UHPC-NC结合面粘结性能的研究进展

李涛，王爽倩，郑七振，龙莉波，马跃强

（1.上海理工大学 环境与建筑学院，上海 200093；2.上海建工二建集团有限公司，上海 200080）

0 引言

预制装配式混凝土框架结构是建筑工程中应用最广泛的结构形式之一，具有施工便捷、节约工期等优势，构件的连接方式是其关键技术。传统的装配式混凝土结构在接缝处采用普通混凝土（NC），而这种新旧混凝土结合面粘结性能较差，在使用过程中使得结合面出现了一系列问题。超高性能混凝土（UHPC）作为近年来新兴的土木工程材料，相对于普通混凝土具有更优异的力学性能和耐久性能[1-2]，且与预制混凝土构件的连接具有更高的粘结强度，在国内外已有许多实际装配式混凝土结构工程中采用了UHPC作为湿接缝材料[3-4]。

在实际工程中，影响UHPC-NC结合面构件性能的因素很多，不同因素对结合面强度的影响不同，使得UHPC-NC结合面构件服役性能存在不确定性。在服役寿命中结构会受到荷载、收缩和温度等作用而承受拉、压、剪等各种复杂应力，随着服役时间的延长，会产生不同程度的损伤，造成安全隐患。装配式混凝土结构中存在大量的UHPC-NC结合面，而UHPC-NC结合面是结构整体性和耐久性能最为薄弱的部位，被认为在结构遭受侵害时最先破坏。

UHPC-NC结合面的微细观结构决定了UHPC-NC结合面的整体宏观力学性能和耐久性能，而结合面的处理方式是影响UHPC-NC结合面微细观粘结机理的重要因素。国内外已针对UHPC-NC结合面粘结性能进行了较多的研究，本文以UHPC-NC结合面为研究对象，从微细观粘结机理、宏观力学性能与耐久性能3个方面梳理分析研究现状和存在问题，并对该领域尚未深入研究的内容进行展望，以期能够对装配式建造中混凝土结合面强度控制和处理有一定参考意义。

1 UHPC-NC结合面微细观粘结机理

UHPC-NC结合面的微细观粘结机理对从本质上认识UHPC-NC结合面的粘结问题，进而找到提高粘结性能的途径有着极为关键的作用。UHPC-NC结合面的粘结机理归根结底是新旧混凝土结合面的粘结机理。新旧混凝土结合面间的粘结力主要由机械咬合力、范德华力及化学胶着力组成[5-6]。机械咬合力主要是新混凝土的水泥浆灌入旧混凝土表面，硬化后新旧混凝土晶体交错抱合而形成的粘结力；范德华力由水泥石中的晶体和晶体之间以及晶体和集料之间的分子间相互作用力形成；化学胶着力主要来源于新混凝土的水泥成分、旧混凝土中未水化的部分与界面剂等之间的反应。水泥的水化特性和针状钙矾石、毛刺状C-S-H凝胶的水化产物能长入旧混凝土孔隙的特性，以及旧混凝土表面的粗糙度和孔隙等为新旧混凝土结合面的机械咬合力的存在提供了基本条件，对新旧混凝土的粘结起着主要作用。在一定范围内增加结合面粗糙度、使用界面剂等能提高UHPC-NC结合面粘结性能，这也可以得到微细观的验证。

粗略地说，新旧混凝土结合面是新混凝土的砂浆和旧混凝土表面已经硬化的砂浆石与旧混凝土表面露出的粗骨料的结合面组成的，但新旧混凝土结合面有着更复杂的化学和物理过程，所以研究也更为困难。目前，已有一些学者根据粘结机理建立了粘结模型，如图1所示。

从图1可以直观地看到，随着研究的深入，混凝土粘结模型愈加成熟，但仍然和实际情况有一定的差距。现实中旧混凝土表面的粗糙度、内部的骨料分布及孔隙等均存在随机性，UHPC与NC接触的结合面也各不相同，并考虑损伤随机演化观点[10-11]对UHPC-NC结合面更进一步的研究。

图1 混凝土粘结模型

相较于普通混凝土，UHPC-NC结合面有更强的粘结性能，主要体现在[12]：（1）普通混凝土中含有粗骨料，粗骨料可以很容易地与旧混凝土表面建立点接触，骨料堆积在旧混凝土表面，阻止了水泥浆进入旧混凝土凹槽和孔隙，从而导致结合面存在缝隙，降低粘结性能；（2）普通混凝土的水灰比高于UHPC，在结合面的过渡层中，水灰比高的新混凝土水化产生的氢氧化钙和钙矾石晶体形态大、数量多，在特定取向周围排列的晶体形成了有序优先取向的晶体结构，增大了孔隙率，疏松了内部结构。

而在UHPC-NC结合面中钢纤维对提高结合面的粘结性能也起到了十分重要的作用[13]，UHPC-NC结合面中钢纤维增强粘结强度机理主要有如下3个方面[14]：（1）钢纤维能减小UHPC收缩量，有效降低收缩应力和收缩裂缝风险；（2）无序乱向的钢纤维提高了UHPC-NC结合面的粗糙度，结合面处的钢纤维伸入普通混凝土的孔隙带来更高的机械咬合力；（3）UHPC-NC结合面受力过程中，钢纤维与钢纤维的桥连作用能有效抑制微裂缝发展，改变结合面破坏形态。

综上所述，UHPC-NC结合面相比NC-NC结合面具有更强的粘结性能。UHPC-NC结合面微细观粘结机理的分析为研究UHPC-NC结合面宏观力学性能和耐久性能奠定了基础，也是装配式结构中结合面研究进行既有结构可靠性分析的前提和保障，但目前对于UHPC-NC结合面粘结机理研究仍不成熟。

2 UHPC-NC结合面宏观力学性能的试验研究

UHPC-NC结合面的宏观力学性能是反映结合面粘结性能重要且直观的手段，而表面粗糙度、连接键设置、湿润度、清洁度和界面剂等不同的结合面处理情况都会对宏观力学性能产生不同影响。目前UHPC-NC结合面粘结试验方法未有统一标准，国内外主要进行了粘结抗拉试验、粘结抗剪试验和粘结弯曲试验，如图2所示。

图2 结合面粘结性能试验示意

2.1 粘结抗拉性能

美国ACI546-06混凝土修复指南[15]规定了混凝土基体与修复材料之间最小可接受的直接抗拉粘结强度，1 d龄期为0.5～1.0MPa，7d龄期为1.0～1.7MPa，28d龄期为1.7～2.1MPa。1999年Sprinkel和Qzyildirim[16]给出了结合面抗拉粘结强度的评价标准，如表1所示，Tayeh等[17]采用这套定量评价标准对实验数据进行了分析。

表1 结合面抗拉粘结强度的评价标准

粘结抗拉试验方法主要包括直拉试验和非直拉试验2种。直拉试验一般采用棱柱体或狗骨型试件进行试验，Yang等[18]采用100mm×100mm×300mm的棱柱体研究了基材表面粗糙度、UHPC龄期、基材含水率、UHPC固化条件、NC基材强度、界面剂和膨胀剂等7个因素对UHPC-NC结合面粘结强度的影响以及UHPC-NC结合面粘结增强机理，还根据相应的直拉试验结果反算了界面粘结强度的摩擦系数。霍书亚[19]采用狗骨型试件进行了轴拉试验，并用外国学者提出的tractionseparation粘结单元进行有限元模拟，分析得出的结果与实际数据和现象基本相符。

非直拉试验一般采用劈裂抗拉试验，Yang等[18]采用ASTM C496中直径150 mm、高300 mm圆柱体，Feng等[12]采用GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》中边长150 mm立方体作为研究对象。Tayeh等[17，20]采用直径100 mm、高200mm圆柱体试件，对其结合面进行不同处理，研究了结合面处理方式和养护龄期对劈裂抗拉性能的影响，结果表明，喷砂效果最好，且养护龄期越长粘结性能越好。对相关文献中UHPC-NC结合面粘结抗拉性能试验数据进行统计，如表2所示。

表2 UHPC-NC结合面粘结抗拉性能试验结果

显然，光滑的结合面粘结强度普遍较低，甚至不符合ACI 546-06的最低粘结强度要求；经过处理的结合面能满足ACI 546-06的最低粘结强度要求。因此，在浇筑形成结合面时，进行对混凝土基体表面进行处理准备十分有必要。A、B、C三种试件破坏形式的劈拉强度是逐渐提高的，C型破坏的UHPCNC结合面粘结效果最好。统计相关数据可知，单纯的结合面破坏在总量中所占比重很低，50%以上的UHPC-NC结合面失效发生在NC基体中，而NC基体与UHPC之间没有分离，是理想的失效模式，这表明UHPC具有优异的键合行为，采用合理的结合面处理方式会使强度得到较大提高。所有的文献都反映了粘结抗拉试验获得的粘结抗拉强度值较大，这可能与实验操作较难控制有关，如加载轴易发生错位而导致偏心加载，表面处理十分繁琐较难控制同一处理结果一致等，因此容易影响试验结果的准确性和可信性。

2.2 粘结抗剪性能

粘结抗剪试验通常分为直剪试验和斜剪试验，直剪试验一般有单面直剪、双面直剪、Z型直剪，斜剪试验是结合面受压应力和剪应力的联合作用，许多学者进行了不同角度的斜剪试验[12，26]。对相关文献中UHPC-NC结合面粘结抗剪性能试验数据进行了统计，如表3所示。

表3 UHPC-NC结合面粘结抗剪性能试验结果

劈裂拉伸试验比斜剪试验得到的结果更准确，但斜剪试验得到粘结强度值更高，通过总结前人粘结强度试验结果，对比分析从高到低的排序为：斜剪强度、直剪强度、劈拉强度、直拉强度。因此，要充分分析UHPC-NC结合面所处的受力状态，采用合适力学方法进行试验。

传统的粘结性能测试方法并不能充分评价收缩对UHPCNC结合面粘结性能的影响，因此Feng等[27]设计了一种环向约束方法，将边长为100mm的混凝土立方体固化8个月，然后在中心钻一个直径为55 mm的孔将UHPC倒进洞里，进行剪切强度试验。环向约束法有效地反映UHPC克服了显著的自收缩效应，获得了良好的键合宏观性能。

Valikhani等[30]采用双面直剪试验，试验结果表明，结合面处理和配筋率对UHPC-NC结合面的抗剪强度有显著影响，利用试验的结果，并根据粘聚力和摩擦力建立了一个设计方程来估计结合面剪切强度[见式（1）]，此外还进行了有限元模拟，校准界面模型参数。试验和数值研究的结果以及所提出的设计方程可以估算存在机械连接件的UHPC-NC结合面的抗剪强度。

式中：C——粘聚力，MPa；

μ——摩擦系数；

ρ——配筋率，%；

fy——横向钢筋的屈服强度，MPa。

Farzad等[31]利用有限元建模方法为三点弯曲试验、直剪试验和斜剪试验提供了更好的失效载荷估计，以预测结构承载能力。有限元分析对建立标准化和规范化的研究具有重要意义，使得无法试验的大规模分析和计算成为可能，可以使复杂工程问题分析就变为现实，但目前还没有被成熟地运用到UHPC-NC结合面的研究中来。

2.3 粘结弯曲性能

粘结弯曲试验主要通过三点弯曲法来评估UHPC-NC结合面抗弯折性能。对相关文献中UHPC-NC结合面粘结弯曲性能试验数据进行了统计，如表4所示。

表4 UHPC-NC结合面粘结弯曲性能试验结果

用于评价UHPC-NC结合面弯曲性能的三点受弯试验目前应用并不广泛，从表4不难看出，不同的结合面处理方式对抗弯强度有很大的影响。

3 UHPC-NC结合面耐久性能的试验研究

国内外对UHPC-NC结合面耐久性能方面的研究较少，目前主要集中在抗冻性和抗渗性两方面。冯虎[32]对边长为100 mm立方体的UHPC-NC结合面试件经过15、20、25、40、50、75次冻融循环后进行劈裂抗拉强度试验，结果表明，UHPCNC结合面强度随冻融循环次数增加而下降的速度减缓，并在已有劈拉强度计算公式的基础上建立了同时考虑NC劈拉强度、冻融循环次数和钢纤维含量特征参数影响的UHPCNC结合面粘结劈拉强度的计算公式。Feng等[27]在10次干湿循环和18次冻融循环试验中发现，NC-NC结合面粘结强度分别降低了30.8%和20.5%；而UHPC-NC结合面粘结强度分别降低了9.5%和6.9%，显然UHPC的粘结强度的下降明显低于NC，结果证实了UHPC具有良好的结合性能。张孝臣[26]将有剪力键和没有剪力键的结合面试件分别进行0、25、50、75、100、125、150次冻融循环，然后进行直接剪切试验，结果表明，有剪力键的结合面试件随冻融循环次数增加剪切强度退化的更慢，冻融循环影响更小。李先平等[33]将边长为100 mm的立方体试件先进行分别为0、25、50、75、100、125次冻融循环然后进行结合面处理浇筑另一半，另一种是先浇筑好结合面试件再进行冻融循环，实验结果表明，冻融循环后的结合面试件劈裂抗拉强度低于未冻融循环的结合面试件，并随冻融循环次数的增加而降低，后一种结合面试件劈裂抗拉强度随冻融循环次数的增加急剧下降，其粘结强度的劣化比前一种结合面试件要严重得多。

欧阳志鹏等[34]分别采用了清理+湿润、清理+不湿润、不清理+湿润和不清理+不湿润的4种结合面制作了高150 mm、上底直径175 mm、下底直径185 mm的标准圆台试件进行了抗水渗透试验，结果表明，洒水湿润结合面抗渗性能降低，可能是局部积水改变混凝土水灰比，增加了混凝土的孔隙率导致的。因此在洒水湿润时应冲去结合面未清理彻底的积灰，且后浇混凝土前应将结合面积水晾干，以减小对抗渗性能的不利影响。冯虎[32]、高丹盈等[35]也进行了标准圆台试件抗水渗透试验，并建立了渗流计算模型。

4 结论与展望

虽然国内外对UHPC-NC结合面粘结性能的研究已有一定时间，也取得了一些成果，但由于问题的复杂性和测试条件的多样性，仍有许多问题需要解决。

（1）UHPC作为预制装配式混凝土结构构件的连接材料涉及较多错综复杂的因素，相关的研究较少。未来应该更深入研究UHPC-NC结合面微细观粘结机理和宏观力学性能，致力于建立UHPC-NC结合面微细观粘结机理与宏观力学性能的联系。

（2）结构处于复杂静、动荷载耦合作用下，但目前UHPCNC结合面宏观力学性能的试验研究主要关注于静力特性和单一力学特性，涉及动力特性、疲劳特性和复杂受力状态下的研究较少，有待进一步全面深入地研究。

（3）已有对UHPC-NC结合面抗冻性能和抗渗性能的研究，但基于现状还需要开展严酷环境腐蚀下和高温环境下UHPC-NC结合面粘结性能的劣化研究，为恶劣环境下使用存在UHPC-NC结合面的装配式结构提供技术支持。

（4）对于较难实现或者数据离散性较大的试验，建议进行有限元模拟研究，同时不断完善模拟为后续深入研究做准备。

（5）联合考虑UHPC与NC的材料特性，结合实际工程中UHPC-NC结合面所在的典型应力状态，不断优化装配式结构中UHPC-NC结合面的合理设置位置。