降段较长。具体来说，刻槽组的荷载-滑移曲线在荷载达到极限荷载前基本为线性阶段，随后试验荷载缓慢降低、滑移快速增长，荷载-滑移曲线进入了较长的下降阶段直至最后界面破坏；刻槽组荷载-滑移曲线出现下降段主要是因为嵌入NC中的UHPC键齿延缓了界面剪切破坏过程，其界面完全破坏时的平均滑移为3.0mm左右。植筋组的界面荷载-滑移曲线经历了明显的线性、屈服、下降和后期上升4个阶段；在荷载达到78%极限荷载以前荷载-滑移曲线呈线性上升趋势，然后荷载-滑移曲线开始进入屈服阶段；当荷载达到88.4%极限荷载后荷载-滑移曲线迅速下降，然后逐渐上升，直至界面破坏；破坏时植筋试件ZJ-1，ZJ-2的界面相对滑移分别为4.51mm和4.01mm，体现了良好的抗剪延性。植筋组界面荷载-滑移曲线的线性和屈服阶段(图中曲线A点之前)的界面剪力主要由UHPC与NC粘结力和栓钉共同承担；曲线A点之后，界面粘结力失效，界面剪力完全由栓钉承担，因此曲线迅速下降(AB段)；曲线B点之后，栓钉自身的抗剪强度逐渐发挥，柔性栓钉仍然可以提供界面抗剪能力，因此荷载-滑移曲线逐渐上升，直至栓钉屈服；同时栓钉较好的变形能力使得界面抗剪延性大幅提高。

2.3 UHPC-NC界面抗剪强度和刚度

推出试件的界面抗剪强度可以采用式(1)计算：

(1)

式中：Pu为极限荷载；a，b分别为UHPC-NC界面的长度与宽度。

UHPC-NC界面抗剪刚度的取值方法可参照栓钉连接件抗剪刚度计算的割线模量法，即在各试件界面荷载-滑移曲线的线性阶段取合适的界面剪力值，然后用该界面剪力值除以对应的滑移量来近似计算界面的抗剪刚度。根据图5所示的荷载-滑移曲线，各组试件在75%极限荷载之前的界面荷载-滑移曲线近似呈线性，因此本文计算UHPC-NC界面抗剪刚度K时采取0.7Pu对应的割线模量作为其抗剪刚度，即0.7Pu除以对应的界面滑移值S0.7Pu，如下式：

(2)

各组试件实测的界面抗剪强度和抗剪刚度平均值如表3所示，由于光滑组中两个试件的试验结果差异较大，因此在表3中未列出。为了便于比较，将各组试件界面抗剪强度和抗剪刚度绘制成柱状图，如图6所示。

界面抗剪强度和抗剪刚度平均值 表3

图6 各试件组界面抗剪强度和抗剪刚度对比

由表3和图6可知，不同界面处理的UHPC-NC界面抗剪强度从小到大依次为钻孔、植筋、凿毛+膨胀剂、露筋、刻槽和凿毛组。凿毛组界面由于NC界面粗糙度较高、增加了界面的接触面积与摩擦阻力，从而其界面表现出较高的抗剪强度，达到了5MPa以上。植筋、凿毛+膨胀剂、露筋和刻槽组由于界面粗糙、外露钢筋与UHPC粘结作用、栓钉销栓作用和嵌入NC凹槽内的UHPC键齿咬合作用等原因，也增加了界面的粘结力和机械咬合力，使其界面的抗剪强度达到4～5MPa之间，其界面抗剪强度可以达到凿毛组界面抗剪强度的77.2%～89.6%。对于钻孔组而言，由于界面光滑、加之嵌入NC孔内的UHPC榫面积较小，因此钻孔组界面抗剪强度最小(3.16MPa)，仅达到凿毛组抗剪强度的56.7%。

从各组试件的界面抗剪刚度来看，露筋组的界面抗剪刚度最大，达到1 692kN·mm-1；刻槽组和钻孔组界面也表现出较大的抗剪刚度(1 100～1 200kN·mm-1)，分别为露筋组抗剪刚度的66.9%和71.2%；凿毛组和植筋组的界面抗剪刚度在900～1 000kN·mm-1之间，达到了露筋组抗剪刚度的58%左右；而凿毛+膨胀剂组界面抗剪刚度最小，仅为露筋组抗剪刚度的37%。

3 结论

(1)损伤混凝土采用UHPC修复后，能够同时增强结构的承载力和抗渗透性。

(2)UHPC与NC基体之间具有良好的界面抗剪粘结性能，试件破坏时多表现出部分界面+部分NC破坏和NC剪切破坏，完全界面破坏情形较少。

(3)NC基材和UHPC之间的界面抗剪强度随着NC界面粗糙度的增加而增大；NC界面进行凿毛、露筋和刻槽处理后，UHPC-NC界面可以获得良好的抗剪承载力，界面剪切破坏模式基本上为NC剪切破坏或部分界面+部分NC破坏。

(4)界面抗剪荷载-滑移曲线表明，植筋和刻槽界面显出较好的延性，露筋和钻孔界面破坏介于延性破坏和脆性破坏之间，而光滑和凿毛界面破坏则为脆性破坏。