UHPC-NSC界面性能研究展望

UHPC-NSC界面性能研究展望
摘要：超高性能混凝土（UHPC）已经广泛应用于危旧桥梁加固工程中，而UHPC与普通混凝土（NSC）界面间的粘结性能是影响整座桥梁加固质量的关键。

本文主要针对近二十年内关于UHPC-NSC界面性能的研究成果，介绍了UHPC-NSC 界面基本力学性能的研究，分析了其界面行为特点，展望了UHPC-NSC界面研究未来的发展方向。

关键词：超高性能混凝土；桥梁加固；界面行为；发展方向
引言
随着桥梁使用寿命的增加，势必要对已有的危旧桥梁进行合理的加固改造，以保证桥梁的正常使用[1-2]。

超高性能混凝土（UHPC）作为一种性能优异的纤维混凝土，具有超高的抗压强度以及远超一般高性能混凝土的抗拉强度、延性和耐久性，已经广泛应用于桥梁加固工程中[3]。

因此，UHPC-NSC界面间的粘结质量对整座桥梁性能至关重要。

本文主要基于国内外研究现状，从界面基本力学性能、界面行为以及发展方向对UHPC-NSC界面研究成果进行介绍。

一国内外研究进展
1.1 UHPC-NSC界面基本力学性能
UHPC-NSC界面具有典型的二维受力特征，界面间受力主要可分为法向及切向的拉、剪应力[4]。

UHPC加固NSC主要依靠界面传递剪力来实现两种材料的协同受力，形成组合作用。

因此，抗剪性能是衡量UHPC-NSC界面力学性能最重要的一项力学指标。

同时，在复杂受力状态下UHPC-NSC界面不可避免会承受沿法向的拉拔作用，在没有界面植筋的情况下，界面法向脱粘的同时也就意味着界面剪切强度削弱或者失效。

因此，界面抗拉性能是与抗剪性能高度耦合的另一项重要力学指标。

1.2 界面抗剪性能
一部分国内外学者[5-8]于一系列的双面直剪试验、单面剪切推出试验，系统地
研究了UHPC-NSC界面的剪切性能。

试验结果表明：1）UHPC与NSC界面直接粘结后，界面破坏特征主要为部分界面破坏+部分NSC破坏或完全NSC剪切破坏，直
接粘结界面效果可靠。

2）与未经任何处理的界面相比，具有粗糙度的界面会将
破坏模式转移到NSC基体上，实现更高的抗剪强度。

3）环氧树脂胶可以实现预
制UHPC构件和NSC构件的可靠连接。

但是将用环氧树脂或丁苯净浆作为界面剂
会降低UHPC-NSC的粘结性能。

4）跨界面设置钢筋能提升界面延性，但界面钢筋
数量超过一定的范围之后，界面承载力不再增加。

1.3 界面抗拔性能
界面法向的粘结强度是衡量界面受力性能的另一项重要指标。

为此，已经采
用了圆柱体劈裂试验、轴拉试验等手段对UHPC-NSC界面的抗拔性能进行研究[9-10]。

可以得出以下结论：1）界面有良好的抗拔性能，其断裂主要发生在NSC内部；2）环氧胶接强度、粗糙界面强度以及直接粘结强度相比依次递减；3）界面粘结强
度始终优于NSC-NSC界面。

这些研究表明，UHPC-NSC 界面在静力荷载的作用下具有良好的抗剪和抗拔
性能，对NSC表面进行合理的处理能进一步提高界面抗剪和抗拔能力，但大部分
试件在剪切破坏时均表现出了一定程度的脆性。

二UHPC-NSC界面行为研究
2.1 UHPC加固NSC板、梁中的界面行为
对于UHPC加固NSC受弯构件，在界面进行了合理的粗糙处理的情况下，整
个静力加载过程中界面滑移并不显著[11]。

对于没有进行粗糙处理的情况，能够观
察到显著的滑移，且滑移对加固结构的刚度和承载力均有显著的影响，但是目前
尚未就界面滑移对加固结构的影响进行理论模型构建与分析。

2.2 UHPC加固NSC拱肋、墩柱中的界面行为
采用UHPC加固NSC轴心受压构件时，界面剪切应力并不突出，界面强度不
起控制作用[12]。

而对于UHPC加固NSC偏压构件和抗震节点，界面粘结的强度和刚度直接影响加固结构的刚度、强度以及耗能能力。

2.3 UHPC-NSC界面疲劳行为
现有研究表明，对于FRP-混凝土[13]、UHPC-钢[14]以及混凝土-混凝土[15]等界面
而言，疲劳荷载会引起界面域裂纹尖端的破裂、断裂能的持续释放和局部塑性变
形的不断积累，进而导致界面刚度、承载力的显著衰减。

有鉴于此，为保证加固
结构的安全性及耐久性，有必要开展界面疲劳性能的研究。

三UHPC-NSC界面研究发展方向
对于UHPC加固NSC结构而言，如果界面在疲劳荷载的作用下发生刚度退化、强度衰减乃至粘结失效，对加固结构的工作性能、耐久性乃至安全性都将产生影响。

因此，为了保证疲劳荷载下UHPC加固NSC结构的安全服役，以下关键问题
亟待进一步研究。

3.1 UHPC-NSC界面的疲劳损伤行为
由于UHPC-NSC界面存在材性突变、几何形状不规则以及初始缺陷等特点，
不可避免存在应力集中，这就为微观裂纹的萌生和发展提供了土壤。

此外，为了
充分发挥UHPC的性能，UHPC材料通常应用于结构的高应力、易损和易腐蚀部位，处于严苛的受力和腐蚀环境之中。

不论是自身特点还是外部因素，UHPC-NSC界面
均存在疲劳损伤风险。

因此，针对 UHPC-NSC界面的疲劳损伤行为研究非常必要。

3.2 UHPC-NSC界面粘结-滑移本构研究
在进行考虑界面影响的复合结构理论分析时，通常将整个界面域简化为理想
的平面或者曲面。

否则会被界面的复杂性所困惑，无法进行有效分析。

现有的UHPC-NSC粘结-滑移本构主要基于静力性能的试验和分析，尚未考虑疲劳损伤的
影响。

因此，构建的考虑疲劳损伤演化的UHPC-NSC界面粘结-滑移本构模型，是
准确分析UHPC加固NSC结构力学行为的基础。

3.3 UHPC加固NSC结构力学行为分析
现有研究表明，界面刚度损伤会导致结构的截面应力和变形增大，而界面强度的衰减会导致结构承载力降低甚至是失效。

但目前的研究主要针对加固结构静力行为，关于界面疲劳损伤对加固结构力学行为的影响研究尚存不足。

疲劳荷载作用下，界面损伤会出现高度的非均匀性。

同时，疲劳损伤所导致的界面刚度退化和残余变形累计会使得粘结-滑移曲线呈现明显的非线性。

因此，在考虑界面损伤分布不均匀性和粘结滑移曲线非线性的情况下，准确分析和计算UHPC加固NSC结构力学性能，是确保UHPC加固NSC结构安全合理的前提。

四结论
UHPC因其优异的性能已经广泛应用于桥梁加固中。

然而，现有研究主要针对UHPC-NSC界面间的静力性能开展研究，对于UHPC-NSC界面疲劳损伤机制及计算理论所知甚少。

现有桥梁加固工程中存在的界面损伤问题，确定了界面疲劳行为研究的科学意义与研究价值。

参考文献:
1.
中华人民共和国交通运输部.JTG/T J22-2008公路桥梁加固设计规范[S].北京:人民交通出版社, 2008.
2.
征求意见稿公路桥梁加固改造技术指南[S].交通运输部公路科学研究
院:2017.
3.
许金泉.界面力学[M].科学出版社,2005.。