UHPC-NC界面斜剪力學特性試驗研究*

宋恒祥，李 科，江星宏，吳尚東

1.重慶交通大學土木工程學院，重慶 400074

2.招商局重慶交通科研設計院有限公司，重慶 400067

超高性能混凝土（UHPC）因具有超高強度、超高韌性、高耐久性及微裂縫強愈合能力等優良特性，被廣泛應用于混凝土修復領域。與傳統混凝土加固相比，UHPC特性使其在加固應用中可采用薄層進行加固，不僅可以顯著提高結構的承載能力，還可以有效解決傳統混凝土易開裂、延性小等問題，迎合了經濟社會發展帶來的交通量增長的需求。

復合結構由于存在界面效應而在結構承載時會成為薄弱區域，故保障UHPC與既有襯砌結構之間的良好黏合性對于應用UHPC具有至關重要的作用。為提高超高性能混凝土（UHPC）與普通混凝土（NC）的黏結強度，一些學者在黏結面處理方面做了不少研究工作，得到了許多提高黏結強度的處理方式，但現有研究多集中于界面粗糙度、界面黏結劑及基底混凝土強度等方面，對于界面角度對黏結強度的影響的理論研究還較少。文章通過黏結斜剪試驗，研究不同界面角度對復合試件界面黏結強度的影響，為采用超高性能混凝土（UHPC）加固隧道襯砌結構的工程應用提供理論依據。

1 試驗概況

1.1 試驗材料及配合比

超高性能混凝土（UHPC）主要由預混料、鋼纖維、外加劑及水組成，配合比如表1所示。普通混凝土（NC）采用工程常規材料，配合比如表2所示。

表1 超高性能混凝土（UHPC）配合比 單位：g

表2 普通混凝土（NC）配合比 單位：g

1.2 試件設計

開展斜剪試驗研究不同界面角度對UHPC-NC試件的黏結性能。界面傾斜角度分為0°、15°、30°和45°，分別用“0”“15”“30”“45”表示；同組試件用序號“1”“2”“3”進行編號，試驗設計方案及試件編號如表3所示。

表3 斜剪試驗方案設計及試件編號

1.3 試件制備

試件制作依據《普通混凝土力學性能試驗方法標準》（GB/T 50081—2016）規定進行，試件尺寸取規格為100mm×100mm×300mm的棱柱體試件。先澆筑普通混凝土，標準養護28d，后澆筑超高性能混凝土（UHPC），標準養護28d。界面處理采用鑿毛處理與環氧樹脂界面劑結合的方式，復合試件鑿毛處理實物圖如圖1所示。

圖1 復合試件鑿毛處理實物圖

1.4 材性試驗

根據《普通混凝土力學性能試驗方法標準》（GB/T 50081—2016）對同批次混凝土進行材性試驗，試件尺寸均為100mm×100mm×100mm，標準養護28d。計算得出UHPC與NC立方體抗壓強度分別為136.4MPa、65.16MPa。

2 試驗方案

2.1 加載方案

壓力機采用微機控制電液伺服試驗機加載，加載過程應連續均勻，直至試件破壞。試驗加荷速度采用0.5MPa/s。沿界面長度布置兩個位移計，以監測界面滑移狀況；在超高性能混凝土（UHPC）和普通混凝土（NC）側邊分別黏貼應變片，以觀測材料各自力學性能。試件加載現場圖如圖2所示。

圖2 試件加載現場圖

2.2 黏結強度計算方法

采用名義黏結強度衡量UHPC-NC試件壓壞的斜剪強度，計算公式如下：

式中：fn為斜剪強度，MPa；P為破壞荷載，N；A為黏結面積，mm2。

3 試驗結果分析

3.1 黏結強度結果分析

不同界面下的復合試件極限斜剪強度匯總表如表4所示。C類失效模式為普通混凝土達到極限抗壓強度而被壓壞所致，隨著荷載的增加，普通混凝土逐漸出現小掉塊飛濺或角部脫落，當達到極限荷載時，普通混凝土側出現大部分脫落，直至黏結界面，超高性能混凝土（UHPC）側邊未出現掉塊、飛濺等現象。S類失效模式為復合試件達到極限剪切強度，而沿著黏結界面滑移破壞，超高性能混凝土（UHPC）與普通混凝土（NC）均未出現掉塊、飛濺及混凝土層剝落現象，當黏結界面達到極限剪切強度時，復合試件沿著界面角度發生剪切滑移破壞，屬于脆性破壞。失效模式圖如圖3所示。

表4 不同界面下的復合試件極限斜剪強度匯總表

圖3 失效模式圖

3.2 應變特性分析

不同界面角度下的極限壓應變匯總表如表5所示。由表5可知，NU-0組試件的普通混凝土壓應變達到了其極限壓應變，但UHPC側的極限壓應變僅為普通混凝土側的62.85%，NU-15組試件UHPC側與NC側峰值壓應變約為普通混凝土試件的60%，NU-30組與NU-45組試件峰值壓應變變化更小，不足普通混凝土試件的30%，混凝土還未充分發揮其形變性能。

表5 不同界面角度下的極限壓應變匯總表 單位：με

復合試件在不同界面角度下的荷載-應變曲線圖如圖4所示。由圖4可知，隨著應變的增加，超高性能混凝土承載力上升緩慢。隨著黏結角度的增大，峰值壓應變值在減小，混凝土未能充分發揮其形變性能，說明黏結角度的增大，其黏結性能變差。

圖4 復合試件在不同界面角度下的荷載-應變曲線圖

4 結論

文章通過研究不同界面黏結角度對復合試件界面黏結強度的影響，并分析復合試件的失效模式、界面黏結強度、應變特性，主要得出了以下結論。

（1）復合試件在界面角度分別為0°、15°時，試件失效模式為傳統混凝土達到極限抗壓強度而被壓壞；界面角度分別為30°、45°時，試件失效模式為復合試件達到極限剪切強度，而沿著黏結界面滑移破壞。

（2）黏結角度越大，試件極限壓應變值不斷減小，混凝土未能充分發揮其形變性能，黏結性能變差。采用鑿毛處理時采用小角度的界面方式可保障其黏結性能。

（3）此次研究只進行分析了不同面角度對復合試件黏結強度的影響，但UHPC與普通混凝土界面受力復雜，影響因素多，后續研究應開展多因素耦合作用對黏結強度的影響。