超高性能混凝土-既有混凝土界面粘结性能研究综述

超高性能混凝土-既有混凝土界面粘结性能研究综述

张信祯

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摘要：传统的混凝土加固技术由于其抗拉强度、耐久性和脆性较低，在使用上存在一些局限性。而后续流行的复合砂浆/灌浆料钢筋网加固方式仍存在养护时间长、新老混凝土之间的应力水平低、界面粘结弱等问题。近年来的研究热点是用高性能水泥基材料进行加固，这种加固方式可以大幅度提高承载力且耐久性良好。超高性能混凝土通过去除粗骨料，降低自重并提升材料均匀性；通过颗粒优化和压实增加密实度，降低孔隙率；通过热处理改善微观结构；通过添加钢纤维提升材料延性。研究表明超高性能混凝土(UHPC)强度高、韧性好，有着优越的耐久、抗裂以及抗震性能，超高性能混凝土钢筋网加固技术适用于受损普通混凝土(Normalconcrete,NC)结构的修复与加固，不仅可解决其他架构方式的不足，而且可大幅度增加结构受力性能和耐久性能，更符合绿色可持续发展的社会需求。

关键词：超高性能混凝土；既有混凝土；界面性能试验；影响因素；耐久性

引言

混凝土结构由于大气环境、荷载作用及自身性能退化，故混凝土耐久性成为土木工程领域内研究的主要方向。对现有混凝土结构的检测评估、维修加固已成为研究的热点方向。在对老混凝土的修复加固中，修复完成后的新老混凝土的力学性能和耐久性能成为了学者们关注的主要焦点。由于新老混凝土在浇筑时，因浇筑时间上的差异和浇筑层面上存在的各种缺陷，使得结合界面成为了新老混凝土结构最薄弱的环节。在力学性能方面，之前的学者研究的已经比较完整，但对于新老混凝土的耐久性能方面研究相对较少。故文中针对采用UHPC作为修补材料对影响新老混凝土结合界面耐久性的几大因素进行讨论和总结。

1试验概况

1.1粗糙度

在结构的维护与加固中，UHPC应用于结构的受损薄弱部位，不仅可恢复既有结构的力学性能，起到增强作用，而且还能作为保护层抵抗外界有害离子的侵蚀，如桥面修复、桥墩加固等。UHPC与NC之间的界面是其最薄弱的部位，界面的破坏往往先于整体构件。界面粗糙度和有害杂质含量处理程度对界面粘结性能和使用耐久性能影响巨大，决定着工程结构的安全性、适用性和耐久性，是保证组合构件或加固构件协同工作的前提。界面粗糙度处理最常见的方法：人工凿毛法、高压水枪法（水冲压力达到80MPa以上）、抛丸喷射法、人工切槽法、机械刻痕法。均能满足施工需求，可以根据生产环境及条件优选性价比较优的方案。

1.2界面剂

在工程中，为了提高新老混凝界面的粘结质量，也常常采用界面剂，界面剂的使用常常是在凿毛的基础上，为了更好的粘结效果。界面剂常用的包括无机界面剂、有机界面剂和复合界面剂，无机界面剂容易造成混凝土结构应力集中，而复合界面剂有比较好的粘结性能。研究了水泥净浆和新型环氧界面剂作用下新老混凝土黏结试件的抗冻性能和渗透性能。针对一种新型研发的改性环氧界面剂开展了力学试验和耐久性试验；对在五组不同界面剂下新老混凝土粘结试件进行劈拉试验和斜剪试验；同时为了对比改性环氧、水泥净浆界面剂对新老混凝土粘结试件耐久性的影响，分别进行了抗冻实验、抗渗试验和碳化试验。通过试验研究了水灰比、掺合料以及界面处理方式对新老混凝土中的氯离子渗透机能的影响。以上几位学者分析了不同界面剂作用下对新老混凝土黏结界面耐久性能的变化规律和机理。

2结论

2.1破坏形态

文献试验结论：

通过双剪切剪切试验，破坏形态主要有以下三种：1)纯界面破坏(A)：裂缝沿界面从上往下发展，发生剪切破坏。UHPC层掉落，两种材料表面互相没有黏连，附着在UHPC层的普通混凝土与整个粘结界面的面积比在10%以内；2)界面破坏+NC结构破坏：裂缝先沿着粘结界面，再沿粘结面附近的老混凝土竖直发展。UHPC块附着了普通混凝土薄层，销钉屈曲。NC破坏时，销钉没有全部拔出。CMA破坏时，销钉全部随着UHPC层被拔出NC结构；3)界面破坏+NC芯柱大块剥离破坏(TMA)：裂缝先沿着粘结界面，再斜向下发展，向NC芯柱中下部延伸，在UHPC层附着一大块普通混凝土。部分试验组出现两个破坏面的情况，一个靠近粘结面，另一个斜向老混凝土中部，两个破坏面剪下一大块老混凝土，推测原因是由于双面剪切试验过程中，混凝土强度与钢筋握裹力不足，或者机械咬合力差造成的。

2.2强度

文献试验结论：

湿养护时，超高性能混凝土相对于对照组分别最高提升17%、34%;7d和28d抗压强度分别提升14%～61%、－7%～25%。超高性能混凝土的7d抗折强度一般可发展到28d强度的79%～94%，而7d抗压强度发展到28d强度的71%～104%。干养护超高性能混凝土的28d抗压强度比湿养护高28%～70%，这是由于干养护有利于改性材料中的乳胶粉成膜，且干养护试件的含水率低，湿态混凝土受压时内部孔隙产生孔隙水压力，加速其损伤和微裂纹扩展。该组透水混凝土的7d和28d抗折强度相对于对照组分别提升3%～17%和0%～34%，且强度随胶浆流动度的增大而逐渐增大，湿养护下混凝土的7d和28d抗压强度分别提升36%～61%和－7%～25%，干养护下28d抗压强度提升17%～33%。该组超高性能混凝土的7d和28d抗折强度相对于对照组均增长0%～10%，且基本不受水胶比的影响;湿养护下混凝土的7d和28d抗压强度分别提升14%～49%、－4%～17%，干养护下的28d抗压强度基本与对照组持平。减水剂用量相同时，水胶比控制组强度不低于流动度控制组。整体而言，水胶比控制组超高性能混凝土的抗压强度和抗折强度均优于流动度控制组。这是由于二者胶浆的最大浆集比最接近设计浆集比，胶浆对集料的包裹更加均匀，透水混凝土工作性能最佳。

3结论

本文综述了国内外UHPC-NC界面粘结性能试验的研究进展，得到了以下主要结论：1、介绍了UHPC-NC界面粘结试验方法及存在问题。其中，拉伸试验可分为直接法与间接法，通常存在偏心加载问题；剪切试验主要分为单面和双面剪切试验，但界面受到附加弯矩影响；斜剪试验测量界面的剪切应力与压应力，但其受界面夹角和粗糙度的影响。2、不同试验方法对界面处理的敏感度不同，测得的界面粘结强度结果差异较大。劈裂试验、剪切试验与斜剪试验能较好评估界面处理的影响，劈拉试验和试验梁的敏感度要低于前者，应根据研究目的选择合适的试验方法。3、总结了国内外不同规范的界面粘结抗剪计算公式及其对于UHPC-NC的适用性。通过归纳UHPC-NC的界面剪切试验可知：现有规范计算公式是基于新旧普通混凝土剪切摩擦理论或者通过试验数据拟合得到的，对于UHPC-NC界面粘结抗剪强度的计算结果偏于保守。4、影响界面粘结强度的因素有纤维、界面粗糙度、界面剂、界面含水量、既有混凝土强度、胶凝材料及养护条件等。纤维通过减小材料收缩并改善界面荷载传力方式；增加界面粗糙度的可以提高UHPC与NC之间的接触面积，从而增强界面粘结特性；UHPC-NC的界面粘结强度随既有混凝土强度的提高而提高；界面剂、界面含水率及胶凝材料可以改善UHPC-NC过渡区的微观结构；选择合适的养护条件可以减少收缩带来的不利影响。

结束语

本文基于界面黏聚力、摩擦力以及销钉作用提出了UHPC-NC界面剪切强度改进公式，计算值与试验值吻合良好。将来的工作重点也需要研究采用UHPC相比于复合砂浆的优越性，以及比较复合砂浆或其他砂浆粘结性能，可以为活性粉末混凝土钢筋网加固混凝土结构时对界面粘结性能的判断提供参考依据。

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