謝 劍，陳玉潔，孫雅丹,2

(1.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300350；2.天津大學(xué)濱海土木工程結(jié)構(gòu)與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300350；3.北京市既有建筑改造工程技術(shù)研究中心(天津分中心)，天津 300350)

0 引 言

經(jīng)濟(jì)的繁榮發(fā)展推動(dòng)著基礎(chǔ)設(shè)施的不斷建設(shè)，在這些已建成的基礎(chǔ)設(shè)施中，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)極易受到凍融循環(huán)、氯鹽侵蝕等惡劣環(huán)境的影響。在我國(guó)的東北、西北及華北地區(qū)，凍融循環(huán)是混凝土結(jié)構(gòu)劣化的主要原因之一。東北大部分地區(qū)冬季氣溫低于-20 ℃，黑龍江漠河等局部地區(qū)溫度可低至-53.3 ℃[1]。此外，極地地區(qū)更加惡劣的氣溫條件使得基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與內(nèi)陸地區(qū)存在較大差異。在對(duì)長(zhǎng)城科考站建筑損傷評(píng)估時(shí)發(fā)現(xiàn)，僅經(jīng)歷 20 年極地低溫環(huán)境的科考站已嚴(yán)重?fù)p傷，混凝土保護(hù)層開裂甚至大面積脫落，鋼筋外露銹蝕嚴(yán)重[2]，存在較大的安全隱患。

加固是修復(fù)受損混凝土結(jié)構(gòu)的一種經(jīng)濟(jì)有效的解決方法，隨著加固市場(chǎng)的不斷擴(kuò)展，新的材料和新的加固技術(shù)被逐漸引入建筑市場(chǎng)。超高性能混凝土(ultra high performance concrete，UHPC)是根據(jù)顆粒最緊密堆積和纖維增強(qiáng)等原則進(jìn)行設(shè)計(jì)的水泥基結(jié)構(gòu)材料[3]，具有較高的抗壓[4-5]和抗拉強(qiáng)度[3]。同時(shí)，UHPC極低的孔隙率和內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密的特點(diǎn)，使其展現(xiàn)出優(yōu)良的抗?jié)B性能[6-7]、抗凍性能[8-9]和抗化學(xué)侵蝕能力[10]。

使用UHPC作為修復(fù)材料的關(guān)鍵之一是其與普通混凝土(normal concrete，NC)之間的黏結(jié)性能[11]。界面作為結(jié)構(gòu)加固的薄弱環(huán)節(jié)，必須有足夠的黏結(jié)強(qiáng)度以保證加固后結(jié)構(gòu)的安全性，避免因黏結(jié)面過(guò)早破壞對(duì)加固效果產(chǎn)生不利影響?，F(xiàn)有研究結(jié)果表明，界面粗糙度對(duì)UHPC-NC黏結(jié)強(qiáng)度影響較大。Harris等[12]通過(guò)斜剪試驗(yàn)和劈裂抗拉試驗(yàn)研究了不同粗糙度對(duì)UHPC-RC復(fù)合結(jié)構(gòu)界面黏結(jié)強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明，界面黏結(jié)強(qiáng)度與界面粗糙度密切相關(guān)。Jang等[13]的研究采用五種不同的界面處理方式，發(fā)現(xiàn)高壓水射流沖毛是最有效提高界面黏結(jié)強(qiáng)度的方法。Zhang等[14]發(fā)現(xiàn)相比于粗糙界面，光滑界面、鉆孔界面、切槽界面和植筋界面的平均破壞強(qiáng)度分別下降了35.2%、25.9%、9.4%和6.5%。Carbonell等[15]將劈裂抗拉試驗(yàn)與快速凍融循環(huán)試驗(yàn)相結(jié)合，對(duì)試件進(jìn)行300次、600次、900次凍融循環(huán)，發(fā)現(xiàn)試件暴露于氣凍水融環(huán)境時(shí)有利于界面未水化顆粒進(jìn)一步水化，從而呈現(xiàn)出隨著循環(huán)次數(shù)的增加黏結(jié)強(qiáng)度逐漸增加的現(xiàn)象。

目前，針對(duì)UHPC與普通混凝土之間的界面黏結(jié)性能研究多集中于常規(guī)環(huán)境，界面耐久性能的研究也多集中于快速凍融試驗(yàn)，最低溫僅到-20 ℃，缺少對(duì)更惡劣凍融環(huán)境的研究。針對(duì)我國(guó)嚴(yán)寒地區(qū)惡劣的氣候特點(diǎn)，本試驗(yàn)通過(guò)對(duì)72個(gè)UHPC-NC黏結(jié)試件開展-60 ℃凍融循環(huán)試驗(yàn)，獲得UHPC-NC界面抗凍融循環(huán)性能，比較分析凍融循環(huán)次數(shù)及界面處理方法對(duì)UHPC-NC黏結(jié)試件界面黏結(jié)強(qiáng)度的影響，并就凍融循環(huán)條件下界面的損傷機(jī)理進(jìn)行初步探索。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

普通混凝土和UHPC配合比見表1，其中水泥選用P·O 42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，細(xì)骨料選用河砂，為配合試件尺寸，粗骨料選擇粒徑為5～10 mm的碎石；UHPC選用德珉建筑科技(上海)有限公司的產(chǎn)品，包括UHPC粉料及體積摻量為2.4%的鋼纖維，其中鋼纖維為長(zhǎng)度16 mm、直徑0.22 mm的一等品鋼纖維。

表1 普通混凝土及UHPC配合比Table 1 Mix proportion of normal concrete and UHPC

續(xù)表

1.2 試件設(shè)計(jì)

參照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[16]及GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[17]設(shè)計(jì)試驗(yàn)試件。試件形式為100 mm×100 mm×100 mm的立方體。其中，試件普通混凝土部分尺寸為100 mm×100 mm×50 mm，UHPC部分尺寸為100 mm×100 mm×50 mm，采用劈裂抗拉試驗(yàn)方法獲得界面黏結(jié)強(qiáng)度。

試件按照界面處理方法、凍融循環(huán)方式及次數(shù)分為12組，如表2所示，每組設(shè)置平行試件6個(gè)，共72個(gè)試件。

表2 試件分組Table 2 Group of specimens

1.3 試件制備

圖1顯示的是用來(lái)澆筑試件普通混凝土部分的模具，模具的一半由尺寸為100 mm×100 mm×50 mm的擠塑板填充，另一半用來(lái)澆筑普通混凝土，形成黏結(jié)試件的普通混凝土部分。澆筑的普通混凝土試件24 h后脫模，并于自然環(huán)境下養(yǎng)護(hù)28 d。

圖1 普通混凝土澆筑用試模Fig.1 Moulds for the normal concrete

選擇100 mm×100 mm的界面作為黏結(jié)界面，并采用不同的界面處理方法對(duì)界面進(jìn)行處理。普通混凝土界面處理方法如下：(1)B型界面：采用鋼絲刷對(duì)普通混凝土界面進(jìn)行處理，使用鋼絲刷將混凝土界面刷至露出砂礫，并除去表面浮灰；(2)W型界面：采用高壓水射流設(shè)備對(duì)普通混凝土界面進(jìn)行沖毛處理，使混凝土粗骨料部分暴露；(3)S型界面：通過(guò)壓力機(jī)對(duì)普通混凝土立方體試塊進(jìn)行劈裂處理，并除去界面處開裂及松動(dòng)的部分，選取處理后的劈裂面作為普通混凝土黏結(jié)界面。當(dāng)界面處理深度超過(guò)混凝土自然劈裂面深度時(shí)，會(huì)造成混凝土結(jié)構(gòu)損傷，影響?zhàn)そY(jié)效果，所以一般認(rèn)定混凝土自然劈裂面的粗糙度為工程中最大的界面粗糙度[18]。界面處理效果如圖2所示。所有試件均通過(guò)灌砂法測(cè)量界面粗糙程度，其中B型界面的粗糙度值在0.12～0.4 mm之間，W型界面的粗糙度值在0.75～1.77 mm之間，S型界面的粗糙度值在4.10～11.67 mm之間。

圖2 不同混凝土界面處理效果Fig.2 Treatment effects of different concrete interfaces

在澆筑UHPC前，對(duì)普通混凝土試件進(jìn)行泡水處理，24 h后將試件取出，擦干表面水分，放置于試模中。此時(shí)混凝土試件處于飽和面干狀態(tài)，有利于UHPC與混凝土黏結(jié)強(qiáng)度的形成[11]。UHPC采用高黏度攪拌機(jī)攪拌。澆筑后的UHPC-NC黏結(jié)試件使用塑料膜覆蓋表面，并于3 d后拆模。為減輕普通混凝土部分受損情況，避免因混凝土部分受損嚴(yán)重，影響界面黏結(jié)強(qiáng)度的獲得，凍融循環(huán)前使用硅烷浸漬劑涂抹混凝土表面進(jìn)行防護(hù)。

1.4 試驗(yàn)方法

UHPC-NC黏結(jié)試件自然養(yǎng)護(hù)至28 d后開展凍融循環(huán)試驗(yàn)，凍融循環(huán)制度參照GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[17]中的慢凍法。在開展凍融循環(huán)試驗(yàn)前將UHPC-NC黏結(jié)試件置于水箱中浸泡4 d，使黏結(jié)試件處于飽水狀態(tài)；4 d后擦去試件表面多余水分，并使用精度為0.1 g的電子秤對(duì)其稱重，以獲得試件的初始質(zhì)量。隨后，開始凍融循環(huán)試驗(yàn)，將UHPC-NC黏結(jié)試件與預(yù)埋PT100溫度傳感器的溫度塊放入超低溫冰箱共同降溫。通過(guò)監(jiān)測(cè)溫度塊溫度判斷UHPC-NC試件溫度，當(dāng)溫度塊溫度達(dá)到目標(biāo)溫度并持溫4 h后，將試件及溫度塊取出。氣凍水融的試件將放置于水箱中進(jìn)行泡水處理，氣凍氣融的試件則置于自然環(huán)境中。待試件恢復(fù)至常溫，則視為一次凍融循環(huán)完成，然后開展下一次凍融循環(huán)試驗(yàn)。整個(gè)凍融循環(huán)過(guò)程中，利用數(shù)字溫度顯示儀實(shí)現(xiàn)對(duì)試件溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。達(dá)到目標(biāo)凍融循環(huán)次數(shù)后，使用壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行UHPC-NC黏結(jié)試件劈裂試驗(yàn)，如圖3所示，以獲得界面黏結(jié)強(qiáng)度。根據(jù)GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[16]，黏結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)加載速率控制在0.05～0.08 MPa/s之間。

圖3 壁裂試驗(yàn)示意圖Fig.3 Sketch of splitting tensile test

2 結(jié)果與討論

2.1 表面劣化情況及質(zhì)量損失率

在凍融循環(huán)作用下，各試件表面劣化發(fā)展趨勢(shì)基本一致，其外觀形態(tài)變化趨勢(shì)如圖4所示。黏結(jié)試件循環(huán)至5次時(shí)，普通混凝土表面孔洞孔徑增大，并伴有新增孔洞和細(xì)小裂紋，用手觸摸產(chǎn)生細(xì)小顆粒感。試件沿界面處產(chǎn)生裂紋，即UHPC-NC界面開始產(chǎn)生劣化。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的逐漸增加，不斷有新增孔洞產(chǎn)生，表面孔洞孔徑進(jìn)一步增大，裂縫數(shù)量逐漸增多，裂縫長(zhǎng)度不斷伸長(zhǎng)發(fā)展，混凝土表面呈現(xiàn)細(xì)密蛛網(wǎng)狀。UHPC部分從界面處開始產(chǎn)生裂縫并不斷延長(zhǎng)。部分試件凍融循環(huán)結(jié)束時(shí)界面處呈現(xiàn)明顯貫通裂紋。黏結(jié)試件表面劣化情況說(shuō)明，當(dāng)凍融循環(huán)下限溫度為-60 ℃時(shí)，對(duì)普通混凝土造成的凍融損傷較為嚴(yán)重，普通混凝土抵抗低溫凍融能力較弱，而UHPC抗低溫凍融能力明顯優(yōu)于普通混凝土。

圖4 凍融循環(huán)期間試件外貌形態(tài)變化Fig.4 Changes in specimen appearance during freeze-thaw cycles

圖5顯示的是黏結(jié)試件質(zhì)量變化率與凍融循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系，從整體上看，經(jīng)歷低溫凍融循環(huán)的黏結(jié)試件質(zhì)量較凍融循環(huán)前增加。凍融循環(huán)制度為氣凍水融的黏結(jié)試件質(zhì)量均呈現(xiàn)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而不斷增加的變化趨勢(shì)，其中W組與S組的質(zhì)量變化率變化趨勢(shì)趨于一致，B組的質(zhì)量變化率則略高于W組與S組。凍融循環(huán)制度為氣凍氣融的黏結(jié)試件(BQ組)質(zhì)量則呈現(xiàn)先增加后減少的變化趨勢(shì)，且質(zhì)量的增長(zhǎng)量遠(yuǎn)小于氣凍水融試件的質(zhì)量增長(zhǎng)量。

圖5 試件質(zhì)量變化率與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系(注：圖中B、W、S凍融制度均為氣凍水融，BQ凍融制度為氣凍氣融)Fig.5 Relationship between change of mass and freeze-thaw cycles of specimens

黏結(jié)試件的質(zhì)量變化主要來(lái)源于3個(gè)部分：一是普通混凝土部分受凍融循環(huán)損傷產(chǎn)生的表面砂漿剝離，從而造成試件質(zhì)量的減少；二是進(jìn)入試件內(nèi)部的水分與膠凝材料中未水化完全的部分反應(yīng)并生成水化產(chǎn)物從而造成試件質(zhì)量增長(zhǎng)；三是隨著試件凍融循環(huán)損傷的不斷積累，試件產(chǎn)生的裂紋數(shù)量不斷增多，試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)趨于松散，水分借由裂縫不斷侵入試件內(nèi)部并在內(nèi)部積存，使得試件質(zhì)量增長(zhǎng)。BQ組在凍融循環(huán)初期，空氣中的水汽借由試件中的缺陷進(jìn)入試件內(nèi)部，填充試件內(nèi)部孔隙并進(jìn)行部分水化造成試件質(zhì)量的增長(zhǎng)。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的不斷增加，BQ組試件受凍融循環(huán)影響損失的質(zhì)量逐漸超過(guò)水汽進(jìn)入及水化造成的質(zhì)量增長(zhǎng)量，造成試件質(zhì)量減少。由B組及BQ組的質(zhì)量變化趨勢(shì)可知，水分侵入裂縫是造成黏結(jié)試件質(zhì)量增長(zhǎng)的主要原因。

2.2 破壞模式

對(duì)達(dá)到凍融循環(huán)次數(shù)的黏結(jié)試件進(jìn)行界面黏結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)，獲得3種不同的界面黏結(jié)破壞模式，如圖6所示。B型破壞：界面破壞，破壞面基本沿UHPC與普通混凝土黏結(jié)面破壞，僅有少量混凝土附著在試件UHPC部分上；B/C型破壞：界面破壞+部分普通混凝土破壞，試件在界面和混凝土部分發(fā)生破壞，部分混凝土漿體及骨料附著在UHPC上；C型破壞：界面附近普通混凝土破壞，僅有少量UHPC附著在混凝土部分，UHPC部分可見混凝土骨料拔出或劈裂破壞。一般地，當(dāng)破壞發(fā)生在黏結(jié)試件黏結(jié)面上時(shí)，獲得的破壞強(qiáng)度即為界面的黏結(jié)強(qiáng)度，當(dāng)破壞發(fā)生在基體上時(shí)，認(rèn)為該黏結(jié)試件的黏結(jié)強(qiáng)度不小于破壞時(shí)的破壞強(qiáng)度[15]。

圖6 黏結(jié)試件破壞模式Fig.6 Failure modes of bonded specimens

同時(shí)，劈裂后的黏結(jié)試件破壞面可見大量碎渣，用手輕捻可變?yōu)榉勰?，說(shuō)明界面處的混凝土受到低溫凍融循環(huán)損傷嚴(yán)重。在凍融循環(huán)后期，氣凍水融組黏結(jié)試件狀態(tài)由融化轉(zhuǎn)為冷凍過(guò)程中，觀察到黏結(jié)試件界面處有水分。該現(xiàn)象也說(shuō)明，UHPC與普通混凝土的黏結(jié)界面存在初始缺陷，水分可以通過(guò)初始缺陷進(jìn)入黏結(jié)界面。在溫度反復(fù)升降過(guò)程中，孔隙及裂縫中的水分不斷重復(fù)結(jié)冰膨脹及冰體融化，對(duì)UHPC-NC黏結(jié)界面施加反復(fù)荷載，孔隙及裂縫也在周期性拉應(yīng)力的作用下不斷擴(kuò)大，可容納更多水分，進(jìn)而導(dǎo)致兩種材料逐漸分離，試件黏結(jié)性能急劇退化。試驗(yàn)過(guò)程中，僅有極少數(shù)試件出現(xiàn)纖維橋接現(xiàn)象。

2.3 黏結(jié)強(qiáng)度

UHPC-NC黏結(jié)試件的界面抗拉強(qiáng)度根據(jù)式(1)計(jì)算：

(1)

式中：ft為UHPC-NC黏結(jié)試件界面黏結(jié)強(qiáng)度，MPa；F為黏結(jié)試件破壞荷載，N；A為黏結(jié)試件黏結(jié)面面積，mm2。

表3匯總了相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果，包括UHPC-NC黏結(jié)試件界面黏結(jié)強(qiáng)度及變異系數(shù)，黏結(jié)試件同期普通混凝土及UHPC劈裂抗拉強(qiáng)度及抗壓強(qiáng)度，黏結(jié)試件典型的破壞模式。表中所列強(qiáng)度數(shù)據(jù)均為根據(jù)GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[16]規(guī)定計(jì)算所得的平均值。

表3 黏結(jié)試件試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Results of the test for bonding specimens

圖7展示了凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)氣凍水融UHPC-NC試件界面黏結(jié)性能的影響規(guī)律。對(duì)于整澆的普通混凝土試件，不存在薄弱的黏結(jié)界面。因此，選取整澆普通混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度作為界面黏結(jié)基準(zhǔn)強(qiáng)度用于相對(duì)黏結(jié)強(qiáng)度(UHPC-NC黏結(jié)強(qiáng)度與整澆普通混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的比值)的計(jì)算，并將相對(duì)黏結(jié)強(qiáng)度作為判斷UHPC-NC試件界面黏結(jié)性能的指標(biāo)。

圖7 氣凍水融組相對(duì)黏結(jié)強(qiáng)度變化Fig.7 Change of relative bond strength of group freezing in air and thawing in water

對(duì)于未受凍融循環(huán)作用，處于常規(guī)環(huán)境中的黏結(jié)試件，即CG組試件，其相對(duì)黏結(jié)強(qiáng)度較整澆普通混凝土劈拉強(qiáng)度提高54.38%～63.01%，且破壞模式未見B型破壞。說(shuō)明常規(guī)環(huán)境下UHPC與普通混凝土之間具有良好的界面黏結(jié)性能，使得UHPC-NC構(gòu)件薄弱區(qū)位置更靠近普通混凝土部分。

隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，界面黏結(jié)強(qiáng)度不斷減弱，3組UHPC-NC試件均呈現(xiàn)出類似的下降趨勢(shì)，即先急速下降再平緩下降。以S組試件為例，到第10次凍融循環(huán)時(shí)，S組的界面黏結(jié)強(qiáng)度僅為界面黏結(jié)基準(zhǔn)強(qiáng)度的72.94%；15次凍融循環(huán)后S組黏結(jié)強(qiáng)度為界面黏結(jié)基準(zhǔn)強(qiáng)度的55.62%；20次凍融循環(huán)后的黏結(jié)強(qiáng)度為界面黏結(jié)基準(zhǔn)強(qiáng)度的44.33%，呈現(xiàn)出明顯的先陡降再緩慢下降的趨勢(shì)。由此可見，低溫凍融循環(huán)對(duì)UHPC-NC試件界面黏結(jié)強(qiáng)度造成的損傷大，表現(xiàn)為相對(duì)黏結(jié)強(qiáng)度在凍融循環(huán)前期的急速下降。對(duì)于B組凍融循環(huán)試件，經(jīng)歷5次凍融循環(huán)后，UHPC-NC界面黏結(jié)強(qiáng)度降低為界面黏結(jié)基準(zhǔn)強(qiáng)度的65.07%，10次凍融循環(huán)后，試件界面黏結(jié)強(qiáng)度降低為48.50%。盡管10次凍融循環(huán)后的B組與W組試件界面黏結(jié)強(qiáng)度相近，因?yàn)?0次凍融循環(huán)后B組存在界面自然脫開現(xiàn)象，說(shuō)明B組界面的抗凍融能力仍低于W組。

界面處理方法對(duì)UHPC-NC黏結(jié)試件黏結(jié)強(qiáng)度的影響如圖8所示。針對(duì)UHPC與普通混凝土通過(guò)劈裂抗拉試驗(yàn)獲得的界面黏結(jié)強(qiáng)度，一般使用Sprinkel[19]的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，見表4。根據(jù)此評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)定本試驗(yàn)中涉及的相關(guān)界面黏結(jié)強(qiáng)度數(shù)值，均達(dá)到“Fair”等級(jí)及以上。其中，CG組所有黏結(jié)試件黏結(jié)強(qiáng)度均達(dá)到“Excellent”等級(jí)。在常規(guī)環(huán)境中使用UHPC對(duì)混凝土進(jìn)行加固或者濕接縫處理可以獲得優(yōu)異的黏結(jié)強(qiáng)度，能夠滿足工程中的需求。對(duì)于CG組黏結(jié)試件，當(dāng)混凝土界面形式由B型變?yōu)閃型及S型時(shí)，界面的黏結(jié)強(qiáng)度分別提升0.78%及5.47%，提升幅度較小。

圖8 界面處理形式對(duì)界面黏結(jié)強(qiáng)度的影響Fig.8 Effect of treatment of substrate surface on the interfacial bond strength

表4 界面抗拉強(qiáng)度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[19]Table 4 Quantitative bond quality in terms of tensile bond strength[19]

此外，在不同的循環(huán)次數(shù)下S組黏結(jié)試件的界面黏結(jié)強(qiáng)度均大于其余2組。10次凍融循環(huán)結(jié)束后，W組、S組黏結(jié)試件的黏結(jié)強(qiáng)度較B組分別提高3.40%及50.41%。S組黏結(jié)試件在15次及20次凍融循環(huán)結(jié)束后的黏結(jié)強(qiáng)度，分別為同種條件下的W組黏結(jié)試件黏結(jié)強(qiáng)度的1.83倍及2.03倍。由此可知，S組黏結(jié)試件在凍融循環(huán)中展現(xiàn)出更強(qiáng)的抵抗界面黏結(jié)劣化的能力。

由Sprinkel和Ozyildirim[19]的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)分析界面抗凍能力，10次凍融循環(huán)后S組試件仍能達(dá)到“Excellent”等級(jí)，而B組、W組試件黏結(jié)強(qiáng)度已由原來(lái)的“Excellent”等級(jí)降低為“Good”等級(jí)。到15次凍融循環(huán)后，B組試件已經(jīng)喪失黏結(jié)強(qiáng)度，自然脫開，破壞形式為界面破壞，且UHPC部分幾乎沒有混凝土部分殘留。而W組仍能達(dá)到一般工程需要，S組仍可被認(rèn)定為“Very good”等級(jí)。20次凍融循環(huán)后，W組試件黏結(jié)強(qiáng)度最終降低為界面黏結(jié)基準(zhǔn)強(qiáng)度的21.86%,已接近認(rèn)定的界面失效邊緣，S組依舊維持“Good”等級(jí)。由此可見，隨著界面粗糙度的不斷提高，UHPC-NC界面抗凍融循環(huán)能力不斷增強(qiáng)。針對(duì)惡劣的凍融循環(huán)環(huán)境，建議使用更高的界面粗糙度來(lái)抵御凍融循環(huán)作用造成的界面黏結(jié)劣化。

圖9對(duì)比了不同凍融循環(huán)制度對(duì)B組試件黏結(jié)強(qiáng)度的影響。通過(guò)對(duì)比分析B組試件10次氣凍水融及10次氣凍氣融后的界面黏結(jié)強(qiáng)度不難發(fā)現(xiàn)，氣凍氣融組黏結(jié)強(qiáng)度高于氣凍水融組。經(jīng)歷10次凍融循環(huán)后，氣凍氣融組界面黏結(jié)強(qiáng)度比CG組降低49.62%，氣凍水融組則降低69.12%。氣凍水融組界面處的含水量高于氣凍氣融組，使得UHPC-NC界面的結(jié)冰量更高，凍融循環(huán)后產(chǎn)生的界面損傷程度也更大。因此處于飽水狀態(tài)下的黏結(jié)試件更易受到凍融循環(huán)的侵蝕，造成界面黏結(jié)強(qiáng)度的降低。故實(shí)際工程中，對(duì)于加固處理長(zhǎng)期處于凍融循環(huán)環(huán)境，尤其是處于含水率較高的凍融環(huán)境的混凝土結(jié)構(gòu)，應(yīng)做好界面處及混凝土部分的表面防護(hù)工作，避免黏結(jié)界面直接暴露于水中造成的黏結(jié)面失效。

圖9 凍融制度對(duì)B組試件界面黏結(jié)強(qiáng)度的影響Fig.9 Effect of freeze-thaw procedure on the interfacial bond strength of group B

3 界面損傷機(jī)理

新老混凝土界面的黏結(jié)力由機(jī)械咬合力、化學(xué)膠著力及范德華力組成[20]。Feng等[21]的EDX分析結(jié)果表明UHPC-NC界面相較于新老混凝土界面能夠產(chǎn)生更多的C-S-H晶體，這種晶體數(shù)量的增多，能夠有效減小界面強(qiáng)效應(yīng)層的厚度，使得界面強(qiáng)效應(yīng)層的孔分布更加優(yōu)化，從而使常規(guī)環(huán)境中的UHPC-NC界面擁有極強(qiáng)的黏結(jié)強(qiáng)度。界面粗糙度的提高在一定程度上增加了普通混凝土與UHPC之間的黏結(jié)面積，因而可以有效提高界面的機(jī)械咬合力及范德華力。部分試件存在少量的纖維橋接現(xiàn)象，但只是造成試件破壞后未完全分離的破壞形態(tài)，試件相應(yīng)的黏結(jié)強(qiáng)度并沒有出現(xiàn)很大的提高。可以認(rèn)為，少量的纖維只承擔(dān)了很小一部分的界面拉力，所以界面處纖維的橋接力可忽略不計(jì)。

UHPC-NC界面損傷演化過(guò)程如圖10所示。根據(jù)Powers[22]提出的靜水壓理論，在潮濕環(huán)境中，水分會(huì)進(jìn)入U(xiǎn)HPC-NC構(gòu)件界面處的孔隙及微裂紋。當(dāng)環(huán)境溫度降低時(shí)，界面缺陷處的水結(jié)冰膨脹產(chǎn)生靜水壓力并施加在孔壁及微裂紋兩側(cè)，UHPC-NC構(gòu)件凍融循環(huán)的過(guò)程，也是對(duì)界面施加反復(fù)荷載的過(guò)程。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的不斷增加，靜水壓力使得UHPC與普通混凝土部分不斷推離，界面過(guò)渡區(qū)的結(jié)構(gòu)趨于酥松多孔，界面損傷逐漸積累，最終導(dǎo)致UHPC-NC界面破壞。隨著UHPC-NC構(gòu)件受到凍融循環(huán)作用的次數(shù)增加，界面處的范德華力消失，化學(xué)膠著力及機(jī)械咬合力不斷削弱，從而呈現(xiàn)出界面黏結(jié)強(qiáng)度的不斷削弱。從試驗(yàn)結(jié)果看，界面的機(jī)械咬合力在抵抗低溫凍融循環(huán)造成的劣化中起到主要作用。

圖10 界面損傷演化示意圖Fig.10 Schematic diagram of interface damage evolution

4 結(jié) 論

本試驗(yàn)針對(duì)更加惡劣的嚴(yán)寒環(huán)境，對(duì)UHPC-NC黏結(jié)試件的抗-60 ℃低溫凍融循環(huán)能力展開研究，試驗(yàn)結(jié)果表明：

(1)-60 ℃凍融循環(huán)環(huán)境對(duì)UHPC-NC界面黏結(jié)強(qiáng)度有顯著的影響。B組(鋼絲刷刷毛)試件經(jīng)歷10次凍融循環(huán)后出現(xiàn)界面自然脫開現(xiàn)象，喪失界面黏結(jié)強(qiáng)度；W組(高壓水射流沖毛)試件黏結(jié)強(qiáng)度最終降低為界面黏結(jié)基準(zhǔn)強(qiáng)度的21.86%，界面黏結(jié)強(qiáng)度損傷嚴(yán)重。

(2)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的不斷增加，UHPC-NC黏結(jié)試件界面黏結(jié)強(qiáng)度下降趨勢(shì)呈現(xiàn)先急速降低再平緩下降的趨勢(shì)。以S組(劈裂)試件為例，到第10次、15次及20次凍融循環(huán)時(shí)，S組(劈裂)的界面黏結(jié)強(qiáng)度分別降低為界面黏結(jié)基準(zhǔn)強(qiáng)度的72.94%、55.62%及44.33%，界面黏結(jié)強(qiáng)度下降趨勢(shì)逐漸減緩。

(3)界面粗糙度對(duì)UHPC-NC界面黏結(jié)強(qiáng)度有一定影響。S組(劈裂)黏結(jié)試件在15次及20次凍融循環(huán)結(jié)束后的界面黏結(jié)強(qiáng)度，分別為同種條件下的W組(高壓水射流沖毛)的界面黏結(jié)強(qiáng)度的1.83倍及2.03倍。說(shuō)明提高界面的粗糙度能夠在一定程度上抵抗低溫凍融環(huán)境對(duì)界面造成的損傷，相同凍融循環(huán)次數(shù)下，界面粗糙度越高，界面剩余黏結(jié)強(qiáng)度越高。

(4)凍融循環(huán)作用使得試件的界面及普通混凝土部分損傷嚴(yán)重，內(nèi)部結(jié)構(gòu)趨于疏松，水分不斷侵入疏松的結(jié)構(gòu)，造成UHPC-NC黏結(jié)試件質(zhì)量不斷增長(zhǎng)。試件的質(zhì)量變化率受界面形式影響小，不適用于判斷界面的損傷情況。

(5)使用UHPC作為普遍混凝土的修復(fù)材料，可以獲得更薄的強(qiáng)效應(yīng)層，從而獲得極高的界面黏結(jié)性能，同時(shí)，低溫凍融環(huán)境下，界面的化學(xué)作用力及范德華力受到界面損傷的影響不斷減小，此時(shí)界面的作用力主要來(lái)源于界面的機(jī)械咬合力。

(6)對(duì)于在非惡劣環(huán)境中使用UHPC加固普通混凝土，對(duì)普通混凝土表面做簡(jiǎn)單處理即可達(dá)到規(guī)范要求的黏結(jié)強(qiáng)度。對(duì)于處于惡劣凍融環(huán)境中的混凝土加固，建議使用較高的界面粗糙度，必要時(shí)增加錨固措施，并盡量避免UHPC-NC界面直接暴露于潮濕環(huán)境中。