黃子儼

摘要：以研究用超高性能混凝土（UHPC）加固的復(fù)合鋼筋混凝土（RC）板的性能，對(duì)9個(gè)矩形試件進(jìn)行了試驗(yàn)。試樣為2個(gè)系列，具有不同的UHPC強(qiáng)化配置，第1個(gè)是修復(fù)系列，測(cè)試UHPC作為修補(bǔ)老化混凝土結(jié)構(gòu)的修補(bǔ)材料；第2個(gè)是UHPC覆蓋系列，用于加固鋼筋混凝土構(gòu)件的拱腹。結(jié)果表明，與未進(jìn)行UHPC加固的鋼筋混凝土板相比，使用修復(fù)系列，UHPC減少了斜裂縫，并產(chǎn)生了更多的彎曲裂縫。UHPC在開裂后范圍內(nèi)表現(xiàn)出優(yōu)異的能量吸收和廣泛的撓曲硬化和延展性。在UHPC覆蓋層系列中，每個(gè)板都顯示出對(duì)角剪切裂縫和脫粘模式。UHPC覆蓋層延緩了剪切裂縫的發(fā)展，隨著覆蓋層厚度的增加，極限荷載增加；但UHPC發(fā)生斷裂失效的趨勢(shì)也增加。

關(guān)鍵詞：UHPC復(fù)合混凝土板；UHPC覆蓋層；康復(fù)；結(jié)構(gòu)行為；抗剪承載力；延展性

中圖分類號(hào)：TU528.572??????????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A???????? 文章編號(hào)：1001-5922（2023）03-0105-05

Experimental study on performance of reinforcedconcrete? slabs? strengthened? with? different? proportion of ultra-high performance concrete

HUANG Ziyan

（Guangxi Lvfa Real Estate Group Co.，Ltd.，Nanning 530200，China）

Abstract： Nine rectangular specimens were tested to investigate the behaviour of composite reinforced concrete （RC）slabs strengthened with ultra-high performance concrete（UHPC）. The specimens were two series with vari- ous UHPC strengthening configurations. The first，a rehabilitation series，tested UHPC as patch material for repair-ing deteriorated concrete structures. The second，a UHPC overlay series，was used to retrofit soffits of RC members. The results showed that using the rehabilitation series，the UHPC reduced diagonal cracking and developed more flexural cracks as compared to RC slabs with no UHPC strengthening. The UHPC exhibited excellent energy absorp-tion with extensive deflection hardening and ductility during the post cracking range. In the UHPC overlay series， each slab showed diagonal shear cracks and debonding modes. The UHPC overlay delayed the development of shear? cracking. As the overlay thickness increased，the ultimate load increased；but the tendency for the UHPC to undergo fracture failure also increased.

Keywords： composite UHPC-concrete slabs；UHPC overlay；Rehabilitation；structural behaviour；shear capacity； Ductility

超高性能混凝土（UHPC）是混凝土技術(shù)的一個(gè)進(jìn)步。它是一種活性粉末混凝土（RPC）與鋼纖維的混合物，最初由Richard和Cheyrezy開發(fā)[1-3]。通常，UHPC 提供150～200 MPa的高抗壓強(qiáng)度，無需熱固化。此外， UHPC或超高性能纖維增強(qiáng)混凝土（UHPFRC）具有優(yōu)異的機(jī)械性能，如耐久性、低滲透性和能量吸收[4-7]。由于其優(yōu)越的性能，許多研究人員已經(jīng)闡述了UHPC 構(gòu)件的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，對(duì)具有不同總跨度和剪切跨度的 UHPC橋梁進(jìn)行了全尺寸試驗(yàn)，以及進(jìn)行了 UHPC 的多種結(jié)構(gòu)測(cè)試。結(jié)果表明，UHPC 顯著改善了韌性行為，鋼筋和鋼纖維可以有效地控制裂縫寬度和延性[8-10]。為了觀察UHPC加固的性能，評(píng)估UHPC覆蓋層加固的 RC構(gòu)件在彎曲時(shí)的性能試驗(yàn)。結(jié)果表明，UHPC覆蓋層在極限荷載、剛度和開裂行為方面提高了結(jié)構(gòu)性能。在鋼筋混凝土板的臨界沖切區(qū)域內(nèi)使用UHPC提高了抗剪能力，并顯著影響了沖切剪切區(qū)域的開裂模式。此外，測(cè)試了用常規(guī)延性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料（DFRCC）修復(fù)的RC梁。采用2種厚度的 DFRCC作為混凝土保護(hù)層厚度，結(jié)果表明， DFRCC延遲了DRFCC與原始RC梁之間的粘接界面失效[11-13]。然而，與UHPC相比，DFRCC具有較低的機(jī)械性能，尤其是承載能力。

由于UHPC的新特性，受UHPC層強(qiáng)化影響的復(fù)合構(gòu)件的行為尚未完全闡明。特別是，文獻(xiàn)中關(guān)于復(fù)合構(gòu)件的研究非常有限，其中包括將額外UHPC覆蓋層應(yīng)用于現(xiàn)有RC構(gòu)件的覆蓋層。據(jù)作者所知，目前還沒有關(guān)于UHPC用于修復(fù)劣化混凝土的修復(fù)方案的公開報(bào)告。因此，需要在這方面開展更多的實(shí)驗(yàn)工作。

1 實(shí)驗(yàn)計(jì)劃

1.1 試樣和參數(shù)說明

本實(shí)驗(yàn)研究使用了9塊矩形混凝土板和各種 UHPC復(fù)合混凝土結(jié)構(gòu)。采用了2個(gè)具有不同復(fù)合結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)系列。第1個(gè)系列使用 UHPC作為修復(fù)材料，其標(biāo)記為RE；第2個(gè)標(biāo)記為OV。RE系列由5塊板組成，而OV系列使用4塊板。每個(gè)板長(zhǎng)1600 mm，凈跨度1200 mm。它們?cè)谌c(diǎn)荷載條件下進(jìn)行了測(cè)試。圖1顯示了2個(gè)系列采用的各種復(fù)合UHPC混凝土配置的全部細(xì)節(jié)。RE系列由5塊板組成，其橫截面為300 mm寬，100 mm高。本系列旨在研究UHPC作為補(bǔ)片材料在張力區(qū)的應(yīng)用，以修復(fù)和修復(fù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件。在本系列中，考慮了不同的UHPC厚度，以反映不同程度的劣化和修復(fù)[14]。

OV系列由4塊橫截面尺寸與RE系列相似的板組成，但具有不同的額外UHPC覆蓋層，以加強(qiáng)張力區(qū)?？紤]了2種厚度：25、50 mm的UHPC覆蓋層；制備了2種覆蓋層厚度的平板試樣，一個(gè)未加固，而另一個(gè)具有5根直徑T10 mm的高強(qiáng)度鋼筋作為縱向鋼筋（5T10）。

2個(gè)系列的平板試樣分2個(gè)階段制備。首先，澆筑普通強(qiáng)度混凝土（NSC），然后混合UHPC并將其澆筑到混凝土基底上。準(zhǔn)備6個(gè)100 mm 標(biāo)準(zhǔn)立方體和6個(gè)100 mm×200 mm標(biāo)準(zhǔn)圓柱體進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試。所有混凝土板、立方體和圓柱體均在相同條件下固化，在環(huán)境溫度下，用濕麻布覆蓋7 d，然后在測(cè)試當(dāng)天（第28 d）之前的剩余時(shí)間進(jìn)行干燥露天。28 d時(shí)，立方體的NSC平均抗壓強(qiáng)度為33 MPa，圓柱體的平均抗壓強(qiáng)度為23 MPa。在 NSC硬化后，為了為 UH- PC 層創(chuàng)造良好的粘接表面，特意將混凝土的頂面粗糙化[15-17]。澆筑UHPC之前，將混凝土基底表面潤(rùn)濕10 min，并用布擦干。與NSC不同，UHPC是在實(shí)驗(yàn)室手動(dòng)制備的。2個(gè)系列準(zhǔn)備了3個(gè)單獨(dú)的UHPC混合物。UHPC 材料性能和配合比設(shè)計(jì)如表1所示；本研究使用的UHPC混合料設(shè)計(jì)的機(jī)械強(qiáng)度特性如表2所示；圖2顯示了UHPC層澆筑前后板坯試樣的制備。

1.2 測(cè)試設(shè)置和儀器

所有板試件均簡(jiǎn)單支撐，并承受圖1所示的3點(diǎn)荷載配置。每個(gè)板的凈跨度為1200 mm，并在中跨處承受集中荷載，荷載率為0.1 kN/ms。支架和荷載點(diǎn)之間的剪力跨度為600 mm，對(duì)應(yīng)于無UHPC覆蓋層的板的剪力跨度與有效深度比為8.11。使用了2種類型的儀器，線性可變差動(dòng)傳感器（LVDT）測(cè)量垂直跨中撓度。2個(gè)LVDT安裝在跨中樓板拱腹下方的樓板上。根據(jù)兩個(gè)LVDT的平均值繪制垂直撓度。對(duì)于RE系列的板試樣，在底部縱向鋼筋跨中安裝了2個(gè)應(yīng)變計(jì)。對(duì)于OV系列的OV-25a和OV-50a板，除了混凝土基底底部縱向鋼筋上的2個(gè)應(yīng)變儀外，在 UHPC層縱向鋼筋上還附加了2個(gè)應(yīng)變計(jì)。如圖3所示，使用了5 mm標(biāo)距長(zhǎng)度的 KYOWA防水應(yīng)變計(jì)。在安裝量規(guī)之前，將鋼筋打磨至稍微平坦的表面，以便于放置量規(guī)；然后用砂紙打磨地面，并用丙酮溶劑清潔，之后用水泥膠連接壓力表。為防止混凝土澆筑過程中應(yīng)變儀損壞，所有應(yīng)變儀都用一層硅樹脂保護(hù)。

2 UHPC材料

本研究中UHPC的設(shè)計(jì)強(qiáng)度目標(biāo)為150 MPa。選擇用于本研究的混合比例和成分如表2所示。為了獲得UHPC混合料的流變學(xué)和機(jī)械性能，進(jìn)行了抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)及和易性試驗(yàn)。

2.1 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

從每種混合物中收集4個(gè)立方體和圓柱體樣品，以測(cè)量其抗壓強(qiáng)度。鑄造后，所有樣品均在與板坯試樣相同的環(huán)境中固化和處理。在這項(xiàng)研究中，為RE 和OV系列的平板試樣制備了3種混合物。在嘗試幾種不同百分比的鋼纖維后，發(fā)現(xiàn)3%的鋼纖維達(dá)到了最佳性能，因此選擇了該研究。

2.2 三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)

為進(jìn)行三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)，每種混合物制備3個(gè)截面尺寸為100 mm×100 mm的500 mm長(zhǎng)棱柱試樣。對(duì)含3%鋼纖維的UHPC試樣進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)置，所有的樣品也被儀器化以測(cè)量垂直偏轉(zhuǎn)，在試樣的頂部和兩側(cè)安裝了2個(gè)LVDT。這樣的布置確保了LVDT在測(cè)試期間或之后不會(huì)損壞。0%鋼纖維（普通UHPC）和3%鋼纖維的荷載與撓度如圖4所示。

2.3 和易性試驗(yàn)

對(duì)新鮮UHPC混合物進(jìn)行了和易性試驗(yàn)。在鑄坯試樣之前立即獲得新鮮UHPC的樣品?；旌衔锏暮鸵仔允腔谧畲髷U(kuò)散的平均垂直直徑測(cè)量的。充分可加工性和最佳包裝密度的可接受延伸性極限應(yīng)在200～300 mm。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

3.1 RE 系列

3.1.1 極限強(qiáng)度和破壞模式

表3為RE系列板的極限試驗(yàn)破壞荷載及其各自的破壞模式。RE-0板是由NSC制成的參考試樣。它在等于61.08 kN的極限載荷Pu 下失效，對(duì)應(yīng)于18.32 kN·m的極限力矩Mu，exp?；诰_材料特性計(jì)算的彎矩承載力Mfle為15.51 kN·m，因此板RE-0的破壞荷載實(shí)際上超過了截面的全部彎矩承載力。

RE-20模擬了使用20 mm厚UHPC覆蓋層修復(fù)劣化混凝土。其破壞不像 RE-0板那樣突然和破壞性。加強(qiáng)的UHPC混凝土覆蓋層增強(qiáng)了拉伸區(qū)，并延遲了斜向剪切裂縫的形成。試樣遭受剪切壓縮破壞，混凝土破碎和對(duì)角剪切開裂，隨后UHPC層斷裂和脫粘。RE-20在57.18 kN的極限荷載 Pu 下失效。與 RE-20不同，RE-32中沒有UHPC層脫粘的跡象。盡管混凝土基底中可見一些傾斜裂縫，但未發(fā)生剪切破壞趨勢(shì)。與參考板RE-0相比，RE-32極限Pu 僅為43.68 kN。RE-50用50 mm厚的 UHPC加固，相當(dāng)于板厚度的一半。UHPC層沒有脫粘跡象，混凝土基底也沒有傾斜裂縫。破壞模式為延性彎曲破壞，其特征是混凝土在壓縮區(qū)破碎，然后是穿過UHPC層的主要彎曲裂縫斷裂。根據(jù)對(duì)RE-20、RE-32和RE-50的觀察，隨著UHPC增強(qiáng)的拉伸區(qū)厚度的增加，對(duì)角剪切破壞的可能性降低。RE-100是由UHPC制成的參考試樣，它達(dá)到了 RE 系列的最高極限破壞載荷（Pu=112.95 kN）。

3.1.2 跨中撓度響應(yīng)

圖5繪制了 RE系列板的荷載與跨中撓度的關(guān)系。曲線基于安裝在跨中拱腹下方的2個(gè)LVDT的平均值，板RE-0表現(xiàn)出準(zhǔn)線性荷載-撓度響應(yīng)，當(dāng)拉伸區(qū)用UHPC層加固時(shí)，加固板的整體性能完全改變。所有UHPC混凝土板在開裂后范圍內(nèi)都經(jīng)歷了廣泛的撓曲硬化和延性。隨著UHPC層厚度的增加，加固板延性指數(shù)降低。RE-20的延性指數(shù)為2.85，而 RE-32和 RE-50的延性指數(shù)分別為1.90和1.11。這意味著UHPC加固張力區(qū)可以減輕作用在縱向鋼筋上的拉力。最終，加固板的破壞受到受壓區(qū)混凝土強(qiáng)度的限制?？梢郧宄赜^察到，RE-32和 RE-50在延性彎曲中失效，當(dāng)板為全 UHPC 截面時(shí)，如 RE-100、RE-20、RE-32和 RE-50中出現(xiàn)的現(xiàn)象被抑制。當(dāng)縱向鋼筋屈服時(shí)，RE-100的剛度得到改善，撓度最小。

每個(gè)板在縱向鋼筋處安裝了兩個(gè)應(yīng)變儀。圖6中繪制的鋼應(yīng)變曲線基于兩個(gè)應(yīng)變儀的平均值。圖中的垂直虛線顯示了實(shí)驗(yàn)獲得的鋼屈服應(yīng)變?chǔ)舮=2446.8με。通常，除RE-0外，所有板中都觀察到縱向鋼筋的屈服。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與 RE-0相比，在拉伸區(qū)提供的 UHPC實(shí)際上可以緩解縱向鋼筋所經(jīng)歷的初始應(yīng)變，這在板RE-32和RE-50中可以清楚地觀察到。與跨中撓度響應(yīng)類似，發(fā)現(xiàn)所有加固板在開裂后范圍內(nèi)都經(jīng)歷了顯著的硬化（應(yīng)變）和延性。值得注意的是，在約45 kN的荷載下，由于UHPC和NSC之間的復(fù)合粘結(jié)界面破裂（脫粘），板RE-20中的應(yīng)變突然增加。

3.2 OV系列極限強(qiáng)度和脫粘破壞模式

如前所述，OV系列由4塊橫截面尺寸與RE系列相似的平板組成。唯一的區(qū)別是額外的UHPC覆蓋層加強(qiáng)了張力區(qū)。無論UHPC覆蓋層厚度如何，所有加固板均在NSC中發(fā)生剪切破壞。UHPC覆蓋層實(shí)際上有助于延緩斜向剪切裂縫的發(fā)展，一旦斜向剪切裂縫形成，最終破壞占主導(dǎo)地位。在某些情況下，UHPC 和NSC之間的復(fù)合界面發(fā)生脫粘破壞。

根據(jù)觀察，UHPC覆蓋層的厚度似乎不會(huì)顯著影響板的極限強(qiáng)度和破壞模式。OV-25和OV-50分別在73.57、77.97 kN的極限荷載下以相對(duì)相似的方式失效，只有6%的邊緣差異。這主要是因?yàn)?個(gè)板的極限失效均由復(fù)合界面處的脫粘失效控制。盡管發(fā)生了這種破壞，但2塊板的極限強(qiáng)度均比 RE-0高約24%。還必須注意的是，UHPC 層的斷裂破壞傾向更高，覆蓋層更厚，如圖1的 OV-50和 OV-50a板所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，只要提供足夠的保護(hù)層以有效粘接，UHPC層內(nèi)縱向鋼筋的存在會(huì)提高板的極限強(qiáng)度。例如，OV-50a的極限荷載為95.06 kN，比 RE-0的極限荷載增加了55.6%。板 OV-25a 的強(qiáng)度僅比 OV-25的強(qiáng)度高6%。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）在RE系列中，UHPC加固配置極大地影響了復(fù)合UHPC混凝土板的破壞模式和裂縫模式。結(jié)果表明，隨著UHPC層厚度的增加，其破壞模式從脆性對(duì)角剪切破壞轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性撓曲破壞。雖然沒有觀察到極限強(qiáng)度的提高，但所有加固板都表現(xiàn)出了出色的能量吸收能力，具有廣泛的撓曲硬化和延性；

（2）在 OV系列中，所有在其拱腹處用 UHPC覆蓋層加固的板都在剪切中失效。板在NSC中顯示出對(duì)角剪切裂縫，然后在UHPC混凝土界面處脫粘。結(jié)果表明，UHPC覆蓋層提高了板的整體剛度，并延緩了剪切裂縫的發(fā)展。通過在UHPC層中添加鋼筋，可以觀察到極限強(qiáng)度的進(jìn)一步增強(qiáng)。然而，需要足夠的混凝土保護(hù)層，以確保有效的全粘接發(fā)展；

（3）這項(xiàng)研究的結(jié)果非常有希望，并證明了UH- PC 作為結(jié)構(gòu)應(yīng)用的優(yōu)異增強(qiáng)材料的潛力。

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