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(jié)構(gòu)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(jié)約成本，提出UHPC與NC的組合結(jié)構(gòu)［2］，在結(jié)構(gòu)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(jié)界面容易開裂，成為加固結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。因此，對于兩種材料相結(jié)合的構(gòu)件，UHPC與NC之間的有效結(jié)合是組合結(jié)構(gòu)共同工作的前提和關(guān)鍵［5］，提高界面的黏結(jié)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(chǎn)生不同的界面粗糙度，對界面黏結(jié)力有顯著影響［2，9］。植入鋼筋的直徑和間距對界面黏結(jié)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(tǒng)研究UHPC與NC之間不同界面處理方式對承載力的影響規(guī)律，以得到受力可靠、工效比較高的界面處理方式，為組合結(jié)構(gòu)的實橋應用提供依據(jù)，為組合體系的其他方面應用研究奠定基礎(chǔ)。

1 試驗模型設(shè)計及加載方案

1.1 試件設(shè)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(gòu)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(jié)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(yōu)點是荷載對稱，對中影響小，剪應力更接近結(jié)構(gòu)中的實際應力狀態(tài)，試驗可操作性強?？辜粼嚰愋鸵姳?。

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(wǎng)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(jié)構(gòu)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(xiàn)裂縫部位的開裂情況，記錄初始裂縫對應的加載值。下方設(shè)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(jié)果及分析

2.1 推出試件的破壞形態(tài)

試件破壞形態(tài)見圖3?？芍孩偻M2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(tài)為組合界面剝離，呈雙側(cè)剪切破壞，說明界面不處理時，黏結(jié)抗剪性能較差。試件ZH?B組與ZH?C組的破壞均發(fā)生在普通混凝土側(cè)，呈單側(cè)剪切破壞，界面鑿毛與涂緩凝劑時試件破壞位置發(fā)生在普通混凝土側(cè)，表明界面黏結(jié)抗剪性能較優(yōu)。②所有試件界面植筋的破壞形態(tài)均為普通混凝土側(cè)拔出破壞，超高性能混凝土側(cè)未發(fā)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(tài)

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(guān)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(shù)，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?？芍琙H?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(fā)生后，裂縫迅速擴展，先開裂側(cè)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(cè)（后開裂側(cè)）。隨著荷載的增加，先開裂側(cè)界面的抗剪能力迅速降低，主要由另外一側(cè)界面及抗剪鋼筋承擔剪力，荷載繼續(xù)增加導致后開裂側(cè)界面突然破壞，最終呈現(xiàn)出雙側(cè)剪切破壞形態(tài)。

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(fā)生后，裂縫緩慢擴展，先開裂側(cè)的UHPC?NC界面平均相對滑移量逐漸增加，后開裂側(cè)界面開始出現(xiàn)裂縫并不斷發(fā)展，在試驗中無法判斷是先開裂側(cè)還是后開裂側(cè)最終發(fā)生界面完全剪切破壞。隨著荷載的增加，裂縫擴展最嚴重側(cè)界面瞬間失效，另外一側(cè)界面繼續(xù)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(xiàn)單側(cè)完全剪切破壞的形態(tài)。

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(fā)生后，加載破壞過程與ZH?B組試件類似，最終試件呈現(xiàn)單側(cè)完全剪切破壞的形態(tài)。

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(jié)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(jié)性能最優(yōu)，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(jù)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(xiàn)不連續(xù)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(jié)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(chǔ)。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(jié)果見表2。表中最后一列數(shù)據(jù)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(xiàn)更好，因而試件的抗剪強度更高。

3）結(jié)合試驗破壞情況及數(shù)據(jù)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(guān)鍵因素。

3 結(jié)論

1）三組試件的破壞形態(tài)均為普通混凝土側(cè)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。