用于湿接缝快硬UHPC的粘结性能研究

桂志伟

（1.上海城建物资有限公司，上海 200438；2.上海城市基础设施更新工程技术研究中心，上海 200032）

0 引言

超高性能混凝土（UHPC）具有较高的抗折、抗压强度，以40 mm×40 mm×160 mm的胶砂试件为例，其28 d抗折强度可超过30 MPa，抗压强度可超过140 MPa。加上其优异的流动性能，UHPC逐渐被用于快速桥梁施工（ABC），即在装配式桥梁预制构件的湿接缝连接中现场浇筑UHPC，这种方法可大幅度简化接缝配筋、不再需要对钢筋焊接，提高施工效率[1]。

鉴于UHPC在工程中作为湿接缝材料的应用案例逐渐增多，为探讨UHPC作为湿接缝材料的力学性能和安全性能，国内很多学者在其承载力和延性[2]，预制桥面板UHPC-U形钢筋湿接缝受力性能[3]、受弯性能[4]，采用UHPC现浇湿接缝连接的装配式桥墩抗震性能[5]、轴拉性能[6-7]等方面进行了深入的研究，并均取得了积极的成果。对于应用在结构湿接缝的UHPC，其与钢筋的握裹强度是非常重要的一项指标，陈雅婷[8]研究了UHPC与高强钢筋的界面粘结性能和极限粘结强度，结果表明，利用中心拉拔试验测得的平均极限粘结强度随着保护层厚度的增加而提高，且与钢筋直径和钢筋埋深的因素相比，保护层厚度对平均极限粘结强度影响更显著。周渊等[9]结合凝结时间调节剂，制备出快硬UHPC修补材料，并将其成功应用于窨井盖的实际维修中。笔者前期采用快硬UHPC与预制构件进行组合，形成的快硬UHPC-预制构件组合工法[10]，实现了型钢伸缩缝从封道维修到开放交通仅需7.5 h。快硬UHPC的早强、后期超高强度的性能特征将在城市轨道交通抢修中发挥重大作用，本文着重从快硬UHPC的粘结性能方面进行试验研究，为其作为湿接缝材料提供参考。

1 试验

快硬UHPC是在UHPC的基准配合比上，通过添加凝结时间调节剂，得到的一种可以在2～3 h内迅速凝结硬化、抗压强度达到30～40 MPa，28 d抗压强度可以达到100～140 MPa的快硬超高性能混凝土。

1.1 原材料

（1）快硬UHPC制备用原材料

水泥：南通海螺P·Ⅱ52.5水泥，主要技术性能见表1；硅灰：比表面积23 m2/g；凝结时间调节剂：上海住总工程材料有限公司优耐特干粉砂浆分公司，灰色粉末，相对密度3.05，比表面积36 m2/g；砂：河砂，细度模数2.6；水：自来水；减水剂：西卡聚羧酸高效减水剂A3，固含量20%，减水率28%；钢纤维：φ0.2 mm×13 mm直钢纤维。

表1 南通海螺P·Ⅱ52.5水泥的主要技术性能

（2）普通混凝土制备用原材料

水泥：金山南方P·O42.5水泥，主要技术性能见表2；粉煤灰：C类Ⅱ级，细度28.7%，需水量比101%，烧失量2.7%，含水量0.2%；矿粉：S95级，7、28 d活性指数分别为79%、102%，流动度比101%；砂：河砂，细度模数2.4；石：5～25 mm石灰石质骨料；水：自来水；减水剂：西卡聚羧酸高效减水剂ZK802，固含量10%，减水率21%。

表2 金山南方P·O42.5水泥的主要技术性能

1.2 快硬UHPC和C40、C50普通混凝土的制备

快硬UHPC的配合比如表3所示。先将粉剂（胶凝材料、凝结时间调节剂）与减水剂的水溶液搅拌5～8 min，然后加入砂搅拌3～5 min，最后边搅拌边缓慢加入钢纤维，待钢纤维完全添加后，继续搅拌3～5 min。

表3 快硬UHPC的配合比 kg/m3

C40、C50普通混凝土的配合比如表4所示，通过调整减水剂用量控制拌合物坍落度为（160±30）mm。

表4 C40、C50普通混凝土的配合比

1.3 快硬UHPC的性能测试

参照GB/T50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》测试快硬UHPC的扩展度；参照GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》和GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》测试快硬UHPC的抗折、抗压强度。

1.4 与钢筋的握裹强度测试

准备4组（每组6个）150 mm×150 mm×150 mm立方体木模，沿木模一对侧面的中心位置打孔，直径为20 mm，用于穿HRB400的带肋钢筋。钢筋总长度为500 mm，一端应恰好嵌入模壁，予以固定，另一端由模壁伸出约350 mm，用于施加荷载。模具制成后，将钢筋水平穿入模具中，等待浇筑混凝土。握裹强度参照GB/T50081—2019进行测试，试验设计见表5。

表5 握裹强度试验设计

1.5 与普通混凝土的粘结强度测试

按表4配合比成型4组（每组3个）150 mm×150 mm×150 mm立方体C40混凝土试件，标准养护至14 d，将试件劈成两半，得到150 mm×150 mm×75 mm的小试件，将劈开面清洗干净并保持湿润状态，垂直放入150 mm立方体试模一侧，试件光面紧贴试模壁，另一侧浇筑C50普通混凝土或快硬UHPC。粘结强度参照GB/T 50081—2019进行测试，试验设计见表6。

表6 粘结强度试验设计

2 试验结果与分析

2.1 快硬UHPC的流动性能和力学性能

快硬UHPC的流动性能和力学性能分别见表7、表8。

表7 快硬UHPC的流动性能

表8 快硬UHPC的力学性能

由表7、表8可见：

（1）快硬UHPC的扩展度在30s内快速达到280 mm，120 s扩展度超过300 mm，扩展后的UHPC表面光滑、气泡含量少，证明其具有优异的工作性。

（2）对于快硬UHPC，40 mm×40 mm×160 mm试件的3 h抗折强度达到10.9 MPa，抗压强度超过34.0 MPa；由3 h到3 d再到28 d，其后期强度也不断提高，3 d抗折强度达到21.1 MPa，抗压强度达到102.3 MPa；28 d抗折强度达到30.1 MPa，抗压强度达到187.1 MPa。100 mm×100 mm×100 mm立方体试件的28 d抗压强度也达到123.3 MPa，与40 mm×40 mm×160 mm的试件相比，抗压强度下降较多，主要与尺寸效应有关。

2.2 快硬UHPC与钢筋的握裹强度

快硬UHPC与钢筋的握裹强度如表9所示，钢筋握裹强度试验破坏照片如图1所示。

表9 快硬UHPC与钢筋的握裹强度

图1 握裹强度试验破坏照片

由表9和图1可以明显看出，快硬UHPC的3h握裹强度已经超过C40的28d握裹强度；快硬UHPC握裹试验破坏均不发生在UHPC基材的本身，3 h时，UHPC与钢筋还未形成十分紧密的握裹粘结，导致钢筋被拔出，使得测试结果偏小；3 d、28 d时，快硬UHPC与钢筋的握裹增强，因为UHPC自身的超高强度，使得握裹试验的破坏均是因钢筋断裂而结束。快硬UHPC与钢筋的握裹强度在3 h、3 d、28 d龄期较C40普通混凝土28d龄期时分别提高了26.8%、234.2%、295.1%。

2.3 与普通混凝土的粘结强度

快硬UHPC与普通混凝土的粘结强度如表10所示，劈裂抗拉试验破坏照片如图2所示。

表10 快硬UHPC与普通混凝土的粘结强度

图2 劈裂抗拉试验破坏照片

由表10和图2可以看出，利用C50普通混凝土作为新混凝土与原C40基材粘结，其28d劈裂抗拉试验的破坏位置主要发生在新老交界面处，且测试结果比整块C40基材略小；而快硬UHPC与C40进行粘结，3 h粘结强度超过了整块C40，但因为快硬UHPC仍处于强度的快速增长期，与C40的破坏界面粘结不够牢固，因此破坏界面主要发生在快硬UHPC上。到了3 d和28d龄期，由于快硬UHPC的强度得到比较充分的发展，补强了新老交界面的强度，在受劈裂抗拉的外力破坏时，整块基材的弱点体现在C40的旧混凝土上，因此破坏位置主要是C40基材。3 d、28 d粘结强度较3 h粘结强度分别提高了0.81、0.63 MPa，增幅分别为29.3%、22.8%，效果非常显著。

综合上述研究可知，快硬UHPC在3 h时虽然已经具备34 MPa左右的抗压强度（试件尺寸40 mm×40 mm×160 mm），但由于时间较短，与外界的交界面（钢筋、C40旧基面）没有形成牢固的粘结，导致钢筋握裹强度及粘结强度的3 h测试结果与3 d、28 d相比有较大的差距。3 d龄期及以后，快硬UHPC的握裹强度和粘结强度得到较大的提高。快硬UHPC作为抢修型湿接缝材料具有安全、可靠性。

3 结语

（1）快硬UHPC的扩展度可以在30s内快速达到280mm；40 mm×40 mm×160 mm试件的3 h、3 d、28 d抗折强度分别达到10.9、21.1、30.1 MPa，抗压强度分别达到34.0、102.3、187.1 MPa；100 mm×100 mm×100 mm立方体试件的28 d抗压强度也达到123.3 MPa；快硬UHPC具有明显的早强、超高强度和良好的工作性能。

（2）C40普通混凝土与钢筋的握裹强度28 d龄期为5.08 MPa，破坏在C40基材；而快硬UHPC与钢筋的握裹强度在3 h、3 d、28 d龄期分别为6.44、16.98、20.07 MPa，较C40普通混凝土28 d龄期时分别提高了26.8%、234.2%、295.1%，除3 h龄期是钢筋被拉出外，3 d、28 d龄期均为钢筋破坏。

（3）C50与C40普通混凝土的28 d粘结强度为2.36 MPa，低于整块C40，破坏在新老交界面；而快硬UHPC与C40普通混凝土的3 h、3 d、28 d粘结强度分别为2.76、3.57、3.39 MPa，均高于整块C40；除3 h龄期是UHPC被破坏，3 d、28 d龄期均为C40基材破坏。