UHPC-NC 界面連接性能研究進展

周陽，陳斌，羅宇

（湖南工業大學土木工程學院，湖南株洲 412007）

0 引言

隨著工程結構步入老齡化，舊危建筑橋梁數量大幅增加，通過修復這些過去建造的損傷混凝土結構，不僅可以節約大量建材，也對環境保護具有重要意義。任亮等[1]認為應用高性能混凝土（ultra-high performance concrete，UHPC）修復加固既有混凝土結構時，關鍵是確保不同材料之間可靠的界面黏結。傳統加固方法存在固有缺陷，如耐久性的提升受限、受力情況沒有明顯改善以及增大了既有結構的負擔。統計[2]表明：一半的修復加固工程在使用過程中，結合面會出現裂縫，造成結構整體性受損和安全性減弱，最終導致工程修復加固失效。自20 世紀末以來，UHPC 在世界范圍內逐步發展，根據內部鋼纖維含量不同，其抗壓強度達到100～200 MPa，抗拉強度達到6～20 MPa，具有良好的力學性能[3]。在加固損傷構件時，利用UHPC 材料優異的抗拉性能，將其布置在構件的受拉側，可以有效改善原構件的受拉性能，保證構件的安全性。張孝臣[4]出于對UHPC 高強耐久特點的考慮，認為應用UHPC 對現有鋼筋混凝土（reinforced concrete，RC）結構進行維修加固，可以成為一種提升結構耐久性和承載性能的維修及加固方案。自20世紀以來，國內外相繼對UHPC 的修復應用進行了研究，如舊橋的加固修復[5]。王明法[6]結合京滬高速公路改擴建工程實例，采用UHPC 增大截面法對橋面板結構進行加固。但是，當應用UHPC 進行維修加固時，UHPC-普通混凝土（UHPC-NC）結合面的連接性能也會隨著處理方式不同而受到不同影響，包括界面鍵槽的設置、界面的粗糙程度、界面添加劑的使用以及UHPC 和NC 的材料性能等。此外，在舊結構完成加固后，新老材料的連接面在受剪受拉的受力狀態下容易發生破壞。因此，應用超高性能水泥基材料進行加固設計的關鍵在于如何選擇合適的界面構造處理方式，以解決UHPC-NC 界面連接力不足的問題[7]。

筆者系統地回顧和總結了國內外UHPC-NC 界面性能試驗和數值模擬案例，從相關研究成果的角度出發，闡述界面試驗的方法和對應界面破壞形式，對比分析界面連接性能的影響因素，分析目前研究現狀存在的問題并進行討論，針對UHPC 加固既有混凝土結構的研究方向提出相關建議。

1 試驗方法

UHPC 是一種基于最大堆積密度理論設計的新型水泥基材料[8]。對于新型的UHPC 加固層，UHPC 和NC接觸面常處于純剪、拉剪和壓剪并存的狀態，通過開展UHPC-NC 界面性能試驗，能夠更清楚地了解界面黏結力的強弱，對研究界面連接性能尤為重要。當前研究UHPC-NC 界面連接性能的試驗方法主要包括界面抗剪試驗、界面抗拉試驗和界面抗彎試驗，其中抗剪試驗又可以分為直剪和斜剪試驗。歐陽娜等[9]對比了這三類試驗方法：黏聚力主要通過抗拉、抗彎試驗確定；摩擦因數則主要通過抗剪試驗確定，試驗方法示意圖如圖1 所示。以下對3 類試驗方法分別進行敘述。

圖1 試驗方法示意圖[9](Fig.1 Schematic test method)

1.1 界面抗剪試驗

抗剪試驗主要采用豎向剪切荷載，施加在試件預定的加載區域。直剪試驗采用Z 形、L 形試件直剪和單面或者雙面直剪。楊俊等[10]、李平先等[11]、吳香國等[12]均選用了Z 形試件，以便在抗剪試驗中較好地反映混凝土的剪切性能。吳香國等[12]將試件按界面有無剪力鍵分為2 種，其幾何尺寸均為100 mm×100 mm×400 mm；同時設置了2 組對照試件，用來研究混凝土強度對界面連接性能的影響；為分析不同斜剪角對結合面連接力的影響，還設置了2 組斜剪角進行對比，選取的斜剪角分別為15°和30°。楊俊等參照之前的試驗設計[11-13]，對試件的設計做出優化，通過UHPC-NC 界面設置梯形剪力槽來研究不同的鍵槽參數（深度等）對界面剪切特性的影響。所選用的Z 形試件中間段有200 mm×100 mm的黏結面，兩端為平坦的加載面，易于壓力試驗機對試件施加荷載，加載過程中通過施加的擬定荷載，可以有效利用結合面處的抗剪承載力來測試界面的力學性能。試驗所選Z 形試件尺寸及鍵槽細節構造如圖2 所示。此外，王景全等[14]、周建庭等[15]、安寧[16]均進行了類似的UHPC-NC 界面直剪試驗。由于直剪試驗接觸面處于復雜的彎剪應力狀態[16]，接觸區域邊緣容易出現應力集中現象，對試驗結果的準確性產生影響。為了得到更精確的試驗結果，Momayez 等[17]改進了試驗方法，提出了雙面剪切試驗，該方法對于試驗設備的要求較低，在一般試驗條件下即可實現，在之后的試驗設計中得到廣泛采納。其中，張陽等[18]通過設計7 組UHPC-NC 雙面直剪試驗來研究NC 表面光滑、鑿毛、露筋、刻槽、鉆孔和植筋等條件UHPC-NC 界面的抗剪性能和破壞模式，直剪試驗模型如圖3 所示。斜剪試驗中，試件界面上通常是剪力和壓力并存的狀態。目前，斜剪試驗在材料界面抗剪試驗中已有廣泛應用，并在許多國際規范中得到采納[19]。Wall 等[20]進一步對3 種試驗方法進行了評定，認為其中最合適的方法是斜剪試驗。宋恒祥等[21]通過開展斜剪試驗研究不同界面角度對復合結構黏結強度的影響，分析其失效模式、界面黏結強度及荷載應變特性，具體試件加載示意圖如圖4 所示。

圖2 UHPC-NC 剪切試件[10](Fig.2 UHPC-NC shear specimen[10])

圖3 UHPC-NC 雙面直剪試驗模型[18]（Fig.3 UHPC-NC double-sided direct shear test model[18]）

圖4 UHPC-NC 斜剪試驗示意圖[21]（Fig.4 UHPC-NC oblique shear test diagram[21]）

試件抗拉強度根據式（1）進行估算。

試驗具體設置如圖5 所示。通過對文獻[22]～文獻[26]中的拉拔試驗進行研究，可以發現抗拉試驗過程中3 種主要的失效模式為：襯底中的失效、鍵合線上的失效、覆蓋層中的失效，如圖6 所示。

圖5 試驗設置圖[29](Fig.5 Test setup diagram[29])

圖6 ASTM C1583/C1583M下拉試驗中報告的失效模式示意圖[22-26]（Fig.6 Failure mode diagram reported in ASTM C1583/C1583M pull-off test[22-26]）

1.2 界面抗拉試驗

抗拉試驗主要通過對試件施加軸向或者法向的拉力來測量試件界面的黏結力。直拉試件一般澆筑為棱柱體，以中間為分界面，上下部分采用UHPC 和NC 材料組合而成，進行試驗時通過固定在兩端的錨具施加軸向拉力。由于試驗條件的限制和人為操作的誤差，試驗時加載軸容易錯位，從而出現偏心荷載[27]，最終導致試驗結果出現不可忽視的誤差，影響試驗數據的可信性。為了解決這一問題，在之后試驗中，研究人員多采用鉆芯拉拔試驗[28]來進行抗拉測試。Geissert 等[29]通過鑄造適合凍融設備的102 mm×76 mm×406 mm 的復合材料試件進行劈裂拉伸試驗，以探究一種基于ASTM 研究凍融循環對舊混凝土和修復混凝土之間黏結強度影響的新方法，經過不同試驗研究驗證了劈裂拉伸試驗是一種評估覆層與基材之間黏結強度的有效方法。

1.3 界面抗彎試驗

根據外部荷載施加的位置和數量，界面抗彎試驗可以分為三點抗彎試驗和四點抗彎試驗。試驗時通過壓力試驗機對試件上表面中點或三分點處施加荷載來研究不同混凝土材料界面的抗彎性能，試件形狀一般為長方體。任亮等[1]闡述了試件UHPC 和NC 部分的一般尺寸和2 種材料界面黏結性能的重要評估標準。Tong 等[30]采用四根組合梁進行四點抗彎試驗，試件破壞后通過觀察UHPC-NC 界面脫黏情況發現了黏接強度的作用，試件具體尺寸及試驗加載方式情況如圖7 所示。

圖7 UHPC-NC 復合材料試件示意圖[30](Fig.7 UHPC-NC composite specimen diagram[30])

2 界面連接性能的影響因素

由于組合試件存在界面效應，與一次性澆筑的完整試件相比，2 種材料的連接面仍然屬于薄弱部位。據統計[31]，近一半的混凝土修復失效是由于界面黏結力失效導致的。因此，掌握影響UHPC-NC 界面連接性能的影響因素，將有助于進一步提高2 種材料的黏結強度。根據目前國內外的相關論文，超高性能混凝土覆蓋在普通混凝土結構外表面時，對結合面連接性能產生影響的因素主要包括界面處理方式、UHPC 材料性能、界面劑和界面構造措施等。

2.1 界面處理方式

UHPC-NC 界面連接性能的好壞決定著加固工程的成功與否。綜合國內外的文獻而言，界面處理方式可概括為改變水泥基材料的表面粗糙度，如人工將連接界面加工成規則的凹凸或者之字形等，或根據實際需要增加結構加固。對于鋼筋混凝土結構，現有研究表明通過改變基體表面粗糙度可以顯著改變UHPC-NC 界面的黏結強度，當前改變基體表面粗糙度常用的處理方式主要有鉆孔、鋼刷、噴砂、刻槽以及設置連接鍵。鋼刷法和噴砂法可以清洗混凝土表面雜質，提高其粗糙度，增加黏結性，但有數據表明混凝土表面粗糙度超過一定值時會對原結構造成損傷，從而降低界面連接性能[32]。張陽等[33]設置4 組構件，分為界面不處理、界面鑿毛處理、界面植筋處理并進行UHPC-NC 雙面直剪試驗，通過測量結合面兩側的相對位移，建立了荷載-滑移曲線與荷載-應力曲線，分析得出鑿毛和植筋處理均可有效提高界面承載能力，其中植筋處理的提高效果最顯著。因此對構件進行植筋處理有助于提高構件的穩定性。饒欣頻等[34]繼續開展UHPC-NC 界面的抗剪試驗，評估了NC 界面光滑、鑿毛和露筋等界面處理方式下UHPC-NC 界面抗剪性能和破壞模式，結果表明：鑿毛和刻槽處理的界面獲得了最佳的抗剪承載力，露筋和鉆孔處理界面的抗剪破壞介于延性破壞和脆性破壞之間，植筋和刻槽處理界面的延性較好、脆性較大。然而切槽過深可能會對原結構造成損傷[35]。相對于其他幾種處理方式，噴砂由于在操作過程中流速和噴射時間易于掌控，可得到較為理想的表面粗糙度，成為較理想的混凝土表面處理方式。

通過人工在基體表面設置鍵槽也可以有效提高界面的抗剪能力。Jang 等[35]通過推脫試驗對使用不同界面處理方式的試件抗剪承載力進行了對比，發現鋼纖維和鍵槽幾何形狀對超高性能混凝土組合體的抗剪性能有較大影響，而粗集料的互鎖機制對超高性能混凝土和普通鋼筋混凝土組合體的抗剪性能起著至關重要的作用。王景全等[14]提出了有無配筋的UHPC 大鍵齒干接縫形式，經過直剪試驗發現采用大鍵齒接縫的UHPC 試件具有更好的受剪性能；在大鍵齒UHPC 接縫中適當配置抗剪鋼筋，可以有效抑制斜裂縫開展，顯著提高大鍵齒干接縫受剪性能。此外，鍵槽的幾何尺寸也影響界面的抗剪性能[15]。梁雪嬌等[36]將鍵齒構造應用到拼接梁中進行抗彎試驗，發現多鍵齒對抗彎強度具有削弱效應，比單鍵齒拼接梁承載力更低；由于拼接縫的影響，采用超高性能混凝土材料的拼接梁在抗彎承載力方面的表現要比整澆梁差，為了提高拼接梁的整體性，研究人員[37]采用螺栓等連接鍵在交接縫處進行加強，取得了不錯的效果。

2.2 鋼釬維

鋼纖維作為UHPC 中必不可少的材料，具有增強、增韌的作用，在UHPC 中所占體積比為3%。研究[38]表明，在動載作用下，相比聚合物纖維，鋼纖維能顯著提高UHPC 的韌性。邵旭東等[39]通過對UHPC 試件進行軸拉和四點彎拉試驗，發現鋼纖維的加入能顯著提高試件的受拉和受彎性能。

鋼纖維的加入能顯著提升UHPC 的力學性能。在UHPC-NC 組合試件中摻入適量的鋼纖維無疑會使界面的黏結力更大，而鋼纖維的數量和種類也會影響UHPC 的韌性等，如：對于一定纖維長徑比范圍內的UHPC 試件，摻入更大長徑比的鋼纖維能顯著提高其拉伸強度和拉伸韌性[39]。關于鋼纖維增強UHPC-NC 界面連接性能的原因，現有的大多數文獻研究認為：（1）鋼纖維限制了材料的收縮量，有效降低了UHPC 出現裂縫的風險；（2）加入的鋼纖維提高了水泥基體材料表面的粗糙度，試件表面的纖維量越多，接觸面就越粗糙，從而提供更強的黏結力，且交界處纖維的滲透作用能為黏結面帶來更高的機械咬合力，進一步增強了界面的連接性能；（3）UHPC-NC 界面受力過程中，摻入的鋼纖維之間形成的橋連作用能有效抑制微裂縫發展，改變黏結面破壞形態[40]。纖維界面黏結增強的具體原理如圖8 所示。

圖8 纖維界面黏結增強原理示意圖[40](Fig.8 Schematic diagram of fiber interface bonding strengthening principle[40])

2.3 其他因素

界面劑的使用也會對UHPC-NC 界面連接性能造成影響，界面劑能從化學的角度改善不同混凝土之間的親和力，增強2 種混凝土間的黏結度。Issa 等[41]對一組全深度的公、母剪切鍵試件進行了配對澆注和試驗，發現氣溫會對摻入界面的環氧樹脂造成影響，進而影響了對應試件的抗剪能力。此外，不同的超高性能混凝土厚度和其中的受拉配筋率同樣會對UHPC-NC 界面的連接性能造成影響[42]。

3 界面連接性能數值模擬

由于現場環境、設備儀器精度以及人為因素的限制，試驗往往存在不可忽視的誤差。借助有限元分析軟件進行數值模擬可以克服試驗的相關不足，在理想環境條件下得到相關數據，作為試驗研究的有效補充。目前，針對UHPC-NC 的界面連接性能，已經有不少研究人員成功運用ABAQUS、ANSYS 等大型有限元分析軟件進行了相應研究。

朱勁松等[43]通過ABAQUS 有限元軟件建立了不同跨徑下預應力組合梁的有限元分析模型（如圖9 所示），對使用最終優化截面的UHPC-NC 組合梁分別按照承載能力極限狀態和正常使用極限狀態進行驗算，結果表明：優化后的UHPC 梁壓應力遠小于UHPC 的極限狀態，梁內普通鋼筋最大拉應力為156 MPa，遠小于其屈服強度，各項指標均符合設計要求，驗證了優化算法的正確性。閆澤宇[44]使用ABAQUS 軟件建立UHPC 單鍵膠接縫有限元分析模型（如圖10 所示），分析節段預制拼裝UHPC 梁膠接縫的受力行為并得到相關數據，結果表明：相同截面尺寸的UHPC 單鍵膠接縫抗剪承載力遠高于平接膠接縫；隨著正應力水平的增加，2 種接縫形式試件的抗剪承載力均得到提高，分析結果與試驗結果吻合。張陽等[45]通過ABAQUS 有限元軟件分析了5 組常見接縫的受力特點，如圖11 所示（圖11 列舉了其中3 組）。結果表明：采用UHPC 連接接縫的板件具有良好的整體性，組合試件的抗彎、抗拉性能均優于完整NC 板；鑿孔、密配筋接縫形式能較大地提高接縫板抗彎抗拉性能，楔形接縫形式與菱形接縫形式次之，矩形接縫形式效果最差。

圖10 UHPC 單鍵膠接縫的有限元分析模型[44]（Fig.10 Finite element analysis model of UHPC single bond adhesive joint[44]）

圖11 常見接縫構造的有限元模型[45]（Fig.11 Finite element model of common joint structure[45]）

相比ABAQUS，由于ANSYS、Marc 在非線性計算方面較弱，因此在UHPC-NC 界面黏結性能數值模擬方面應用不多，此處不再對相關案列進行闡述。

通過上述研究實例可以看出，借助相關的有限元軟件進行數值模擬具有獨特的優勢，在試驗開始前，運用有限元軟件進行預試驗可以發現原有試驗方案的不足，確立試驗重點，從而節省大量的人力和物力。在對超高性能水泥基材料與水泥基材料界面連接性能進行數值模擬時，混凝土材料的本構關系、損傷模型和界面黏結滑移關系的確定成為需要解決的關鍵問題[1]，也是數值模擬取得成功的關鍵。

4 結語

UHPC 作為一種新型復合材料，具有超高強度、耐久性高、延性好等優勢，在損傷結構的修復加固以及預制構件接縫連接的研究中得到越來越廣泛的應用。通過收集并分析國內外現有的相關研究成果和工程實例，在連接性能試驗方法、連接性能機理、增強連接性能的措施方面進行了闡述，得出如下結論：

（1） 不同試驗方法具有不同的優缺點，測得的試驗數據也各不相同，對試驗結果產生的影響也不同，研究人員應從研究對象和目的出發，選取符合自身情況的研究方法。

（2） UHPC-NC 的界面連接性能可靠。在一些界面性能相關研究案例中出現了NC 結構先于界面發生破壞的現象，說明超高性能混凝土和普通混凝土之間具有良好的黏結力。

（3） 鋼纖維、界面處理方式以及水泥基材料自身的強度均會影響界面黏結強度，但是基體材料表面的粗糙度才是影響界面連接性能的最主要因素，通常界面越粗糙，黏結性能越好。

目前，對UHPC-NC 界面連接性能的研究仍然有一些不足，為促進UHPC 在工程中更加廣泛的應用，提出以下建議：

（1） 探究UHPC-NC 界面連接性能的試驗方法多種多樣，但是不同試驗方法均有優缺點，對于試驗方法的評估尚未統一，研究人員應根據現有條件因地制宜地選取適合的試驗方法。

（2） UHPC 具有超高的耐久性，但是目前關于UHPC 在高溫、低溫或者凍融環境中耐久性能的研究仍然較少，值得引起研究人員的注意。

（3） 關于UHPC-NC 界面黏結強度的計算公式國內沒有形成統一的認識，缺少可直接用于工程計算的公式。

（4） 在UHPC-NC 界面性能的數值模擬方面，無法準確地模擬抗彎試驗中UHPC 與普通水泥基材料黏結面受到彎拉作用時的黏結滑移關系。