超高性能混凝土(UHPC)加固受損鋼筋混凝土橋面的受彎性能及承載力預(yù)測

蔣 維

(倫敦帝國理工學(xué)院，英國 倫敦 SW72BX)

超高性能混凝土(UHPC)又稱活性粉末混凝土(RPC)，是一種新型的膠凝材料，具有超高的抗壓和抗拉強度，其在熱養(yǎng)護后表現(xiàn)出優(yōu)異的延性、低滲透性和低收縮徐變。在這種優(yōu)良的力學(xué)和物理性能的激勵下，UHPC有望用于修復(fù)和改造因缺乏維護和環(huán)境條件下材料變化而導(dǎo)致的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。采用超高強混凝土對受損的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進行加固，不僅明顯提高了結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，而且保證了結(jié)構(gòu)的耐久性。

1 實驗方案

試驗研究包括材料強度試驗、預(yù)加載試驗和抗折強度試驗，獲得了UHPC-RC組合板的抗壓強度、楊氏模量和抗折強度，為建立UHPC-RC組合板的分析計算模型提供了依據(jù)。在預(yù)加載試驗中，鋼筋混凝土板受到一定程度的破壞。在抗彎強度試驗中，分別在受拉側(cè)和受壓側(cè)用UHPC加鋪層加固鋼筋混凝土板，然后對其進行強度和性能貢獻的試驗。

1.1 材料性能

試驗中普通混凝土(C55級)的配合比按JTG D62—2004進行拌和，與實際橋梁的配合比相同。UHPC材料由水泥、石英粉、粉煤灰、硅灰、石英砂、增塑劑和鋼纖維組成。以2∶1.5的比例使用兩種不同尺寸的鋼纖維的混合物，即鉤形纖維和直形纖維；總比率為3.5%。鉤端鋼纖維直徑0.2 mm，長13 mm，抗拉強度2 850 MPa；直端鋼纖維長度8 mm，直徑0.12 mm，抗拉強度2 850 MPa。兩種鋼纖維的彈性模量均為200 GPa。此外，還使用了市售的高效減水劑聚羧酸鹽，其體積比為1.5%，減水率超過30%。

1.2 試樣和制備

圖1顯示了具有主要參數(shù)的試樣。根據(jù)該橋箱梁頂板加固實踐中的有關(guān)參數(shù)和橋面輪載的攤鋪寬度，制備了4塊鋼筋混凝土板，其中一塊為常溫養(yǎng)護的無筋板；其余3種模型均為UHPC層加固的復(fù)合板。鋼筋混凝土板的橫截面為矩形，高28 cm，寬200 cm，總長320 cm，用兩層鋼筋網(wǎng)加固，鋼筋網(wǎng)間距為150 mm，鋼筋直徑分別為16、20 mm。深度為50 mm的UHPC用一層間距為37.5 mm的鋼筋網(wǎng)和直徑為10 mm的鋼筋加固。在UHPC層和鋼筋混凝土板之間使用高度為150 mm的螺柱作為連接件，高度為115 mm的螺柱嵌入受損鋼筋混凝土板中，中心間距為300 mm。為了研究分別在受拉區(qū)和受壓區(qū)采用UHPC層加固的橋面的彎曲性能，進行了負彎矩和正彎矩的荷載模式。

圖1 試板配筋詳圖

圖2所示為UHPC層加固受損鋼筋混凝土加固板的制作程序，與現(xiàn)場橋梁施工相同。

(1)在實驗室溫度下澆筑鋼筋混凝土板，并用噴水養(yǎng)護28 d(圖2(a)示)；

(2)為了充分模擬實際橋梁上出現(xiàn)的損壞情況，對3鋼筋混凝土板進行預(yù)壓，以產(chǎn)生與橫向成45°角的斜裂縫，采用彎扭加載法，加載點位于對角線中間，支架布置如圖2(b)所示。采用高溫蒸汽(H-UC-1，H-UC-2)固化UHPC的鋼筋混凝土板，在266 kN的最高外加荷載下，形成了兩次反向加載的鋼筋混凝土0.4 mm裂縫寬度，中間位移為12.9 mm，卸載后最大寬度為0.18 mm；對于常溫(N-UC)固化的UHPC板，在最大載荷為145 kN、最大位移為5.7 mm的中部和卸載后，分別獲得0.2 mm和0.08 mm的最大裂縫寬度(圖2(b))；

(3)卸荷后，在寬度大于0.1 mm的裂縫內(nèi)注入環(huán)氧樹脂，寬度小于0.1 mm的裂縫用水泥漿封閉。然后放置試樣板5 d，直到環(huán)氧樹脂硬化(圖2(c)示)；

(4)基板處理：在UHPC強化前，將2種不同的粘合程序結(jié)合起來，包括粗化基板(宏觀紋理深度約為1.0～4.0 mm)和種植螺柱。在UHPC周圍澆筑之前，清除接觸面上的任何碎屑，噴水4 h以上，以使混凝土基底充分濕潤，從而將UHPC中因不飽和正?；炷翗蛎嫖斩斐傻乃謸p失降至最低(圖2(d)；

(5)澆筑UHPC覆蓋層：基底處理后，在鋼筋混凝土板頂部預(yù)埋鋼筋網(wǎng)，然后在其周圍澆筑UHPC。用塑料薄膜覆蓋UHPC表面，定期噴水48 h后脫模。之后，3塊板中的一塊在實驗室常溫下繼續(xù)養(yǎng)護，并定期噴水養(yǎng)護28 d；另外2塊加固板在60℃的溫度下用蒸汽養(yǎng)護72 h。最后，將它們?nèi)糠胖迷趯嶒炇噎h(huán)境中，直到加載(圖2(e)示)。

圖2 UHPC鋼筋混凝土板試件的制備

1.3 實驗裝置和程序

所有板件均由鉸鏈和滾輪簡單支撐，并承受3點彎曲。板的凈跨為300 cm，并在跨中承載集中荷載，采用鋼制分布梁將荷載沿橫向分布到板上。圖3顯示了準備好測試儀器的平板。在試驗過程中監(jiān)測了混凝土板的性能，記錄了鋼筋混凝土和超高強混凝土的荷載、豎向位移、界面滑移位移和應(yīng)變變化。在初始加載階段，通過液壓千斤頂以0.1 kN/s的恒定加載速率施加荷載，在板接近破壞時，施加0.008 mm/s的偏轉(zhuǎn)速率。用9個千分表監(jiān)測位移。5個量規(guī)位于板的中跨處，用于最大位移。另外4個量規(guī)安裝在2個支架處，根據(jù)施加的荷載計算相反方向的位移。在鋼筋混凝土和UHPC層表面以及板跨中縱向鋼筋表面安裝了應(yīng)變計，UHPC層頂部安裝了引伸計，用于監(jiān)測開裂后的應(yīng)變。在使用膠水將量規(guī)連接到鋼筋之前，表面經(jīng)過拋光，以便于放置量規(guī)。在靠近支架的界面處安裝了4個位移計，用于測量UHPC和RC層之間的滑移。

圖3 試板的荷載設(shè)置和測量布置

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 故障模式

如圖4所示，UHPC(超高性能混凝土)加鋪層加固板的破壞模式通常與大多數(shù)彎曲破壞類型相似。在負彎矩(NBM)作用下，鋼筋混凝土-超高強混凝土組合板(H-UC-1，N-UC)的第一道彎曲裂縫出現(xiàn)在超高強混凝土加鋪層附近鋼筋混凝土受拉區(qū)的跨中，而超高強混凝土加鋪層未出現(xiàn)裂縫。隨著荷載的增加，鋼筋混凝土層中彎曲裂縫的數(shù)量隨著裂縫寬度和深度的增加而增加。當(dāng)施加荷載接近最終荷載的20%～25%時，UHPC層頂部出現(xiàn)第1條可見裂縫，寬度為0.04 mm。隨著載荷的不斷增大，UHPC層中裂紋數(shù)量增加，而裂紋寬度發(fā)展緩慢。復(fù)合板在NBM作用下破壞時，跨中受壓區(qū)NSC被壓碎；在跨中UHPC加鋪層頂部發(fā)現(xiàn)明顯的橫向裂縫，H-UC-1和N-UC的最大裂縫寬度分別為0.5 mm和0.55 mm?？梢宰⒁獾?，UHPC層中沒有裂紋穿透到鋼筋混凝土板，裂紋擴展深度約為2.5 cm(約為UHPC高度的50%)(圖4(b)示)。卸載后，UHPC覆蓋層頂部的裂縫在一定程度上閉合，最大裂縫寬度約為0.10～0.16 mm(圖4(a)示)。在破壞前，NBM加固板的剛度沒有明顯減弱，UHPC層和RC層之間的滑移不明顯，而滑移急劇增加，螺柱在接近破壞點處屈服(圖4(b)示)。此外，對于采用高溫蒸汽養(yǎng)護的UHPC的H-UC-1板坯，由于液壓千斤頂達到最大承載能力(1 250 kN)，液壓千斤頂施加的荷載被終止。在這種情況下，在1 250 kN的荷載作用下，雖然UHPC層的最大裂縫寬度達到0.5 mm，但鋼筋混凝土板底部的NSC并未發(fā)生坍塌。此外，在UHPC層和RC層之間觀察到的滑移并不突出(圖4(c)示)，也就是說，H-UC-1板在1 250 kN荷載作用下仍有一定的抗彎承載力?？傊?，在NBM荷載作用下，加固板在受力過程中，損傷的鋼筋混凝土板出現(xiàn)了初始裂縫，然后UHPC層開始開裂，裂縫數(shù)量緩慢擴展。破壞時，UHPC層和鋼筋混凝土受壓區(qū)的NSC形成較寬的裂縫。

圖4 負彎矩作用下RC-UHPC組合板的破壞模式

2.2 荷載-撓度特性

圖5顯示了加固和未加固試件的荷載-撓度曲線。一般情況下，加固板在彈性階段的剛度略小于未加固板的剛度，而裂紋萌生后的剛度則相反，特別是在NBM下的加固板，在加載后期剛度的提高更為顯著。對于PBM(H-UC-2)下的加固板，在荷載達到200 kN(曲線中的一點)之前，H-UC-2的曲線低于N-RC。這是因為加固前鋼筋混凝土板的受拉區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)裂縫，導(dǎo)致在相同荷載下，鋼筋混凝土板的撓度比未加固的板大。在N-RC和H-UC-2試件都進入裂紋發(fā)展階段的某一點加載后，由于在壓縮區(qū)域添加UHPC的慣性矩效應(yīng)增加，隨著載荷的增加，H-UC-2表現(xiàn)出更高的剛度，拉伸時NSC中撓度和裂紋的發(fā)展都比N-RC慢。當(dāng)荷載接近677 kN時，即無筋板(N-RC)的破壞荷載，H-UC-2的變形僅為無筋板的35.6%。另外，在B點荷載約為400 kN之前，剛度變化不明顯，H-UC-2荷載-撓度曲線中觀察到該階段的線性行為。當(dāng)荷載達到569 kN(點)后，跨中鋼筋混凝土受拉底部的橫向宏觀裂縫顯著發(fā)展，鋼筋混凝土層中的受拉鋼筋屈服。隨著試件剛度的降低，H-UC-2的切向斜率開始發(fā)生變化。總體而言，PBM作用下UHPC加固受損鋼筋混凝土板，雖然抗裂強度沒有提高，但加固板的剛度明顯提高，導(dǎo)致剛度線性范圍增大。H-UC-1在初始加載階段剛度較小，變形較大。荷載增加到點(約250 kN)后，UHPC層頂部出現(xiàn)裂縫，試板進入裂縫發(fā)展階段。開裂后的UHPC具有較高的抗拉強度和延性，具有應(yīng)變硬化性能和較高的抗彎性能。因此，UHPC加鋪層較小的縱向變形有效地抑制了鋼筋混凝土板中初始預(yù)壓裂縫的擴展，H-UC-1的剛度明顯高于未加筋板。

圖5 荷載-撓度曲線

2.3 荷載主裂縫寬度曲線

在每個荷載階段，監(jiān)測NSC或UHPC在受拉區(qū)的主裂縫寬度，并獲得板的荷載與主裂縫寬度曲線，如圖6所示?？傮w而言，對于NBM下受拉側(cè)UHPC的加固板(H-UC-1和N-UC)，由于超高強混凝土(UHPC)層具有較高的抗拉強度和延性，開裂荷載明顯高于未加固板，開裂發(fā)展較慢。在PBM(H-UC-2)作用下，預(yù)壓開裂的NSC位于加固板的受拉區(qū)，開裂荷載低于未加固板，而開裂的發(fā)展稍有延遲。

圖6 板試件荷載裂縫寬度

從圖6可以看出，在PBM(H-UC-2)下，UHPC受壓和NSC受拉的加固板的開裂荷載比N-RC小39.4%，裂縫沿預(yù)應(yīng)力混凝土板的原斜裂縫擴展，跨中開裂強度主要取決于水泥漿體或環(huán)氧樹脂膠的粘接強度，H-UC-2開裂較早，提取了主裂縫寬度為0.1 mm和0.2 mm的荷載數(shù)據(jù)以及未加固混凝土板的極限荷載結(jié)果表明，在上述3種荷載水平下，H-UC-2的主裂縫寬度分別僅為N-RC的90%、50%和27.8%。因此，在裂縫擴展和發(fā)展的后期，采用超高強混凝土壓邊加固明顯抑制了鋼筋混凝土板裂縫的發(fā)展，有效地提高了鋼筋混凝土橋面規(guī)范中不同裂縫寬度下的承載力。

2.4 載荷應(yīng)變響應(yīng)

圖7繪制了加固和未加固板中的荷載與縱向拉伸鋼應(yīng)變的關(guān)系。應(yīng)變曲線基于通過試驗獲得的應(yīng)變計讀數(shù)的平均值。在圖7中，型號中附加的UHPC和NSC分別表示UHPC層和RC板中的受拉鋼筋。例如，N-UC-UHPC和N-UC-NSC分別代表N-UC試件的UHPC層和鋼筋混凝土板中的受拉鋼筋。

圖7 受拉鋼筋的荷載-應(yīng)變曲線

從圖7可以看出，負彎矩作用下加固板中UHPC層鋼筋的縱向拉伸應(yīng)變隨著荷載的增加經(jīng)歷了3個階段：(1)在圖7中點之前，彈性階段的鋼筋應(yīng)變在無開裂的UHPC下呈線性增加；(2)UHPC開裂后，鋼的應(yīng)變增量增加，曲線的切線斜率比NSC中的鋼略有減小；(3)當(dāng)荷載接近極限荷載(點)時，UHPC加鋪層中發(fā)現(xiàn)了一些較寬的主裂縫，UHPC中的鋼由于承受更大的荷載而屈服。同樣，鋼筋混凝土板中的受拉鋼筋在加固板中表現(xiàn)出與UHPC中的縱向鋼筋相似的3個階段。結(jié)果表明，在相同荷載水平下，采用超高強混凝土加固后，加固板鋼筋混凝土層的拉應(yīng)力明顯小于未加固板(N-RC)，特別是在NBM下的加固板。降低鋼筋混凝土板中鋼筋的應(yīng)變可以有效地減小或控制混凝土板的裂縫寬度。因此，從受拉鋼筋在鋼筋混凝土板中的受拉性能來看，UHPC加固明顯提高了混凝土板的抗裂性能。

2.5 UHPC-RC界面荷載滑移曲線

加固板的荷載—滑移曲線如圖8所示?；剖侵窾HPC和鋼筋混凝土層之間的界面滑移，用百分表測量，百分表大約設(shè)置在靠近板支撐的界面的4個位置。結(jié)果表明：當(dāng)荷載增加到加固板極限荷載的20%～25%(點)時，初始滑移發(fā)生。在階段，隨著荷載的增加，所有板的滑移緩慢線性增加，滑移位移相對較小，不超過0.5 mm。當(dāng)荷載分別接近1 070 kN(極限荷載的83.3%)、734.3 kN(極限荷載的85.4%)和990 kN(極限荷載的73.9%)時，B點處的H-UC-1、H-UC-2和N-UC的板端滑移速度顯著增加，而切向坡度呈非線性減小。破壞時，NUC在3.526 mm位移處觀察到3塊板之間的最大滑移。從荷載-滑移曲線的發(fā)展來看，在加固板承受80%極限荷載之前，UHPC-RC界面的滑移呈線性緩慢發(fā)展。因此，預(yù)計滑移對加固板完整性的影響可以忽略不計。

圖8 荷載滑移曲線

3 結(jié)語

本文對超高性能混凝土(UHPC)加固板的受彎性能進行了試驗和分析研究，可以得出如下結(jié)論：

(1)UHPC加筋混凝土板的破壞模式與大多數(shù)典型的彎曲破壞模式相似。負彎矩作用下加固板發(fā)生破壞時，發(fā)現(xiàn)在受拉狀態(tài)下，UHPC加鋪層頂面有大量密集分布的裂縫，且主裂縫較寬，未擴展到UHPC的整個深度。另外，NSC在跨中受壓區(qū)發(fā)生擠壓，當(dāng)加固板在正彎矩作用下發(fā)生破壞時，觀察到貫穿整個截面的混凝土板出現(xiàn)裂縫，UHPC層界面附近出現(xiàn)離散裂縫，UHPC頂面受壓而不破碎；

(2)由于超高強混凝土具有較高的抗壓、抗拉強度和延性，在負彎矩作用下，超高強混凝土受拉加固板的抗裂能力顯著提高，抗裂荷載比未加固的鋼筋混凝土板提高一倍以上。對于正彎矩作用下的加固板，受壓超高強混凝土不能提高其抗裂能力，但在加載后期裂縫寬度的發(fā)展被推遲；

(3)UHPC加鋪層加固后受損鋼筋混凝土板的抗彎極限承載力顯著提高，負彎矩和正彎矩下加固板的抗彎極限承載力分別提高約2.0～2.5倍和30%；

(4)使用超高強混凝土后，受損鋼筋混凝土橋面的剛度顯著提高，加固板的線性剛度范圍也有所延長，特別是位于橋面受拉面(負彎矩下的加固板)的超高強混凝土層；

(5)鋼筋混凝土板的開裂損傷程度對加固板剛度的影響大于養(yǎng)護條件對UHPC加鋪層剛度的影響。損傷程度越高，加固板的剛度越低。反之亦然；

(6)UHPC加鋪層加固后，混凝土板中鋼筋的拉應(yīng)力得到有效降低，從而減小或控制了裂縫寬度，抑制了裂縫的擴展；

(7)基本上，在80%極限荷載加載前，UHPC與RC的界面滑移呈輕微的線性發(fā)展，而在接近極限狀態(tài)時，滑移開始迅速增加。應(yīng)注意的是，當(dāng)加固板發(fā)生彎曲破壞時，UHPC-RC界面不會發(fā)生剪切破壞。