UHPC-NSC 界面黏结性能的评价方法

冯 硕， 石新波， 王 威， 徐 凡， 肖会刚

（1.山东大学 土建与水利学院，山东 济南 250061； 2.哈尔滨工业大学 土木工程学院，黑龙江哈尔滨 150090； 3.哈尔滨工业大学 结构工程灾变与控制教育部重点实验室，黑龙江哈尔滨 150090； 4.黑龙江省建工集团有限责任公司，黑龙江 哈尔滨 150000）

普通混凝土（NSC）作为基础设施建造的主要材料，服役环境通常比较恶劣，比如江海桥墩受到海水的冲刷，山区高架桥桥墩受到洪水与泥石流的冲撞和磨蚀，易于发生损坏，威胁到混凝土基础设施的服役安全[1-2］.为了保障混凝土结构的正常服役，通常需要进行修复.传统修复材料的修复界面由于边壁效应，富集氢氧化钙形成了择优取向，致使结构比较疏松[3-4］.因此，修复界面属于薄弱区且容易发生脱黏.传统修复材料自身的耐久性能有限，且界面易脱黏，特别是在严酷环境作用下发挥的延寿效能比较有限[5-6］.

超高性能混凝土（UHPC）具有高强、高韧和高耐久的优点[7-8］，可以成为理想的修复材料，能够解决“反复”修复的难题.但是，UHPC 与NSC 的弹性模量和线膨胀系数等存在较大的差异[9-10］.UHPC-NSC 能否获得良好的界面黏结性能并克服两者物理参数差异带来的不利影响，是UHPC-NSC 能否在严酷环境下长期协同服役的关键所在.Zhang 等[11］研究发现，粗糙度对UHPC-NSC 界面黏结性能的影响显著，多出现基体的完全破坏.龙杰等[12］研究发现，粗糙度对UHPC-NSC 界面劈拉性能有显著的影响，出现了基体失效模式.Farzad 等[13］发现UHPC-NSC 界面的黏结性能较高，失效模式多为基体失效.UHPC-NSC 由于界面性能良好，失效位置发生在基体，采用破坏荷载来评价UHPC-NSC 界面的黏结性能将偏于保守.

本文采用基体约束加强的方法将UHPC-NSC的失效位置控制在界面处，解决传统测试方法失效位置发生在基体的问题，进而提出了UHPC-NSC 界面黏结性能的评价方法，研究混凝土基体表面粗糙度、基体强度以及测试方法对UHPC-NSC 界面黏结性能的影响，并通过微观表征手段揭示其机理.

1 试验

1.1 原材料

混凝土基体采用3 种强度等级（S1、S2、S3），配合比见表1.修复材料采用NSC 和UHPC：NSC 的配合比见表1，UHPC 的28 d 抗压强度为 135 MPa，配合比包括42.5 普通硅酸盐水泥 833.3 kg/m3、硅灰208.3 kg/m3、河砂1 041.6 kg/m3、水193.7 kg/m3、钢纤维体积分数2% 以及聚羧酸减水剂31.3 kg/m3.NSC 所用河砂最大粒径4.75 mm，UHPC 所用河砂最大粒径2.36 mm. 所用直型钢纤维直径0.2 mm，长度13 mm，抗拉强度2 850 MPa.

表1 混凝土的配合比Table 1 Mix proportions of concretes

1.2 试件设计与制备

1.2.1 试件设计

修复界面的黏结性能采用直接拉伸测试方法进行评价，修复试件为ϕ50×100 mm 的圆柱体，采用3种方法进行测试（见图1）：试件端部用环氧树脂连接拉拔块进行拉伸试验（CL法），如图1（a）所示；试件接近端部的圆柱体侧面部位采用钢圆环通过环氧树脂和试件连接，钢圆环和拉伸夹具通过螺纹咬合连接（WH 法），如图1（b）所示；试件界面放置O 型橡胶环，试件其余部位通过环氧树脂和钢圆环相连，圆环和拉伸夹具通过螺纹咬合连接（YH 法），如图1（c）、（d）所示.

图1 试件设计Fig.1 Specimen design

YH 法模拟了混凝土受损基体进行局部约束加强后与修复材料界面黏结性能的受力特征.采用增加基体约束加强的方法使得失效位置控制在修复界面，得到的结果能够准确评价UHPC-NSC 界面的黏结性能，改进了传统评价方法测试结果出现基体失效导致结果偏于保守的不足，获得了UHPC-NSC 界面准确的黏结性能，有助于评价修复界面在长期复杂环境作用下的性能退化过程.

1.2.2 试件制备

修复试件的制备过程如图2 所示：

图2 修复试件的制备流程Fig.2 Process of concrete repair

（1）制备混凝土基体，尺寸为150 mm×150 mm×50 mm.150 mm 立方体模具中的垫块为硬质木板，在空余部位浇筑混凝土，得到设计尺寸的混凝土基体.混凝土基体在标准养护环境下养护28 d 后，放在实验室中自然干燥2 个月.

（2）进行修复表面粗糙度处理.采用高压水流处理混凝土的修复表面，采用不同时长的高压水流作用，得到3 种粗糙度修复面，分别命名为L、M 和H 型修复表面.

（3）将混凝土基体放入模具中，然后在其余部位浇筑修复材料，修复材料的尺寸与混凝土基体相同.

（4）取芯得到ϕ50×100 mm 的圆柱形修复试件.修复材料UHPC 的制备过程如下：首先，将水泥、硅灰、水和减水剂在霍巴特搅拌器中混合5 min；随后，加入钢纤维并混合10 min；最后，加入河砂并混合搅拌5 min. 基体包括S1、S2 和S3，修复材料包括NSC和UHPC.

1.2.3 粗糙度表征

混凝土修复表面粗糙度处理后的状态如图3 所示.由图3 可见：L 型粗糙面的浮浆层去除，修复表面的骨料裸露，但裸露高度低于基体砂浆；M 型粗糙面的骨料裸露程度增加，周围砂浆被高压水流冲蚀，骨料和基体砂浆高度平齐或略微高出；H 型粗糙面的骨料裸露程度进一步增加，骨料裸露高度高于砂浆.

图3 混凝土修复表面的状态Fig.3 Repaired surface state of concretes

此外，采用传统的灌砂法进行粗糙度的测量[14］，L、M、H 型粗糙面的平均灌砂深度分别为0.31、0.64、1.29 mm，每种类型表面测量9 个试件，平均灌砂深度数据变异系数（COV）低于6%，表明同类型修复表面的粗糙度是一致的.

1.3 试件测试

1.3.1 界面黏结性能测试

界面黏结性能测试采用位移加载，加载速率1.0 mm/min，钢圆环内径为50.5 mm，拉拔夹具端部通过铰接与螺纹拉杆进行连接，尽量减小螺纹拉杆与黏结面轴向偏差带来的测试误差.界面抗拉强度（T，MPa）计算如式（1）所示.

式中：P为破坏荷载，kN；A为修复界面的横截面积，mm2.

修复工况如下：混凝土基体采用S1、S2 和S3，采用CL 法测试L、M 和H 型粗糙面下NSC-NSC 界面的黏结性能；采用WH 法测试L、M 和H 型粗糙面下NSC-UHPC 界面的黏结性能；采用YH 法测试L、M和H 型粗糙面下NSC-UHPC 界面的黏结性能.

1.3.2 界面微观结构分析

在未受力修复试件的界面处取ϕ20×15 mm 的圆柱体芯，以制备背散射（BSE）测试样品，观测表面含有新老混凝土及修复界面.使用高流动性环氧树脂在0.095 MPa 压力下真空浸渍干燥的样品，常温固化24 h 后脱模.使用自动磨抛机对浸渍过的样品进行研磨和抛光，制备样品具有“镜面”效应. 观测修复界面的平面结构特征，并获得BSE 图像，界面过渡区进行能谱（EDS）元素分析和孔隙率分布分析，统计修复界面的裂缝宽度.

2 结果与讨论

2.1 失效模式

图4 为修复试件的失效模式.由图4 可见：采用CL 法测试NSC-NSC 界面的性能，主要是界面失效模式；采用CL 法测试NSC-UHPC 界面的性能，出现了拉拔块与修复试件之间环氧树脂层的破坏，从而导致界面黏结性能数据的获取失效.因此，采用端部部分圆环约束修复试件进行NSC-UHPC 界面的黏结性能测试.UHPC-NSC 试件在基体S3 与L 型粗糙面出现了界面破坏，其余全部为混凝土基体破坏.这是由于S3 基体的强度较高，修复面的粗糙度较大的缘故.采用YH 法测试NSC-UHPC 界面的黏结性能，失效位置位于界面处.

图4 修复试件的失效模式Fig.4 Failure modes of repaired specimens

2.2 失效位置

对CL、WH 和YH 法测试试件的失效位置进行了统计分析（见图5（a）），统计失效位置和修复界面的距离结果见图5（b）.由图5（a）、（b）可见：对于UHPC-NSC 的S3L（S3 基体+L 型粗糙面，余同）工况，WH 与YH 法测试试件的失效位置与界面的距离是类似的，均低于3 mm，这是由于2 种方法测试试件的失效模式均为界面失效；对于其他工况，WH 法中UHPC-NSC 试件的失效位置与界面的距离均大于13 mm，YH 法中UHPC-NSC 试件的失效位置与界面的距离均低于3 mm，这远低于WH 法中UHPC-NSC试件的失效位置与界面的距离；CL 法中NSC-NSC界面的失效位置与界面的距离均低于3 mm，这是由于NSC-NSC 界面的强度较低，基体未发生失效.

图5 修复试件失效后提取的数据Fig.5 Information extracted from a repaired specimen after testing

图5（c）为UHPC 粘落混凝土基体面积占比的示意图，图中线条围成的区域为NSC 基体，其余区域为UHPC.图5（d）为统计UHPC 粘落混凝土基体面积占比的结果.由图5（c）、（d）可见：对于WH 法，除了UHPC-NSC 试件的S3L 工况外，其余工况的界面失效位置均在混凝土基体上，UHPC 粘落混凝土基体面积占修复界面面积的100%；对于YH 方法，由于界面失效，UHPC 粘落混凝土基体面积占修复界面面积的比例均低于100%；对于同种粗糙面，混凝土基体强度较低时粘落的混凝土面积占比较高；对于同种混凝土强度基体，随着粗糙度的增加，混凝土基体被粘落的面积占比升高.

2.3 界面黏结强度

图6 为界面黏结强度的测试结果.由图6 可见：

图6 界面黏结强度的测试结果Fig.6 Test results of interface tensile strength

（1）WH 法得到的UHPC-NSC 界面黏结强度的COV 均大于10.5%，最高达到17.5%，CL 法得到的NSC-NSC 界面黏结强度的COV 均大于11.4%，最高达到17.2%；YH 法得到的UHPC-NSC 界面黏结强度的COV 均小于6.5%.本文采用环向约束加强基体的方法使直接拉伸试验数据的COV 显著降低，减小了数据的离散程度.

（2）在CL 法测试中，NSC-NSC 界面失效，直接拉伸试验结果即为NSC-NSC 界面的黏结性能.S1L、S2L、S3L 工况下的界面黏结强度分别为1.35、1.42、1.38 MPa，S1M、S2M、S3M 工况下的界面黏结强度分别为1.71、1.62、1.74 MPa，S1H、S2H、S3H 工况下的界面黏结强度分别为2.01、1.98、2.07 MPa.对于同种类型修复面，基体强度对界面黏结性能的影响幅度为1.4%～5.6%，粗糙度对界面黏结性能的影响幅度为14.1%～50.4%.由此可见，NSC-NSC 界面的化学胶结力较弱，机械咬合力起主导作用.对于同类型修复面，同等粗糙度能够提供近似的机械咬合力.

（3）在WH 法测试中，除了S3L 工况出现界面失效外，其他工况的直接拉伸试验结果与混凝土基体的拉伸强度类似，UHPC-NSC 界面真实的黏结强度较WH 法实测值偏高.以S2 混凝土基体为例，L、M和H 型UHPC-NSC 界面黏结强度的WH 法测试结果分别为3.07、3.14、3.16 MPa.由此可见，当采用WH 法测试UHPC-NSC 界面的黏结强度时，粗糙度对修复界面性能的影响不显著.在YH 法测试中，以S1 混凝土基体为例，L、M 和H 型UHPC-NSC 界面的黏结强度分别为3.45、3.68、4.03 MPa. S1、S2、S3基体UHPC-NSC 界面的性能随着粗糙度的增加而增加，界面强度分别提升了7.4%～19.3%、16.9%～33.3% 和21.2%～23.6%. 由 此 可 见，YH 法 测 试UHPC-NSC 界面的黏结性能能够反映粗糙度对界面黏结性能的影响，而WH 法测试由于基体失效，无法反映粗糙度对界面黏结性能的影响.

（4）研究了评价方法、混凝土基体强度和修复面粗糙度对修复界面黏结性能的影响，分析测试方法对结果的影响时均采用同种混凝土基体和同种修复面类型，排除基体强度差异对结果的干扰.YH 法与WH 法相比，UHPC-NSC 界面的黏结性能在S1L、S1M、S1H、S2L、S2M、S2H、S3L、S3M、S3H 工况下分别提升了32.2%、38.2%、48.9%、18.2%、26.0%、39.2%、4.6%、18.9%、29.0%.由此可见，本文采用环向约束加强基体，相对弱化界面的方法使直接拉伸UHPC-NSC 界面黏结性能的数据更接近真实值.

（5）WH 法与CL 法相比，UHPC-NSC 界面的黏结强度在S1L、S1M、S1H、S2L、S2M、S2H、S3L、S3M、S3H 工况下分别增加了93.8%、55.7%、34.7%、116.1%、93.7%、59.6%、142.7 %、105.8%、75.8%.随着修复表面粗糙度的增加，UHPC 相较于NSC 对界面性能的提升幅度逐渐降低.YH 法与CL法相比，UHPC-NSC 界面的黏结强度在S1L、S1M、S1H、S2L、S2M、S2H、S3L、S3M、S3H 工况下分别增加了156.2%、115.2%、100.6%、155.5%、144.1%、122.2%、153.8 %、144.6%、126.8%.随着修复表面粗糙度的增加，UHPC 相较于NSC 对界面性能的提升幅度逐渐降低. 由此可见，UHPC 相比于NSC 在修复表面粗糙度较低的情况下更显界面性能优势.

（6）YH 法 修 复 L 型 S1、S2、S3 基 体UHPC-NSC 界面的拉伸黏结强度分别为3.45、3.63、3.49 MPa，M 型S1、S2、S3 基体UHPC-NSC 界面的拉伸黏结强度分别为3.68、3.95、4.25 MPa，H型S1、S2、S3 基体UHPC-NSC 界面的拉伸 黏结强度分别为4.03、4.40、4.69 MPa.对于相同的修复表面粗糙度，尽管混凝土基体的强度存在差异，但是修复界面的黏结强度是类似的.因此，采用YH 法只需要1/3 的工况数量就能够得到现有的结果，减少了试验的工作量.例如，M 型修复表面灌砂法得到粗糙度为0.64 mm，使用YH 法测得混凝土基体强度等级S2 与UHPC 界面的黏结强度为3.95 MPa.由此可知：采用UHPC 修复该粗糙度情况下的混凝土基体时，当混凝土基体抗拉强度小于3.95 MPa 时，UHPC 不会脱黏；混凝土基体抗拉强度大于3.95 MPa 时，UHPC 出现脱黏现象.

（7）CL 法、WH 法和YH 法拟合线的斜率分别为0.63、0.15 和0.84，误差（R2）分别为0.95、0.03 和0.70.对于传统测试方法，粗糙度与UHPC-NSC 界面黏结性能拟合线的斜率和R2均较低；对于YH 法，粗糙度与UHPC-NSC 界面黏结性能拟合线的斜率和R2均较高.NSC-NSC 界面脱黏，因此CL 法拟合线的斜率和R2均较高. 由此可见，YH 法能够较好地反映粗糙度对UHPC-NSC 界面性能的影响，准确评价UHPC-NSC 界面的黏结性能.通过强化混凝土基体环向约束，使修复界面变为相对较弱区域，从而获得真实的黏结强度，本文所提出的测试方法中UHPC、混凝土基体和界面均属于同截面的区域.

2.4 界面过渡区的微观结构

2.4.1 平面结构特征和EDS 元素分析

图7 为修复界面的微观结构. 由图7 可见：（1）NSC 修复材料含有粗骨料，在浇筑过程中，粗骨料可能会沉降并堆积在混凝土基体表面造成点接触，从而阻止水泥浆进入凹槽处或孔隙内，在修复表面产生间隙，降低修复界面的黏结面积，弱化修复界面的机械咬合力，导致修复界面比较薄弱，易脱黏[15］.（2）UHPC 仅含有2.36 mm 的细骨料. 相比于NSC，UHPC 修复界面避免了表面出现“缺浆”现象. NSC的水胶比高于UHPC，作为修复材料，在修复界面形成了水灰比高的“过渡区”.在该过渡区中，修复材料水化产物生成的Ca（OH）2和钙矾石晶体的尺寸和数量较大.晶体择优取向的定向排列增大了界面过渡区的孔隙率[16］. 因此，NSC-NSC 界面过渡区产生了裂纹且结构比较疏松，而UHPC-NSC 界面过渡区比较致密，仅存在微裂纹.

使用EDS 对NSC-NSC 和UHPC-NSC 界面过渡区的Ca、Si 元素进行分析，结果也绘于图7.由图7（c）可见，NSC-NSC 界面过渡区的钙硅原子比为1.82，标准差为0.15，UHPC-NSC 界面过渡区的钙硅原子比为0.52，标准差为0.11，这表明UHPC 修复界面处产生了较多的水化硅酸钙（C-S-H）和较低含量的Ca（OH）2. UHPC 中的硅灰与Ca（OH）2反应在界面处生成了C-S-H，减少了Ca（OH）2的含量，使界面过渡区更加致密[17-18］.

2.4.2 界面过渡区的孔隙率分布

界面过渡区的孔隙率通过BSE 图像分析实现.图8 为修复界面的背散射图像及分析.由图8 可见：

（1）孔隙率随着距离修复界面与过渡区距离的增加而逐渐减小，该规律与文献[19］报道的界面过渡区孔隙率分布特征一致.由于壁效应和泌水效应的存在，使得修复界面过渡区的孔隙率增大，Ca（OH）2的数量和缺陷增多.

（2）在UHPC-NSC 界面的40 μm 距离内，随着与修复表面的距离的增加，修复界面过渡区的孔隙率急剧下降；当距离超过40 μm 时，孔隙率趋于稳定.在UHPC-NSC 界面的60 μm 距离内，随着与修复表面距离的增加，修复界面过渡区的孔隙率急剧下降；当距离超过60 μm 时，孔隙率趋于稳定. 在距离修复界面相同的距离时，UHPC-NSC 界面过渡区的孔隙率低于NSC-NSC 界面过渡区的孔隙率.

2.4.3 修复界面裂缝的宽度

修复界面裂缝宽度的测量需要在放大倍数2 000倍以上获得修复界面的BSE 照片，每种工况至少采集20 张，使用Image J 软件测量修复界面的裂缝宽度，结果如图9 所示.由图9 可见：相比于NSC-NSC修复界面，UHPC-NSC 修复界面裂缝宽度的分布曲线向左移，表明UHPC 减小了修复界面的裂缝宽度；UHPC 修复界面的平均裂缝宽度为0.56 μm，NSC 修复界面的平均裂缝宽度为6.00 μm，修复界面裂缝宽度的减小有利于提高界面的黏结强度.

图9 修复界面的裂缝宽度Fig.9 Crack width of repaired interface

3 结论

（1）采用传统直接拉伸方法测试普通混凝土（NSC）修复的NSC-NSC 界面性能，其主要破坏模式为界面失效；超高性能混凝土（UHPC）修复的UHPC-NSC 界面的失效模式为拉拔块和混凝土之间环氧树脂层破坏，测试数据无效.采用改进直接拉伸测试方法，UHPC-NSC 界面性能的测试数据均有效，采用环向约束加强基体，相对弱化界面的方法使直接拉伸试验试验失效位置在界面位置处.

（2）采用环向约束加强基体，相对弱化界面的方法使直接拉伸试验数据的变异系数（COV）显著降低，UHPC-NSC 界面黏结性能的数据更接近真实值，能够反映粗糙度对界面黏结性能的影响.无环向约束加强基体进行测试由于基体失效，无法反映粗糙度对界面黏结性能的影响.相比于NSC，UHPC 在修复表面粗糙度较低的情况下更显修复界面黏结性能的优势.

（3）UHPC-NSC 界面过渡区的孔隙率相对于NSC-NSC 界面降低了70%以上. UHPC-NSC 界面的平均裂缝宽度为0.56 μm，NSC-NSC 界面的平均裂缝宽度为6.00 μm. UHPC 中的硅灰与Ca（OH）2发生反应，在界面处生成水化产物水化硅酸钙，减少了Ca（OH）2的含量，使界面过渡区致密.