UHPC⁃NC组合界面连接及抗剪性能研究

周尚猛 王伟 郝聪龙

1.中铁大桥科学研究院有限公司，武汉 430034；2.桥梁结构健康与安全国家重点实验室，武汉 430034

超高性能混凝土［1］（Ultra⁃High Performance Concrete，UHPC）是一种新型水泥基复合材料。与普通水泥混凝土（Normal Concrete，NC）相比，UHPC具有高强度、高耐久性、高韧性等特点。

为充分利用UHPC材料的特性，节约成本，提出UHPC与NC的组合结构［2］，在结构加固修补方面具有广阔的应用前景［3-4］。

新旧混凝土之间存在性能差异，在荷载作用下其黏结界面容易开裂，成为加固结构的薄弱环节。因此，对于两种材料相结合的构件，UHPC与NC之间的有效结合是组合结构共同工作的前提和关键［5］，提高界面的黏结性能是首要问题。

在施工过程中常见的混凝土界面处理方式有界面凿毛［6］、涂界面剂［7］、植入钢筋［8］等方式。不同混凝土界面的凿毛深度会产生不同的界面粗糙度，对界面黏结力有显著影响［2，9］。植入钢筋的直径和间距对界面黏结力也存在一定影响。涂界面剂能有效改善组合界面的强度［10］。

本文通过对UHPC⁃NC剪切试件进行抗剪性能试验，系统研究UHPC与NC之间不同界面处理方式对承载力的影响规律，以得到受力可靠、工效比较高的界面处理方式，为组合结构的实桥应用提供依据，为组合体系的其他方面应用研究奠定基础。

1 试验模型设计及加载方案

1.1 试件设计及制作

UHPC⁃NC组合试件有不同的界面处理方式［4，11］，需要考虑不同处理方式下构件的抗剪性能。本文重点考虑混凝土界面凿毛、涂缓凝剂和植入钢筋的处理措施，得到UHPC和NC界面黏结承载力的容许值。

试件类型采用类似推出试验的双剪试件模型［8］。该模型的主要优点是荷载对称，对中影响小，剪应力更接近结构中的实际应力状态，试验可操作性强。抗剪试件类型见表1。

表1 抗剪试件类型

试件中普通混凝土宽30 cm，高100 cm。UHPC与NC界面的抗剪钢筋均与超高性能混凝土的钢筋网焊接。试件具体尺寸见图1，为了更清晰地展示植筋的位置，图中未给出普通混凝土配筋。

为保证试件与实际UHPC⁃NC组合结构的性能一致，试验制作过程中首先浇筑普通混凝土，然后按要求进行界面处理，最后浇筑超高性能混凝土层。在浇筑过程中应充分振捣，严格保证超高性能混凝土层的密实度。

图1 模型试件的基本尺寸（单位：cm）

1.2 试验加载及测量方案

采用MTS600T试验机在试件顶部进行加载并记录试验荷载值及对应的测点滑移量，先采用力加载方式分级缓慢加载，每级荷载25 kN；随着变形的增加，改用位移加载方式，保证试验机的安全。试验过程中，为记录各级加载力作用下组合界面的相对滑移量，共布置8个百分表（图2），表座固定于普通混凝土角钢表面，表头位于超高性能混凝土角钢处，用以测量组合界面的相对滑移量。

图2 UHPC⁃NC组合试件剪切性能试验

试验开始前，在普通混凝土顶面放置一定厚度的钢垫板，超高性能混凝土底面抄平，确保加载过程中MTS作动器对中加载且正常工作。试件加载过程中对试件进行整体绑扎，防止破坏时突然倾斜造成安全事故。注意观察可能出现裂缝部位的开裂情况，记录初始裂缝对应的加载值。下方设置限制位移的木头，防止试件突然破坏造成百分表的损坏。

2 试验结果及分析

2.1 推出试件的破坏形态

试件破坏形态见图3。可知：①同组2个试件抗剪强度相差不大，破坏形式一致。其中ZH⁃A组试件的破坏形态为组合界面剥离，呈双侧剪切破坏，说明界面不处理时，黏结抗剪性能较差。试件ZH⁃B组与ZH⁃C组的破坏均发生在普通混凝土侧，呈单侧剪切破坏，界面凿毛与涂缓凝剂时试件破坏位置发生在普通混凝土侧，表明界面黏结抗剪性能较优。②所有试件界面植筋的破坏形态均为普通混凝土侧拔出破坏，超高性能混凝土侧未发生拔出破坏，说明界面植入钢筋对试件的抗剪性能贡献较小，仅采用植入钢筋作为界面处理的主要手段是远远不够的。若保证组合试件正常工作，植入钢筋可作为安全储备，与其他界面处理措施如凿毛或涂缓凝剂共同实施。

图3 试件破坏形态

2.2 推出试件的荷载-滑移曲线

通过测量推出试件UHPC与NC的相对滑移量，得到试件顶部与底部平均相对滑移量与荷载的关系曲线。单个百分表测得的相对滑移量δ=Sp-S0，Sp为某荷载时刻的百分读数，S0为百分表初始值。

ZH⁃A组试件加载力-平均相对滑移量曲线见图4。可知，ZH⁃A⁃1、ZH⁃A⁃2试件的初始开裂荷载分别为200、225 kN，平均相对滑移量分别为0.07、0.08 mm，最大加载力分别为675、800 kN。初始裂缝发生后，裂缝迅速扩展，先开裂侧的UHPC⁃NC界面平均相对滑移量显著增加，且明显大于另外一侧（后开裂侧）。随着荷载的增加，先开裂侧界面的抗剪能力迅速降低，主要由另外一侧界面及抗剪钢筋承担剪力，荷载继续增加导致后开裂侧界面突然破坏，最终呈现出双侧剪切破坏形态。

图4 ZH⁃A组试件加载力-平均相对滑移量曲线

ZH⁃B组试件加载力-平均相对滑移量曲线见图5。可知，ZH⁃B⁃1、ZH⁃B⁃2试件的初始开裂荷载均为800 kN，平均相对滑移量均为0.14 mm，最大加载力分别为2 744、3 067 kN。初始裂缝发生后，裂缝缓慢扩展，先开裂侧的UHPC⁃NC界面平均相对滑移量逐渐增加，后开裂侧界面开始出现裂缝并不断发展，在试验中无法判断是先开裂侧还是后开裂侧最终发生界面完全剪切破坏。随着荷载的增加，裂缝扩展最严重侧界面瞬间失效，另外一侧界面继续工作，直至超高性能混凝土底部角点剪切破坏，试件逐渐丧失竖向刚度，最终试件呈现单侧完全剪切破坏的形态。

图5 ZH⁃B组试件加载力-平均相对滑移量曲线

ZH⁃C组试件加载力-平均相对滑移量曲线见图6。ZH⁃C⁃1、ZH⁃C⁃2试件的初始开裂荷载分别为900、800 kN，平均相对滑移量分别为0.16、0.11 mm，最大加载力分别为3 877、2 931kN。初始裂缝发生后，加载破坏过程与ZH⁃B组试件类似，最终试件呈现单侧完全剪切破坏的形态。

图6 ZH⁃C组试件加载力-平均相对滑移量曲线

ZH⁃B组与ZH⁃C组试件的开裂荷载和最大加载力较为接近，且明显大于ZH⁃A组试件，表明界面凿毛或涂缓凝剂时，试件的抗剪性能有很大提高。ZH⁃A组试件曲线有一明显拐点，此为组合界面失效的起始点，界面黏结性能较差，延性较低。ZH⁃C组试件在开裂前的初始阶段，顶部和底部的平均相对滑移量基本一致，说明该组试件界面初始黏结性能最优，超高性能混凝土与普通混凝土能够共同工作。

2.3 推出试件的抗剪刚度

为进一步研究UHPC⁃NC组合试件的抗剪刚度，根据试件加载力-平均相对滑移曲线计算剪切刚度。由于试验过程中的不确定性，导致荷载-滑移曲线出现不连续情况。因此采用初始直线段刚度的方法计算试件的抗剪刚度，即取每个试件荷载-平均相对滑移量曲线初始直线段的斜率，计算结果见图7。

图7 组合试件界面剪切刚度

由图7可知，试件界面的抗剪刚度在9~11 kN∕m，但ZH⁃C⁃1试件比其他试件的抗剪刚度偏低，为7.761 kN∕m。在加载至开裂荷载之前，可认为3组试件界面抗剪刚度基本一致，此为超高性能混凝土与普通混凝土共同工作的基础。加载至开裂后，ZH⁃A组试件界面抗剪刚度迅速降低，而ZH⁃B组和ZH⁃C组试件界面抗剪刚度基本维持不变，超高性能混凝土与普通混凝土能共同工作直至试件破坏。

2.4 推出试件的抗剪强度

通过试验测定试件破坏时的荷载P，试件界面试验抗剪强度τ=P∕（2ab），其中，a、b分别为交界面的长与宽，抗剪强度计算结果见表2。表中最后一列数据为试件抗剪强度与C50混凝土抗剪强度的比值。

表2 各试件界面试验抗剪强度

由表2可知：

1）ZH⁃A组试件界面抗剪强度分别为1.05、1.25 MPa，抗剪强度较低，约为普通混凝土劈裂强度的25%；ZH⁃B组试件界面抗剪强度分别为4.29、4.79 MPa，其抗剪强度近似等于普通混凝土的劈裂强度；ZH⁃C组试件界面抗剪强度分别为6.06、4.58 MPa，抗剪强度略高于ZH⁃B组试件。

2）通过对UHPC⁃NC界面处理后，UHPC材料嵌入粗糙表面的凹槽中，使得超高性能混凝土与普通混凝土共同抵御界面的剪切荷载，而UHPC材料无论强度、延性、韧性均比普通混凝土表现更好，因而试件的抗剪强度更高。

3）结合试验破坏情况及数据分析可知，在UHPC⁃NC组合试件共同工作的前提下，普通混凝土的强度成为影响组合试件界面抗剪强度的关键因素。

3 结论

1）三组试件的破坏形态均为普通混凝土侧拔出破坏，界面仅植入钢筋对试件的抗剪性能贡献很小，不能单独作为界面的处理措施使用。

2）三组试件的初始抗剪刚度接近，但界面凿毛或涂缓凝剂时，试件抗剪强度近似等于普通混凝土的劈裂强度，主要取决于普通混凝土的强度。

3）与界面不处理试件相比，凿毛或涂缓凝剂时试件界面抗剪性能有很大提高，能够满足工程实践的需要，可为同类型的界面处理方式提供借鉴。