配筋UHPC湿接缝界面抗弯性能及影响因素

2021-07-07霍文斌黄龙田

建筑材料学报 2021年3期

霍文斌，张阳，黄龙田，陈贝

(1.广东省建筑设计研究院有限公司, 广东广州 510010; 2.湖南大学土木工程学院, 湖南长沙 410082)

目前，装配式混凝土桥梁多采用现浇普通混凝土(NC)湿接缝连接，但工程实践表明，新老混凝土界面的黏结强度较低[1]，因而装配式桥梁翼板的NC接缝界面容易发生开裂、漏水，甚至失效，对结构的安全性和耐久性构成严重威胁.超高性能混凝土(UHPC)是一种具有超高抗拉/压强度、超强韧性和超高耐久性的新型水泥基材料[2].由于UHPC水胶比较低、不含粗骨料、且无需振捣就能够与老混凝土的凹凸表面充分接触，从而可有效提高UHPC-NC界面的黏结强度[3]，是一种有前途的预制拼装混凝土桥梁的现浇接缝材料.近年来，一些学者开展了UHPC与NC黏结性能的研究.如Carbonell等[4-6]通过劈拉、斜剪和拉拔(直拉)试验，研究了UHPC-NC界面在不同混凝土表面粗糙度、龄期、冻融循环次数，以及基底湿润度等情况下的黏结性能，并得到UHPC-NC界面的黏结抗拉强度和摩擦系数，研究表明，UHPC与NC间具有优异的黏结性能，湿润和粗糙的混凝土基底对界面黏结性能尤为有利.王兴旺[3]和Zhang等[7]采用劈拉、斜剪、直拉和直剪试验，探讨了NC强度、基体表面粗糙度、湿润度，界面龄期，UHPC养护条件，界面剂和膨胀剂等参数对UHPC-NC界面黏结强度的影响.Hussein[8]和Graybeal[9]开展了预制NC构件UHPC铰缝、湿接缝试验研究，发现UHPC接缝性能和UHPC-NC界面黏结性能良好，UHPC是目前最优异的水泥基接缝材料.

由于装配式NC桥梁翼板及其纵向湿接缝主要承受横向弯矩，且UHPC-NC界面配有钢筋，因此常用的劈拉、斜剪、直剪等界面黏结性能测定方法无法准确反映其连接受力性能，同时界面形状以及其他因素的影响也需要进一步深入研究.鉴于此，本文通过配筋UHPC接缝板抗弯试验，研究了不同形状配筋UHPC-NC界面的抗弯性能，并通过轴拉试验探讨了NC表面处理方式和湿润度、UHPC养护龄期、养护方法等对配筋界面抗裂性能的影响，以期为装配式NC桥梁的UHPC湿接缝设计和施工提供参考.

1 接缝抗弯试验

1.1 试验材料

UHPC配合比见表1.其中钢纤维为φ0.2×13mm 端钩型高强钢纤维，其抗拉强度大于2GPa，掺量(体积分数)为2%；减水剂为聚羧酸减水剂，其减水率(质量分数)大于30%.NC按照C40混凝土配制.接缝板试件配置φ12的HRB400钢筋(N1)和φ10的HPB300钢筋(N2)2种配筋.UHPC和NC的力学性能见表2，表中UHPC-N、UHPC-60分别代表在常温和60℃蒸汽条件下养护的UHPC.

表1 UHPC的配合比

表2 UHPC和NC的力学性能

1.2 试件制备

根据接缝形状制作6组共11块试件.考虑到装配式NC桥梁翼板厚度一般为150mm，接缝宽度须满足接缝钢筋的最小锚固长度要求，将试件尺寸设计为1500mm×300mm×150mm，2个支点间距为1300mm，接缝宽度为140mm.试件参数详见表3.表中MN为1块NC完整板(无接缝)试件，作为对照组；另外5组试件均为UHPC-NC接缝板试件(每组各2块)，其中3组为矩形界面接缝板(RJ1、RJ2、RJ3)、1组为楔形界面接缝板(WJ)、1组为菱形界面接缝板(DJ).接缝板试件制备步骤如下：首先浇筑NC完整板和接缝板中的NC部分，并常温养护60d；然后将NC表面进行凿毛、打孔等界面处理，接着将NC充分润湿后，现浇UHPC湿接缝，再常温养护28d，即可进行加载试验.接缝板试件尺寸和配筋布置如图1所示.对照试件MN的尺寸、配筋和养护方式等与上述5组接缝板试件相同.

表3 试件参数

图1 接缝板试件尺寸和配筋布置

1.3 加载方式与测点布置

试验采用千斤顶，通过分配梁来实现两点式加载，加载间距为400mm.每级试验荷载为4kN.图2为测点布置图.由图2可见：在接缝部位的顶部和底部UHPC表面及接缝处钢筋表面均粘贴电阻式应变计；在支点和跨中的分配梁顶部位置设置竖向千分表，用以测量试件挠度；采用裂缝观测仪测量较宽的典型裂缝和界面裂缝.

图2 测点布置图

2 结果与分析

2.1 开裂过程及破坏模式

试验过程中，当NC板和界面分别出现第1条肉眼可视裂缝(缝宽约为0.02mm)所对应的荷载，即为其开裂强度；在加载后期，若荷载下降且试件挠度和主裂缝宽度快速增大,受压混凝土出现局部压碎，即为试件破坏状态.试件破坏模式如图3所示.图中WJ试件中的A和B分别为楔形接缝的两类UHPC-NC界面.由图3可见：(1)NC完整板MN试件和接缝板试件均发生了典型的弯曲破坏——受压区混凝土局部压碎，受拉区混凝土或UHPC-NC界面处形成较宽的受拉主裂缝；对于MN试件，当荷载达到极限荷载(Pu)的20%左右时，在跨中纯弯段内出现了第1条弯曲横向裂缝，MN试件破坏时有多条主裂缝出现；对于接缝板试件，其裂缝多发生在预制NC部位或UHPC-NC界面处，因UHPC自身优异的抗裂性，在接缝范围内的裂缝数量少、宽度小、长度短.(2)在受弯过程中，各接缝板试件上裂缝的产生和发展形式各不相同——①对于凿毛矩形接缝板试件RJ1，当荷载达到0.21Pu左右时，在UHPC-NC界面处出现第1条裂缝，其初裂荷载与完整板MN试件基本持平；主裂缝位于界面处，最终产生界面破坏.②对于凿毛+打孔接缝板试件RJ2，当荷载达到约0.20Pu时，预制NC板首先在打孔范围外至加载点之间的位置开裂，当荷载持续增大到0.28Pu时，UHPC-NC界面处开始萌生裂缝，主裂缝位于预制NC板内，最终预制NC破坏.(3)对于密配筋矩形接缝板试件RJ3，当荷载达到0.21Pu左右时，UHPC-NC界面处出现第1条裂缝，初裂荷载与完整板MN试件基本持平；但界面处裂缝扩展缓慢、并未形成主裂缝，其主裂缝位于预制NC板内，最终预制NC破坏.(4)由于楔形接缝板试件WJ截面形状的特殊性，形成了A、B2类UHPC-NC界面，当荷载达到0.18Pu时，预制NC板首先开裂；当荷载增加到0.25Pu和0.46Pu时，A、B界面先后开裂；主裂缝产生在楔形界面之外的预制NC板内，最终预制NC破坏.(5)对于菱形接缝板试件DJ，当荷载达到0.21Pu左右时，预制NC板首先开裂；当荷载增至0.40Pu左右时，UHPC-NC界面处开始出现裂缝，主裂缝产生在菱形界面外的预制NC板内，最终预制NC破坏.

图3 试件破坏模式

综上所述，RJ1、RJ3接缝板试件的UHPC-NC界面开裂时间略早于预制NC板，RJ2、WJ和DJ接缝板试件的UHPC-NC界面开裂时间均晚于预制NC板.除RJ1接缝板试件外，其余各接缝板的主裂缝均出现在预制NC板内，UHPC-NC界面处未形成主裂缝.RJ1接缝板试件的界面抗弯强度及抗裂性与预制NC板基本持平，其余各接缝板试件的界面抗弯强度及抗裂性均高于预制NC板.

2.2 试验特征荷载

接缝板试件初裂荷载、破坏荷载、UHPC-NC界面处初裂荷载，以及发生部位等详见表4.由表4可见：RJ1接缝板试件的UHPC-NC界面处虽然首先开裂并最终形成主裂缝破坏，但其初裂荷载和破坏荷载仅比完整板试件MN低1.3%和3.7%左右，两者基本持平；RJ3接缝板试件由于配筋率较高，其开裂荷载略高于完整板试件MN 8.8%，破坏荷载高于完整板试件MN 21.4%；RJ2、WJ和DJ接缝板试件均首先在预制NC部位开裂，它们的界面开裂荷载明显高于完整板试件MN，分别高出43.7%、32.4%和96.2%，它们的破坏荷载基本持平或略高于完整板试件MN，其中菱形接缝板DJ试件的界面抗裂性能最为优异.RJ2、WJ和DJ接缝板试件界面抗裂性能良好的原因如下：(1)RJ2接缝板试件界面处伸入预制NC中的UHPC榫提高了界面的抗弯拉强度；(2)WJ和DJ接缝板试件一方面界面黏结面积增大，显著提高了界面的黏结能力，另一方面楔形和菱形界面的横向和竖向不在同一平面内，界面不贯通，当界面产生微裂缝时会受到附近完整NC或UHPC的限制而无法扩展，使得其界面抗弯拉能力提高；(3)这3种接缝板试件的预制NC先于UHPC-NC界面开裂，随着荷载的增加，拉伸变形集中于预制NC开裂处，UHPC-NC界面处实际所承担的拉应力增长缓慢，因此宏观表现为UHPC-NC界面的抗裂性较好，开裂荷载大幅提升.

表4 试件荷载特征值

总体来说，UHPC-NC界面的黏结性能良好，甚至超过完整NC.从微观上看，新旧混凝土的结合面存在一个类似于整体浇筑混凝土中水泥石与骨料之间的界面过渡区，而这个过渡区就是新旧混凝土界面发生破坏的关键位置[10].UHPC水灰比较低(0.16～0.20)时，在NC表面骨料周围形成的水膜较薄，使得界面处“过渡区”孔隙率较小、密实度大，因此增强了界面的黏结强度；同时，由于UHPC无粗骨料且水灰比低，在现浇过程中不会发生NC浇筑过程中所出现的粗骨料下沉、水分上浮而形成的泌水现象，因此在界面处因泌水产生的气泡也就较少，降低了界面黏结区域的孔隙率，使得界面黏结强度进一步提高.从宏观上看，由于UHPC没有粗骨料、且无须振捣即可获得较好的密实度，浇筑时不会在粗糙混凝土表面形成类似NC-NC界面中因粗骨料与界面突出的石子、水泥石“点接触”而造成的“缺浆”现象[11]，同时无粗骨料的UHPC浆体能够充分接触、填充混凝土的凹凸表面，确保界面处密实，从而提高了二者的黏结性能.

2.3 荷载-界面裂缝宽度曲线

各试件的荷载-界面裂缝宽度曲线如图4所示，其中MN试件的曲线为其主裂缝发展曲线.由图4可以看出：(1)RJ1和MN接缝板试件的荷载-界面裂缝宽度曲线基本呈双线性特征，以其钢筋屈服点为分界点.由于RJ1接缝板试件的UHPC-NC界面最先开裂，并且在界面处形成破坏主裂缝，因此RJ1接缝板试件接缝界面的荷载-界面裂缝宽度曲线明显低于其他试件，裂缝扩展速率也大于其他试件；提取特征裂缝宽度(0.05、0.10、0.20mm)对应的试验荷载，发现RJ1接缝板试件界面特征缝宽所对应的荷载比MN试件低6.6%、13.0%和15.6%，表明其抗裂性能略低于完整NC.除RJ1接缝板试件外，其余各接缝板试件破坏时均未在界面处形成主裂缝，它们的界面裂缝宽度基本上随着荷载的增加呈线性增长.(2)RJ2和RJ3接缝板试件界面的初裂荷载高于MN试件(见表3)，其他特征缝宽荷载(0.05、0.10、0.20mm)也高于MN试件17.9%和27.4%；其裂缝宽度曲线发展趋势与MN试件基本吻合，相同荷载下RJ2和RJ3接缝板试件界面裂缝宽度略小于MN试件，说明RJ2和RJ3接缝板试件的界面裂缝扩展速率略低于MN试件，即这2种界面的抗裂性能优于完整NC，并且密配筋接缝对界面抗裂的增强作用要优于打孔接缝.(3)WJ和DJ接缝板试件的荷载-界面裂缝宽度曲线高于MN试件，其界面开裂后裂缝发展缓慢，裂缝扩展速率明显低于MN试件；WJ和DJ接缝板试件界面无论是初裂荷载还是其他特征缝宽荷载均远高于MN试件，WJ接缝板试件界面特征缝宽荷载比MN试件高109.6%、71.4%和39.1%，DJ接缝板试件界面特征缝宽荷载比MN试件高96.3%、62.0%和20.5%.综合来看，密配筋、界面打孔及可增大黏结面积的楔形和菱形等界面处理方法均能够有效提高UHPC-NC界面开裂后的抗弯拉性能，抑制界面裂缝的开展，使得界面裂缝宽度扩展速率低于完整NC.

图4 各试件的荷载-界面裂缝宽度曲线

2.4 荷载-挠度曲线

图5为各试件的荷载-跨中挠度曲线.由图5可见：MN试件和各接缝板试件的荷载-跨中挠度曲线均呈现3个阶段特征——阶段①，试件未开裂，其荷载-挠度曲线斜率最大，此时混凝土和钢筋共同承受弯拉应力，各试件的抗弯刚度差异不大；阶段②，受拉区混凝土开裂，但受拉钢筋处于弹性状态，荷载-挠度曲线斜率有所减小，即抗弯刚度比阶段①略有下降，此时受拉区混凝土开裂、部分失效，主要由钢筋提供抗拉作用；阶段③，受拉钢筋屈服，荷载-跨中挠度曲线趋于平缓，荷载基本不变、但跨中挠度急剧增加.此外在接缝钢筋屈服前，在相同挠度下各试件承受的荷载大小依次为RJ2、RJ3、WJ、MN、DJ和RJ1.RJ1和DJ接缝板试件的等挠度荷载略低于MN试件，由于楔形界面的黏结面积增大，因此WJ试件的等挠度荷载与MN试件基本持平；RJ2和RJ3接缝板试件由于孔内UHPC榫和界面密配筋的加强作用，其等挠度荷载明显高于MN试件.此外，从试件破坏挠度对比来看，所有接缝板与NC完整板的破坏挠度值相差不大，平均误差不超过5%.

图5 试件的荷载-跨中挠度曲线

3 UHPC-NC界面抗裂性能影响因素

为研究各影响因素对UHPC-NC界面抗裂性能的影响，进行UHPC湿接缝轴拉试验.图6为轴拉试件示意图及张拉装置.由图6可见，轴拉试验采用狗骨试件，试件长500mm、截面尺寸100mm×50mm，接缝长80mm，采用HRB400钢筋搭接连接.试件制作步骤如下：先将两端C40级NC部分自然养护60d，再浇筑UHPC湿接缝，常温养护28d或60℃蒸汽养护72h后加载.轴拉试验采用60t MTS试验机加载，加载方式为压力控制，每级加载200N，加载速率10N/s.试件两端采用轴拉配套夹具固定，夹具外侧设有万向球铰，以保证尽可能减小偏心弯矩产生的影响.试件中部设置应变计和引伸仪，以测量试件的应变和变形.裂缝宽度采用裂缝观测仪量测.

图6 轴拉试件示意图及张拉装置

4种UHPC-NC界面抗裂性能影响因素包括：NC表面处理方式、NC湿润度、UHPC养护龄期和养护方法.将“NC表面凿毛(Ro)-NC湿润(ASW)-常温养护28d(NC-28)”的试件作为基本组.为研究每一因素对界面抗裂性能的影响，仅改变基本组试件中的对应参数，其余参数保持不变.试验参数详见表5.

表5 试验参数

采用裂缝观测仪观测界面处裂缝的发展情况，将首次出现的宽度约为0.01mm裂缝所对应的试验荷载定义为界面开裂荷载.界面初裂时，裂缝宽度和长度均较小；随着荷载的增加，裂缝沿界面扩展，直至贯通整个界面.试验结果表明，每组3个试件的实测UHPC-NC界面开裂强度变异系数均为0.7%～7.8%，变异系数平均值较低，仅为3.3%.这说明同组3个试件的界面开裂强度试验结果离散性在合理范围内.

3.1 NC表面处理方式

采用钢刷刷毛(Wb)、凿毛(Ro)、打孔+凿毛(HR)、刻槽+凿毛(GR)和菱形+凿毛(DR)5种界面处理方式，对常温养护28d且NC湿润的UHPC-NC界面进行轴拉试验，其开裂荷载对比如图7所示.由图7可以看出：UHPC-NC界面的抗裂性能对NC表面粗糙度较为敏感，NC表面越粗糙、界面的抗裂性能越好；UHPC-NC界面的抗裂性能从高到低依次为DR、GR、HR、Ro和Wb界面；粗糙的Ro界面开裂荷载比相对光滑的Wb界面提高了188.0%；与Ro界面相比，HR、GR、DR界面的开裂荷载分别提高了5.5%、50.0%和75.0%；在界面裂缝发展过程中，DR、GR、HR界面裂缝宽度发展较慢，同等裂缝宽度的情况下界面承担载荷能力均强于Ro和Wb界面.由于现浇UHPC与粗糙NC的外露集料之间具有优异的黏结性能和良好的互锁作用，加之钻孔UHPC榫、刻槽UHPC键齿与NC的机械咬合作用，使得HR、GR界面抗裂性能有所加强.值得注意的是，将平面矩形界面变成内凹的菱形界面，增大了界面的黏结面积，其抗裂性能提升最为显著.

图7 NC表面处理方式对UHPC-NC界面开裂荷载的影响

3.2 NC湿润度

试验设置2组NC湿润度参数：一组为自然养护条件下的饱和面干(ASD)、湿润(ASW)、湿饱和(SSD)3种湿润度试件；另一组为蒸汽养护条件下的ASD、ASW 2种湿润度试件.不同NC湿润度UHPC-NC界面的开裂荷载对比如图8所示.由图8可见:与ASD界面相比，常温养护下ASW和SSD界面的开裂荷载分别提高了28.6%和71.4%，蒸汽养护条件下ASW界面的开裂荷载提高了70.6%.说明UHPC-NC界面抗裂性能随着NC湿润度的增加而大幅提高，充分湿润NC可以显著提升界面的开裂强度.其原因在于：NC亲水性较强，如果NC干燥，则界面处UHPC中的水分很容易浸入NC中，使得UHPC(低水灰比)水化反应减弱，降低了界面黏结强度.因此，实际工程中现浇UHPC接缝前，应充分湿润NC，以获得良好的UHPC-NC界面抗裂性能.此外，界面越湿润，界面裂缝扩展速度越小；同等荷载条件下，SSD界面裂缝宽度最小，而ASD界面裂缝宽度最大.

图8 NC湿润度对UHPC-NC界面开裂荷载的影响

3.3 UHPC养护龄期

对自然养护3、7、28、180d的试件进行试验，其界面开裂荷载对比如图9所示.由图9可见：随着UHPC养护龄期的增长，UHPC强度逐渐增加，界面的开裂荷载也随之增大；3d龄期时，UHPC-NC界面的开裂荷载仅为28d龄期界面的29.2%；7d龄期时，界面抗裂性能增长迅速，其开裂荷载达到28d界面的86.1%，7～28d龄期内，界面抗裂强度增长了13.9%.这说明UHPC-NC界面在3～7d的早期龄期内，即可获得大部分抗裂能力.此外，28～180d龄期界面的开裂荷载变化不大，仅提高了8%左右.UHPC-NC界面的抗裂强度在早期龄期(3～7d)增长较快，中后期(28～180d)增长缓慢，该优点可以确保现浇UHPC湿接缝能够在短时间内形成足够的界面强度而尽快投入使用.从界面裂缝扩展来看，28d龄期界面的开裂速度最小；而3d龄期界面裂缝发展最快，相同裂缝宽度的持荷能力也最小.

图9 养护龄期对UHPC-NC界面开裂荷载的影响

3.4 养护方法

常温养护、60℃蒸汽养护2种养护条件下，UHPC-NC界面开裂荷载对比如图10所示.60℃蒸汽养护条件下的UHPC抗压强度高于常温养护(见表1)，说明UHPC在高温蒸汽养护下可以获得较好的力学性能.由图10可以看出，60℃蒸汽养护72h的试件界面开裂荷载明显强于自然养护28d的界面，60℃蒸汽养护ASD界面和ASW界面的开裂荷载分别高出对应自然养护界面33.9%、77.8%.说明蒸汽养护能够提升UHPC-NC界面的抗裂性能.此外，60℃蒸汽养护的界面承担载荷的能力强于自然养护28d的界面，在裂缝发展阶段的相同荷载作用时，蒸汽养护界面的裂缝宽度较小、自然养护界面的裂缝宽度相对较大.