UHPC-NC 界面连接性能研究进展

周阳，陈斌，罗宇

（湖南工业大学土木工程学院，湖南株洲 412007）

0 引言

随着工程结构步入老龄化，旧危建筑桥梁数量大幅增加，通过修复这些过去建造的损伤混凝土结构，不仅可以节约大量建材，也对环境保护具有重要意义。任亮等[1]认为应用高性能混凝土（ultra-high performance concrete，UHPC）修复加固既有混凝土结构时，关键是确保不同材料之间可靠的界面黏结。传统加固方法存在固有缺陷，如耐久性的提升受限、受力情况没有明显改善以及增大了既有结构的负担。统计[2]表明：一半的修复加固工程在使用过程中，结合面会出现裂缝，造成结构整体性受损和安全性减弱，最终导致工程修复加固失效。自20 世纪末以来，UHPC 在世界范围内逐步发展，根据内部钢纤维含量不同，其抗压强度达到100～200 MPa，抗拉强度达到6～20 MPa，具有良好的力学性能[3]。在加固损伤构件时，利用UHPC 材料优异的抗拉性能，将其布置在构件的受拉侧，可以有效改善原构件的受拉性能，保证构件的安全性。张孝臣[4]出于对UHPC 高强耐久特点的考虑，认为应用UHPC 对现有钢筋混凝土（reinforced concrete，RC）结构进行维修加固，可以成为一种提升结构耐久性和承载性能的维修及加固方案。自20世纪以来，国内外相继对UHPC 的修复应用进行了研究，如旧桥的加固修复[5]。王明法[6]结合京沪高速公路改扩建工程实例，采用UHPC 增大截面法对桥面板结构进行加固。但是，当应用UHPC 进行维修加固时，UHPC-普通混凝土（UHPC-NC）结合面的连接性能也会随着处理方式不同而受到不同影响，包括界面键槽的设置、界面的粗糙程度、界面添加剂的使用以及UHPC 和NC 的材料性能等。此外，在旧结构完成加固后，新老材料的连接面在受剪受拉的受力状态下容易发生破坏。因此，应用超高性能水泥基材料进行加固设计的关键在于如何选择合适的界面构造处理方式，以解决UHPC-NC 界面连接力不足的问题[7]。

笔者系统地回顾和总结了国内外UHPC-NC 界面性能试验和数值模拟案例，从相关研究成果的角度出发，阐述界面试验的方法和对应界面破坏形式，对比分析界面连接性能的影响因素，分析目前研究现状存在的问题并进行讨论，针对UHPC 加固既有混凝土结构的研究方向提出相关建议。

1 试验方法

UHPC 是一种基于最大堆积密度理论设计的新型水泥基材料[8]。对于新型的UHPC 加固层，UHPC 和NC接触面常处于纯剪、拉剪和压剪并存的状态，通过开展UHPC-NC 界面性能试验，能够更清楚地了解界面黏结力的强弱，对研究界面连接性能尤为重要。当前研究UHPC-NC 界面连接性能的试验方法主要包括界面抗剪试验、界面抗拉试验和界面抗弯试验，其中抗剪试验又可以分为直剪和斜剪试验。欧阳娜等[9]对比了这三类试验方法：黏聚力主要通过抗拉、抗弯试验确定；摩擦因数则主要通过抗剪试验确定，试验方法示意图如图1 所示。以下对3 类试验方法分别进行叙述。

图1 试验方法示意图[9](Fig.1 Schematic test method)

1.1 界面抗剪试验

抗剪试验主要采用竖向剪切荷载，施加在试件预定的加载区域。直剪试验采用Z 形、L 形试件直剪和单面或者双面直剪。杨俊等[10]、李平先等[11]、吴香国等[12]均选用了Z 形试件，以便在抗剪试验中较好地反映混凝土的剪切性能。吴香国等[12]将试件按界面有无剪力键分为2 种，其几何尺寸均为100 mm×100 mm×400 mm；同时设置了2 组对照试件，用来研究混凝土强度对界面连接性能的影响；为分析不同斜剪角对结合面连接力的影响，还设置了2 组斜剪角进行对比，选取的斜剪角分别为15°和30°。杨俊等参照之前的试验设计[11-13]，对试件的设计做出优化，通过UHPC-NC 界面设置梯形剪力槽来研究不同的键槽参数（深度等）对界面剪切特性的影响。所选用的Z 形试件中间段有200 mm×100 mm的黏结面，两端为平坦的加载面，易于压力试验机对试件施加荷载，加载过程中通过施加的拟定荷载，可以有效利用结合面处的抗剪承载力来测试界面的力学性能。试验所选Z 形试件尺寸及键槽细节构造如图2 所示。此外，王景全等[14]、周建庭等[15]、安宁[16]均进行了类似的UHPC-NC 界面直剪试验。由于直剪试验接触面处于复杂的弯剪应力状态[16]，接触区域边缘容易出现应力集中现象，对试验结果的准确性产生影响。为了得到更精确的试验结果，Momayez 等[17]改进了试验方法，提出了双面剪切试验，该方法对于试验设备的要求较低，在一般试验条件下即可实现，在之后的试验设计中得到广泛采纳。其中，张阳等[18]通过设计7 组UHPC-NC 双面直剪试验来研究NC 表面光滑、凿毛、露筋、刻槽、钻孔和植筋等条件UHPC-NC 界面的抗剪性能和破坏模式，直剪试验模型如图3 所示。斜剪试验中，试件界面上通常是剪力和压力并存的状态。目前，斜剪试验在材料界面抗剪试验中已有广泛应用，并在许多国际规范中得到采纳[19]。Wall 等[20]进一步对3 种试验方法进行了评定，认为其中最合适的方法是斜剪试验。宋恒祥等[21]通过开展斜剪试验研究不同界面角度对复合结构黏结强度的影响，分析其失效模式、界面黏结强度及荷载应变特性，具体试件加载示意图如图4 所示。

图2 UHPC-NC 剪切试件[10](Fig.2 UHPC-NC shear specimen[10])

图3 UHPC-NC 双面直剪试验模型[18]（Fig.3 UHPC-NC double-sided direct shear test model[18]）

图4 UHPC-NC 斜剪试验示意图[21]（Fig.4 UHPC-NC oblique shear test diagram[21]）

试件抗拉强度根据式（1）进行估算。

试验具体设置如图5 所示。通过对文献[22]～文献[26]中的拉拔试验进行研究，可以发现抗拉试验过程中3 种主要的失效模式为：衬底中的失效、键合线上的失效、覆盖层中的失效，如图6 所示。

图5 试验设置图[29](Fig.5 Test setup diagram[29])

图6 ASTM C1583/C1583M下拉试验中报告的失效模式示意图[22-26]（Fig.6 Failure mode diagram reported in ASTM C1583/C1583M pull-off test[22-26]）

1.2 界面抗拉试验

抗拉试验主要通过对试件施加轴向或者法向的拉力来测量试件界面的黏结力。直拉试件一般浇筑为棱柱体，以中间为分界面，上下部分采用UHPC 和NC 材料组合而成，进行试验时通过固定在两端的锚具施加轴向拉力。由于试验条件的限制和人为操作的误差，试验时加载轴容易错位，从而出现偏心荷载[27]，最终导致试验结果出现不可忽视的误差，影响试验数据的可信性。为了解决这一问题，在之后试验中，研究人员多采用钻芯拉拔试验[28]来进行抗拉测试。Geissert 等[29]通过铸造适合冻融设备的102 mm×76 mm×406 mm 的复合材料试件进行劈裂拉伸试验，以探究一种基于ASTM 研究冻融循环对旧混凝土和修复混凝土之间黏结强度影响的新方法，经过不同试验研究验证了劈裂拉伸试验是一种评估覆层与基材之间黏结强度的有效方法。

1.3 界面抗弯试验

根据外部荷载施加的位置和数量，界面抗弯试验可以分为三点抗弯试验和四点抗弯试验。试验时通过压力试验机对试件上表面中点或三分点处施加荷载来研究不同混凝土材料界面的抗弯性能，试件形状一般为长方体。任亮等[1]阐述了试件UHPC 和NC 部分的一般尺寸和2 种材料界面黏结性能的重要评估标准。Tong 等[30]采用四根组合梁进行四点抗弯试验，试件破坏后通过观察UHPC-NC 界面脱黏情况发现了黏接强度的作用，试件具体尺寸及试验加载方式情况如图7 所示。

图7 UHPC-NC 复合材料试件示意图[30](Fig.7 UHPC-NC composite specimen diagram[30])

2 界面连接性能的影响因素

由于组合试件存在界面效应，与一次性浇筑的完整试件相比，2 种材料的连接面仍然属于薄弱部位。据统计[31]，近一半的混凝土修复失效是由于界面黏结力失效导致的。因此，掌握影响UHPC-NC 界面连接性能的影响因素，将有助于进一步提高2 种材料的黏结强度。根据目前国内外的相关论文，超高性能混凝土覆盖在普通混凝土结构外表面时，对结合面连接性能产生影响的因素主要包括界面处理方式、UHPC 材料性能、界面剂和界面构造措施等。

2.1 界面处理方式

UHPC-NC 界面连接性能的好坏决定着加固工程的成功与否。综合国内外的文献而言，界面处理方式可概括为改变水泥基材料的表面粗糙度，如人工将连接界面加工成规则的凹凸或者之字形等，或根据实际需要增加结构加固。对于钢筋混凝土结构，现有研究表明通过改变基体表面粗糙度可以显著改变UHPC-NC 界面的黏结强度，当前改变基体表面粗糙度常用的处理方式主要有钻孔、钢刷、喷砂、刻槽以及设置连接键。钢刷法和喷砂法可以清洗混凝土表面杂质，提高其粗糙度，增加黏结性，但有数据表明混凝土表面粗糙度超过一定值时会对原结构造成损伤，从而降低界面连接性能[32]。张阳等[33]设置4 组构件，分为界面不处理、界面凿毛处理、界面植筋处理并进行UHPC-NC 双面直剪试验，通过测量结合面两侧的相对位移，建立了荷载-滑移曲线与荷载-应力曲线，分析得出凿毛和植筋处理均可有效提高界面承载能力，其中植筋处理的提高效果最显著。因此对构件进行植筋处理有助于提高构件的稳定性。饶欣频等[34]继续开展UHPC-NC 界面的抗剪试验，评估了NC 界面光滑、凿毛和露筋等界面处理方式下UHPC-NC 界面抗剪性能和破坏模式，结果表明：凿毛和刻槽处理的界面获得了最佳的抗剪承载力，露筋和钻孔处理界面的抗剪破坏介于延性破坏和脆性破坏之间，植筋和刻槽处理界面的延性较好、脆性较大。然而切槽过深可能会对原结构造成损伤[35]。相对于其他几种处理方式，喷砂由于在操作过程中流速和喷射时间易于掌控，可得到较为理想的表面粗糙度，成为较理想的混凝土表面处理方式。

通过人工在基体表面设置键槽也可以有效提高界面的抗剪能力。Jang 等[35]通过推脱试验对使用不同界面处理方式的试件抗剪承载力进行了对比，发现钢纤维和键槽几何形状对超高性能混凝土组合体的抗剪性能有较大影响，而粗集料的互锁机制对超高性能混凝土和普通钢筋混凝土组合体的抗剪性能起着至关重要的作用。王景全等[14]提出了有无配筋的UHPC 大键齿干接缝形式，经过直剪试验发现采用大键齿接缝的UHPC 试件具有更好的受剪性能；在大键齿UHPC 接缝中适当配置抗剪钢筋，可以有效抑制斜裂缝开展，显著提高大键齿干接缝受剪性能。此外，键槽的几何尺寸也影响界面的抗剪性能[15]。梁雪娇等[36]将键齿构造应用到拼接梁中进行抗弯试验，发现多键齿对抗弯强度具有削弱效应，比单键齿拼接梁承载力更低；由于拼接缝的影响，采用超高性能混凝土材料的拼接梁在抗弯承载力方面的表现要比整浇梁差，为了提高拼接梁的整体性，研究人员[37]采用螺栓等连接键在交接缝处进行加强，取得了不错的效果。

2.2 钢钎维

钢纤维作为UHPC 中必不可少的材料，具有增强、增韧的作用，在UHPC 中所占体积比为3%。研究[38]表明，在动载作用下，相比聚合物纤维，钢纤维能显著提高UHPC 的韧性。邵旭东等[39]通过对UHPC 试件进行轴拉和四点弯拉试验，发现钢纤维的加入能显著提高试件的受拉和受弯性能。

钢纤维的加入能显著提升UHPC 的力学性能。在UHPC-NC 组合试件中掺入适量的钢纤维无疑会使界面的黏结力更大，而钢纤维的数量和种类也会影响UHPC 的韧性等，如：对于一定纤维长径比范围内的UHPC 试件，掺入更大长径比的钢纤维能显著提高其拉伸强度和拉伸韧性[39]。关于钢纤维增强UHPC-NC 界面连接性能的原因，现有的大多数文献研究认为：（1）钢纤维限制了材料的收缩量，有效降低了UHPC 出现裂缝的风险；（2）加入的钢纤维提高了水泥基体材料表面的粗糙度，试件表面的纤维量越多，接触面就越粗糙，从而提供更强的黏结力，且交界处纤维的渗透作用能为黏结面带来更高的机械咬合力，进一步增强了界面的连接性能；（3）UHPC-NC 界面受力过程中，掺入的钢纤维之间形成的桥连作用能有效抑制微裂缝发展，改变黏结面破坏形态[40]。纤维界面黏结增强的具体原理如图8 所示。

图8 纤维界面黏结增强原理示意图[40](Fig.8 Schematic diagram of fiber interface bonding strengthening principle[40])

2.3 其他因素

界面剂的使用也会对UHPC-NC 界面连接性能造成影响，界面剂能从化学的角度改善不同混凝土之间的亲和力，增强2 种混凝土间的黏结度。Issa 等[41]对一组全深度的公、母剪切键试件进行了配对浇注和试验，发现气温会对掺入界面的环氧树脂造成影响，进而影响了对应试件的抗剪能力。此外，不同的超高性能混凝土厚度和其中的受拉配筋率同样会对UHPC-NC 界面的连接性能造成影响[42]。

3 界面连接性能数值模拟

由于现场环境、设备仪器精度以及人为因素的限制，试验往往存在不可忽视的误差。借助有限元分析软件进行数值模拟可以克服试验的相关不足，在理想环境条件下得到相关数据，作为试验研究的有效补充。目前，针对UHPC-NC 的界面连接性能，已经有不少研究人员成功运用ABAQUS、ANSYS 等大型有限元分析软件进行了相应研究。

朱劲松等[43]通过ABAQUS 有限元软件建立了不同跨径下预应力组合梁的有限元分析模型（如图9 所示），对使用最终优化截面的UHPC-NC 组合梁分别按照承载能力极限状态和正常使用极限状态进行验算，结果表明：优化后的UHPC 梁压应力远小于UHPC 的极限状态，梁内普通钢筋最大拉应力为156 MPa，远小于其屈服强度，各项指标均符合设计要求，验证了优化算法的正确性。闫泽宇[44]使用ABAQUS 软件建立UHPC 单键胶接缝有限元分析模型（如图10 所示），分析节段预制拼装UHPC 梁胶接缝的受力行为并得到相关数据，结果表明：相同截面尺寸的UHPC 单键胶接缝抗剪承载力远高于平接胶接缝；随着正应力水平的增加，2 种接缝形式试件的抗剪承载力均得到提高，分析结果与试验结果吻合。张阳等[45]通过ABAQUS 有限元软件分析了5 组常见接缝的受力特点，如图11 所示（图11 列举了其中3 组）。结果表明：采用UHPC 连接接缝的板件具有良好的整体性，组合试件的抗弯、抗拉性能均优于完整NC 板；凿孔、密配筋接缝形式能较大地提高接缝板抗弯抗拉性能，楔形接缝形式与菱形接缝形式次之，矩形接缝形式效果最差。

图10 UHPC 单键胶接缝的有限元分析模型[44]（Fig.10 Finite element analysis model of UHPC single bond adhesive joint[44]）

图11 常见接缝构造的有限元模型[45]（Fig.11 Finite element model of common joint structure[45]）

相比ABAQUS，由于ANSYS、Marc 在非线性计算方面较弱，因此在UHPC-NC 界面黏结性能数值模拟方面应用不多，此处不再对相关案列进行阐述。

通过上述研究实例可以看出，借助相关的有限元软件进行数值模拟具有独特的优势，在试验开始前，运用有限元软件进行预试验可以发现原有试验方案的不足，确立试验重点，从而节省大量的人力和物力。在对超高性能水泥基材料与水泥基材料界面连接性能进行数值模拟时，混凝土材料的本构关系、损伤模型和界面黏结滑移关系的确定成为需要解决的关键问题[1]，也是数值模拟取得成功的关键。

4 结语

UHPC 作为一种新型复合材料，具有超高强度、耐久性高、延性好等优势，在损伤结构的修复加固以及预制构件接缝连接的研究中得到越来越广泛的应用。通过收集并分析国内外现有的相关研究成果和工程实例，在连接性能试验方法、连接性能机理、增强连接性能的措施方面进行了阐述，得出如下结论：

（1） 不同试验方法具有不同的优缺点，测得的试验数据也各不相同，对试验结果产生的影响也不同，研究人员应从研究对象和目的出发，选取符合自身情况的研究方法。

（2） UHPC-NC 的界面连接性能可靠。在一些界面性能相关研究案例中出现了NC 结构先于界面发生破坏的现象，说明超高性能混凝土和普通混凝土之间具有良好的黏结力。

（3） 钢纤维、界面处理方式以及水泥基材料自身的强度均会影响界面黏结强度，但是基体材料表面的粗糙度才是影响界面连接性能的最主要因素，通常界面越粗糙，黏结性能越好。

目前，对UHPC-NC 界面连接性能的研究仍然有一些不足，为促进UHPC 在工程中更加广泛的应用，提出以下建议：

（1） 探究UHPC-NC 界面连接性能的试验方法多种多样，但是不同试验方法均有优缺点，对于试验方法的评估尚未统一，研究人员应根据现有条件因地制宜地选取适合的试验方法。

（2） UHPC 具有超高的耐久性，但是目前关于UHPC 在高温、低温或者冻融环境中耐久性能的研究仍然较少，值得引起研究人员的注意。

（3） 关于UHPC-NC 界面黏结强度的计算公式国内没有形成统一的认识，缺少可直接用于工程计算的公式。

（4） 在UHPC-NC 界面性能的数值模拟方面，无法准确地模拟抗弯试验中UHPC 与普通水泥基材料黏结面受到弯拉作用时的黏结滑移关系。