不同配置的 UHPC 粘接加固钢纤维复合混凝土板性能测试研究

黄子俨

摘要：以研究用超高性能混凝土（UHPC）加固的复合钢筋混凝土（RC）板的性能，对9个矩形试件进行了试验。试样为2个系列，具有不同的UHPC强化配置，第1个是修复系列，测试UHPC作为修补老化混凝土结构的修补材料；第2个是UHPC覆盖系列，用于加固钢筋混凝土构件的拱腹。结果表明，与未进行UHPC加固的钢筋混凝土板相比，使用修复系列，UHPC减少了斜裂缝，并产生了更多的弯曲裂缝。UHPC在开裂后范围内表现出优异的能量吸收和广泛的挠曲硬化和延展性。在UHPC覆盖层系列中，每个板都显示出对角剪切裂缝和脱粘模式。UHPC覆盖层延缓了剪切裂缝的发展，随着覆盖层厚度的增加，极限荷载增加；但UHPC发生断裂失效的趋势也增加。

关键词：UHPC复合混凝土板；UHPC覆盖层；康复；结构行为；抗剪承载力；延展性

中图分类号：TU528.572            文献标志码：A         文章编号：1001-5922（2023）03-0105-05

Experimental study on performance of reinforcedconcrete  slabs  strengthened  with  different  proportion of ultra-high performance concrete

HUANG Ziyan

（Guangxi Lvfa Real Estate Group Co.，Ltd.，Nanning 530200，China）

Abstract： Nine rectangular specimens were tested to investigate the behaviour of composite reinforced concrete （RC）slabs strengthened with ultra-high performance concrete（UHPC）. The specimens were two series with vari- ous UHPC strengthening configurations. The first，a rehabilitation series，tested UHPC as patch material for repair-ing deteriorated concrete structures. The second，a UHPC overlay series，was used to retrofit soffits of RC members. The results showed that using the rehabilitation series，the UHPC reduced diagonal cracking and developed more flexural cracks as compared to RC slabs with no UHPC strengthening. The UHPC exhibited excellent energy absorp-tion with extensive deflection hardening and ductility during the post cracking range. In the UHPC overlay series， each slab showed diagonal shear cracks and debonding modes. The UHPC overlay delayed the development of shear  cracking. As the overlay thickness increased，the ultimate load increased；but the tendency for the UHPC to undergo fracture failure also increased.

Keywords： composite UHPC-concrete slabs；UHPC overlay；Rehabilitation；structural behaviour；shear capacity； Ductility

超高性能混凝土（UHPC）是混凝土技術的一个进步。它是一种活性粉末混凝土（RPC）与钢纤维的混合物，最初由Richard和Cheyrezy开发[1-3]。通常，UHPC 提供150～200 MPa的高抗压强度，无需热固化。此外， UHPC或超高性能纤维增强混凝土（UHPFRC）具有优异的机械性能，如耐久性、低渗透性和能量吸收[4-7]。由于其优越的性能，许多研究人员已经阐述了UHPC 构件的结构响应，对具有不同总跨度和剪切跨度的 UHPC桥梁进行了全尺寸试验，以及进行了 UHPC 的多种结构测试。结果表明，UHPC 显著改善了韧性行为，钢筋和钢纤维可以有效地控制裂缝宽度和延性[8-10]。为了观察UHPC加固的性能，评估UHPC覆盖层加固的 RC构件在弯曲时的性能试验。结果表明，UHPC覆盖层在极限荷载、刚度和开裂行为方面提高了结构性能。在钢筋混凝土板的临界冲切区域内使用UHPC提高了抗剪能力，并显著影响了冲切剪切区域的开裂模式。此外，测试了用常规延性纤维增强水泥基复合材料（DFRCC）修复的RC梁。采用2种厚度的 DFRCC作为混凝土保护层厚度，结果表明， DFRCC延迟了DRFCC与原始RC梁之间的粘接界面失效[11-13]。然而，与UHPC相比，DFRCC具有较低的机械性能，尤其是承载能力。

由于UHPC的新特性，受UHPC层强化影响的复合构件的行为尚未完全阐明。特别是，文献中关于复合构件的研究非常有限，其中包括将额外UHPC覆盖层应用于现有RC构件的覆盖层。据作者所知，目前还没有关于UHPC用于修复劣化混凝土的修复方案的公开报告。因此，需要在这方面开展更多的实验工作。

1 实验计划

1.1 试样和参数说明

本实验研究使用了9块矩形混凝土板和各种 UHPC复合混凝土结构。采用了2个具有不同复合结构的试验系列。第1个系列使用 UHPC作为修复材料，其标记为RE；第2个标记为OV。RE系列由5块板组成，而OV系列使用4块板。每个板长1600 mm，净跨度1200 mm。它们在三点荷载条件下进行了测试。图1显示了2个系列采用的各种复合UHPC混凝土配置的全部细节。RE系列由5块板组成，其横截面为300 mm宽，100 mm高。本系列旨在研究UHPC作为补片材料在张力区的应用，以修复和修复结构构件。在本系列中，考虑了不同的UHPC厚度，以反映不同程度的劣化和修复[14]。

OV系列由4块横截面尺寸与RE系列相似的板组成，但具有不同的额外UHPC覆盖层，以加强张力区。考虑了2种厚度：25、50 mm的UHPC覆盖层；制备了2种覆盖层厚度的平板试样，一个未加固，而另一个具有5根直径T10 mm的高强度钢筋作为纵向钢筋（5T10）。

2个系列的平板试样分2个阶段制备。首先，浇筑普通强度混凝土（NSC），然后混合UHPC并将其浇筑到混凝土基底上。准备6个100 mm 标准立方体和6个100 mm×200 mm标准圆柱体进行抗压强度测试。所有混凝土板、立方体和圆柱体均在相同条件下固化，在环境温度下，用湿麻布覆盖7 d，然后在测试当天（第28 d）之前的剩余时间进行干燥露天。28 d时，立方体的NSC平均抗压强度为33 MPa，圆柱体的平均抗压强度为23 MPa。在 NSC硬化后，为了为 UH- PC 层创造良好的粘接表面，特意将混凝土的顶面粗糙化[15-17]。浇筑UHPC之前，将混凝土基底表面润湿10 min，并用布擦干。与NSC不同，UHPC是在实验室手动制备的。2个系列准备了3个单独的UHPC混合物。UHPC 材料性能和配合比设计如表1所示；本研究使用的UHPC混合料设计的机械强度特性如表2所示；图2显示了UHPC层浇筑前后板坯试样的制备。

1.2 测试设置和仪器

所有板试件均简单支撑，并承受图1所示的3点荷载配置。每个板的净跨度为1200 mm，并在中跨处承受集中荷载，荷载率为0.1 kN/ms。支架和荷载点之间的剪力跨度为600 mm，对应于无UHPC覆盖层的板的剪力跨度与有效深度比为8.11。使用了2种类型的仪器，线性可变差动传感器（LVDT）测量垂直跨中挠度。2个LVDT安装在跨中楼板拱腹下方的楼板上。根据两个LVDT的平均值绘制垂直挠度。对于RE系列的板试样，在底部纵向钢筋跨中安装了2个应变计。对于OV系列的OV-25a和OV-50a板，除了混凝土基底底部纵向钢筋上的2个应变仪外，在 UHPC层纵向钢筋上还附加了2个应变计。如图3所示，使用了5 mm标距长度的 KYOWA防水应变计。在安装量规之前，将钢筋打磨至稍微平坦的表面，以便于放置量规；然后用砂纸打磨地面，并用丙酮溶剂清洁，之后用水泥胶连接压力表。为防止混凝土浇筑过程中应变仪损坏，所有应变仪都用一层硅树脂保护。

2 UHPC材料

本研究中UHPC的设计强度目标为150 MPa。选择用于本研究的混合比例和成分如表2所示。为了获得UHPC混合料的流变学和机械性能，进行了抗压强度试验、三点弯曲试验及和易性试验。

2.1 抗压强度试验

从每种混合物中收集4个立方体和圆柱体样品，以测量其抗压强度。铸造后，所有样品均在与板坯试样相同的环境中固化和處理。在这项研究中，为RE 和OV系列的平板试样制备了3种混合物。在尝试几种不同百分比的钢纤维后，发现3%的钢纤维达到了最佳性能，因此选择了该研究。

2.2 三点弯曲实验

为进行三点弯曲强度试验，每种混合物制备3个截面尺寸为100 mm×100 mm的500 mm长棱柱试样。对含3%钢纤维的UHPC试样进行试验设置，所有的样品也被仪器化以测量垂直偏转，在试样的顶部和两侧安装了2个LVDT。这样的布置确保了LVDT在测试期间或之后不会损坏。0%钢纤维（普通UHPC）和3%钢纤维的荷载与挠度如图4所示。

2.3 和易性试验

对新鲜UHPC混合物进行了和易性试验。在铸坯试样之前立即获得新鲜UHPC的样品。混合物的和易性是基于最大扩散的平均垂直直径测量的。充分可加工性和最佳包装密度的可接受延伸性极限应在200～300 mm。

3 实验结果和讨论

3.1 RE 系列

3.1.1 极限强度和破坏模式

表3为RE系列板的极限试验破坏荷载及其各自的破坏模式。RE-0板是由NSC制成的参考试样。它在等于61.08 kN的极限载荷Pu 下失效，对应于18.32 kN·m的极限力矩Mu，exp。基于精确材料特性计算的弯矩承载力Mfle为15.51 kN·m，因此板RE-0的破坏荷载实际上超过了截面的全部弯矩承载力。

RE-20模拟了使用20 mm厚UHPC覆盖层修复劣化混凝土。其破坏不像 RE-0板那样突然和破坏性。加强的UHPC混凝土覆盖层增强了拉伸区，并延迟了斜向剪切裂缝的形成。试样遭受剪切压缩破坏，混凝土破碎和对角剪切开裂，随后UHPC层断裂和脱粘。RE-20在57.18 kN的极限荷载 Pu 下失效。与 RE-20不同，RE-32中没有UHPC层脱粘的迹象。尽管混凝土基底中可见一些倾斜裂缝，但未发生剪切破坏趋势。与参考板RE-0相比，RE-32极限Pu 仅为43.68 kN。RE-50用50 mm厚的 UHPC加固，相当于板厚度的一半。UHPC层没有脱粘迹象，混凝土基底也没有倾斜裂缝。破坏模式为延性弯曲破坏，其特征是混凝土在压缩区破碎，然后是穿过UHPC层的主要弯曲裂缝断裂。根据对RE-20、RE-32和RE-50的观察，随着UHPC增强的拉伸区厚度的增加，对角剪切破坏的可能性降低。RE-100是由UHPC制成的参考试样，它达到了 RE 系列的最高极限破坏载荷（Pu=112.95 kN）。

3.1.2 跨中挠度响应

图5绘制了 RE系列板的荷载与跨中挠度的关系。曲线基于安装在跨中拱腹下方的2个LVDT的平均值，板RE-0表现出准线性荷载-挠度响应，当拉伸区用UHPC层加固时，加固板的整体性能完全改变。所有UHPC混凝土板在开裂后范围内都经历了广泛的挠曲硬化和延性。随着UHPC层厚度的增加，加固板延性指数降低。RE-20的延性指数为2.85，而 RE-32和 RE-50的延性指数分别为1.90和1.11。这意味着UHPC加固张力区可以减轻作用在纵向钢筋上的拉力。最终，加固板的破坏受到受压区混凝土强度的限制。可以清楚地观察到，RE-32和 RE-50在延性弯曲中失效，当板为全 UHPC 截面时，如 RE-100、RE-20、RE-32和 RE-50中出现的现象被抑制。当纵向钢筋屈服时，RE-100的刚度得到改善，挠度最小。

每个板在纵向钢筋处安装了两个应变仪。图6中绘制的钢应变曲线基于两个应变仪的平均值。图中的垂直虚线显示了实验获得的钢屈服应变εy=2446.8με。通常，除RE-0外，所有板中都观察到纵向钢筋的屈服。实验结果表明，与 RE-0相比，在拉伸区提供的 UHPC实际上可以缓解纵向钢筋所经历的初始应变，这在板RE-32和RE-50中可以清楚地观察到。与跨中挠度响应类似，发现所有加固板在开裂后范围内都经历了显著的硬化（应变）和延性。值得注意的是，在约45 kN的荷载下，由于UHPC和NSC之间的复合粘结界面破裂（脱粘），板RE-20中的应变突然增加。

3.2 OV系列极限强度和脱粘破坏模式

如前所述，OV系列由4块横截面尺寸与RE系列相似的平板组成。唯一的区别是额外的UHPC覆盖层加强了张力区。无论UHPC覆盖层厚度如何，所有加固板均在NSC中发生剪切破坏。UHPC覆盖层实际上有助于延缓斜向剪切裂缝的发展，一旦斜向剪切裂缝形成，最终破坏占主导地位。在某些情况下，UHPC 和NSC之间的复合界面发生脱粘破坏。

根据观察，UHPC覆盖层的厚度似乎不会显著影响板的极限强度和破坏模式。OV-25和OV-50分别在73.57、77.97 kN的极限荷载下以相对相似的方式失效，只有6%的边缘差异。这主要是因为2个板的极限失效均由复合界面处的脱粘失效控制。尽管发生了这种破坏，但2块板的极限强度均比 RE-0高约24%。还必须注意的是，UHPC 层的断裂破坏倾向更高，覆盖层更厚，如图1的 OV-50和 OV-50a板所示。

实验结果表明，只要提供足够的保护层以有效粘接，UHPC层内纵向钢筋的存在会提高板的极限强度。例如，OV-50a的极限荷载为95.06 kN，比 RE-0的极限荷载增加了55.6%。板 OV-25a 的强度仅比 OV-25的强度高6%。

4 结语

（1）在RE系列中，UHPC加固配置极大地影响了复合UHPC混凝土板的破坏模式和裂缝模式。结果表明，随着UHPC层厚度的增加，其破坏模式从脆性对角剪切破坏转变为韧性挠曲破坏。虽然没有观察到极限强度的提高，但所有加固板都表现出了出色的能量吸收能力，具有广泛的挠曲硬化和延性；

（2）在 OV系列中，所有在其拱腹处用 UHPC覆盖层加固的板都在剪切中失效。板在NSC中显示出对角剪切裂缝，然后在UHPC混凝土界面处脱粘。结果表明，UHPC覆盖层提高了板的整体刚度，并延缓了剪切裂缝的发展。通过在UHPC层中添加钢筋，可以观察到极限强度的进一步增强。然而，需要足够的混凝土保护层，以确保有效的全粘接发展；

（3）这项研究的结果非常有希望，并证明了UH- PC 作为结构应用的优异增强材料的潜力。

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