用于濕接縫快硬UHPC的粘結(jié)性能研究

桂志偉

（1.上海城建物資有限公司，上海 200438；2.上海城市基礎(chǔ)設(shè)施更新工程技術(shù)研究中心，上海 200032）

0 引言

超高性能混凝土（UHPC）具有較高的抗折、抗壓強(qiáng)度，以40 mm×40 mm×160 mm的膠砂試件為例，其28 d抗折強(qiáng)度可超過30 MPa，抗壓強(qiáng)度可超過140 MPa。加上其優(yōu)異的流動(dòng)性能，UHPC逐漸被用于快速橋梁施工（ABC），即在裝配式橋梁預(yù)制構(gòu)件的濕接縫連接中現(xiàn)場澆筑UHPC，這種方法可大幅度簡化接縫配筋、不再需要對鋼筋焊接，提高施工效率[1]。

鑒于UHPC在工程中作為濕接縫材料的應(yīng)用案例逐漸增多，為探討UHPC作為濕接縫材料的力學(xué)性能和安全性能，國內(nèi)很多學(xué)者在其承載力和延性[2]，預(yù)制橋面板UHPC-U形鋼筋濕接縫受力性能[3]、受彎性能[4]，采用UHPC現(xiàn)澆濕接縫連接的裝配式橋墩抗震性能[5]、軸拉性能[6-7]等方面進(jìn)行了深入的研究，并均取得了積極的成果。對于應(yīng)用在結(jié)構(gòu)濕接縫的UHPC，其與鋼筋的握裹強(qiáng)度是非常重要的一項(xiàng)指標(biāo)，陳雅婷[8]研究了UHPC與高強(qiáng)鋼筋的界面粘結(jié)性能和極限粘結(jié)強(qiáng)度，結(jié)果表明，利用中心拉拔試驗(yàn)測得的平均極限粘結(jié)強(qiáng)度隨著保護(hù)層厚度的增加而提高，且與鋼筋直徑和鋼筋埋深的因素相比，保護(hù)層厚度對平均極限粘結(jié)強(qiáng)度影響更顯著。周淵等[9]結(jié)合凝結(jié)時(shí)間調(diào)節(jié)劑，制備出快硬UHPC修補(bǔ)材料，并將其成功應(yīng)用于窨井蓋的實(shí)際維修中。筆者前期采用快硬UHPC與預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行組合，形成的快硬UHPC-預(yù)制構(gòu)件組合工法[10]，實(shí)現(xiàn)了型鋼伸縮縫從封道維修到開放交通僅需7.5 h?？煊睻HPC的早強(qiáng)、后期超高強(qiáng)度的性能特征將在城市軌道交通搶修中發(fā)揮重大作用，本文著重從快硬UHPC的粘結(jié)性能方面進(jìn)行試驗(yàn)研究，為其作為濕接縫材料提供參考。

1 試驗(yàn)

快硬UHPC是在UHPC的基準(zhǔn)配合比上，通過添加凝結(jié)時(shí)間調(diào)節(jié)劑，得到的一種可以在2～3 h內(nèi)迅速凝結(jié)硬化、抗壓強(qiáng)度達(dá)到30～40 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到100～140 MPa的快硬超高性能混凝土。

1.1 原材料

（1）快硬UHPC制備用原材料

水泥：南通海螺P·Ⅱ52.5水泥，主要技術(shù)性能見表1；硅灰：比表面積23 m2/g；凝結(jié)時(shí)間調(diào)節(jié)劑：上海住總工程材料有限公司優(yōu)耐特干粉砂漿分公司，灰色粉末，相對密度3.05，比表面積36 m2/g；砂：河砂，細(xì)度模數(shù)2.6；水：自來水；減水劑：西卡聚羧酸高效減水劑A3，固含量20%，減水率28%；鋼纖維：φ0.2 mm×13 mm直鋼纖維。

表1 南通海螺P·Ⅱ52.5水泥的主要技術(shù)性能

（2）普通混凝土制備用原材料

水泥：金山南方P·O42.5水泥，主要技術(shù)性能見表2；粉煤灰：C類Ⅱ級，細(xì)度28.7%，需水量比101%，燒失量2.7%，含水量0.2%；礦粉：S95級，7、28 d活性指數(shù)分別為79%、102%，流動(dòng)度比101%；砂：河砂，細(xì)度模數(shù)2.4；石：5～25 mm石灰石質(zhì)骨料；水：自來水；減水劑：西卡聚羧酸高效減水劑ZK802，固含量10%，減水率21%。

表2 金山南方P·O42.5水泥的主要技術(shù)性能

1.2 快硬UHPC和C40、C50普通混凝土的制備

快硬UHPC的配合比如表3所示。先將粉劑（膠凝材料、凝結(jié)時(shí)間調(diào)節(jié)劑）與減水劑的水溶液攪拌5～8 min，然后加入砂攪拌3～5 min，最后邊攪拌邊緩慢加入鋼纖維，待鋼纖維完全添加后，繼續(xù)攪拌3～5 min。

表3 快硬UHPC的配合比 kg/m3

C40、C50普通混凝土的配合比如表4所示，通過調(diào)整減水劑用量控制拌合物坍落度為（160±30）mm。

表4 C40、C50普通混凝土的配合比

1.3 快硬UHPC的性能測試

參照GB/T50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測試快硬UHPC的擴(kuò)展度；參照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）》和GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測試快硬UHPC的抗折、抗壓強(qiáng)度。

1.4 與鋼筋的握裹強(qiáng)度測試

準(zhǔn)備4組（每組6個(gè)）150 mm×150 mm×150 mm立方體木模，沿木模一對側(cè)面的中心位置打孔，直徑為20 mm，用于穿HRB400的帶肋鋼筋。鋼筋總長度為500 mm，一端應(yīng)恰好嵌入模壁，予以固定，另一端由模壁伸出約350 mm，用于施加荷載。模具制成后，將鋼筋水平穿入模具中，等待澆筑混凝土。握裹強(qiáng)度參照GB/T50081—2019進(jìn)行測試，試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表5。

表5 握裹強(qiáng)度試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.5 與普通混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度測試

按表4配合比成型4組（每組3個(gè)）150 mm×150 mm×150 mm立方體C40混凝土試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至14 d，將試件劈成兩半，得到150 mm×150 mm×75 mm的小試件，將劈開面清洗干凈并保持濕潤狀態(tài)，垂直放入150 mm立方體試模一側(cè)，試件光面緊貼試模壁，另一側(cè)澆筑C50普通混凝土或快硬UHPC。粘結(jié)強(qiáng)度參照GB/T 50081—2019進(jìn)行測試，試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表6。

表6 粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 快硬UHPC的流動(dòng)性能和力學(xué)性能

快硬UHPC的流動(dòng)性能和力學(xué)性能分別見表7、表8。

表7 快硬UHPC的流動(dòng)性能

表8 快硬UHPC的力學(xué)性能

由表7、表8可見：

（1）快硬UHPC的擴(kuò)展度在30s內(nèi)快速達(dá)到280 mm，120 s擴(kuò)展度超過300 mm，擴(kuò)展后的UHPC表面光滑、氣泡含量少，證明其具有優(yōu)異的工作性。

（2）對于快硬UHPC，40 mm×40 mm×160 mm試件的3 h抗折強(qiáng)度達(dá)到10.9 MPa，抗壓強(qiáng)度超過34.0 MPa；由3 h到3 d再到28 d，其后期強(qiáng)度也不斷提高，3 d抗折強(qiáng)度達(dá)到21.1 MPa，抗壓強(qiáng)度達(dá)到102.3 MPa；28 d抗折強(qiáng)度達(dá)到30.1 MPa，抗壓強(qiáng)度達(dá)到187.1 MPa。100 mm×100 mm×100 mm立方體試件的28 d抗壓強(qiáng)度也達(dá)到123.3 MPa，與40 mm×40 mm×160 mm的試件相比，抗壓強(qiáng)度下降較多，主要與尺寸效應(yīng)有關(guān)。

2.2 快硬UHPC與鋼筋的握裹強(qiáng)度

快硬UHPC與鋼筋的握裹強(qiáng)度如表9所示，鋼筋握裹強(qiáng)度試驗(yàn)破壞照片如圖1所示。

表9 快硬UHPC與鋼筋的握裹強(qiáng)度

圖1 握裹強(qiáng)度試驗(yàn)破壞照片

由表9和圖1可以明顯看出，快硬UHPC的3h握裹強(qiáng)度已經(jīng)超過C40的28d握裹強(qiáng)度；快硬UHPC握裹試驗(yàn)破壞均不發(fā)生在UHPC基材的本身，3 h時(shí)，UHPC與鋼筋還未形成十分緊密的握裹粘結(jié)，導(dǎo)致鋼筋被拔出，使得測試結(jié)果偏?。? d、28 d時(shí)，快硬UHPC與鋼筋的握裹增強(qiáng)，因?yàn)閁HPC自身的超高強(qiáng)度，使得握裹試驗(yàn)的破壞均是因鋼筋斷裂而結(jié)束。快硬UHPC與鋼筋的握裹強(qiáng)度在3 h、3 d、28 d齡期較C40普通混凝土28d齡期時(shí)分別提高了26.8%、234.2%、295.1%。

2.3 與普通混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度

快硬UHPC與普通混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度如表10所示，劈裂抗拉試驗(yàn)破壞照片如圖2所示。

表10 快硬UHPC與普通混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度

圖2 劈裂抗拉試驗(yàn)破壞照片

由表10和圖2可以看出，利用C50普通混凝土作為新混凝土與原C40基材粘結(jié)，其28d劈裂抗拉試驗(yàn)的破壞位置主要發(fā)生在新老交界面處，且測試結(jié)果比整塊C40基材略?。欢煊睻HPC與C40進(jìn)行粘結(jié)，3 h粘結(jié)強(qiáng)度超過了整塊C40，但因?yàn)榭煊睻HPC仍處于強(qiáng)度的快速增長期，與C40的破壞界面粘結(jié)不夠牢固，因此破壞界面主要發(fā)生在快硬UHPC上。到了3 d和28d齡期，由于快硬UHPC的強(qiáng)度得到比較充分的發(fā)展，補(bǔ)強(qiáng)了新老交界面的強(qiáng)度，在受劈裂抗拉的外力破壞時(shí)，整塊基材的弱點(diǎn)體現(xiàn)在C40的舊混凝土上，因此破壞位置主要是C40基材。3 d、28 d粘結(jié)強(qiáng)度較3 h粘結(jié)強(qiáng)度分別提高了0.81、0.63 MPa，增幅分別為29.3%、22.8%，效果非常顯著。

綜合上述研究可知，快硬UHPC在3 h時(shí)雖然已經(jīng)具備34 MPa左右的抗壓強(qiáng)度（試件尺寸40 mm×40 mm×160 mm），但由于時(shí)間較短，與外界的交界面（鋼筋、C40舊基面）沒有形成牢固的粘結(jié)，導(dǎo)致鋼筋握裹強(qiáng)度及粘結(jié)強(qiáng)度的3 h測試結(jié)果與3 d、28 d相比有較大的差距。3 d齡期及以后，快硬UHPC的握裹強(qiáng)度和粘結(jié)強(qiáng)度得到較大的提高?？煊睻HPC作為搶修型濕接縫材料具有安全、可靠性。

3 結(jié)語

（1）快硬UHPC的擴(kuò)展度可以在30s內(nèi)快速達(dá)到280mm；40 mm×40 mm×160 mm試件的3 h、3 d、28 d抗折強(qiáng)度分別達(dá)到10.9、21.1、30.1 MPa，抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到34.0、102.3、187.1 MPa；100 mm×100 mm×100 mm立方體試件的28 d抗壓強(qiáng)度也達(dá)到123.3 MPa；快硬UHPC具有明顯的早強(qiáng)、超高強(qiáng)度和良好的工作性能。

（2）C40普通混凝土與鋼筋的握裹強(qiáng)度28 d齡期為5.08 MPa，破壞在C40基材；而快硬UHPC與鋼筋的握裹強(qiáng)度在3 h、3 d、28 d齡期分別為6.44、16.98、20.07 MPa，較C40普通混凝土28 d齡期時(shí)分別提高了26.8%、234.2%、295.1%，除3 h齡期是鋼筋被拉出外，3 d、28 d齡期均為鋼筋破壞。

（3）C50與C40普通混凝土的28 d粘結(jié)強(qiáng)度為2.36 MPa，低于整塊C40，破壞在新老交界面；而快硬UHPC與C40普通混凝土的3 h、3 d、28 d粘結(jié)強(qiáng)度分別為2.76、3.57、3.39 MPa，均高于整塊C40；除3 h齡期是UHPC被破壞，3 d、28 d齡期均為C40基材破壞。