曹江睿

（廣州市市政工程設計研究總院有限公司 廣州 510060）

0 引言

超高性能混凝土，簡稱UHPC（Ultra-High Performance Concrete），是過去30 年中最具創(chuàng)新性的水泥基工程材料。其包含兩個方面“超高”——超高的耐久性和超高的力學性能。近些年來關于超高性能混凝土的研究成果很多，張?zhí)降热耍?］通過介紹UHPC 的品質(zhì)和優(yōu)點以及國內(nèi)UHPC 應用場景和應用現(xiàn)狀，指出了UHPC 在中國發(fā)展的必要性和前景；王曉飛等人［2］通過對超高性能混凝土進行三軸壓縮試驗，得出了內(nèi)摩擦角和黏聚力隨鋼纖維體積含量和圍壓增大的變化規(guī)律；鄭麗等人［3］采用不同溫度水泥配置UHPC，研究了UHPC 力學性能、體積穩(wěn)定性及熱學性能的變化。

聚丙烯纖維是一種專用于混凝土和砂漿的高性能纖維，能有效地控制混凝土和砂漿塑性收縮、干縮、溫度變化等因素引起的微裂紋，防止及抑制混凝土原生裂縫的形成和發(fā)展，大大改善混凝土和砂漿的防裂抗?jié)B性能、抗沖磨性能，增加混凝土的韌性，從而提高混凝土的使用壽命。聚丙烯纖維混凝土，簡稱FRCPP（Fiber Reinforced Concrete Polypropylene），也是土木行業(yè)的研究熱門。楊彬［4］通過試驗研究了不同聚丙烯纖維長度和聚丙烯纖維摻量對高強混凝土的影響；羅才松［5］為了分析聚丙烯纖維摻量對混凝土強度的影響，配置了C40 普通混凝土和聚丙烯纖維混凝土，通過對比法確定了聚丙烯纖維混凝土的最佳摻量。

世界上有無數(shù)的橋，更有數(shù)不清的梁。梁在各種環(huán)境中都可能會出現(xiàn)損壞，但更換梁體需要高昂的成本，因為一點點損壞就更換整個梁并不現(xiàn)實。因此，本試驗為修復梁端尋找一種可替代的材料，以恢復受損梁的抗剪能力，延長受損預應力梁的使用壽命。該研究結(jié)果將為梁端修復甚至結(jié)構(gòu)物的修補提供數(shù)據(jù)參考。

1 試驗設計及準備

1.1 試驗裝備

切割機、混凝土攪拌機、混凝土鋸床、加載設備。

1.2 試驗材料（見表1）

表1 0.1 m3素混凝土、0.1 m3超高性能混凝土、0.1 m3聚丙烯纖維混凝土所需材料Tab.1 Materials Required for 0.1 m3 of Plain Concrete，0.1 m3 of UHPC，0.1 m3 of FRC-PP

1.3 試驗樣品的準備

首先使用切割機將泡沫塑料進行切割，如圖1 所示，然后將泡沫塑料分成3組，并用刷子在泡沫表面分別涂上粗骨料緩凝劑、細骨料緩凝劑［6］和水，使后期澆筑的素混凝土（Plain Concrete）表面具有不同的粗糙程度。處理完泡沫塑料表面后，將泡沫放入準備好的容器內(nèi)，并開始往容器內(nèi)澆筑素混凝土，如圖2所示。

圖1 泡沫模型Fig.1 Foam Model

圖2 裝好泡沫及混凝土的容器Fig.2 Container with Foam and Concrete

澆筑1 d 后，將混凝土和泡沫分開，可以發(fā)現(xiàn)混凝土表面清晰可辨。從左到右分別是高度粗糙化（Large-Roughened）、中度粗糙化（Mid-Roughened）和未粗糙化（Un-Roughened）的表面模型，如圖3所示。

圖3 粗糙化程度不同的表面Fig.3 Surfaces with Different Roughness

然后把它們放在潮濕的條件下，等待28 d。28 d后，將它們從潮濕的環(huán)境中取出，并干燥。待素混凝土干燥后，開始制作超高性能混凝土和聚丙烯纖維混凝土，攪拌好后，按照表2 進行澆筑。澆筑完成1 d 后進行脫模，繼續(xù)把它們放在潮濕的條件下，等待28 d。28 d 后，將它們從潮濕的環(huán)境中取出，干燥后開始使用儀器進行試驗。

表2 斜剪試驗及劈裂圓筒試驗試件準備Tab.2 Specimen Preparation for Slant Shear Test and Split Cylinder Test

1.4 試驗介紹

1.4.1 斜剪試驗

斜剪試驗是以非直角分離澆筑的半圓柱形混凝土為試驗樣本，在加載設備下對粘結(jié)試樣進行加壓，直到粘結(jié)界面發(fā)生剪切破壞，如圖4?所示。夏冬桃等人［8］通過對混雜纖維混凝土與既有混凝土進行斜剪試驗，得出混雜纖維摻入后能有效改善粘結(jié)界面區(qū)的孔隙結(jié)構(gòu)，提高界面粘結(jié)性能。董海東等人［9］通過層間斜剪試驗得出拉毛處理可以提高水泥混凝土路面的層間黏結(jié)性能。陳華明等人［10］通過斜剪試驗發(fā)現(xiàn)了溫度和濕度對材料的粘結(jié)強度和剪切強度影響均較大。

圖4 素混凝土與UHPC的斜剪試驗和劈裂圓筒試驗Fig.4 Slant Shear Test and Split Cylinder Test of Plain Concrete and Ultra-High Performance Concrete

1.4.2 劈裂測試

劈裂測試是以沿圓柱體中心線縱向澆筑半圓柱形混凝土為試驗樣本，在加載設備下向樣品邊緣施加壓縮力，直到粘結(jié)界面發(fā)生間接拉伸破壞，如圖4?所示。曹小金等人［11］通過對水泥混凝土路面的彎拉強度和劈裂強度進行對比試驗研究，得到了水泥混凝土路面彎拉強度與劈裂強度的換算關系式。曾海斌等人［12］通過劈裂試驗研究了兩種再生混凝土的劈裂抗拉強度及破壞特征。

1.5 注意事項

進行混凝土試驗時需要特別注意的一點是，混凝土的強度在澆筑后，并處于標準固化溫度20±2 ℃，相對濕度95%以上的環(huán)境中的第28 d 達到設計強度。如果測試早于或晚于28 d，就不能準確測出混凝土的強度。

2 試驗結(jié)果

根據(jù)表3 和圖5 的試驗數(shù)據(jù)，可以得出粘結(jié)強度最高的是具有高度粗糙化表面的混凝土粘結(jié)體，而未粗糙化的粘結(jié)強度最低。

圖5 斜剪試驗Fig.5 Slant Shear Test

表3 斜剪試驗結(jié)果Tab.3 Slant Shear Test Results

根據(jù)表4 和圖6 的試驗數(shù)據(jù)，就粘結(jié)面的粗糙程度而言，可以得出能夠承受最大荷載的是具有高度粗糙化表面的混凝土粘結(jié)體，而未粗糙化的承載能力最小。就不同混凝土材料而言，超高性能混凝土的粘結(jié)強度最高，聚丙烯纖維混凝土的粘結(jié)強度最低。試驗時還有一個有趣的現(xiàn)象，當未粗糙化和中度粗糙化的接縫出現(xiàn)裂縫時，兩種混凝土會直接分裂開來。然而，當高度粗糙化的表面接縫出現(xiàn)裂縫時，必須用手將其拉開，混凝土才會分成兩半。這更加表明，高度粗糙化表面的粘結(jié)強度明顯高于中度粗糙化和未粗糙化的表面。

圖6 劈裂圓筒試驗Fig.6 Split Cylinder Test

表4 劈裂圓筒試驗結(jié)果Tab.4 Split Cylinder Test Results

試驗結(jié)果中聚丙烯纖維混凝土的數(shù)據(jù)是合理的，符合試驗預期。但素混凝土-高度粗糙化表面-超高性能混凝土的峰值荷載低于其預期值。該誤差可能是由于試驗早期在泡沫塑料上涂刷緩凝劑時，沒有涂刷均勻，或是在加載前沒有將小木板水平放置。試驗時若未將小木板放平，機器會直接將力壓在混凝土上，導致受力不均勻。因此，在進行實驗之前，實驗者應該對實驗材料有一個基本的了解，并找出材料的強度范圍。這樣，即使實驗中有異常數(shù)據(jù)，也可以對其進行判斷，不至于影響最終結(jié)論。

3 試驗結(jié)論

根據(jù)斜剪試驗和劈裂圓筒試驗的實驗數(shù)據(jù)，可以得出超高性能混凝土與素混凝土粘結(jié)時具有最大的強度。超高性能混凝土在粘結(jié)強度、抗拉強度和抗壓強度以及經(jīng)濟適用性方面具有優(yōu)秀的表現(xiàn)。超高性能混凝土在梁端修復甚至結(jié)構(gòu)物的修補上將會是很好的一種選擇。