UHPC?NC組合界面連接及抗剪性能研究

周尚猛 王偉 郝聰龍

1.中鐵大橋科學研究院有限公司，武漢 430034；2.橋梁結構健康與安全國家重點實驗室，武漢 430034

超高性能混凝土［1］（Ultra?High Performance Concrete，UHPC）是一種新型水泥基復合材料。與普通水泥混凝土（Normal Concrete，NC）相比，UHPC具有高強度、高耐久性、高韌性等特點。

為充分利用UHPC材料的特性，節約成本，提出UHPC與NC的組合結構［2］，在結構加固修補方面具有廣闊的應用前景［3-4］。

新舊混凝土之間存在性能差異，在荷載作用下其黏結界面容易開裂，成為加固結構的薄弱環節。因此，對于兩種材料相結合的構件，UHPC與NC之間的有效結合是組合結構共同工作的前提和關鍵［5］，提高界面的黏結性能是首要問題。

在施工過程中常見的混凝土界面處理方式有界面鑿毛［6］、涂界面劑［7］、植入鋼筋［8］等方式。不同混凝土界面的鑿毛深度會產生不同的界面粗糙度，對界面黏結力有顯著影響［2，9］。植入鋼筋的直徑和間距對界面黏結力也存在一定影響。涂界面劑能有效改善組合界面的強度［10］。

本文通過對UHPC?NC剪切試件進行抗剪性能試驗，系統研究UHPC與NC之間不同界面處理方式對承載力的影響規律，以得到受力可靠、工效比較高的界面處理方式，為組合結構的實橋應用提供依據，為組合體系的其他方面應用研究奠定基礎。

1 試驗模型設計及加載方案

1.1 試件設計及制作

UHPC?NC組合試件有不同的界面處理方式［4，11］，需要考慮不同處理方式下構件的抗剪性能。本文重點考慮混凝土界面鑿毛、涂緩凝劑和植入鋼筋的處理措施，得到UHPC和NC界面黏結承載力的容許值。

試件類型采用類似推出試驗的雙剪試件模型［8］。該模型的主要優點是荷載對稱，對中影響小，剪應力更接近結構中的實際應力狀態，試驗可操作性強。抗剪試件類型見表1。

表1 抗剪試件類型

試件中普通混凝土寬30 cm，高100 cm。UHPC與NC界面的抗剪鋼筋均與超高性能混凝土的鋼筋網焊接。試件具體尺寸見圖1，為了更清晰地展示植筋的位置，圖中未給出普通混凝土配筋。

為保證試件與實際UHPC?NC組合結構的性能一致，試驗制作過程中首先澆筑普通混凝土，然后按要求進行界面處理，最后澆筑超高性能混凝土層。在澆筑過程中應充分振搗，嚴格保證超高性能混凝土層的密實度。

圖1 模型試件的基本尺寸（單位：cm）

1.2 試驗加載及測量方案

采用MTS600T試驗機在試件頂部進行加載并記錄試驗荷載值及對應的測點滑移量，先采用力加載方式分級緩慢加載，每級荷載25 kN；隨著變形的增加，改用位移加載方式，保證試驗機的安全。試驗過程中，為記錄各級加載力作用下組合界面的相對滑移量，共布置8個百分表（圖2），表座固定于普通混凝土角鋼表面，表頭位于超高性能混凝土角鋼處，用以測量組合界面的相對滑移量。

圖2 UHPC?NC組合試件剪切性能試驗

試驗開始前，在普通混凝土頂面放置一定厚度的鋼墊板，超高性能混凝土底面抄平，確保加載過程中MTS作動器對中加載且正常工作。試件加載過程中對試件進行整體綁扎，防止破壞時突然傾斜造成安全事故。注意觀察可能出現裂縫部位的開裂情況，記錄初始裂縫對應的加載值。下方設置限制位移的木頭，防止試件突然破壞造成百分表的損壞。

2 試驗結果及分析

2.1 推出試件的破壞形態

試件破壞形態見圖3。可知：①同組2個試件抗剪強度相差不大，破壞形式一致。其中ZH?A組試件的破壞形態為組合界面剝離，呈雙側剪切破壞，說明界面不處理時，黏結抗剪性能較差。試件ZH?B組與ZH?C組的破壞均發生在普通混凝土側，呈單側剪切破壞，界面鑿毛與涂緩凝劑時試件破壞位置發生在普通混凝土側，表明界面黏結抗剪性能較優。②所有試件界面植筋的破壞形態均為普通混凝土側拔出破壞，超高性能混凝土側未發生拔出破壞，說明界面植入鋼筋對試件的抗剪性能貢獻較小，僅采用植入鋼筋作為界面處理的主要手段是遠遠不夠的。若保證組合試件正常工作，植入鋼筋可作為安全儲備，與其他界面處理措施如鑿毛或涂緩凝劑共同實施。

圖3 試件破壞形態

2.2 推出試件的荷載-滑移曲線

通過測量推出試件UHPC與NC的相對滑移量，得到試件頂部與底部平均相對滑移量與荷載的關系曲線。單個百分表測得的相對滑移量δ=Sp-S0，Sp為某荷載時刻的百分讀數，S0為百分表初始值。

ZH?A組試件加載力-平均相對滑移量曲線見圖4。可知，ZH?A?1、ZH?A?2試件的初始開裂荷載分別為200、225 kN，平均相對滑移量分別為0.07、0.08 mm，最大加載力分別為675、800 kN。初始裂縫發生后，裂縫迅速擴展，先開裂側的UHPC?NC界面平均相對滑移量顯著增加，且明顯大于另外一側（后開裂側）。隨著荷載的增加，先開裂側界面的抗剪能力迅速降低，主要由另外一側界面及抗剪鋼筋承擔剪力，荷載繼續增加導致后開裂側界面突然破壞，最終呈現出雙側剪切破壞形態。

圖4 ZH?A組試件加載力-平均相對滑移量曲線

ZH?B組試件加載力-平均相對滑移量曲線見圖5。可知，ZH?B?1、ZH?B?2試件的初始開裂荷載均為800 kN，平均相對滑移量均為0.14 mm，最大加載力分別為2 744、3 067 kN。初始裂縫發生后，裂縫緩慢擴展，先開裂側的UHPC?NC界面平均相對滑移量逐漸增加，后開裂側界面開始出現裂縫并不斷發展，在試驗中無法判斷是先開裂側還是后開裂側最終發生界面完全剪切破壞。隨著荷載的增加，裂縫擴展最嚴重側界面瞬間失效，另外一側界面繼續工作，直至超高性能混凝土底部角點剪切破壞，試件逐漸喪失豎向剛度，最終試件呈現單側完全剪切破壞的形態。

圖5 ZH?B組試件加載力-平均相對滑移量曲線

ZH?C組試件加載力-平均相對滑移量曲線見圖6。ZH?C?1、ZH?C?2試件的初始開裂荷載分別為900、800 kN，平均相對滑移量分別為0.16、0.11 mm，最大加載力分別為3 877、2 931kN。初始裂縫發生后，加載破壞過程與ZH?B組試件類似，最終試件呈現單側完全剪切破壞的形態。

圖6 ZH?C組試件加載力-平均相對滑移量曲線

ZH?B組與ZH?C組試件的開裂荷載和最大加載力較為接近，且明顯大于ZH?A組試件，表明界面鑿毛或涂緩凝劑時，試件的抗剪性能有很大提高。ZH?A組試件曲線有一明顯拐點，此為組合界面失效的起始點，界面黏結性能較差，延性較低。ZH?C組試件在開裂前的初始階段，頂部和底部的平均相對滑移量基本一致，說明該組試件界面初始黏結性能最優，超高性能混凝土與普通混凝土能夠共同工作。

2.3 推出試件的抗剪剛度

為進一步研究UHPC?NC組合試件的抗剪剛度，根據試件加載力-平均相對滑移曲線計算剪切剛度。由于試驗過程中的不確定性，導致荷載-滑移曲線出現不連續情況。因此采用初始直線段剛度的方法計算試件的抗剪剛度，即取每個試件荷載-平均相對滑移量曲線初始直線段的斜率，計算結果見圖7。

圖7 組合試件界面剪切剛度

由圖7可知，試件界面的抗剪剛度在9~11 kN∕m，但ZH?C?1試件比其他試件的抗剪剛度偏低，為7.761 kN∕m。在加載至開裂荷載之前，可認為3組試件界面抗剪剛度基本一致，此為超高性能混凝土與普通混凝土共同工作的基礎。加載至開裂后，ZH?A組試件界面抗剪剛度迅速降低，而ZH?B組和ZH?C組試件界面抗剪剛度基本維持不變，超高性能混凝土與普通混凝土能共同工作直至試件破壞。

2.4 推出試件的抗剪強度

通過試驗測定試件破壞時的荷載P，試件界面試驗抗剪強度τ=P∕（2ab），其中，a、b分別為交界面的長與寬，抗剪強度計算結果見表2。表中最后一列數據為試件抗剪強度與C50混凝土抗剪強度的比值。

表2 各試件界面試驗抗剪強度

由表2可知：

1）ZH?A組試件界面抗剪強度分別為1.05、1.25 MPa，抗剪強度較低，約為普通混凝土劈裂強度的25%；ZH?B組試件界面抗剪強度分別為4.29、4.79 MPa，其抗剪強度近似等于普通混凝土的劈裂強度；ZH?C組試件界面抗剪強度分別為6.06、4.58 MPa，抗剪強度略高于ZH?B組試件。

2）通過對UHPC?NC界面處理后，UHPC材料嵌入粗糙表面的凹槽中，使得超高性能混凝土與普通混凝土共同抵御界面的剪切荷載，而UHPC材料無論強度、延性、韌性均比普通混凝土表現更好，因而試件的抗剪強度更高。

3）結合試驗破壞情況及數據分析可知，在UHPC?NC組合試件共同工作的前提下，普通混凝土的強度成為影響組合試件界面抗剪強度的關鍵因素。

3 結論

1）三組試件的破壞形態均為普通混凝土側拔出破壞，界面僅植入鋼筋對試件的抗剪性能貢獻很小，不能單獨作為界面的處理措施使用。

2）三組試件的初始抗剪剛度接近，但界面鑿毛或涂緩凝劑時，試件抗剪強度近似等于普通混凝土的劈裂強度，主要取決于普通混凝土的強度。

3）與界面不處理試件相比，鑿毛或涂緩凝劑時試件界面抗剪性能有很大提高，能夠滿足工程實踐的需要，可為同類型的界面處理方式提供借鑒。