在复合压缩-剪切应力作用下，NSC（氮硅碳复合材料）和UHPC（超高性能混凝土）界面力学性能的实验研究

《Journal of Building Engineering》：Experimental Study on Mechanical Properties of Interface in NSC and UHPC under Combined Compression-Shear Stresses

针对超高性能混凝土（UHPC）复合界面在压剪复合荷载下的强度评估难题，通过不同正应力水平下的压剪试验，揭示了NSC-UHPC复合界面随正应力增加的剪切强度提升规律（峰值强度增幅达305.79%），并基于试验数据构建了适用于复合荷载的损伤本构模型，提出了基于八面体应力准则的破坏判据，为UHPC加固结构设计提供理论支撑。

　　

沈林松|杨琦|郭兆远|岳子怡|徐苏|余振鹏|陈照辉

重庆大学土木工程学院，中国重庆400045

摘要：

由于具有优异的性能，超高性能混凝土（UHPC）在修复和加固混凝土结构方面具有巨大潜力。然而，其加固设计在评估复合受压-剪切载荷下的承载性能方面仍缺乏明确的理论基础。因此，对NSC-UHPC复合试件在轴向压缩下的受压-剪切性能进行了试验。试验考虑了四种正应力水平（0 MPa、2 MPa、4 MPa和6 MPa），并分别以NSC和UHPC试件作为对照组。结果表明，随着正应力的增加，剪切面附近出现了骨料剥落现象，剪切强度逐渐提高。NSC、UHPC和NSC-UHPC的峰值剪切强度最大增幅分别达到了194.26%、88.46%和305.79%。在复合受压-剪切载荷作用下，峰值剪切强度主要由内聚力、接触摩擦力和剪切膨胀贡献组成，且接触摩擦力的贡献比例随正应力的增加而增加。基于实验观察结果，提出了一种适用于受压-剪切载荷的损伤本构模型。随后使用修订后的本构关系对Cohesive Zone Model（CZM）中的断裂能量进行了修正，并对NSC-UHPC进行了数值模拟。结果表明，该模型能够合理预测强度及其变化趋势。最后，基于八面体强度破坏准则，建立了适用于NSC、UHPC和NSC-UHPC的破坏准则，并讨论了相应的破坏机制。

引言

目前，普通强度混凝土（NSC）作为一种传统的建筑材料，被广泛应用于现代混凝土结构中。在长期作用（如服务荷载增加、酸雨腐蚀和生物侵蚀）下，混凝土结构可能会发生不同程度的损伤，从而逐渐降低承载能力并危及结构安全。因此，为了满足混凝土结构的维护和加固需求，需要具备改进的机械性能、耐久性和适应性的材料[1]。与NSC相比，超高性能混凝土（UHPC）由水泥、骨料和水配制而成，并添加了矿物外加剂（如硅灰和粉煤灰）、纤维和超塑化剂，从而具有较高的强度、韧性和优异的耐久性。基于这些特性，UHPC被视为修复和加固应用中的有前景的材料[2][3][4]。UHPC最初在瑞士用于修复劣化桥梁，此后在欧洲得到了广泛应用[5]。当应用于受损区域时，其出色的机械性能和高密实度不仅提升了现有结构的机械性能，还起到了防止离子侵入的保护层作用，从而延长了使用寿命[6][7]。因此，在修复老化混凝土结构时，评估修复界面的应力状态和机械性能是确保结构安全的关键步骤。

在工程实践中，混凝土很少受到纯单轴载荷的作用；相反，它通常会暴露在复合应力状态下，其中受压-剪切载荷是最常见的形式之一[8][9]。Deng等人[10]研究了普通混凝土和再生骨料混凝土（RAC）在受压-剪切条件下的剪切强度，并报告称这两种材料的剪切强度均随正应力呈抛物线关系增加。通过分解剪切阻力，他们进一步表明接触摩擦力占总剪切强度的25%-70%。Liang[11]通过实验测试和离散元方法（DEM）模拟研究了可持续再生骨料混凝土（SRAC）的受压-剪切行为，考虑了不同的正应力水平和再生骨料替代比例。结果表明，替代比例的增加降低了剪切强度、内聚力和内摩擦角，而剪切强度则大致呈线性增加。还提出了一种修正的本构模型来捕捉非线性应力-位移响应。Zhou等人[12]对玄武岩纤维增强珊瑚混凝土（BFRCC）进行了受压-剪切试验，观察到随着压缩应力比的增加，破坏模式从脆性转变为韧性，同时剪切应力也逐渐增加。

对于纤维增强混凝土，其在受压-剪切载荷下的剪切响应受到纤维特性的显著影响。特别是，峰值剪切应力随着纤维含量的增加而呈现非单调趋势，先增加然后在超过0.8%的最佳含量后减少。此外，纤维的加入还可以有效抑制表面剥落，并降低破坏表面的粗糙度和摩擦系数。Yang等人[13]研究发现，在高温作用下，摩擦力和膨胀力是钢纤维增强混凝土（SFRC）剪切阻力的主要贡献因素，膨胀力在轴向压缩比约为0.4时达到最大值。此外，纤维的方向和长宽比显著影响破坏模式和强度提升，最佳性能出现在长宽比为35时。基于机器学习的方法也被成功用于预测加热后的受压-剪切强度。Li等人[14]研究了新旧纤维增强混凝土之间的界面剪切行为，并讨论了相关的粘结机制。同时，还在类似的载荷条件下研究了各种先进混凝土，包括自密实轻质混凝土、橡胶化混凝土和超吸水聚合物（SAP）内部固化混凝土，并讨论了相应的破坏准则[15][16][17]。

当使用UHPC进行加固和修复时，UHPC与NSC之间的粘结界面往往成为载荷传递中最薄弱的环节。因此，NSC-UHPC界面的可靠性在评估加固结构的承载能力方面起着决定性作用[18][19]。已经进行了大量研究来表征界面粘结行为。根据Ju等人[20]和Hussein等人[21]的研究，界面粗糙度是影响机械性能的主要因素，显著影响强度和破坏模式。Carbonell等人[22]使用斜剪切和拉伸试验在不同应力状态下表征了界面行为，并研究了表面粗糙度、复合龄期和冻融循环的影响。他们的结果表明，在研究范围内，粘结性能满足了UHPC覆盖应用的要求。Harris等人[23]通过实验和数值分析证明，无需使用环氧树脂或乳胶乳液等传统粘合剂即可实现足够的粘结。Tayeh等人[24][25][26]进一步表明，界面具有低渗透性，有效限制了有害离子的侵入，提高了基体的耐久性，并保持了与NSC的高粘结强度。Zhang等人[27]评估了包括表面粗糙度、UHPC龄期和基体湿度条件在内的七个参数，确认界面满足ACI 546-06规定的最小粘结强度要求，并讨论了相关的加固机制。

总体而言，大多数现有研究主要关注NSC-UHPC界面的单轴机械性能。然而，在实际应用中，界面通常会受到复合受压-剪切载荷的作用。因此，研究在这种载荷条件下的NSC-UHPC界面粘结行为具有明显的工程意义。在加固和修复设计中，应适当考虑修复位置的应力状态，并评估相应的机械性能。因此，本研究在复合受压-剪切载荷下研究了NSC-UHPC复合试件的剪切阻力，并包含了整体NSC和UHPC试件作为对比。使用数字图像相关（DIC）技术和伺服液压试验机在不同正应力下进行了受压-剪切试验，获得了破坏过程、破坏模式以及剪切应力与位移响应。基于实验观察结果，对不同情况的损伤本构模型进行了修正。在ABAQUS中对NSC-UHPC情况进行了数值模拟，并将模拟结果与实验数据进行了对比，以验证修正本构模型的准确性。最后，基于八面体强度破坏准则评估了NSC-UHPC在复合受压-剪切载荷下的破坏行为，并讨论了不同条件下的破坏机制。这项工作为基于UHPC的加固和修复的承载能力设计提供了理论基础。

部分内容

原材料比例和试件制备

在本实验项目中，准备了三种类型的试件，包括NSC、UHPC和NSC-UHPC复合（连接）试件。NSC的设计强度等级为C40，符合GB/T 50081-2019（普通混凝土力学性能试验方法标准）[28]。使用了42.5级的普通波特兰水泥，以及细骨料（细度模数为2.5）和粗骨料（5-20 mm）的天然河沙。试验用水为

破坏模式

不同正应力条件下各种类型混凝土的剪切破坏模式如图2所示。对于NSC试件，当正应力为0 MPa时，主导的剪切裂纹几乎是直的，伴随着一些倾斜裂纹和轻微的混凝土剥落。这种破坏模式被归类为拉伸主导的破坏。当正应力为2 MPa、4 MPa和6 MPa时，剪切裂纹呈现出波浪状轨迹。随着正应力的增加，

NSC-UHPC的受压-剪切力学行为的数值模拟

为了进一步研究受压-剪切载荷下薄弱的NSC-UHPC界面，进行了基于CZM的数值模拟。模型参数是根据修正后的本构定律推导出的，数值结果与实验结果进行了比较。这样，本研究的结果可以进一步应用于UHPC加固结构的设计和工程实践。

破坏准则

在复合受压和剪切应力作用下，单轴破坏准则无法准确反映混凝土的实际破坏行为。因此，在实际的承载环境中，需要开发适用于复杂应力条件的强度准则。图15说明了试件在复合受压和剪切应力作用下的加载机制。

破坏机制讨论

在复合受压-剪切载荷下，NSC、UHPC和NSC-UHPC的剪切强度随正应力增加而增加，尽管增加速率逐渐减小。为了进一步分析这一现象背后的机制，本研究为三种类型的混凝土建立了加载模型，如图17所示。对于NSC和UHPC，剪切强度随正应力的增加而逐渐增加。这是因为剪切面断裂后粗糙表面引起的接触摩擦力

结论

本研究对NSC、UHPC和NSC-UHPC试件进行了受压-剪切试验，并对NSC-UHPC情况进行了数值模拟，以研究UHPC-NSC界面的受压-剪切粘结性能。通过比较分析，可以得出以下结论：

1.

明确了NSC、UHPC和NSC-UHPC在复合受压-剪切载荷下的破坏模式。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

作者贡献声明

杨琦：写作——审阅与编辑、监督、资源提供。郭兆远：写作——审阅与编辑、资源提供、概念构思。沈林松：写作——初稿撰写、可视化、方法论研究、数据分析、形式分析。余振鹏：资源提供、方法论研究、概念构思。陈照辉：写作——审阅与编辑、方法论研究、概念构思。岳子怡：写作——初稿撰写、数据分析。徐苏：数据分析、形式分析

数据可用性声明

支持本研究结果的数据可向相应作者索取。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了江苏省的青年精英科学家资助计划（JSTJ-2024-086）的支持。