陳子璇，肖建莊，2，丁 陶，2

（1.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海 200092；2.同濟(jì)大學(xué)工程結(jié)構(gòu)性能演化與控制教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室，上海 200092）

建筑業(yè)是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的五大支柱產(chǎn)業(yè)之一。近百年來(lái)，混凝土結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了快速發(fā)展與廣泛應(yīng)用，在對(duì)人類社會(huì)的發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)的同時(shí)，也對(duì)資源、能源和生態(tài)發(fā)展提出了新的要求，可持續(xù)的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑［1］?；诖?，肖建莊等［2］首次提出了“組合混凝土結(jié)構(gòu)”的概念，旨在綜合考慮新型水泥基材料的特點(diǎn)，根據(jù)性能需求的不同，將不同種類混凝土在材料、構(gòu)件以及結(jié)構(gòu)等層次進(jìn)行組合，實(shí)現(xiàn)材料和結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化配置。在組合混凝土結(jié)構(gòu)中，混凝土-混凝土層間界面的黏結(jié)性能是保障不同區(qū)域混凝土共同工作的基礎(chǔ)，一旦界面失效，組合構(gòu)件及結(jié)構(gòu)的性能將顯著下降，因此混凝土-混凝土層間界面的安全性尤為重要。

混凝土-混凝土層間界面指由于澆筑時(shí)間不同或兩部分混凝土種類不同而形成的混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的非連續(xù)澆筑界面，廣泛存在于混凝土結(jié)構(gòu)中，主要在施工過(guò)程中被引入，如公路、橋梁、房屋中損傷混凝土結(jié)構(gòu)的修補(bǔ)，預(yù)制構(gòu)件與現(xiàn)澆構(gòu)件之間的連接及大體積混凝土的分段澆筑而形成的施工縫和后澆帶［3-5］。國(guó)內(nèi)外對(duì)于混凝土-混凝土層間界面性能的研究已開展多年，主要基于剪切-摩擦理論對(duì)普通混凝土層間界面的短期黏結(jié)性能開展試驗(yàn)及理論研究，已形成了較為成熟的理論體系。組合混凝土結(jié)構(gòu)中混凝土-混凝土層間界面與已有研究對(duì)象的顯著差異表現(xiàn)為該界面是由設(shè)計(jì)時(shí)不同種類混凝土材料的結(jié)合而形成的，應(yīng)在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行修正和發(fā)展。

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外混凝土-混凝土層間界面性能的研究成果進(jìn)行梳理與總結(jié)，系統(tǒng)回顧了混凝土-混凝土層間界面的剪力傳遞機(jī)制、剪應(yīng)力設(shè)計(jì)表達(dá)式、黏結(jié)性能及界面性能的影響因素，并對(duì)混凝土-混凝土層間界面的抗高溫、抗凍融和抗?jié)B透等耐久性進(jìn)行探討。在此基礎(chǔ)上，分析了組合混凝土結(jié)構(gòu)中界面的特點(diǎn)及發(fā)展，并提出了組合混凝土結(jié)構(gòu)中界面的概念設(shè)計(jì)框架，最后總結(jié)了混凝土-混凝土層間界面性能研究的發(fā)展方向。

1 混凝土-混凝土層間界面抗剪性能

1.1 剪力傳遞機(jī)制

1966年，剪切-摩擦理論由Birkeland等［6］首次提出，該理論采用一個(gè)簡(jiǎn)單的鋸齒模型（見圖1，τ為界面剪力，σn為界面法向應(yīng)力，σs為鋼筋銷栓力）來(lái)說(shuō)明混凝土-混凝土層間界面的剪力傳遞機(jī)制。剪切-摩擦理論適用于不同類型混凝土-混凝土層間界面的抗剪性能分析，如預(yù)制構(gòu)件與現(xiàn)澆構(gòu)件之間的界面、不同時(shí)間澆筑的混凝土之間的界面、既有結(jié)構(gòu)與加固層之間的界面等，奠定了混凝土-混凝土層間界面抗剪性能研究的基礎(chǔ)。

圖1 剪切-摩擦理論模型Fig.1 Shear-friction theory model

剪切-摩擦理論認(rèn)為，混凝土-混凝土層間界面的剪力僅通過(guò)界面的摩擦來(lái)傳遞，界面性能被假定為由界面黏結(jié)力、摩擦力和界面鋼筋三部分組成［7］。隨著界面相對(duì)滑移的增大，三部分作用的變化規(guī)律如圖2所示。

圖2 混凝土-混凝土層間界面剪力傳遞機(jī)制［7］Fig.2 Shear transfer mechanisms of concreteconcrete interface[7]

當(dāng)混凝土間相對(duì)滑移為s時(shí)，混凝土與混凝土界面處的剪應(yīng)力τ(s)可以表示為

式中：τa(s)指黏結(jié)力貢獻(xiàn)的剪應(yīng)力；τsf(s)指摩擦力貢獻(xiàn)的剪應(yīng)力；τsr(s)指界面鋼筋貢獻(xiàn)的剪應(yīng)力。

界面黏結(jié)力首先由混凝土晶體微粒之間的化學(xué)作用產(chǎn)生，主要指范德華力及水泥水化反應(yīng)產(chǎn)生的黏結(jié)力。當(dāng)混凝土層間界面發(fā)生滑移后，黏結(jié)力迅速降低，轉(zhuǎn)化為通過(guò)骨料咬合作用傳遞。

界面摩擦力與正應(yīng)力和界面粗糙度相關(guān)，正應(yīng)力為外力與鋼筋反力的合力。當(dāng)界面出現(xiàn)相對(duì)剪切滑移時(shí)，裂縫張開使得界面鋼筋受拉后對(duì)界面施加反向壓力，即為鋼筋反力。

界面鋼筋的貢獻(xiàn)通常稱為銷栓作用，出現(xiàn)界面滑移后對(duì)界面的剪力傳遞起著重要作用，但界面滑移較小時(shí)，鋼筋的變形較小，使得銷栓作用的影響不明顯。

1.2 界面極限剪應(yīng)力設(shè)計(jì)表達(dá)式

過(guò)去的幾十年中，一系列混凝土-混凝土層間界面極限剪應(yīng)力的設(shè)計(jì)表達(dá)式被提出及修正。通過(guò)考慮更多的影響因素、更精確的定量化表征，來(lái)提高設(shè)計(jì)表達(dá)式的精度并不斷擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，目前已形成了較為系統(tǒng)的界面剪切理論體系，并成功應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)的建設(shè)及加固中。然而，試驗(yàn)結(jié)果易受到試驗(yàn)條件、試件尺寸等影響，混凝土材料也具有明顯的離散性，因此通過(guò)回歸分析得到的表達(dá)式缺乏普適性。對(duì)界面剪切性能的影響規(guī)律及設(shè)計(jì)表達(dá)式的研究，不應(yīng)局限于試驗(yàn)分析，尤其是在混凝土種類和性能日益豐富的情況下，針對(duì)不同種類混凝土進(jìn)行大量的試驗(yàn)研究，顯然是不可行且不經(jīng)濟(jì)的，更應(yīng)加強(qiáng)在理論方面的深入分析。

表1為按時(shí)間順序列出的部分典型界面極限剪應(yīng)力設(shè)計(jì)表達(dá)式。

1.3 影響因素

由如表1所示的界面極限剪應(yīng)力設(shè)計(jì)表達(dá)式可得，對(duì)于混凝土-混凝土層間界面的分析，考慮的影響因素主要有表面粗糙度、法向應(yīng)力、混凝土強(qiáng)度、混凝土密度、界面鋼筋屈服強(qiáng)度及配筋率。近年來(lái)的研究表明，纖維摻量、界面含水率、界面處理劑、施工方法等一些其他因素也對(duì)界面極限剪應(yīng)力產(chǎn)生一定影響。

表1 混凝土-混凝土層間界面極限剪應(yīng)力設(shè)計(jì)表達(dá)式Tab.1 Design expression of ultimate shear stress for concrete-concrete interface

1.3.1 表面處理

混凝土表面粗糙度被廣泛認(rèn)為是對(duì)界面抗剪承載力影響最顯著的因素［14］，工程上常用鑿毛法、切槽法、噴砂法及高壓水槍噴射法等人工提高界面粗糙度。界面粗糙度的表征主要通過(guò)視覺判斷進(jìn)行定性分類，如設(shè)計(jì)規(guī)范中將其分為非常光滑、光滑、粗糙、非常粗糙或自然表面、人為處理等，并由相應(yīng)的黏結(jié)系數(shù)和摩擦系數(shù)引入設(shè)計(jì)表達(dá)式。為提高預(yù)測(cè)精度，Santos等［15］提出了一種量化表面粗糙度的新方法，并首次將界面粗糙度以界面平均深度Rvm的形式引入設(shè)計(jì)表示式。傳統(tǒng)的定量評(píng)定混凝土表面粗糙度的方法有灌砂法和分形維數(shù)法［16］等，近年來(lái)結(jié)合數(shù)字圖像技術(shù)及計(jì)算機(jī)建模技術(shù)，提出了一系列精度更高的方法，如激光掃描法［17］、三維曲面分形維數(shù)法［18］等。

此外，界面含水率對(duì)抗剪強(qiáng)度存在一定的影響。目前普遍認(rèn)為，在新混凝土澆筑之前應(yīng)將老混凝土表面潤(rùn)濕至飽和干燥狀態(tài)，即充分潤(rùn)濕但表面不殘留自由水，避免表面存在自由水而增加新混凝土的水灰比，或老混凝土吸收水分使水泥的水化反應(yīng)不夠充分［19］。部分學(xué)者認(rèn)為，對(duì)老混凝土表面進(jìn)行預(yù)潤(rùn)濕不會(huì)增加抗剪強(qiáng)度，在某些情況下反而會(huì)對(duì)抗剪強(qiáng)度產(chǎn)生負(fù)面影響［20］。

1.3.2 混凝土強(qiáng)度及組分

混凝土的強(qiáng)度對(duì)混凝土-混凝土層間界面的剪切性能具有較大影響。1969年，Hofbeck等［21］首次提出混凝土強(qiáng)度對(duì)界面抗剪強(qiáng)度存在影響；1978年，Loov［11］在設(shè)計(jì)表達(dá)式中引入混凝土強(qiáng)度的影響。隨后，適用于高強(qiáng)混凝土的設(shè)計(jì)表達(dá)式也被提出及修正［13，22-23］，拓寬了界面抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)表達(dá)式的應(yīng)用范圍?；炷撩芏仍诓糠衷O(shè)計(jì)表達(dá)式中有所考慮，引入了與混凝土密度相關(guān)的系數(shù)，主要是針對(duì)輕骨料混凝土。研究表明，相比于普通混凝土，輕骨料混凝土的界面摩擦力有一定程度的降低［10，24］。

近年的研究中，主要通過(guò)對(duì)混凝土組分的優(yōu)化來(lái)提高混凝土-混凝土層間界面的抗剪承載力，如采用流動(dòng)性較強(qiáng)的自密實(shí)混凝土或摻有纖維的纖維混凝土［25-26］等。通過(guò)添加劑改變自密實(shí)混凝土的和易性，使其在自重作用下發(fā)生流動(dòng)，以達(dá)到良好的密實(shí)效果；纖維混凝土中亂向分布的纖維增強(qiáng)了界面咬合力，同時(shí)還能提高混凝土的力學(xué)性能以改善構(gòu)件的裂縫開展［27］。

1.3.3 界面鋼筋

由圖2可知，在界面出現(xiàn)滑移后，界面黏結(jié)力迅速降低，鋼筋的銷栓作用承擔(dān)了大部分的剪力，對(duì)滑移后的受力情況起著決定性作用，因此近乎所有的設(shè)計(jì)表達(dá)式均考慮了界面鋼筋的配筋率及鋼筋屈服強(qiáng)度的影響。界面鋼筋的布置可以改變界面破壞方式。不含界面鋼筋的界面破壞是突然的、脆性的，安全性較低。布置界面鋼筋后，界面破壞前存在一定的相對(duì)滑移，并且存在較穩(wěn)定的殘余承載力［28］。Mansur等［29］結(jié)合試驗(yàn)與理論分析提出了布置界面鋼筋的界面黏結(jié)-滑移四階段模型，如圖3所示。

圖3 混凝土-混凝土層間界面黏結(jié)-滑移模型［29］Fig.3 Bond-slip model of concrete-concrete interface[29]

在既有結(jié)構(gòu)修補(bǔ)時(shí)，以植筋的方式引入界面鋼筋［30］。植筋率及植筋長(zhǎng)度等方面已經(jīng)有相關(guān)行業(yè)規(guī)范。在預(yù)制構(gòu)件中，界面連接鋼筋還可通過(guò)橫向箍筋預(yù)埋的方式布置，整體性更好，也避免了對(duì)老混凝土造成損傷。另外，新型界面連接形式，如李斌等［31］提出的三維鋼筋網(wǎng)墊連接（見圖4），由高強(qiáng)度鋼網(wǎng)和鋼釘組合而成，可顯著提高混凝土試件抗剪強(qiáng)度以及構(gòu)件整體性和等效延性。

圖4 三維鋼筋網(wǎng)墊結(jié)構(gòu)示意圖［31］Fig.4 Schematic diagram of three-dimensional steel mesh pad[31]

1.3.4 界面處理劑

界面處理劑的作用在設(shè)計(jì)表達(dá)式中沒有體現(xiàn)，但大量試驗(yàn)證明界面處理劑可以改善新老混凝土黏結(jié)面的微觀結(jié)構(gòu)，從而提高界面黏結(jié)力［32］。目前使用的界面處理劑按組分可分為有機(jī)類和無(wú)機(jī)類。有機(jī)類主要指環(huán)氧樹脂類、丙烯酸類和聚氨酯類，強(qiáng)度安全儲(chǔ)備足夠，有良好的耐老化和耐化學(xué)腐蝕性能；無(wú)機(jī)類主要指硅酸鹽和磷酸鹽類，具有與混凝土一致的物理變形特性，成本較低，施工工藝簡(jiǎn)單、安全［33］。界面處理劑使用時(shí)，要限制最大涂刷厚度，過(guò)厚則使界面黏結(jié)性能下降［34］。目前國(guó)內(nèi)外的研究集中于通過(guò)對(duì)界面處理劑的改性，研制無(wú)毒、易涂刷、性能穩(wěn)定且黏結(jié)效果好的新型界面處理劑，如摻有粉煤灰、硅灰等的硅酸鹽水泥界面處理劑，利用粉煤灰、硅灰和Ca（OH）2之間的火山反應(yīng)減少Ca（OH）2的生成。

1.3.5 施工方法

張建仁等［35］通過(guò)對(duì)自密實(shí)混凝土-普通混凝土界面的試驗(yàn)研究得出，澆筑方向?qū)τ诮缑骛そY(jié)性能的影響顯著，新混凝土從老混凝土的頂面澆筑時(shí)抗剪性能最佳，側(cè)面澆筑次之，底面澆筑最差。史長(zhǎng)城等［36］通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比了側(cè)面澆筑和頂面澆筑的界面劈拉強(qiáng)度，頂面澆筑的劈拉強(qiáng)度均遠(yuǎn)大于側(cè)面澆筑的劈拉強(qiáng)度，其原因是澆筑時(shí)混凝土壓力對(duì)界面區(qū)域的結(jié)構(gòu)致密有積極作用。澆筑方向?qū)缑骛そY(jié)性能的影響如圖5所示。

圖5 澆筑方向?qū)炷?混凝土層間界面黏結(jié)性能的影響［35-36］Fig.5 Effect of casting direction on bond behavior of concrete-concrete interface[35-36]

澆筑時(shí)間間隔對(duì)界面的黏結(jié)強(qiáng)度也有一定影響，相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖6所示。試驗(yàn)中劈拉強(qiáng)度試件的齡期為后澆混凝土澆筑后標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28天，界面處理方式為人工打磨，并分別對(duì)無(wú)界面劑、水泥凈漿、水泥砂漿3種界面劑情況進(jìn)行試驗(yàn)。不同界面劑情況下，澆筑時(shí)間間隔較短時(shí)（初凝至2倍初凝時(shí)間）界面的劈拉強(qiáng)度較其他試件有明顯的提高［36］。原因在于，老混凝土齡期較短時(shí)，老混凝土中還有大部分水泥未完成水化，使得界面形成時(shí)的化學(xué)作用力較強(qiáng)。老混凝土齡期在1天至7天時(shí)，界面的劈拉強(qiáng)度呈現(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，原因可能是，對(duì)于澆筑時(shí)間間隔為7天及1天的混凝土試件，試件加載時(shí)先澆混凝土的齡期分別為35天、29天，先澆混凝土齡期的不同導(dǎo)致澆筑時(shí)間間隔為7天的試件強(qiáng)度略高一些，一定程度上提高了界面的劈拉強(qiáng)度。

圖6 老混凝土齡期對(duì)混凝土-混凝土層間界面黏結(jié)性能的影響［36］Fig.6 Effect of old concrete age on bond behavior of concrete-concrete interface[36]

1.4 小結(jié)

（1）總體上看，對(duì)混凝土-混凝土層間界面抗剪性能的研究存在“試驗(yàn)為主，理論滯后”的現(xiàn)狀?，F(xiàn)有研究主要基于剪切-摩擦理論，針對(duì)不同的影響因素開展了大量的界面試驗(yàn)，并通過(guò)回歸分析獲得界面極限剪應(yīng)力設(shè)計(jì)表達(dá)式。考慮到混凝土種類的日益豐富，并且混凝土材料具有一定的離散性，僅由試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸分析得到的剪應(yīng)力設(shè)計(jì)表達(dá)式對(duì)于不同種類及強(qiáng)度的混凝土不具備普適性。對(duì)混凝土-混凝土層間界面抗剪性能進(jìn)行深入的理論研究，獲得水泥基材料的統(tǒng)一規(guī)律，是必要的研究方向。

能源、交通、水利、礦山、軍事設(shè)施等建設(shè)項(xiàng)目確需使用土地利用總體規(guī)劃確定的城鎮(zhèn)村莊建設(shè)用地范圍外土地的，經(jīng)批準(zhǔn)可以在圈外單獨(dú)選址建設(shè)。涉及農(nóng)用地的，應(yīng)當(dāng)辦理農(nóng)用地轉(zhuǎn)用審批手續(xù)；涉及集體所有土地的，應(yīng)當(dāng)辦理土地征收審批手續(xù)；土地供應(yīng)方案在辦理農(nóng)用地轉(zhuǎn)用和土地征收時(shí)一并批準(zhǔn)。

（2）提高混凝土-混凝土層間界面黏結(jié)性能的方法主要有：提高界面粗糙度，提高混凝土強(qiáng)度，使用合適的界面劑，優(yōu)化混凝土材料及組分，增強(qiáng)界面鋼筋的作用。其中，界面鋼筋的作用應(yīng)得到充分的重視。界面鋼筋不僅可以顯著提高混凝土-混凝土層間界面的承載能力，還可以優(yōu)化界面的破壞形式，以提高構(gòu)件整體安全性。然而，界面鋼筋的引入導(dǎo)致鋼材的增加以及施工工序的復(fù)雜化，從而提高造價(jià)。目前，對(duì)界面鋼筋數(shù)量與界面等效延性的相關(guān)規(guī)律的研究不夠完善，承載能力優(yōu)異、施工便捷的新型界面連接形式也將為混凝土-混凝土層間界面連接提供新的思路。此外，以往的研究主要源自于既有結(jié)構(gòu)修補(bǔ)的情況，施工方向基本為水平或近似水平，兩部分混凝土之間的澆筑時(shí)間間隔也較長(zhǎng)，多為3個(gè)月及以上，因此有關(guān)施工方向、澆筑時(shí)間間隔對(duì)界面性能影響的試驗(yàn)數(shù)據(jù)十分有限。

2 混凝土-混凝土層間界面耐久性

混凝土-混凝土層間界面抗剪性能研究多集中于短期性能，對(duì)界面耐久性的研究較少?；炷?混凝土層間界面耐久性是保證結(jié)構(gòu)整體耐久性的關(guān)鍵，現(xiàn)有的界面耐久性研究主要關(guān)于高溫環(huán)境、凍融循環(huán)下的界面黏結(jié)性能退化以及混凝土界面的抗?jié)B性能和抗侵蝕性能。

2.1 高溫作用

目前對(duì)高溫作用下混凝土-混凝土層間界面性能的研究還比較欠缺，劉?。?7］最先進(jìn)行了相關(guān)研究，但只考慮了200℃下的情況。郭進(jìn)軍［38］和安然［39］分別對(duì)常溫至900℃及常溫至550℃作用下混凝土-混凝土層間界面的黏結(jié)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，Xiao等［40］對(duì)常溫至800℃作用下整澆高強(qiáng)混凝土的剪切強(qiáng)度退化規(guī)律進(jìn)行了探究，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。圖7中，fst（T）、τ（T）表示溫度T下混凝土-混凝土層間界面的劈拉強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度。高溫作用下，黏結(jié)界面與整澆混凝土的剪切強(qiáng)度退化規(guī)律相似，下降趨勢(shì)較為平緩，在700℃時(shí)仍具有約60%的剪切強(qiáng)度，但隨后黏結(jié)界面的剪切性能出現(xiàn)陡降，800℃時(shí)已下降了80%。溫度對(duì)界面劈拉強(qiáng)度的影響十分顯著，總體趨勢(shì)表現(xiàn)為在200℃以內(nèi)時(shí)緩慢下降，溫度升高到200～600℃時(shí)出現(xiàn)陡降，超過(guò)600℃后，界面近乎不具備承載能力。

圖7 高溫作用下混凝土-混凝土層間界面黏結(jié)性能退化［38-40］Fig.7 Degradation of bond behavior of concreteconcrete interface under elevated temperature[38-40]

高溫作用對(duì)混凝土-混凝土層間界面性能的損傷主要由于水泥水化產(chǎn)物的分解及界面不同物質(zhì)之間變形不協(xié)調(diào)導(dǎo)致的較大內(nèi)應(yīng)力。增加界面粗糙度和使用界面處理劑在一定程度上可以減緩界面黏結(jié)強(qiáng)度的下降幅度，但效果并不明顯。

2.2 凍融循環(huán)

在凍融循環(huán)作用下，整澆混凝土和黏結(jié)界面的性能退化如圖8所示［41-42］。圖8中，fst（n）、τ（n）表示n次凍融循環(huán)作用下混凝土-混凝土層間界面的劈拉強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度。整澆試件的性能退化不明顯，在30次凍融循環(huán)后其劈拉強(qiáng)度僅下降了20%。然而，混凝土-混凝土層間界面的劈拉強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度出現(xiàn)了明顯的退化，尤其是剪切強(qiáng)度，在5次凍融循環(huán)作用后僅殘余不足40%，而劈拉強(qiáng)度在20次凍融循環(huán)作用后也僅剩余初始值的一半，在30次凍融循環(huán)作用后，界面已接近破壞，幾乎不具備承載能力。這意味著在凍融循環(huán)作用下，界面將較結(jié)構(gòu)其他部位先行出現(xiàn)性能退化，給含有混凝土-混凝土層間界面的結(jié)構(gòu)帶來(lái)顯著的不安全性。

圖8 凍融循環(huán)作用下混凝土-混凝土層間界面黏結(jié)性能退化［41-42］Fig.8 Degradation of bond behavior of concreteconcrete interface under freeze-thaw cycles[41-42]

試驗(yàn)證明，界面粗糙度和界面處理劑對(duì)界面抗凍融性能有一定的影響，界面處理劑的影響更為顯著，如圖9所示。在水泥凈漿中摻入引氣劑作為界面處理劑將減緩界面性能的退化，而使用環(huán)氧樹脂作為界面處理劑的界面在凍融循環(huán)作用中表現(xiàn)出了接近整澆混凝土的優(yōu)異性能，可作為凍融環(huán)境下混凝土-混凝土層間界面的優(yōu)選界面處理劑［43-44］。

圖9 界面處理劑對(duì)凍融循環(huán)作用下混凝土-混凝土層間界面性能退化的影響［41-44］Fig.9 Effect of interface agents on degradation of bond behavior of concrete-concrete interface under freeze-thaw cycles[41-44]

2.3 抗?jié)B與抗侵蝕性能

混凝土-混凝土層間界面的滲透性大于混凝土的整澆部分，如果處理不當(dāng)會(huì)形成薄弱面，成為結(jié)構(gòu)中的透水層，對(duì)結(jié)構(gòu)抗?jié)B及抗氯離子侵蝕性能產(chǎn)生不利影響，如圖10所示。

圖10 混凝土-混凝土層間界面區(qū)域相對(duì)氯離子含量（界面深度55～63 mm，試驗(yàn)時(shí)間60 min）［45］Fig.10 Relative chloride ion content in concreteconcrete interface area(depth:55-63 mm,test time:60 min)[45]

Li等［45］通過(guò)干濕循環(huán)對(duì)混凝土-混凝土層間界面的氯離子侵蝕性能進(jìn)行了研究，界面區(qū)域的相對(duì)氯離子含量（由GaussAmp公式獲得）較其他部位顯著增加。增大界面粗糙度雖然提高了界面的黏結(jié)強(qiáng)度，但是粗糙度對(duì)抗?jié)B及抗侵蝕性能的影響呈現(xiàn)先提高后降低的趨勢(shì)，界面粗糙度較大且界面不均勻時(shí)會(huì)增大界面的滲透性，中等粗糙度且均勻刷毛時(shí)的效果較好。李平先［41］通過(guò)試驗(yàn)得出界面處理劑可以提高界面抗?jié)B性能的結(jié)論，但管大慶等［46］的結(jié)論是界面處理劑的使用會(huì)對(duì)界面抗?jié)B性能產(chǎn)生輕微不利影響，試驗(yàn)差異可能來(lái)源于界面刷毛處理情況的不同。界面處理方式對(duì)混凝土-混凝土層間界面抗?jié)B性能的影響如表2所示。試驗(yàn)結(jié)果顯示，對(duì)于界面抗?jié)B性能，界面處理劑的效果為：水泥砂漿＜水泥凈漿＜水泥膨漿。綜合考慮界面黏結(jié)強(qiáng)度和抗?jié)B性能，選用表面均勻刷毛及水泥膨漿涂刷時(shí)，可達(dá)到較優(yōu)異的界面性能。此外，超高性能纖維混凝土（UHPFC）具有優(yōu)異的抗?jié)B性能，Tayeh等［47］的研究結(jié)果表明，UHPFC-普通混凝土層間界面的抗?jié)B及抗氯離子侵蝕性能均優(yōu)于整澆普通混凝土。

表2 界面處理方式對(duì)混凝土-混凝土層間界面抗?jié)B性能的影響Tab.2 Effect of surface treatment on impermeability of concrete-concrete interface

2.4 小結(jié)

（1）總體上看，混凝土-混凝土層間界面的耐久性相較整澆混凝土呈現(xiàn)顯著的劣化，在火災(zāi)或凍融情況下界面失效將使混凝土結(jié)構(gòu)失去完整性，而混凝土抗?jié)B性能降低將會(huì)加劇內(nèi)部鋼筋銹蝕。目前改進(jìn)界面耐久性的方法主要從界面粗糙度和界面處理劑著手，但對(duì)高溫下性能的優(yōu)化效果不理想，因此應(yīng)重視含混凝土-混凝土層間界面的混凝土結(jié)構(gòu)在火災(zāi)下安全性的評(píng)估。

（2）目前關(guān)于混凝土-混凝土層間界面耐久性的試驗(yàn)數(shù)據(jù)十分缺乏，試驗(yàn)數(shù)據(jù)受到混凝土強(qiáng)度、界面處理方式、試驗(yàn)方法等方面的影響，尤其是混凝土材料的離散性和對(duì)界面進(jìn)行人工處理時(shí)引入的試驗(yàn)誤差，致使試驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的橫向?qū)Ρ炔粔驕?zhǔn)確，還應(yīng)完善進(jìn)一步的試驗(yàn)研究。

（3）對(duì)于高溫及凍融環(huán)境下的研究，基本上僅針對(duì)混凝土-混凝土層間界面在環(huán)境作用下的性能退化進(jìn)行試驗(yàn)，而未進(jìn)行同等條件下整澆混凝土的性能試驗(yàn)。界面的性能退化規(guī)律應(yīng)與同等條件下整澆混凝土的性能退化規(guī)律進(jìn)行對(duì)比，以便評(píng)估含混凝土-混凝土層間界面的結(jié)構(gòu)在高溫、凍融環(huán)境作用下出現(xiàn)界面區(qū)域性能損失嚴(yán)重而導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)不安全性。

（4）目前的研究針對(duì)的均為不含界面鋼筋的混凝土-混凝土層間界面耐久性，而界面鋼筋對(duì)承載力的影響是十分顯著的，因此還應(yīng)在此基礎(chǔ)上對(duì)界面鋼筋的作用進(jìn)行考慮。

3 組合混凝土結(jié)構(gòu)

3.1 組合混凝土結(jié)構(gòu)中的混凝土-混凝土層間界面

對(duì)于以往的混凝土-混凝土層間界面，由于施工的引入，主要考慮同種類混凝土之間的界面性能；組合混凝土結(jié)構(gòu)中，混凝土-混凝土層間界面是由不同種混凝土材料的組合而形成的，因此組合混凝土結(jié)構(gòu)中的混凝土-混凝土層間界面的研究，應(yīng)著重考慮不同種類材料對(duì)界面性能的影響。不論應(yīng)用在既有結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)還是應(yīng)用在組合混凝土結(jié)構(gòu)中，混凝土-混凝土層間界面的本質(zhì)均是水泥基材料之間的結(jié)合面，在界面剪力傳遞機(jī)制和影響因素等方面具有共性。

此外，現(xiàn)有研究主要針對(duì)界面短期性能，而對(duì)界面耐久性的研究還較少。組合混凝土結(jié)構(gòu)具有較長(zhǎng)的服役期，界面耐久性是保證結(jié)構(gòu)整體耐久性的關(guān)鍵，應(yīng)對(duì)混凝土-混凝土層間界面在高溫和凍融環(huán)境中的性能退化、在沿海環(huán)境下的氯離子侵蝕和水工環(huán)境下的滲透問題進(jìn)行更為深入的研究?，F(xiàn)有的界面耐久性研究均未考慮界面鋼筋的作用，與組合混凝土結(jié)構(gòu)中界面情況不符，應(yīng)予以完善。在高溫和凍融循環(huán)作用下，界面黏結(jié)性能快速退化，界面鋼筋對(duì)界面的應(yīng)力傳遞起著重要的作用；界面處的抗?jié)B性能較整澆部分差，對(duì)界面鋼筋的銹蝕和氯離子侵蝕也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。

有關(guān)混凝土-混凝土層間界面的試驗(yàn)及計(jì)算式主要建立在小尺寸試件的試驗(yàn)上，將研究成果應(yīng)用到足尺組合混凝土試件上時(shí)，可能存在尺寸效應(yīng)。對(duì)組合混凝土構(gòu)件的足尺試驗(yàn)，可以在構(gòu)件層面更直觀地評(píng)估混凝土-混凝土層間界面對(duì)整體承載力的影響，直接觀察試件受力全過(guò)程的裂縫開展、界面滑移和破壞模式，進(jìn)而達(dá)成更為全面的力學(xué)性能分析。

3.2 混凝土-混凝土層間界面新發(fā)展

近年來(lái)，在傳統(tǒng)混凝土材料的基礎(chǔ)上，一系列既滿足受力需求，又兼具再生、綠色、高性能、功能性的新型水泥基材料等的出現(xiàn)，為混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了條件。在此基礎(chǔ)上，適用于組合混凝土結(jié)構(gòu)的新型組合形式及施工工藝的發(fā)展，也為混凝土-混凝土層間界面研究提供了新的方向。

3.2.1 新型水泥基材料

已有研究多集中于普通混凝土間的界面性能，隨著新型水泥基材料如超高性能混凝土（UHPC）、纖維增強(qiáng)型水泥基材料（ECC）、再生混凝土（RAC）、海水海砂混凝土（SSC）等的發(fā)展，有關(guān)纖維混凝土-普通混凝土、自密實(shí)混凝土-普通混凝土層間界面性能的研究也逐漸豐富［25-26，47］，但仍不夠充分，尤其是對(duì)再生混凝土和海水海砂混凝土等新型綠色可持續(xù)混凝土的界面性能研究比較缺乏。目前的研究主要集中于定性的對(duì)比分析，除高強(qiáng)混凝土、輕骨料混凝土外，其余混凝土材料均未有與之相對(duì)應(yīng)的界面抗剪承載力設(shè)計(jì)公式，更無(wú)法與現(xiàn)行規(guī)范公式聯(lián)系起來(lái)。對(duì)各類新型水泥基材料之間的界面性能進(jìn)行研究，并且形成一套可靠的界面承載力設(shè)計(jì)理論體系，將會(huì)成為今后的發(fā)展方向。

3.2.2 新型組合形式

在組合混凝土構(gòu)件中可以存在新型組合形式，如圖11所示。界面不局限于單一的水平或縱向平面，可能存在著弧形曲面或不規(guī)則結(jié)合面，也可能存在著多個(gè)界面，或通過(guò)施工及設(shè)計(jì)的方法減少界面的明顯分層。在新混凝土澆筑后采用振搗棒對(duì)界面進(jìn)行振搗，不形成明顯的薄弱面［48］；引入梯度分布的想法，連續(xù)改變纖維混凝土中纖維體積分?jǐn)?shù)［49］或再生混凝土中再生骨料取代率［50］，減少混凝土材料的差異。

在界面層次，可以通過(guò)新型的界面組合形式來(lái)提高界面的黏結(jié)性能；在結(jié)構(gòu)層次，可以通過(guò)不同材料在空間上的組合來(lái)達(dá)到結(jié)構(gòu)的優(yōu)化配置。目前，此方面的研究開展得還比較少，未來(lái)具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

3.2.3 新型施工工藝

新型施工工藝，如3D打印混凝土技術(shù)，在不同種類混凝土材料之間的組合上具有良好的應(yīng)用前景。3D打印混凝土技術(shù)是從機(jī)械噴嘴中一層一層將混凝土材料擠出，堆疊成型而形成混凝土結(jié)構(gòu)，機(jī)械化及精細(xì)化程度高。通過(guò)更換打印的混凝土材料，得到不同種類混凝土材料的組合，而且不需要間斷施工過(guò)程，可解決混凝土結(jié)構(gòu)施工中需要多次組織混凝土澆筑的問題。目前，針對(duì)3D打印混凝土中混凝土-混凝土層間界面性能的研究才剛剛起步［51］。

3.3 組合混凝土結(jié)構(gòu)界面概念設(shè)計(jì)

組合混凝土結(jié)構(gòu)界面概念設(shè)計(jì)中，界面的承載力、等效延性、相容性是保證界面設(shè)計(jì)安全可靠的關(guān)鍵，界面耐久性是結(jié)構(gòu)在服役期內(nèi)安全使用的保證。

界面承載力設(shè)計(jì)應(yīng)保證界面失效所對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)荷載不小于引起其他位置失效的荷載，在正常使用狀態(tài)下，不因界面黏結(jié)滑移失效而導(dǎo)致組合結(jié)構(gòu)喪失整體性。在界面設(shè)計(jì)的過(guò)程中，應(yīng)充分考慮界面粗糙度、界面處理劑、界面鋼筋等因素對(duì)界面承載力的影響，并優(yōu)選界面施工方式，保證界面承載力具有一定的安全冗余。

界面的等效延性定義為含界面連接鋼筋的混凝土-混凝土層間界面達(dá)到最大承載能力后的變形能力，主要取決于界面連接鋼筋的布置。不含界面連接鋼筋的界面破壞模式為典型的脆性破壞。界面剪力達(dá)到界面抗剪承載力后，界面兩側(cè)混凝土突然滑脫而導(dǎo)致構(gòu)件損壞，無(wú)殘余抗剪能力。這類脆性破壞在混凝土結(jié)構(gòu)中將造成極大的不安全性，應(yīng)予以避免。在滿足界面承載能力的情況下，還應(yīng)限制界面鋼筋最小配筋率，使得界面出現(xiàn)相對(duì)滑移后界面連接鋼筋仍可承受一定剪力，避免界面的突然破壞。界面鋼筋最小配筋率指滿足界面黏結(jié)力喪失的同時(shí)界面鋼筋屈服的界面鋼筋配筋率。

對(duì)于界面相容性，應(yīng)考慮界面結(jié)合時(shí)新舊混凝土因水化反應(yīng)產(chǎn)生的濕度和溫度改變而導(dǎo)致混凝土的收縮和熱膨脹，進(jìn)而在混凝土-混凝土層間界面產(chǎn)生高應(yīng)力［52］。特別是當(dāng)界面兩側(cè)材料的變形能力存在較大差異時(shí)，應(yīng)力大于黏結(jié)強(qiáng)度而導(dǎo)致開裂。目前界面相容性的測(cè)試手段主要有試樣在干濕、凍融環(huán)境中暴露一段時(shí)間后的強(qiáng)度、滲透性能測(cè)試等［53］。相比于混凝土與其他材料的組合形式，同為水泥基材料的不同混凝土間的組合更具有相容性［54］。

對(duì)于組合形式較為簡(jiǎn)單、直觀的組合混凝土結(jié)構(gòu)，在正常使用小變形情況下，可假設(shè)構(gòu)件滿足平截面假定，考慮不同混凝土材料的性質(zhì)，結(jié)合結(jié)構(gòu)力學(xué)、材料力學(xué)以及混凝土結(jié)構(gòu)理論，采用傳統(tǒng)的混凝土構(gòu)件計(jì)算方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，并計(jì)算界面的荷載效應(yīng)?；诖嗽O(shè)計(jì)思路，肖建莊等［55］提出了組合混凝土結(jié)構(gòu)的構(gòu)建方法，并提出界面安全性分析公式、界面剪應(yīng)力設(shè)計(jì)公式以及水平構(gòu)件正截面受彎承載力、水平構(gòu)件斜截面受剪承載力、豎向構(gòu)件正截面受壓承載力、豎向構(gòu)件斜截面受剪承載力等計(jì)算公式。

組合混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)同時(shí)滿足結(jié)構(gòu)承載力和使用性能需求以及界面抗剪承載力、界面最小配筋率的設(shè)計(jì)要求，基本流程如圖12所示。對(duì)于組合形式復(fù)雜、界面形狀不規(guī)則或界面不明顯的構(gòu)件，無(wú)法采用傳統(tǒng)的混凝土構(gòu)件計(jì)算方法，應(yīng)通過(guò)數(shù)值模擬方法進(jìn)一步分析。

圖12 組合混凝土結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)流程Fig.12 Conceptual design process of composite concrete structures

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)國(guó)內(nèi)外關(guān)于混凝土-混凝土層間界面性能的研究成果進(jìn)行了梳理與總結(jié)，系統(tǒng)回顧了混凝土-混凝土層間界面的剪力傳遞機(jī)制、界面極限剪應(yīng)力設(shè)計(jì)表達(dá)式、黏結(jié)性能及界面性能的影響因素。目前混凝土-混凝土層間界面的研究主要集中于短期性能，對(duì)耐久性的研究比較欠缺?？傮w上看，混凝土-混凝土層間界面的耐高溫、抗凍融、抗?jié)B性能均較整澆混凝土呈現(xiàn)顯著的劣化，可能引發(fā)組合混凝土結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期使用的不安全。

總結(jié)了組合混凝土結(jié)構(gòu)中的混凝土-混凝土層間界面特點(diǎn)，并提出了組合混凝土結(jié)構(gòu)界面概念設(shè)計(jì)流程。界面的承載力、等效延性、相容性是保證界面設(shè)計(jì)安全可靠的關(guān)鍵，界面耐久性是結(jié)構(gòu)在服役期內(nèi)安全使用的保證。

結(jié)合組合混凝土結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出以下混凝土-混凝土層間界面性能的后續(xù)研究方向：①多種類水泥基材料間界面性能試驗(yàn)研究及理論分析；②混凝土-混凝土層間界面耐久性影響機(jī)理及改進(jìn)措施；③界面性能的多層次分析，包括細(xì)微觀層次、界面層次及組合構(gòu)件層次；④與新型水泥基材料、組合形式和施工工藝相關(guān)的組合混凝土結(jié)構(gòu)創(chuàng)新性研究。

作者貢獻(xiàn)說(shuō)明：

陳子璇：具體研究工作的開展和論文撰寫。

肖建莊：論文的選題、指導(dǎo)。

丁 陶：論文的指導(dǎo)、修改。