摘要
采用超高性能混凝土（UHPC）修复普通混凝土（NSC）基体时可以获得优异的界面黏结强度，其值甚至高于基体强度，导致界面性能测试时容易发生基体失效，从而不能准确评价界面性能及其影响因素.针对上述问题，提出了基体约束加强的方法，将失效位置控制在修复界面，测得了真实的UHPC‑NSC界面黏结强度，分析了基体强度和修复面粗糙度对界面性能的影响与机理，克服了传统测试方法的评价结果过于保守且难以反映粗糙度等影响因素的不足.UHPC‑NSC界面较NSC‑NSC界面更加致密，界面过渡区的钙硅比更低，宽度和孔隙率分别降低了91%和70%.
普通混凝土（NSC）作为基础设施建造的主要材料，服役环境通常比较恶劣，比如江海桥墩受到海水的冲刷，山区高架桥桥墩受到洪水与泥石流的冲撞和磨蚀，易于发生损坏，威胁到混凝土基础设施的服役安
超高性能混凝土（UHPC）具有高强、高韧和高耐久的优
本文采用基体约束加强的方法将UHPC‑NSC的失效位置控制在界面处，解决传统测试方法失效位置发生在基体的问题，进而提出了UHPC‑NSC界面黏结性能的评价方法，研究混凝土基体表面粗糙度、基体强度以及测试方法对UHPC‑NSC界面黏结性能的影响，并通过微观表征手段揭示其机理.
混凝土基体采用3种强度等级（S1、S2、S3），配合比见
| Type | Mix proportion/（kg· | 28 d compressive strength/MPa | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Cement | Water | River sand | Coarse aggregate | Superplasticizer | ||
| S1 | 324.00 | 210.00 | 709.00 | 1 157.00 | 28 | |
| S2 | 328.00 | 190.00 | 715.00 | 1 167.00 | 0.09 | 36 |
| S3 | 396.00 | 190.00 | 689.00 | 1 125.00 | 0.56 | 46 |
| NSC | 432.00 | 190.00 | 676.00 | 1 102.00 | 1.90 | 53 |
修复界面的黏结性能采用直接拉伸测试方法进行评价，修复试件为ϕ50×100 mm的圆柱体，采用3种方法进行测试（见
图1 试件设计
Fig.1 Specimen design
YH法模拟了混凝土受损基体进行局部约束加强后与修复材料界面黏结性能的受力特征.采用增加基体约束加强的方法使得失效位置控制在修复界面，得到的结果能够准确评价UHPC‑NSC界面的黏结性能，改进了传统评价方法测试结果出现基体失效导致结果偏于保守的不足，获得了UHPC‑NSC界面准确的黏结性能，有助于评价修复界面在长期复杂环境作用下的性能退化过程.
修复试件的制备过程如
图2 修复试件的制备流程
Fig.2 Process of concrete repair
（1）制备混凝土基体，尺寸为150 mm×150 mm×50 mm.150 mm立方体模具中的垫块为硬质木板，在空余部位浇筑混凝土，得到设计尺寸的混凝土基体.混凝土基体在标准养护环境下养护28 d后，放在实验室中自然干燥2个月.
（2）进行修复表面粗糙度处理.采用高压水流处理混凝土的修复表面，采用不同时长的高压水流作用，得到3种粗糙度修复面，分别命名为L、M和H型修复表面.
（3）将混凝土基体放入模具中，然后在其余部位浇筑修复材料，修复材料的尺寸与混凝土基体相同.
（4）取芯得到ϕ50×100 mm的圆柱形修复试件. 修复材料UHPC的制备过程如下：首先，将水泥、硅灰、水和减水剂在霍巴特搅拌器中混合5 min；随后，加入钢纤维并混合10 min；最后，加入河砂并混合搅拌5 min. 基体包括S1、S2和S3，修复材料包括NSC和UHPC.
混凝土修复表面粗糙度处理后的状态如
图3 混凝土修复表面的状态
Fig.3 Repaired surface state of concretes
此外，采用传统的灌砂法进行粗糙度的测
界面黏结性能测试采用位移加载，加载速率1.0 mm/min，钢圆环内径为50.5 mm，拉拔夹具端部通过铰接与螺纹拉杆进行连接，尽量减小螺纹拉杆与黏结面轴向偏差带来的测试误差.界面抗拉强度（T，MPa）计算如
| （1） |
式中：P为破坏荷载，kN；A为修复界面的横截面积，m
修复工况如下：混凝土基体采用S1、S2和S3，采用CL法测试L、M和H型粗糙面下NSC‑NSC界面的黏结性能；采用WH法测试L、M和H型粗糙面下NSC‑UHPC界面的黏结性能；采用YH法测试L、M和H型粗糙面下NSC‑UHPC界面的黏结性能.
图4 修复试件的失效模式
Fig.4 Failure modes of repaired specimens
对CL、WH和YH法测试试件的失效位置进行了统计分析（见
图5 修复试件失效后提取的数据
Fig.5 Information extracted from a repaired specimen after testing
图6 界面黏结强度的测试结果
Fig.6 Test results of interface tensile strength
（1）WH法得到的UHPC‑NSC界面黏结强度的COV均大于10.5%，最高达到17.5%，CL法得到的NSC‑NSC界面黏结强度的COV均大于11.4%，最高达到17.2%；YH法得到的UHPC‑NSC界面黏结强度的COV均小于6.5%.本文采用环向约束加强基体的方法使直接拉伸试验数据的COV显著降低，减小了数据的离散程度.
（2）在CL法测试中，NSC‑NSC界面失效，直接拉伸试验结果即为NSC‑NSC界面的黏结性能.S1L、S2L、S3L工况下的界面黏结强度分别为1.35、1.42、1.38 MPa，S1M、S2M、S3M工况下的界面黏结强度分别为1.71、1.62、1.74 MPa，S1H、S2H、S3H工况下的界面黏结强度分别为2.01、1.98、2.07 MPa.对于同种类型修复面，基体强度对界面黏结性能的影响幅度为1.4%~5.6%，粗糙度对界面黏结性能的影响幅度为14.1%~50.4%.由此可见，NSC‑NSC界面的化学胶结力较弱，机械咬合力起主导作用.对于同类型修复面，同等粗糙度能够提供近似的机械咬合力.
（3）在WH法测试中，除了S3L工况出现界面失效外，其他工况的直接拉伸试验结果与混凝土基体的拉伸强度类似，UHPC‑NSC界面真实的黏结强度较WH法实测值偏高.以S2混凝土基体为例，L、M和H型UHPC‑NSC界面黏结强度的WH法测试结果分别为3.07、3.14、3.16 MPa.由此可见，当采用WH法测试UHPC‑NSC界面的黏结强度时，粗糙度对修复界面性能的影响不显著.在YH法测试中，以S1混凝土基体为例，L、M和H型UHPC‑NSC界面的黏结强度分别为3.45、3.68、4.03 MPa. S1、S2、S3基体UHPC‑NSC界面的性能随着粗糙度的增加而增加，界面强度分别提升了7.4%~19.3%、16.9%~33.3%和21.2%~23.6%.由此可见，YH法测试UHPC‑NSC界面的黏结性能能够反映粗糙度对界面黏结性能的影响，而WH法测试由于基体失效，无法反映粗糙度对界面黏结性能的影响.
（4）研究了评价方法、混凝土基体强度和修复面粗糙度对修复界面黏结性能的影响，分析测试方法对结果的影响时均采用同种混凝土基体和同种修复面类型，排除基体强度差异对结果的干扰.YH法与WH法相比，UHPC‑NSC界面的黏结性能在S1L、S1M、S1H、S2L、S2M、S2H、S3L、S3M、S3H工况下分别提升了32.2%、38.2%、48.9%、18.2%、26.0%、39.2%、4.6%、18.9%、29.0%.由此可见，本文采用环向约束加强基体，相对弱化界面的方法使直接拉伸UHPC‑NSC界面黏结性能的数据更接近真实值.
（5）WH法与CL法相比，UHPC‑NSC界面的黏结强度在S1L、S1M、S1H、S2L、S2M、S2H、S3L、S3M、S3H工况下分别增加了93.8%、55.7%、34.7%、116.1%、93.7%、59.6%、142.7 %、105.8%、75.8%.随着修复表面粗糙度的增加，UHPC相较于NSC对界面性能的提升幅度逐渐降低.YH法与CL法相比，UHPC‑NSC界面的黏结强度在S1L、S1M、S1H、S2L、S2M、S2H、S3L、S3M、S3H工况下分别增加了156.2%、115.2%、100.6%、155.5%、144.1%、122.2%、153.8 %、144.6%、126.8%.随着修复表面粗糙度的增加，UHPC相较于NSC对界面性能的提升幅度逐渐降低. 由此可见，UHPC相比于NSC在修复表面粗糙度较低的情况下更显界面性能优势.
（6）YH法修复L型S1、S2、S3基体UHPC‑NSC界面的拉伸黏结强度分别为3.45、3.63、3.49 MPa，M型S1、S2、S3基体UHPC‑NSC界面的拉伸黏结强度分别为3.68、3.95、4.25 MPa，H型S1、S2、S3基体UHPC‑NSC界面的拉伸黏结强度分别为4.03、4.40、4.69 MPa.对于相同的修复表面粗糙度，尽管混凝土基体的强度存在差异，但是修复界面的黏结强度是类似的.因此，采用YH法只需要1/3的工况数量就能够得到现有的结果，减少了试验的工作量.例如，M型修复表面灌砂法得到粗糙度为0.64 mm，使用YH法测得混凝土基体强度等级S2与UHPC界面的黏结强度为3.95 MPa.由此可知：采用UHPC修复该粗糙度情况下的混凝土基体时，当混凝土基体抗拉强度小于3.95 MPa时，UHPC不会脱黏；混凝土基体抗拉强度大于3.95 MPa时，UHPC出现脱黏现象.
（7）CL法、WH法和YH法拟合线的斜率分别为0.63、0.15和0.84，误差（
图7 修复界面的微观结构
Fig.7 Microstructure of repaired intrerface
使用EDS对NSC‑NSC和UHPC‑NSC界面过渡区的Ca、Si元素进行分析，结果也绘于
界面过渡区的孔隙率通过BSE图像分析实现.
图8 修复界面的背散射图像及分析
Fig.8 BSE image and analysis of repaired interface
（1）孔隙率随着距离修复界面与过渡区距离的增加而逐渐减小，该规律与文献［
（2）在UHPC‑NSC界面的40 μm距离内，随着与修复表面的距离的增加，修复界面过渡区的孔隙率急剧下降；当距离超过40 μm时，孔隙率趋于稳定.在UHPC‑NSC界面的60 μm距离内，随着与修复表面距离的增加，修复界面过渡区的孔隙率急剧下降；当距离超过60 μm时，孔隙率趋于稳定. 在距离修复界面相同的距离时，UHPC‑NSC界面过渡区的孔隙率低于NSC‑NSC界面过渡区的孔隙率.
（1）采用传统直接拉伸方法测试普通混凝土（NSC）修复的NSC‑NSC界面性能，其主要破坏模式为界面失效；超高性能混凝土（UHPC）修复的UHPC‑NSC界面的失效模式为拉拔块和混凝土之间环氧树脂层破坏，测试数据无效.采用改进直接拉伸测试方法，UHPC‑NSC界面性能的测试数据均有效，采用环向约束加强基体，相对弱化界面的方法使直接拉伸试验试验失效位置在界面位置处.
（2）采用环向约束加强基体，相对弱化界面的方法使直接拉伸试验数据的变异系数（COV）显著降低，UHPC‑NSC界面黏结性能的数据更接近真实值，能够反映粗糙度对界面黏结性能的影响.无环向约束加强基体进行测试由于基体失效，无法反映粗糙度对界面黏结性能的影响.相比于NSC，UHPC在修复表面粗糙度较低的情况下更显修复界面黏结性能的优势.
（3）UHPC‑NSC界面过渡区的孔隙率相对于NSC‑NSC界面降低了70%以上. UHPC‑NSC界面的平均裂缝宽度为0.56 μm，NSC‑NSC界面的平均裂缝宽度为6.00 μm. UHPC中的硅灰与Ca（OH）2发生反应，在界面处生成水化产物水化硅酸钙，减少了Ca（OH）2的含量，使界面过渡区致密.
参考文献
蒋正武， 尹军. 可持续混凝土发展的技术原则与途径［J］. 建筑材料学报， 2016， 19（6）：957‑963. [百度学术]
JIANG Zhengwu， YIN Jun. The technical principle and way of sustainable concrete development［J］. Journal of Building Materials， 2016， 19（6）：957‑963. （in Chinese） [百度学术]
林志明， 张雄. 钢筋混凝土建筑物修复补强技术［J］. 建筑材料学报， 2003， 6（1）：61‑65. [百度学术]
LIN Zhiming， ZHANG Xiong. Reinforcing technology of reinforced concrete building repair［J］. Journal of Building Materials， 2003， 6（1）：61‑65. （in Chinese） [百度学术]
蒋正武， 龙广成， 孙振平. 混凝土修补：原理，技术与材料［M］. 北京：化学工业出版社， 2009. （in Chinese） [百度学术]
JIANG Zhengwu， LONG Guangcheng， SUN Zhenping. Concrete patching：Principles， techniques and materials［M］. Beijing：Chemical Industry Press， 2009. （in Chinese） [百度学术]
王楠， 徐世烺. 超高韧性水泥基复合材料与既有混凝土黏结性能［J］. 建筑材料学报， 2011， 14（3）：317‑323. [百度学术]
WANG Nan， XU Shilang. Bond performance of ultra‑high toughness cement‑based composites with existing concrete［J］. Journal of Building Materials， 2011， 14（3）：317‑323. （in Chinese） [百度学术]
朱方之， 王鹏刚， 赵铁军，等. SHCC修复试件黏结滑移性能研究［J］. 建筑材料学报， 2016， 19（1）：72‑77. [百度学术]
ZHU Fangzhi， WANG Penggang， ZHAO Tiejun， et al. Study on bonding and sliding properties of SHCC repair specimens［J］. Journal of Building Materials， 2016， 19（1）：72‑77. （in Chinese） [百度学术]
熊光晶， 姜浩， 陈立强， 等. 新老混凝土修补界面过渡区微细观结构改善方法的研究［J］. 硅酸盐学报， 2002， 30（2）：263‑266. [百度学术]
XIONG Guangjing， JIANG Hao， CHEN Liqiang， et al. Improvement of interfacial structure between old and repair concrete［J］. Journal of the Chinese Ceramic Society， 2002， 30（2）：263‑266. （in Chinese） [百度学术]
张高展， 王宇譞， 葛竞成， 等. 轻集料对超高性能混凝土工作和力学性能的影响［J］. 建筑材料学报， 2021， 24（3）：499‑507. [百度学术]
ZHANG Gaozhan， WANG Yuxuan， GE Jingcheng， et al. Effect of lightweight aggregate on workability and mechanical properties of ultra‑high performance concrete［J］. Journal of Building Materials， 2021， 24（3）：499‑507. （in Chinese） [百度学术]
朋改非， 牛旭婧， 赵怡琳. 异形钢纤维对超高性能混凝土增强增韧的影响［J］. 建筑材料学报， 2016， 19（6）：1013‑1018. [百度学术]
PENG Gaifei， NIU Xujing， ZHAO Yilin. Effects of deformed steel fiber on strengthening and toughening of ultra‑high performance concrete［J］. Journal of Building Materials， 2016， 19（6）：1013‑1018. （in Chinese） [百度学术]
刘国梁. RPC/NC粘结试件的收缩性能研究［D］. 北京：北京交通大学， 2018. [百度学术]
LIU Guoliang. Research on shrinkage performance of RPC/NC bonded specimen［D］. Beijing：Beijing Jiaotong University， 2018. （in Chinese） [百度学术]
沈捷. 活性粉末混凝土与普通混凝土的粘结性能研究［D］. 北京：北京交通大学， 2016. [百度学术]
SHEN Jie. The study on bonding behaviors of reactive powder concrete and ordinary concrete［D］. Beijing：Beijing Jiaotong University， 2016. （in Chinese） [百度学术]
ZHANG Y， ZHU P， LIAO Z Q， et al. Interfacial bond properties between normal strength concrete substrate and ultra‑high performance concrete as a repair material［J］. Construction and Building Materials， 2020， 235：117431. [百度学术]
龙杰， 陈庆， 蒋正武. 不同因素对UHPC‑普通混凝土黏结强度影响的试验研究［J］. 混凝土与水泥制品， 2019（4）：4‑8. [百度学术]
LONG Jie， CHEN Qing， JIANG Zhengwu. Experimental study on effects of different factors on bonding strength between UHPC and ordinary concrete［J］. China Concrete and Cement Products， 2019（4）：4‑8. （in Chinese） [百度学术]
FARZAD M， SHAFIEIFAR M， AZIZINAMINI A. Experimental and numerical study on bond strength between conventional concrete and ultra high‑performance concrete （UHPC）［J］. Engineering Structures， 2019， 186：297‑305. [百度学术]
FENG S， XIAO H G， GENG J S. Bond strength between concrete substrate and repair mortar：Effect of fibre stiffness and substrate surface roughness［J］. Cement and Concrete Composites， 2020， 114：103746. [百度学术]
FENG S， XIAO H G， LIU R， et al. The bond properties between ultra‑high‑performance concrete and normal strength concrete substrate：Bond macro‑performance and overlay transition zone microstructure［J］. Cement and Concrete Composites， 2022， 128：104436. [百度学术]
FENG S， XIAO H G， LIU R， et al. The influence of different bond primers on the bond strength of concrete overlays and the microstructure of the overlays transition zone［J］. Cement and Concrete Composites， 2021， 119：104023. [百度学术]
HABER Z B， MUNOZ J F， DE LA VARGA I， et al. Bond characterization of UHPC overlays for concrete bridge decks：Laboratory and field testing［J］. Construction and Building Materials， 2018， 190：1056‑1068. [百度学术]
ZHANG Y， ZHANG C Y， ZHU Y P， et al. An experimental study：Various influence factors affecting interfacial shear performance of UHPC‑NSC［J］. Construction and Building Materials， 2020， 236：117480. [百度学术]
BEUSHAUSEN H， HOHLIG B， TALOTTI M. The influence of substrate moisture preparation on bond strength of concrete overlays and the microstructure of the OTZ［J］. Cement and Concrete Research， 2017， 92：84‑91. [百度学术]