偏高岭土与玄武岩碎石改性CA-UHPC湿接缝梁受弯性能及菱形接缝构型优化

《Results in Engineering》：Flexural Behavior of CA-UHPC Wet-Joint Beams: Effects of Metakaolin, Basalt Gravel, and Joint Shape Optimization

　　

偏高岭土（Metakaolin，MK）是一种固体废弃物，可替代部分水泥。粗骨料（Coarse Aggregate，CA）超高性能混凝土（Ultra-High Performance Concrete，UHPC）被用作现浇湿接缝（wet joint）材料。研究人员开展了大比例四点弯曲试验。研究了湿接缝材料与结构形式对梁受弯性能的影响。该研究可为湿接缝的设计与应用提供重要参考。

预制桥梁施工通过构件场外制造缩短工期、降低成本并提高质量控制，已成为现代土木工程发展趋势。湿接缝（Wet Joint）是预制结构关键连接部件，其材料性能和几何构型直接影响桥梁整体性能、安全与寿命。普通混凝土（Normal Concrete，NC）湿接缝体积大、配筋复杂、施工耗时，且易开裂和退化。超高性能混凝土（Ultra-High Performance Concrete，UHPC）具有优异耐久性、抗压抗弯强度、高刚度和抗裂性，可缓解NC接缝问题，且与钢筋锚固强，可缩短搭接长度。但传统UHPC材料成本高、水泥消耗大，不符合低碳可持续。研究人员采用工业固废替代部分水泥，并发展粗骨料UHPC（Coarse Aggregate UHPC，CA-UHPC）；引入粗骨料可保持或提高抗压强度和弹性模量、降低胶凝材料用量、降低成本并抑制早期水化收缩开裂。偏高岭土（Metakaolin，MK）作为辅助胶凝材料可改善微观结构和长期耐久，与玄武岩碎石等高强骨料搭配。现有MK对水泥基材料研究多集中于普通或非高强混凝土，MK改性UHPC研究多关注水化和矩形试件，CA-UHPC湿接缝应用研究有限；虽已有数值模拟和弯曲试验，可持续材料配方与不同几何接缝在弯曲荷载下的交互尚未经大比例试验充分探索。因此，开展本研究。

研究人员制备MK和玄武岩碎石CA-UHPC湿接缝连接预制NC梁段，设计五根大比例现浇湿接缝试验梁，四点静力加载，变量为湿接缝材料和接缝几何，分析破坏过程、破坏模式、荷载–挠度、荷载–应变和关键力学性能指标，并与现有抗弯强度计算理论比较。结论表明：菱形MK-CA-UHPC湿接缝抗弯最佳，极限荷载比传统矩形UHPC湿接缝梁高5.56%，成本相近。MK提高受弯和延性，极限荷载比常规UHPC湿接缝梁高3.97%，对抗裂有积极贡献；玄武岩碎石提高抗压强度和弹性模量但降低受弯，极限荷载比UHPC低8.73%；控制宏观受弯时MK化学增强比玄武岩物理骨架效应更主导。菱形几何引入机械互锁，扩大UHPC-NC接触面积，优化内力分布，降低接缝区钢筋局部应变，提高刚度、抗变形、界面粘接可靠性和整体抗弯。意义是为经济、可持续、高性能CA-UHPC湿接缝系统提供设计建议。

关键技术方法：设计五根试验梁，尺寸1400 mm×180 mm×120 mm，计算跨度1200 mm，四点弯曲；湿接缝宽度150 mm，钢筋搭接长度110 mm。变量为矩形UHPC、矩形MK-UHPC（MK 10%）、矩形CA-UHPC（玄武岩碎石粒径16～20 mm）、矩形MK-CA-UHPC和菱形MK-CA-UHPC；梁两端为NC。测试NC、UHPC、MK-UHPC、CA-UHPC、MK-CA-UHPC的立方体抗压、轴压、弹性模量、四点抗弯和抗拉性能。通过动态信号采集仪获取荷载、位移和应变，预加载后正式加载。研究不涉及临床样本队列来源。

3.1 力学性能指标：通过开裂荷载P_cr、开裂挠度λ_cr、极限荷载P_u和极限挠度λ_u定量评价。B2四项均高于B1，MK提高受弯强度和延性；B3低于B1，玄武岩骨料降低性能；B4优于B3，MK改善CA-UHPC；B5优于B4，菱形湿接缝提高结构性能。与文献相比，菱形CA-UHPC湿接缝极限荷载提高8.13%，优于自密实混凝土/UHPC湿接缝8.0%和燕尾UHPC湿接缝7.2%。低开裂阈值B3的预加载可能引发初始微损伤。

3.2 破坏过程：通过裂缝图在P_cr、80 kN、P_u下比较。开裂前弹性；P_cr时NC靠近接缝出现微裂缝；80 kN裂缝增多并向上延伸；P_u裂缝数量和宽度最大，部分贯穿。B2抗变形最好，裂缝少而窄；MK提高P_cr和P_u及延性。玄武岩碎石降低P_cr、P_u和延性，界面裂缝较多，因粗骨料降低界面平整度，影响钢纤维分布并替代部分胶凝材料，削弱基体与钢纤维粘结，降低CA-UHPC抗折拉强度。菱形B5提高P_cr、P_u和延性，因增大UHPC-NC接触面积，改善粘结。

3.3 破坏模式：MK湿接缝有利，因未完全反应MK在UHPC-NC界面继续与水泥和硅灰反应生成水化硅酸钙（Calcium Silicate Hydrate，C-S-H）等，增强界面。CA-UHPC中玄武岩骨料可能在振动下暴露接触面，影响相容性和破坏模式；MK-CA-UHPC中残余MK反应填充，裂缝少而窄。菱形优于矩形，因机械增强，裂缝主要在NC区；矩形接缝承受全部荷载F，菱形接触面力为沿界面分力和法向分力，界面力较小。MK与玄武岩碎石共同作用时湿接缝相容性最好。

3.4 荷载–挠度曲线：通过荷载–跨中挠度λ曲线，五梁经历弹性、弹塑性和刚度退化三阶段。开裂前弹性，刚度最大，线性；开裂后出现转折，刚度退化；弹塑性阶段裂缝扩展，混凝土逐渐丧失抗拉，钢筋承担拉力，挠度增加，极限荷载后曲线趋平；刚度退化阶段受拉钢筋屈服，裂缝变宽，底部混凝土剥落，刚度显著退化，极限荷载挠度最大；试验结束时曲线未水平，说明仍有特定刚度。B5斜率最大，菱形湿接缝提高钢筋屈服后刚度。

3.5 荷载–应变曲线：
3.5.1 荷载–钢筋应变分析：监测点1在UHPC侧距UHPC-NC界面30 mm，点2在NC侧距界面30 mm，点3在NC中心距界面130 mm。钢筋变形分两阶段：快速上升阶段，荷载增量大于钢筋应变增量，线性；缓慢上升阶段，应变增量大于荷载增量，非线性。B3抗弯最弱，抗弯强度仅115 kN，比B1降低8.73%；结合CA-UHPC抗压结果，玄武岩碎石虽提高抗压和弹性模量，但抗折强度大幅衰减，削弱B3抗变形。B2加10%MK抗弯更明显，因UHPC-NC界面粘结更好，承担更多弯剪应力，纵向钢筋分担减少，应变降低。B5菱形且含玄武岩和10%MK抗弯最佳，因玄武岩骨架支撑和MK粘结提高强度，分担更多弯剪应力，菱形增大接触面积，增强接缝抗折拉性能，降低纵向钢筋应变。
3.5.2 荷载–混凝土应变分析：无论拉压，NC应变大于UHPC湿接缝。同荷载下NC拉应变约为UHPC两倍，因NC弹性模量和应力–应变比低于UHPC；超过开裂荷载后NC拉应变幅值增大。菱形湿接缝UHPC拉应变幅值较矩形降低，表明开裂后仍高抗变形。压应变方面，同荷载下NC约为UHPC两倍；菱形UHPC压应变幅值显著小于矩形，因增大UHPC-NC接触面积并具机械增强，降低UHPC内部应力和应变。

4 设计方法评价：通过两种常用抗弯强度计算方法。方法一假定受拉侧拉应力均匀，可能高估UHPC抗拉影响；方法二由Qi等提出，应力线性增长分布，根据应变相容和力平衡。五梁按方法一计算M_u为29.8、30.9、27.2、29.1、31.5 kN·m；按方法二为23.2、24.1、21.1、22.6、24.5 kN·m，后者低约22%，与Qi等结果一致。线性应力变化分布法对几何优化CA-UHPC接缝抗弯强度预测更准确，菱形湿接缝和MK均促进抗弯强度。

讨论部分总结：讨论围绕MK化学增强、粗骨料界面弱化、菱形机械互锁与界面应力传递。研究人员推断，MK后期火山灰反应可能增强强度，粗骨料在骨料–基体界面过渡区（Interfacial Transition Zone，ITZ）局部弱化可能降低抗拉，菱形几何提供机械互锁、应力重分布并缓解界面滑移，从而改善界面粘接与整体受弯性能。

5 结论：采用MK和玄武岩碎石制备的菱形湿接缝试验梁抗弯最佳，极限荷载比传统矩形UHPC湿接缝梁高5.56%，成本相近。材料优化方面，研究揭示化学改性MK与物理骨料骨架增强玄武岩碎石对湿接缝行为的不同机制；加MK提高受弯，极限荷载比常规UHPC湿接缝梁高3.97%，虽极限承载力增益可能处于典型试验变异范围，但对抗裂有积极贡献；加玄武岩碎石显著提高抗压强度和弹性模量，却降低受弯，极限荷载比UHPC低8.73%。在控制复合梁宏观受弯性能方面，MK化学增强效应比玄武岩碎石物理骨架效应更主导。研究为非矩形湿接缝界面应力传递机制提供新见解：不同于仅依赖化学粘附的传统接缝，菱形几何引入显著机械互锁，扩大UHPC-NC接触面积，抑制几何不连续，优化内力分布并减小接缝区钢筋局部应变，使系统具有更好刚度和更高抗变形能力，改善界面粘接可靠性和整体抗弯。两种现行抗弯强度计算方法验证了四点弯曲试验结果可靠性，线性应力变化分布法对几何优化CA-UHPC接缝抗弯强度预测更准确，为工程实践提供验证理论基础。总体而言，MK与菱形湿接缝几何结合粗骨料，为改善预制湿接缝梁结构性能和可持续性提供有效策略，在桥梁和预制建筑应用具有前景。