饒欣頻，霍文斌，胡智敏，張 陽

(1 廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司， 廣州 510010；2 湖南大學(xué)風(fēng)工程與橋梁工程湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(tǒng)材料被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代土木工程結(jié)構(gòu)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(xué)及生物的作用下，世界各國的混凝土結(jié)構(gòu)都普遍出現(xiàn)了不同程度的損傷或破壞，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的承載能力逐漸下降甚至垮塌，嚴(yán)重影響了混凝土結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性。鑒于混凝土結(jié)構(gòu)的維護(hù)加固工程量龐大，研發(fā)高效、耐久、低成本的混凝土結(jié)構(gòu)維修加固技術(shù)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(qiáng)度、超高韌性、超高耐久性等優(yōu)異性能[2-4],是當(dāng)今世界上先進(jìn)的水泥基復(fù)合材料。目前的一些研究和工程應(yīng)用已經(jīng)表明UHPC是一種有前途的損傷鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的加固維修材料[5-8]。瑞士首先針對(duì)橋梁的典型性劣化損傷，比較系統(tǒng)地研究和實(shí)踐了用UHPC維修加固混凝土橋梁，并通過歐洲的聯(lián)合項(xiàng)目在歐洲國家推廣應(yīng)用[9]。UHPC加固混凝土結(jié)構(gòu)的潛在優(yōu)點(diǎn)主要來源于其超高的力學(xué)性能和不可滲透性，UHPC加固層既可增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的使用年限[10]。

采用UHPC薄層加固方法形成UHPC-NC組合構(gòu)件共同抵抗外部荷載時(shí)，能否保證兩種材料協(xié)同工作是實(shí)現(xiàn)有效加固N(yùn)C結(jié)構(gòu)需要解決的關(guān)鍵問題，因此作為組合構(gòu)件受力薄弱環(huán)節(jié)的UHPC與NC交界面(UHPC-NC界面)的粘結(jié)可靠性直接影響構(gòu)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(yàn)，探討了UHPC層與NC基材之間的粘結(jié)特性，研究參數(shù)包括界面粗糙度、混凝土濕潤度和凍融循環(huán)等。結(jié)果表明，無論哪種研究參數(shù)和外荷載，兩種材料之間的界面粘結(jié)性能都能有效實(shí)現(xiàn)對(duì)原有混凝土結(jié)構(gòu)的加固，并指出了在表征界面粘結(jié)性能方面存在的挑戰(zhàn)，包括基材界面粗糙度的標(biāo)定、試件過早失效、材料強(qiáng)度不匹配和測(cè)試方法一致性等。Tayeh B A等[13-14]通過斜剪和劈裂試驗(yàn)，研究了UHPC-NC界面的結(jié)合強(qiáng)度，并通過水、氣體和快速氯離子滲透試驗(yàn)評(píng)價(jià)了滲透性能。試驗(yàn)結(jié)果表明，UHPC層與NC基體的粘接強(qiáng)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(jìn)行了UHPC-NC界面的直接拉伸試驗(yàn)，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(yàn)所得到的界面黏聚力值，結(jié)合已有界面斜剪試驗(yàn)結(jié)果反推出UHPC與NC基材之間的摩擦系數(shù)。國內(nèi)季文玉等[16]對(duì)配筋UHPC-NC組合梁的界面受力性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究和有限元分析，并探討了側(cè)向壓力對(duì)結(jié)合面強(qiáng)度的影響。

綜上所述，現(xiàn)有研究基本上是采用斜剪、劈拉和拉拔試驗(yàn)等方法來研究UHPC-NC界面的粘結(jié)性能(斜剪強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度和直拉強(qiáng)度)，而UHPC-NC界面的直剪性能目前還未見有相關(guān)研究。因此，本文通過常溫條件下現(xiàn)澆UHPC與NC界面的抗剪推出試驗(yàn)，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(jié)性能和破壞模式。同時(shí)，結(jié)合斜剪試驗(yàn)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(hù)條件對(duì)UHPC-NC界面抗剪性能的影響。本文研究將為UHPC加固損傷NC結(jié)構(gòu)的界面設(shè)計(jì)和施工可提供依據(jù)與有益的參考。

1 推出試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 材料性能

試驗(yàn)中NC按照C50混凝土配制。試驗(yàn)用UHPC由水泥、石英砂、硅灰、粉煤灰、石英粉、高強(qiáng)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(zhì)量比為1∶1.1∶0.2∶0.1∶0.2；高強(qiáng)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(qiáng)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(yàn)，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(yàn)中的栓釘采用4.6級(jí)直徑13mm的栓釘，其屈服強(qiáng)度為453MPa。NC中鋼筋為HRB400鋼筋，其屈服強(qiáng)度為400MPa。

1.2 推出試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

如圖1所示，試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭谢炷敛糠值某叽鐓⒄找?guī)范ENV 1994-2[17]中所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)推出試件來確定，兩側(cè)UHPC層的厚度為50mm，層內(nèi)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(jù)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(gè))推出試驗(yàn)?zāi)Ｐ?。試?yàn)?zāi)Ｐ椭谱鬟^程：首先澆筑NC部件，常溫養(yǎng)護(hù)60d；然后對(duì)NC兩側(cè)界面進(jìn)行相應(yīng)的界面處理，并對(duì)界面充分灑水濕潤；最后在NC兩側(cè)澆筑UHPC層、常溫養(yǎng)護(hù)28d后加載。

圖1 推出試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

NC界面的處理方式如圖2所示。光滑組對(duì)界面未進(jìn)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(hù)層鑿掉，露出NC表層鋼筋約50%的界面面積；刻槽組的每個(gè)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(gè)界面鉆9個(gè)孔；植筋組的每個(gè)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(yàn)加載及測(cè)試

如圖3所示，采用千分表測(cè)試界面相對(duì)滑移位移，每個(gè)試件界面的兩側(cè)分別對(duì)稱設(shè)置2個(gè)千分表，共4個(gè)千分表。推出試驗(yàn)采用液壓千斤頂進(jìn)行加載(圖3)，加載千斤頂額定噸位為150t，試驗(yàn)荷載值由壓力傳感器測(cè)得。加載方式采用單點(diǎn)連續(xù)加載，試驗(yàn)前先進(jìn)行預(yù)壓，即預(yù)壓到200kN，然后卸載至0；再逐級(jí)正式加載，試驗(yàn)加載為每20kN一級(jí)。

圖3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ图虞d示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 破壞模式與試驗(yàn)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(jié)面上，破壞時(shí)NC未出現(xiàn)損傷或脫落，兩種材料的界面保持光滑或粘結(jié)少量的NC(粘結(jié)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(shí)UHPC界面部分粘結(jié)NC基體或骨料(粘結(jié)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(yàn)失效時(shí)UHPC界面粘附著大量的NC(粘結(jié)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(shí)，刻槽內(nèi)UHPC鍵齒和鉆孔內(nèi)UHPC榫均已剪斷，植筋組破壞時(shí)，界面處植筋栓釘已經(jīng)屈服。

圖4 試件典型破壞模式

推出試驗(yàn)得到的各組試件的荷載特征值及對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)的界面滑移；D為UHPC粘結(jié)NC部分的厚度；R為破壞后UHPC粘結(jié)的NC部分所占整個(gè)界面面積的比例。

推出試驗(yàn)結(jié)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(xiàn)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(duì)偏低，這是因?yàn)橹步罱M和鉆孔組的NC界面未作處理(光滑)，結(jié)合面粗糙度較低，使得UHPC與NC粘結(jié)性能相對(duì)較弱，加之栓釘、鉆孔的數(shù)量和截面積較小，植入NC內(nèi)的UHPC榫和栓釘提供的抗剪能力也相對(duì)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(cè)(C類破壞)，UHPC粘結(jié)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(jié)強(qiáng)度較高，其界面抗剪能力甚至可以超過NC自身的材料強(qiáng)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(shí)UHPC側(cè)面粘結(jié)了部分普通混凝土基體或碎石骨料，粘結(jié)在UHPC側(cè)面上的剝離NC面積占整個(gè)界面的平均比例為24%。而植筋組和鉆孔組的界面基本表現(xiàn)為完全界面剪切破壞(A類破壞)，破壞時(shí)NC面基本完整或粘結(jié)少量的NC。從試件達(dá)到極限荷載時(shí)的界面滑移量來看，植筋組界面在抗剪過程中呈現(xiàn)了一定的延性，界面完全剝離破壞時(shí)的最大界面相對(duì)滑移高達(dá)4.5mm，且栓釘僅屈服、未剪斷；其余各組達(dá)到極限荷載時(shí)的界面滑移在0.327～0.783mm范圍內(nèi)，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(gè)試件抗剪強(qiáng)度、破壞形式差異較大，試件GH-1極限荷載高達(dá)到1 013kN，破壞形式為NC受剪破壞；而試件GH-2僅加載到187kN時(shí)，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(jié)強(qiáng)度；但從另一方面來說，光滑UHPC-NC界面的粘結(jié)可靠性較差，在施工過程中操作稍有不當(dāng)就會(huì)對(duì)界面粘結(jié)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(duì)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?yàn)樵囼?yàn)?zāi)Ｐ偷慕孛娉叽巛^小，加之UHPC齡期不長，因此UHPC收縮對(duì)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(xué)作用減弱了界面粘結(jié)強(qiáng)度，這個(gè)原因還需要進(jìn)一步研究。

2.2 荷載-滑移曲線

通過圖3所示的千分表測(cè)試每級(jí)荷載下推出試件4個(gè)位置的界面相對(duì)滑移值，然后取4個(gè)測(cè)試結(jié)果的平均值作為試件的界面滑移測(cè)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(jīng)歷屈服及下降階段，荷載-滑移曲線經(jīng)歷近似于線性上升階段后，界面瞬間剪切破壞，單側(cè)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(duì)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(xiàn)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(jīng)歷了較短的下降段后界面破壞，這是因?yàn)閁HPC與NC粘結(jié)面破壞后，鉆孔內(nèi)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(xiàn)下降段；而露筋組界面在試驗(yàn)荷載達(dá)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(jìn)入滑移增速的屈服階段，并在極限荷載后經(jīng)歷了較短的下降段后發(fā)生界面破壞，這是因?yàn)槁督罱缑孑^為粗糙，加之外露鋼筋與UHPC緊密粘結(jié)，使得露筋界面在達(dá)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(xiàn)下降段。

由圖5(c)可知，對(duì)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(xiàn)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(dá)到極限荷載前基本為線性階段，隨后試驗(yàn)荷載緩慢降低、滑移快速增長，荷載-滑移曲線進(jìn)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(xiàn)下降段主要是因?yàn)榍度隢C中的UHPC鍵齒延緩了界面剪切破壞過程，其界面完全破壞時(shí)的平均滑移為3.0mm左右。植筋組的界面荷載-滑移曲線經(jīng)歷了明顯的線性、屈服、下降和后期上升4個(gè)階段；在荷載達(dá)到78%極限荷載以前荷載-滑移曲線呈線性上升趨勢(shì)，然后荷載-滑移曲線開始進(jìn)入屈服階段；當(dāng)荷載達(dá)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(shí)植筋試件ZJ-1，ZJ-2的界面相對(duì)滑移分別為4.51mm和4.01mm，體現(xiàn)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(diǎn)之前)的界面剪力主要由UHPC與NC粘結(jié)力和栓釘共同承擔(dān)；曲線A點(diǎn)之后，界面粘結(jié)力失效，界面剪力完全由栓釘承擔(dān)，因此曲線迅速下降(AB段)；曲線B點(diǎn)之后，栓釘自身的抗剪強(qiáng)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(shí)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(qiáng)度和剛度

推出試件的界面抗剪強(qiáng)度可以采用式(1)計(jì)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(jì)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(duì)應(yīng)的滑移量來近似計(jì)算界面的抗剪剛度。根據(jù)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(jì)算UHPC-NC界面抗剪剛度K時(shí)采取0.7Pu對(duì)應(yīng)的割線模量作為其抗剪剛度，即0.7Pu除以對(duì)應(yīng)的界面滑移值S0.7Pu，如下式：

(2)

各組試件實(shí)測(cè)的界面抗剪強(qiáng)度和抗剪剛度平均值如表3所示，由于光滑組中兩個(gè)試件的試驗(yàn)結(jié)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(qiáng)度和抗剪剛度繪制成柱狀圖，如圖6所示。

界面抗剪強(qiáng)度和抗剪剛度平均值 表3

圖6 各試件組界面抗剪強(qiáng)度和抗剪剛度對(duì)比

由表3和圖6可知，不同界面處理的UHPC-NC界面抗剪強(qiáng)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(xiàn)出較高的抗剪強(qiáng)度，達(dá)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(jié)作用、栓釘銷栓作用和嵌入NC凹槽內(nèi)的UHPC鍵齒咬合作用等原因，也增加了界面的粘結(jié)力和機(jī)械咬合力，使其界面的抗剪強(qiáng)度達(dá)到4～5MPa之間，其界面抗剪強(qiáng)度可以達(dá)到鑿毛組界面抗剪強(qiáng)度的77.2%～89.6%。對(duì)于鉆孔組而言，由于界面光滑、加之嵌入NC孔內(nèi)的UHPC榫面積較小，因此鉆孔組界面抗剪強(qiáng)度最小(3.16MPa)，僅達(dá)到鑿毛組抗剪強(qiáng)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(dá)到1 692kN·mm-1；刻槽組和鉆孔組界面也表現(xiàn)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(dá)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(jié)論

(1)損傷混凝土采用UHPC修復(fù)后，能夠同時(shí)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)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(jié)性能，試件破壞時(shí)多表現(xiàn)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(qiáng)度隨著NC界面粗糙度的增加而增大；NC界面進(jìn)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。