李濤，王爽倩，鄭七振，龍莉波，馬躍強(qiáng)

（1.上海理工大學(xué) 環(huán)境與建筑學(xué)院，上海 200093；2.上海建工二建集團(tuán)有限公司，上海 200080）

0 引言

預(yù)制裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)是建筑工程中應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)形式之一，具有施工便捷、節(jié)約工期等優(yōu)勢(shì)，構(gòu)件的連接方式是其關(guān)鍵技術(shù)。傳統(tǒng)的裝配式混凝土結(jié)構(gòu)在接縫處采用普通混凝土（NC），而這種新舊混凝土結(jié)合面粘結(jié)性能較差，在使用過程中使得結(jié)合面出現(xiàn)了一系列問題。超高性能混凝土（UHPC）作為近年來新興的土木工程材料，相對(duì)于普通混凝土具有更優(yōu)異的力學(xué)性能和耐久性能[1-2]，且與預(yù)制混凝土構(gòu)件的連接具有更高的粘結(jié)強(qiáng)度，在國(guó)內(nèi)外已有許多實(shí)際裝配式混凝土結(jié)構(gòu)工程中采用了UHPC作為濕接縫材料[3-4]。

在實(shí)際工程中，影響UHPC-NC結(jié)合面構(gòu)件性能的因素很多，不同因素對(duì)結(jié)合面強(qiáng)度的影響不同，使得UHPC-NC結(jié)合面構(gòu)件服役性能存在不確定性。在服役壽命中結(jié)構(gòu)會(huì)受到荷載、收縮和溫度等作用而承受拉、壓、剪等各種復(fù)雜應(yīng)力，隨著服役時(shí)間的延長(zhǎng)，會(huì)產(chǎn)生不同程度的損傷，造成安全隱患。裝配式混凝土結(jié)構(gòu)中存在大量的UHPC-NC結(jié)合面，而UHPC-NC結(jié)合面是結(jié)構(gòu)整體性和耐久性能最為薄弱的部位，被認(rèn)為在結(jié)構(gòu)遭受侵害時(shí)最先破壞。

UHPC-NC結(jié)合面的微細(xì)觀結(jié)構(gòu)決定了UHPC-NC結(jié)合面的整體宏觀力學(xué)性能和耐久性能，而結(jié)合面的處理方式是影響UHPC-NC結(jié)合面微細(xì)觀粘結(jié)機(jī)理的重要因素。國(guó)內(nèi)外已針對(duì)UHPC-NC結(jié)合面粘結(jié)性能進(jìn)行了較多的研究，本文以UHPC-NC結(jié)合面為研究對(duì)象，從微細(xì)觀粘結(jié)機(jī)理、宏觀力學(xué)性能與耐久性能3個(gè)方面梳理分析研究現(xiàn)狀和存在問題，并對(duì)該領(lǐng)域尚未深入研究的內(nèi)容進(jìn)行展望，以期能夠?qū)ρb配式建造中混凝土結(jié)合面強(qiáng)度控制和處理有一定參考意義。

1 UHPC-NC結(jié)合面微細(xì)觀粘結(jié)機(jī)理

UHPC-NC結(jié)合面的微細(xì)觀粘結(jié)機(jī)理對(duì)從本質(zhì)上認(rèn)識(shí)UHPC-NC結(jié)合面的粘結(jié)問題，進(jìn)而找到提高粘結(jié)性能的途徑有著極為關(guān)鍵的作用。UHPC-NC結(jié)合面的粘結(jié)機(jī)理歸根結(jié)底是新舊混凝土結(jié)合面的粘結(jié)機(jī)理。新舊混凝土結(jié)合面間的粘結(jié)力主要由機(jī)械咬合力、范德華力及化學(xué)膠著力組成[5-6]。機(jī)械咬合力主要是新混凝土的水泥漿灌入舊混凝土表面，硬化后新舊混凝土晶體交錯(cuò)抱合而形成的粘結(jié)力；范德華力由水泥石中的晶體和晶體之間以及晶體和集料之間的分子間相互作用力形成；化學(xué)膠著力主要來源于新混凝土的水泥成分、舊混凝土中未水化的部分與界面劑等之間的反應(yīng)。水泥的水化特性和針狀鈣礬石、毛刺狀C-S-H凝膠的水化產(chǎn)物能長(zhǎng)入舊混凝土孔隙的特性，以及舊混凝土表面的粗糙度和孔隙等為新舊混凝土結(jié)合面的機(jī)械咬合力的存在提供了基本條件，對(duì)新舊混凝土的粘結(jié)起著主要作用。在一定范圍內(nèi)增加結(jié)合面粗糙度、使用界面劑等能提高UHPC-NC結(jié)合面粘結(jié)性能，這也可以得到微細(xì)觀的驗(yàn)證。

粗略地說，新舊混凝土結(jié)合面是新混凝土的砂漿和舊混凝土表面已經(jīng)硬化的砂漿石與舊混凝土表面露出的粗骨料的結(jié)合面組成的，但新舊混凝土結(jié)合面有著更復(fù)雜的化學(xué)和物理過程，所以研究也更為困難。目前，已有一些學(xué)者根據(jù)粘結(jié)機(jī)理建立了粘結(jié)模型，如圖1所示。

從圖1可以直觀地看到，隨著研究的深入，混凝土粘結(jié)模型愈加成熟，但仍然和實(shí)際情況有一定的差距?，F(xiàn)實(shí)中舊混凝土表面的粗糙度、內(nèi)部的骨料分布及孔隙等均存在隨機(jī)性，UHPC與NC接觸的結(jié)合面也各不相同，并考慮損傷隨機(jī)演化觀點(diǎn)[10-11]對(duì)UHPC-NC結(jié)合面更進(jìn)一步的研究。

圖1 混凝土粘結(jié)模型

相較于普通混凝土，UHPC-NC結(jié)合面有更強(qiáng)的粘結(jié)性能，主要體現(xiàn)在[12]：（1）普通混凝土中含有粗骨料，粗骨料可以很容易地與舊混凝土表面建立點(diǎn)接觸，骨料堆積在舊混凝土表面，阻止了水泥漿進(jìn)入舊混凝土凹槽和孔隙，從而導(dǎo)致結(jié)合面存在縫隙，降低粘結(jié)性能；（2）普通混凝土的水灰比高于UHPC，在結(jié)合面的過渡層中，水灰比高的新混凝土水化產(chǎn)生的氫氧化鈣和鈣礬石晶體形態(tài)大、數(shù)量多，在特定取向周圍排列的晶體形成了有序優(yōu)先取向的晶體結(jié)構(gòu)，增大了孔隙率，疏松了內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

而在UHPC-NC結(jié)合面中鋼纖維對(duì)提高結(jié)合面的粘結(jié)性能也起到了十分重要的作用[13]，UHPC-NC結(jié)合面中鋼纖維增強(qiáng)粘結(jié)強(qiáng)度機(jī)理主要有如下3個(gè)方面[14]：（1）鋼纖維能減小UHPC收縮量，有效降低收縮應(yīng)力和收縮裂縫風(fēng)險(xiǎn)；（2）無序亂向的鋼纖維提高了UHPC-NC結(jié)合面的粗糙度，結(jié)合面處的鋼纖維伸入普通混凝土的孔隙帶來更高的機(jī)械咬合力；（3）UHPC-NC結(jié)合面受力過程中，鋼纖維與鋼纖維的橋連作用能有效抑制微裂縫發(fā)展，改變結(jié)合面破壞形態(tài)。

綜上所述，UHPC-NC結(jié)合面相比NC-NC結(jié)合面具有更強(qiáng)的粘結(jié)性能。UHPC-NC結(jié)合面微細(xì)觀粘結(jié)機(jī)理的分析為研究UHPC-NC結(jié)合面宏觀力學(xué)性能和耐久性能奠定了基礎(chǔ)，也是裝配式結(jié)構(gòu)中結(jié)合面研究進(jìn)行既有結(jié)構(gòu)可靠性分析的前提和保障，但目前對(duì)于UHPC-NC結(jié)合面粘結(jié)機(jī)理研究仍不成熟。

2 UHPC-NC結(jié)合面宏觀力學(xué)性能的試驗(yàn)研究

UHPC-NC結(jié)合面的宏觀力學(xué)性能是反映結(jié)合面粘結(jié)性能重要且直觀的手段，而表面粗糙度、連接鍵設(shè)置、濕潤(rùn)度、清潔度和界面劑等不同的結(jié)合面處理情況都會(huì)對(duì)宏觀力學(xué)性能產(chǎn)生不同影響。目前UHPC-NC結(jié)合面粘結(jié)試驗(yàn)方法未有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)外主要進(jìn)行了粘結(jié)抗拉試驗(yàn)、粘結(jié)抗剪試驗(yàn)和粘結(jié)彎曲試驗(yàn)，如圖2所示。

圖2 結(jié)合面粘結(jié)性能試驗(yàn)示意

2.1 粘結(jié)抗拉性能

美國(guó)ACI546-06混凝土修復(fù)指南[15]規(guī)定了混凝土基體與修復(fù)材料之間最小可接受的直接抗拉粘結(jié)強(qiáng)度，1 d齡期為0.5～1.0MPa，7d齡期為1.0～1.7MPa，28d齡期為1.7～2.1MPa。1999年Sprinkel和Qzyildirim[16]給出了結(jié)合面抗拉粘結(jié)強(qiáng)度的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，如表1所示，Tayeh等[17]采用這套定量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。

表1 結(jié)合面抗拉粘結(jié)強(qiáng)度的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

粘結(jié)抗拉試驗(yàn)方法主要包括直拉試驗(yàn)和非直拉試驗(yàn)2種。直拉試驗(yàn)一般采用棱柱體或狗骨型試件進(jìn)行試驗(yàn)，Yang等[18]采用100mm×100mm×300mm的棱柱體研究了基材表面粗糙度、UHPC齡期、基材含水率、UHPC固化條件、NC基材強(qiáng)度、界面劑和膨脹劑等7個(gè)因素對(duì)UHPC-NC結(jié)合面粘結(jié)強(qiáng)度的影響以及UHPC-NC結(jié)合面粘結(jié)增強(qiáng)機(jī)理，還根據(jù)相應(yīng)的直拉試驗(yàn)結(jié)果反算了界面粘結(jié)強(qiáng)度的摩擦系數(shù)?；魰鴣哰19]采用狗骨型試件進(jìn)行了軸拉試驗(yàn)，并用外國(guó)學(xué)者提出的tractionseparation粘結(jié)單元進(jìn)行有限元模擬，分析得出的結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)和現(xiàn)象基本相符。

非直拉試驗(yàn)一般采用劈裂抗拉試驗(yàn)，Yang等[18]采用ASTM C496中直徑150 mm、高300 mm圓柱體，F(xiàn)eng等[12]采用GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中邊長(zhǎng)150 mm立方體作為研究對(duì)象。Tayeh等[17，20]采用直徑100 mm、高200mm圓柱體試件，對(duì)其結(jié)合面進(jìn)行不同處理，研究了結(jié)合面處理方式和養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)劈裂抗拉性能的影響，結(jié)果表明，噴砂效果最好，且養(yǎng)護(hù)齡期越長(zhǎng)粘結(jié)性能越好。對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)中UHPC-NC結(jié)合面粘結(jié)抗拉性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表2所示。

表2 UHPC-NC結(jié)合面粘結(jié)抗拉性能試驗(yàn)結(jié)果

顯然，光滑的結(jié)合面粘結(jié)強(qiáng)度普遍較低，甚至不符合ACI 546-06的最低粘結(jié)強(qiáng)度要求；經(jīng)過處理的結(jié)合面能滿足ACI 546-06的最低粘結(jié)強(qiáng)度要求。因此，在澆筑形成結(jié)合面時(shí)，進(jìn)行對(duì)混凝土基體表面進(jìn)行處理準(zhǔn)備十分有必要。A、B、C三種試件破壞形式的劈拉強(qiáng)度是逐漸提高的，C型破壞的UHPCNC結(jié)合面粘結(jié)效果最好。統(tǒng)計(jì)相關(guān)數(shù)據(jù)可知，單純的結(jié)合面破壞在總量中所占比重很低，50%以上的UHPC-NC結(jié)合面失效發(fā)生在NC基體中，而NC基體與UHPC之間沒有分離，是理想的失效模式，這表明UHPC具有優(yōu)異的鍵合行為，采用合理的結(jié)合面處理方式會(huì)使強(qiáng)度得到較大提高。所有的文獻(xiàn)都反映了粘結(jié)抗拉試驗(yàn)獲得的粘結(jié)抗拉強(qiáng)度值較大，這可能與實(shí)驗(yàn)操作較難控制有關(guān)，如加載軸易發(fā)生錯(cuò)位而導(dǎo)致偏心加載，表面處理十分繁瑣較難控制同一處理結(jié)果一致等，因此容易影響試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可信性。

2.2 粘結(jié)抗剪性能

粘結(jié)抗剪試驗(yàn)通常分為直剪試驗(yàn)和斜剪試驗(yàn)，直剪試驗(yàn)一般有單面直剪、雙面直剪、Z型直剪，斜剪試驗(yàn)是結(jié)合面受壓應(yīng)力和剪應(yīng)力的聯(lián)合作用，許多學(xué)者進(jìn)行了不同角度的斜剪試驗(yàn)[12，26]。對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)中UHPC-NC結(jié)合面粘結(jié)抗剪性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，如表3所示。

表3 UHPC-NC結(jié)合面粘結(jié)抗剪性能試驗(yàn)結(jié)果

劈裂拉伸試驗(yàn)比斜剪試驗(yàn)得到的結(jié)果更準(zhǔn)確，但斜剪試驗(yàn)得到粘結(jié)強(qiáng)度值更高，通過總結(jié)前人粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)比分析從高到低的排序?yàn)椋盒奔魪?qiáng)度、直剪強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度、直拉強(qiáng)度。因此，要充分分析UHPC-NC結(jié)合面所處的受力狀態(tài)，采用合適力學(xué)方法進(jìn)行試驗(yàn)。

傳統(tǒng)的粘結(jié)性能測(cè)試方法并不能充分評(píng)價(jià)收縮對(duì)UHPCNC結(jié)合面粘結(jié)性能的影響，因此Feng等[27]設(shè)計(jì)了一種環(huán)向約束方法，將邊長(zhǎng)為100mm的混凝土立方體固化8個(gè)月，然后在中心鉆一個(gè)直徑為55 mm的孔將UHPC倒進(jìn)洞里，進(jìn)行剪切強(qiáng)度試驗(yàn)。環(huán)向約束法有效地反映UHPC克服了顯著的自收縮效應(yīng)，獲得了良好的鍵合宏觀性能。

Valikhani等[30]采用雙面直剪試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，結(jié)合面處理和配筋率對(duì)UHPC-NC結(jié)合面的抗剪強(qiáng)度有顯著影響，利用試驗(yàn)的結(jié)果，并根據(jù)粘聚力和摩擦力建立了一個(gè)設(shè)計(jì)方程來估計(jì)結(jié)合面剪切強(qiáng)度[見式（1）]，此外還進(jìn)行了有限元模擬，校準(zhǔn)界面模型參數(shù)。試驗(yàn)和數(shù)值研究的結(jié)果以及所提出的設(shè)計(jì)方程可以估算存在機(jī)械連接件的UHPC-NC結(jié)合面的抗剪強(qiáng)度。

式中：C——粘聚力，MPa；

μ——摩擦系數(shù)；

ρ——配筋率，%；

fy——橫向鋼筋的屈服強(qiáng)度，MPa。

Farzad等[31]利用有限元建模方法為三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)、直剪試驗(yàn)和斜剪試驗(yàn)提供了更好的失效載荷估計(jì)，以預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)承載能力。有限元分析對(duì)建立標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化的研究具有重要意義，使得無法試驗(yàn)的大規(guī)模分析和計(jì)算成為可能，可以使復(fù)雜工程問題分析就變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，但目前還沒有被成熟地運(yùn)用到UHPC-NC結(jié)合面的研究中來。

2.3 粘結(jié)彎曲性能

粘結(jié)彎曲試驗(yàn)主要通過三點(diǎn)彎曲法來評(píng)估UHPC-NC結(jié)合面抗彎折性能。對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)中UHPC-NC結(jié)合面粘結(jié)彎曲性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，如表4所示。

表4 UHPC-NC結(jié)合面粘結(jié)彎曲性能試驗(yàn)結(jié)果

用于評(píng)價(jià)UHPC-NC結(jié)合面彎曲性能的三點(diǎn)受彎試驗(yàn)?zāi)壳皯?yīng)用并不廣泛，從表4不難看出，不同的結(jié)合面處理方式對(duì)抗彎強(qiáng)度有很大的影響。

3 UHPC-NC結(jié)合面耐久性能的試驗(yàn)研究

國(guó)內(nèi)外對(duì)UHPC-NC結(jié)合面耐久性能方面的研究較少，目前主要集中在抗凍性和抗?jié)B性兩方面。馮虎[32]對(duì)邊長(zhǎng)為100 mm立方體的UHPC-NC結(jié)合面試件經(jīng)過15、20、25、40、50、75次凍融循環(huán)后進(jìn)行劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果表明，UHPCNC結(jié)合面強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而下降的速度減緩，并在已有劈拉強(qiáng)度計(jì)算公式的基礎(chǔ)上建立了同時(shí)考慮NC劈拉強(qiáng)度、凍融循環(huán)次數(shù)和鋼纖維含量特征參數(shù)影響的UHPCNC結(jié)合面粘結(jié)劈拉強(qiáng)度的計(jì)算公式。Feng等[27]在10次干濕循環(huán)和18次凍融循環(huán)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，NC-NC結(jié)合面粘結(jié)強(qiáng)度分別降低了30.8%和20.5%；而UHPC-NC結(jié)合面粘結(jié)強(qiáng)度分別降低了9.5%和6.9%，顯然UHPC的粘結(jié)強(qiáng)度的下降明顯低于NC，結(jié)果證實(shí)了UHPC具有良好的結(jié)合性能。張孝臣[26]將有剪力鍵和沒有剪力鍵的結(jié)合面試件分別進(jìn)行0、25、50、75、100、125、150次凍融循環(huán)，然后進(jìn)行直接剪切試驗(yàn)，結(jié)果表明，有剪力鍵的結(jié)合面試件隨凍融循環(huán)次數(shù)增加剪切強(qiáng)度退化的更慢，凍融循環(huán)影響更小。李先平等[33]將邊長(zhǎng)為100 mm的立方體試件先進(jìn)行分別為0、25、50、75、100、125次凍融循環(huán)然后進(jìn)行結(jié)合面處理澆筑另一半，另一種是先澆筑好結(jié)合面試件再進(jìn)行凍融循環(huán)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，凍融循環(huán)后的結(jié)合面試件劈裂抗拉強(qiáng)度低于未凍融循環(huán)的結(jié)合面試件，并隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低，后一種結(jié)合面試件劈裂抗拉強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加急劇下降，其粘結(jié)強(qiáng)度的劣化比前一種結(jié)合面試件要嚴(yán)重得多。

歐陽志鵬等[34]分別采用了清理+濕潤(rùn)、清理+不濕潤(rùn)、不清理+濕潤(rùn)和不清理+不濕潤(rùn)的4種結(jié)合面制作了高150 mm、上底直徑175 mm、下底直徑185 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓臺(tái)試件進(jìn)行了抗水滲透試驗(yàn)，結(jié)果表明，灑水濕潤(rùn)結(jié)合面抗?jié)B性能降低，可能是局部積水改變混凝土水灰比，增加了混凝土的孔隙率導(dǎo)致的。因此在灑水濕潤(rùn)時(shí)應(yīng)沖去結(jié)合面未清理徹底的積灰，且后澆混凝土前應(yīng)將結(jié)合面積水晾干，以減小對(duì)抗?jié)B性能的不利影響。馮虎[32]、高丹盈等[35]也進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)圓臺(tái)試件抗水滲透試驗(yàn)，并建立了滲流計(jì)算模型。

4 結(jié)論與展望

雖然國(guó)內(nèi)外對(duì)UHPC-NC結(jié)合面粘結(jié)性能的研究已有一定時(shí)間，也取得了一些成果，但由于問題的復(fù)雜性和測(cè)試條件的多樣性，仍有許多問題需要解決。

（1）UHPC作為預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的連接材料涉及較多錯(cuò)綜復(fù)雜的因素，相關(guān)的研究較少。未來應(yīng)該更深入研究UHPC-NC結(jié)合面微細(xì)觀粘結(jié)機(jī)理和宏觀力學(xué)性能，致力于建立UHPC-NC結(jié)合面微細(xì)觀粘結(jié)機(jī)理與宏觀力學(xué)性能的聯(lián)系。

（2）結(jié)構(gòu)處于復(fù)雜靜、動(dòng)荷載耦合作用下，但目前UHPCNC結(jié)合面宏觀力學(xué)性能的試驗(yàn)研究主要關(guān)注于靜力特性和單一力學(xué)特性，涉及動(dòng)力特性、疲勞特性和復(fù)雜受力狀態(tài)下的研究較少，有待進(jìn)一步全面深入地研究。

（3）已有對(duì)UHPC-NC結(jié)合面抗凍性能和抗?jié)B性能的研究，但基于現(xiàn)狀還需要開展嚴(yán)酷環(huán)境腐蝕下和高溫環(huán)境下UHPC-NC結(jié)合面粘結(jié)性能的劣化研究，為惡劣環(huán)境下使用存在UHPC-NC結(jié)合面的裝配式結(jié)構(gòu)提供技術(shù)支持。

（4）對(duì)于較難實(shí)現(xiàn)或者數(shù)據(jù)離散性較大的試驗(yàn)，建議進(jìn)行有限元模擬研究，同時(shí)不斷完善模擬為后續(xù)深入研究做準(zhǔn)備。

（5）聯(lián)合考慮UHPC與NC的材料特性，結(jié)合實(shí)際工程中UHPC-NC結(jié)合面所在的典型應(yīng)力狀態(tài)，不斷優(yōu)化裝配式結(jié)構(gòu)中UHPC-NC結(jié)合面的合理設(shè)置位置。