工程地质聚合物复合材料与普通混凝土粘结界面抗剪性能试验

Experiment investigation of interface shear properties between engineering geopolymer composites and concrete

摘要

为了开展工程地质聚合物复合材料（EGC）加固增强既有混凝土构件的应用研究，以混凝土为基体、以EGC为覆盖层，设定二者粘结界面为凿削与刻槽两种形式、且每种形式设定了不同参数水平，完成了EGC与混凝土粘结界面的直剪性能试验研究。根据试验数据可以看出：随着界面粗糙度的增加，界面抗剪强度也在增加，虽然在受剪极限状态下，粘结界面均因抗剪强度较低而发生EGC受剪破坏，但不同界面呈现出不同破坏形式。此外，研究结果显示：试件的荷载-位移曲线有一定相似，均存在上升曲线和下降曲线，界面粗糙度较高的试件达到极限荷载后，下降曲线更为平缓。基于试验结果，利用非线性拟合的方法建立了EGC与既有NC界面抗剪强度计算公式，与试验结果吻合良好。依据试验剪切荷载-位移曲线和纤维增强混凝土抗剪韧性评价方法对NC-EGC粘结试件开展了剪切韧性评价，结果显示：其峰值荷载前韧性可达C60混凝土对照组的139%、234%，表现出EGC具有良好的增韧能力。

Abstract

To investigate the application of engineering geopolymer composites （EGC） in strengthening existing concrete components， a study was conducted using concrete as the substrate and EGC as the overlay. Two types of bonding interface treatments， chiseling and grooving， were employed， with various parameter levels specified for each treatment. Direct shear tests were performed to evaluate the bonding interface performance between EGC and concrete. According to the experimental data， it can be observed that as the interface roughness increases， the interface shear strength also increases. Although all bonded interfaces ultimately fail in EGC shear failure under ultimate shear states， different interface configurations exhibit distinct failure modes. The study further revealed that the load-displacement curves of the specimens exhibited similarities， characterized by ascending and descending segments. Specimens with higher interface roughness displayed a gentler descending curve after reaching the ultimate load. Using the experimental data， a nonlinear fitting method was employed to develop a shear strength calculation formula for the NC-EGC interface， which aligned well with the experimental results. Furthermore， the shear toughness of the NC-EGC bonding specimens was assessed through shear load-displacement curve analysis and a toughness evaluation approach tailored for fiber-reinforced concrete. The results showed that the toughness prior to the peak load was 139% and 234% of the C60 concrete control group， demonstrating the outstanding toughening ability of EGC.

Graphical abstract

关键词

结构工程 / 工程地质聚合物复合材料 / 抗剪强度 / 刻槽界面 / 凿削界面

Key words

structural engineering / engineering geopolymer composites / shear strength / grooved interface / chiseled interface

0 引 言

工程地质聚合物复合材料（Engineering geopolymer composites，EGC）是一种由地质聚合物和高性能合成纤维复合而成的绿色材料^［1⁃3］。由于其原料为粉煤灰、矿渣等高硅高铝的工业固废，可以使碳排放量减少50%~80%^［4⁃6］，通过与碱性激发剂进行缩聚反应来制备。EGC具有与混凝土相当甚至更为优秀的力学性能和耐久性能，在轴心受拉作用下，其平均裂缝宽度可维持在101 \mathrm{\mu }\mathrm{m}，极限抗拉强度和应变分别达到6.8 MPa、13.7%^［7，8］。

目前我国存在大量老旧建筑，部分建筑由于各种原因，存在一定安全隐患，亟需对这类工程结构进行加固补强。EGC的密度相比普通混凝土（Normal concrete，NC）减少20%以上^［9］，质量更轻，同时EGC与普通混凝土之间有较高的相容性^［10-11］，使用EGC替代传统水泥基材料对既有结构进行修复和加固，不仅可以利用EGC优良的力学性能增强既有结构承载力、提高耐久性，还能够减少碳排放，降低环境污染。若采用EGC材料对既有混凝土结构进行加固修复，则需要对EGC与混凝土粘结界面的受力机理开展深入研究。

剪切滑移破坏是粘结界面破坏的主要形式之一，目前已有学者开展了EGC与混凝土界面抗剪性能的研究。Li等^［12］通过直剪试验发现，随着基材NC强度的降低、界面粗糙度和EGC抗拉应变的增加，抗剪强度有增大的趋势。Wang等^［13］通过直剪试验，发现PVA纤维增强EGC的抗剪强度随FA掺量的增大而增大，而PE纤维增强EGC的抗剪强度与FA掺量无明显关系。Lei等^［14］发现随着FRP增强地聚合物砂浆厚度的增加，其与混凝土界面极限荷载先增大后减小。Hashemi等^［15］发现在纳米二氧化硅及PP纤维的掺量在1%和0.3%时，EGC和混凝土基材粘结界面在腐蚀性环境中的抗剪强度最优。综合现有研究成果可以发现：目前对EGC与NC粘结界面剪切性能和界面剪切粘结机理的研究还很有限，有些研究结论还不能统一，而且研究过程中更注重于EGC材料配合比的变化对粘结界面剪切性能的影响，对粘结界面类型的考虑较为欠缺。

针对当前研究空白，本文以NC为基体，EGC为覆盖层，选取凿削和刻槽两种类型为研究参数，对二者粘结界面的剪切性能进行研究。当前抗剪试验方法有斜剪和直剪两种方法，斜剪试验中，粘结界面处的法向压应力会对粘结性能有增强效果，导致实际剪切强度预测过高，而直剪试验仅对粘结界面施加方向相反的平行剪应力，虽然在覆盖层-基底界面处很少出现纯面内剪应力，但它为混合模态加载条件提供了基准，因此本试验方法采用了直剪法。期间通过试验获得的剪切-位移曲线、抗剪强度及剪切韧性来评估界面的抗剪性能，并建立了EGC与既有NC界面抗剪强度计算公式。

1 试验概况

1.1　试验材料及制备方法

混凝土强度等级为C60，采用P·O42.5普通硅酸盐水泥、细度模数为2.31的河砂、5~20 mm连续级配的碎石以及聚羧酸高效减水剂来制备，配合比如下：水、水泥、砂、碎石、减水剂分别为162、450、670、1 180、2.36 kg/m³。参考《混凝土物理力学性能试验方法标准》GB/T 50081-2019^［16］进行抗压强度测试，测得28 d平均抗压强度为66.2 MPa。

EGC主要组成成分为粒化高炉矿渣、粉煤灰和普通河砂，以NaOH、Na₂SiO₃溶液作为碱激发剂并掺入PE纤维，其配合比如下矿渣、粉煤灰、河砂、水、NaOH、硅酸钠、PE纤维分别为：862、215、215、193、92、420、20 kg/m³。其中，高炉矿渣（来自中国谭讯新材料有限公司）和粉煤灰（来自中国铂润铸造材料有限公司）作为胶凝材料，其氧化物组成见表1；PE纤维（来自浙江千禧龙纤特种纤维股份有限公司）的性能参数如下：长度为12 mm，直径为25 μm，密度为0.97 g/cm³，弹性模量为105 GPa，伸长率为3.5%，抗拉强度为2 850 MPa。骨料为最大粒径1 mm的普通河砂，碱性激发剂则由99%纯度的氢氧化钠固体溶解于水后与硅酸钠溶液混合而成，硅酸钠溶液主要成分如下：模数为3.3，波美度为38.5，Na₂O为8.75，SiO₂为28.75，透明度≥85。

制作时首先将片状氢氧化钠溶于水后自然冷却至室温，再加入硅酸钠溶液充分混合均匀，静置备用。将矿渣、粉煤灰与河砂放入搅拌机中搅拌2 min，然后加入碱性激发剂继续搅拌2 min，形成流动性良好的浆体，再加入人工分散好的PE纤维搅拌5 min，最后将EGC倒入50 mm×50 mm×50 mm的模具并振捣密实。将试件密封，并根据养护条件的不同制作了两种强度的EGC，分别记作E₁、E₂，其中E₁在室温环境下固化24 h后放入养护室养护28 d，而E₂在养护之前需放入烘箱中，在80 ℃高温下固化2 h。按照ASTM C109^［17］抗压强度试验方法，测得E₁、E₂的28 d平均抗压强度分别为53.4 MPa、87.8 MPa。

1.2　试件设计

试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，以E₁、E₂两种强度的EGC作为覆盖层，混凝土为基体，基体和覆盖层的外部尺寸均为100 mm×100 mm×50 mm，如图1所示。在基体界面设置两种粘结方式：凿削界面和刻槽界面。其中，凿削界面设计了4种粗糙度，分别为0、0.6、1.2和2.0 mm，粗糙度由灌砂法^［18］确定，计算方法如式（1）所示，粗糙度界面如图2所示。

\mathrm{粗糙}\mathrm{度}=\frac{m_{\mathrm{砂}}}{A{\rho }_{\mathrm{砂}}}（1）

式中：m_{\mathrm{砂}}为填充凿削界面与表面平齐所用砂的质量；A为界面截面面积（100 mm×100 mm）；{\rho }_{\mathrm{砂}}为填充凿削界面与表面平齐所用砂的密度（1.464 g/cm³）。

考虑到刻槽界面参数的变化会对界面的抗剪性能产生一定的影响，为了使界面发生EGC键槽受剪破坏以充分发挥EGC的高韧性的优势，试验中将刻槽宽度取为10 mm，刻槽深度取6 mm，以保证其不小于所用PE纤维长度的一半。键槽截面积与粘结界面面积百分比分别为20%、30%，如图3所示。

综上所述，以EGC强度、界面类型等变量为主体，并引入材料自身粘结的对照组，共设计了14组、每组制备3个、共计42个剪切试件，如表2所示。表2中试件编号的第一个字母表示界面类型，其中F、L、H、UH分别表示凿削界面粗糙度为0、0.6、1.2、2.0 mm四种情况，T₂代表刻槽界面，前面的数字20、30表示键槽面积占比。试验编号中的第2个字母和第3个字母分别代表基体所用材料和覆盖层所用材料，N代表混凝土，E₁、E₂代表两种强度的EGC。

1.3　试件制备

试件制备流程如图4所示。首先在模具中浇筑基体材料，对于凿削界面，待基体材料硬化后对界面进行不同粗糙度的凿削处理；对于刻槽界面，浇筑基体材料之前，按照设计位置在模具底部固定好100 mm×10 mm×6 mm的钢条，通过挤压后将钢条抽出形成刻槽，基体浇筑完成后放入养护室养护28 d。进行覆盖层材料浇筑之前，界面应维持水饱和状态，防止基体从覆盖层中吸水，从而影响界面粘结性能，覆盖层浇筑后将试件整体放在振动台上振捣密实，试件拆模后放入养护室养护28 d。

1.4　试验方法

1.4.1　EGC拉伸强度试验

按照日本土木工程师学会（JSCE）^［19］建议方法，每种类型的EGC均制备一组、每组3个哑铃型试件用于单轴拉伸试验。采用WDW-100型电子万能试验机进行试验，加载速率为0.3 mm/min；在试件的加载平行方向安装两个位移传感器（YHD-50）以记录试件的轴向变形，哑铃型试件尺寸、加载装置如图5所示，EGC抗拉强度按式（2）计算：

{\tau }_t=\frac{F_t}{A}（2）

式中：{\tau }_t为EGC实测抗拉强度；F_t为实测拉力值；A为受拉区横截面面积。

1.4.2　单面剪切试验

将试件放入预先设计制作好的Z型夹具中，采用WDW-100型万能试验机对其进行加载，加载过程由位移控制，加载速率为0.2 mm/min^{［20，21］}，如图6所示。

加载过程中的位移和荷载均由试验机自动采集系统进行实时采集，根据实测数据可得到抗剪强度，按式（3）计算：

{\tau }_{\mathrm{p}}=\frac{F_{\mathrm{p}}}{A}（3）

式中：{\tau }_{\mathrm{p}}为界面极限抗剪强度；F_{\mathrm{p}}为实测最大剪切荷载。

2 试验结果与现象

2.1　EGC材料拉伸性能

E₁、E₂的轴心抗拉试件在荷载作用下的多裂缝开裂特征如图7所示，实测的拉伸应力-应变曲线如图8所示。

由试验结果可以看出，EGC的极限拉应变均大于3%，最高可达12%，其极限抗拉强度均高于初始开裂强度，说明该材料具有应变硬化特征和多缝开裂特性。强度等级E₁的EGC实测开裂强度为1.96 MPa，极限抗拉强度为3.15 MPa，极限拉应变为3.5%；强度等级E₂的EGC实测开裂强度为1.89 MPa，极限抗拉强度为3.54 MPa，极限拉应变达到9.5%以上。C60混凝土的轴心抗拉强度在3.5 MPa左右^［22］，极限拉应变不超过0.01%，可以看出EGC有着与C60高强混凝土相当的极限抗拉强度，以及远大于C60的拉伸应变。

2.2　界面粘结破坏模式

试验过程中，不同粘结界面呈现出不一样的破坏形态。当基体和覆盖层均为NC时，试件H-N-N达到极限荷载P_{\mathrm{u}}后，粘结界面立即开裂、脱离接触并伴随明显声响，如图9（a）所示。

当基体和覆盖层均为EGC时，试件H-E₁-E₁达到极限荷载后，同样发生粘结界面开裂，但由于EGC中的PE纤维在粘结界面处起到的桥接作用，使开裂后基体与覆盖层并未完全脱离，破坏后的界面如图9（b）所示。

当粘结界面为凿削界面时，由于EGC覆盖层填充在NC凹处、两种材料交错咬合，在剪力作用下，EGC因自身剪切强度不足而发生受剪破坏，但其中的PE纤维发挥桥接作用，使界面破坏时两种材料并未脱离，且粗糙度越大，两种材料粘结面积就越大，破坏时粘贴于基体NC表面的PE纤维数量就越多，PE纤维参与桥接作用就越大，如图9（c）所示。

当粘结界面为键槽界面时，在剪切荷载作用下，由于混凝土抗剪强度高于EGC抗剪强度，导致凸起的EGC键槽发生受剪破坏，而基体混凝土表现完好，如图9（d）所示。

各试件破坏模式、抗剪强度实测值等试验实测数据见表3所示。

3 试验结果分析

3.1　荷载-位移曲线

图10（a）~10（d）给出了各组试件实测的界面荷载⁃位移曲线。对于H-N-N试件，由于其界面的基体与覆盖层均为普通混凝土，界面粘结力主要由化学胶着力构成，荷载作用下界面发生相对滑移后，化学胶着力消失后随即界面作用力消失，因此其实测荷载⁃位移曲线只存在上升段而没有下降曲线，如图10（a）所示。而与其相对应的H-E₁-E₁试件以及其他由EGC和混凝土构成的粘结界面，其荷载⁃位移曲线则由上升曲线和下降曲线构成。分析其荷载⁃曲线特征，可以得到以下规律：

首先，对于凿削界面，随着界面粗糙度的增大，实测极限剪切荷载增大。

其次，在曲线上升到第一个峰值后会出现一个小的下降段，此时较大的界面粗糙度可以使荷载⁃位移曲线进一步上升，直至达到第二个峰值剪切荷载。这是由于在剪切荷载作用下，随着荷载增加，位移增大，试件端部出现应力集中而出现裂缝，覆盖层与基体间的粘结作用消失，剪切荷载出现降低，但之后骨料咬合作用提供了一部分剪切荷载，另一部分则是EGC中的PE纤维发挥的桥接作用，使界面能够继续承受剪切荷载直至裂缝贯穿整个界面，荷载达到峰值。

第三，由曲线的下降段可以看出，凿削界面粗糙度越大，下降段越平缓，说明凸凹不平的界面更好地提供了咬合作用，且随着粗糙度的增加，有数量更多的PE纤维发挥桥接作用。

最后，从荷载-位移曲线可以看出，即使NC-EGC界面破坏并产生较大位移，二者仍有残余应力存在，这是PE纤维的桥接所提供的残余剪切强度。

凿削和刻槽试件破坏后的纤维桥接作用如图11所示。

3.2　界面类型对界面抗剪强度的影响

图12给出了不同界面类型对试件抗剪强度的影响。N-E凿削界面抗剪强度随界面粗糙度的增大而增大。当EGC强度为E₁时，界面粗糙度水平为F、L、H、UH的实测抗剪强度分别为1.40、1.55、1.89、2.42 MPa。EGC强度为E₂时，界面粗糙度水平为F、L、H、UH的实测抗剪强度分别为2.06、2.43、2.74、3.44 MPa。可以看出：界面抗剪强度与界面粗糙度和EGC强度呈正相关。原因在于，随着界面粗糙度增加，EGC与混凝土粘结面积增大，使界面胶着力增加、嵌入基体参与抗剪的EGC截面积增大，从而提高了界面抗剪承载力。而利用式（3）计算剪切强度时，A的取值为试样截面积，未考虑界面类型，因此随着剪切力的增加，界面剪切强度增大。

刻槽试件的抗剪强度随刻槽面积的增大而增大。20T₂-N-E₁和30T₂-N-E₁试件的界面实测抗剪强度分别为2.09 MPa、2.76 MPa，20T₂-N-E₂和30T₂-N-E₂界面实测界面抗剪强度分别为2.94 MPa、3.95 MPa，这是由于随着刻槽面积的增大，参与界面受剪的EGC截面积增大，从而增大了界面抗剪承载力，按照前述理论，由式（3）计算得到的抗剪强度得以增大。

3.3　EGC强度对界面抗剪强度的影响

由图12还可发现，在相同的界面类型下，随着EGC强度的提高，界面实测抗剪强度也相应提高。这是由于试件均发生EGC受剪破坏，EGC抗剪强度与抗压强度呈正相关，因此随着EGC强度的增大，提高了界面抗剪承载力，进而提高了界面抗剪强度，平均提升幅度为42%。

4 界面抗剪强度计算经验公式

为了能够建立起NC-EGC粘结界面抗剪强度计算公式以用于工程实践的指导，参考欧洲Eurocode2标准^［23］和国际混凝土联合会所制定的fib—2010标准^［24］中对于界面剪切强度的公式并结合本试验方法，首先将两种粘结界面统一用凿削界面的粗糙度来表示，通过式（4）将刻槽界面转化为粗糙度值为h_x的凿削界面^［25］：

h_x=\frac{n\mathrm{\Delta }x\mathrm{\Delta }h}{bh}（4）

式中：h_x为等效界面粗糙度；n为刻槽个数；\mathrm{\Delta }x为槽的宽度；\mathrm{\Delta }h为槽的深度；b和h分别为粘结界面的宽度和高度。

经计算，得到界面为20T₂、30T₂的粗糙度值分别为1.2 mm和1.8 mm。

考虑到所有试件界面破坏均是由于EGC抗剪强度不足引起，因此界面的极限抗剪强度主要取决于界面处的粘结力和EGC的强度，选择与界面粗糙度相关的界面粘聚系数c和EGC抗压强度f_{\mathrm{c}\mathrm{u}}作为公式中的变量，建立式（5）的抗剪强度计算公式：

{\tau }_{\mathrm{u}}=\alpha c{f}_{\mathrm{c}\mathrm{u}}（5）

式中：{\tau }_{\mathrm{u}}为界面极限抗剪强度；\alpha为与界面类型相关的修正系数；c是与界面粗糙度相关的界面粘聚系数。

c=a{\mathrm{e}}^{bx}+d（6）

式中：x为界面粗糙度；a、b、d为由试验数据进行拟合。

依据E₁、E₂两种强度EGC的凿削试件实测抗剪强度和式（5）（6），拟合出对应的参数a、b、d，结果如表4所示。其中，试验值为各组抗剪强度实测值，计算值由拟合公式计算得到，R^{\mathrm{2}}是拟合曲线的相关系数，两组拟合曲线中R^{\mathrm{2}}均达到0.98以上，说明文中建立的拟合公式的计算结果和试验实测结果吻合较好，如图13所示。

对于刻槽试件，发现其试验值大于由转化粗糙度代入拟合公式所得到的计算值，这是因为凿削界面的形成具有随机性，填充深度较浅的部位，EGC难以完全发挥材料咬合作用，而刻槽界面较为规整，EGC键槽可提供稳定的抗剪承载力，材料的利用率更高，针对这一状况，引入系数\alpha对刻槽界面计算值进行修正，分别对20T₂、30T₂界面偏小的计算值和试验值进行线性拟合，得到20T₂、30T₂界面的修正系数为1.08和1.21，修正后所有试件的计算值与试验值之比如表4所示，误差均在\pm4%以内。

将拟合出的参数代入到式（5）（6）中可以得到抗剪强度计算公式。当EGC分别为53.4、87.8 MPa时，公式如下：

{\tau }_{\mathrm{u}}=\mathrm{53.4}\alpha (\mathrm{0.009}\mathrm{25}{\mathrm{e}}^{\mathrm{0.566}\mathrm{49}x}+\mathrm{0.166}\mathrm{69})（7）

{\tau }_{\mathrm{u}}=\mathrm{87.8}\alpha (\mathrm{0.014}\mathrm{69}{\mathrm{e}}^{\mathrm{0.359}\mathrm{24}x}+\mathrm{0.008}\mathrm{97})（8）

式中：\alpha在凿削界面、20T₂界面、30T₂界面中分别取1.0、1.08、1.21。

需要说明的是，由于样本数量及研究参数的限制，式（7）（8）是在两种EGC强度的基础上建立起来的，尚有一定的局限性。

5 试件剪切韧性评价结果

5.1　剪切韧性评价方法

材料韧性指标是用来定量描述材料强度和变形能力的一个综合指标，反映了材料的耗能能力和耐损伤能力。EGC具有强度高、韧性好的特点，与混凝土粘结界面的优势体现在峰值荷载前、后两个阶段，峰值荷载前提高了峰值抗剪强度、位移和韧性，峰值荷载后的高残余荷载以及出色的变形能力。基于试验剪切荷载-位移曲线和纤维增强混凝土剪切韧性评价方法^{［26，27］}，将等效初始抗剪强度f_{\mathrm{e}\mathrm{q}}、峰值剪切应变{\gamma }_{\mathrm{p}}和初始能量密度T_{\mathrm{p}}作为峰前载荷的韧性评价指标。其中，等效初始抗剪强度f_{\mathrm{e}\mathrm{q}}计算公式如（9）所示：

f_{\mathrm{e}\mathrm{q}}=\frac{{\Omega }_{\mathrm{p}}}{bh{\delta }_{\mathrm{p}}}（9）

式中：f_{\mathrm{e}\mathrm{q}}为峰值荷载前试件平均荷载水平；{\Omega }_{\mathrm{p}}为峰值荷载前荷载-位移曲线下的面积，即图14中OABCO所围区域；b和h分别为粘结界面的宽度和高度，mm；{\delta }_{\mathrm{p}}为剪切变形曲线峰值荷载处的位移，mm。

峰值剪切应变{\gamma }_{\mathrm{p}}计算式如（10）所示：

{\gamma }_{\mathrm{p}}=\frac{{\delta }_p}{h}（10）

初始能量密度T_{\mathrm{p}}计算公式如（11）所示：

T_{\mathrm{p}}={\int }_{\mathrm{0}}^{{\gamma }_p}\tau (\gamma )d\gamma ={\int }_{\mathrm{0}}^{(\frac{{\delta }_{\mathrm{p}}}{h})}\frac{P(\delta )}{bh}\mathrm{d}\left(\frac{\delta }{h}\right)=

\frac{{\Omega }_{\mathrm{p}}}{b{h}^{\mathrm{2}}}=\frac{{\Omega }_{\mathrm{p}}}{bh{\delta }_{\mathrm{p}}}\frac{{\delta }_{\mathrm{p}}}{h}=f_{\mathrm{e}\mathrm{q}}{\gamma }_{\mathrm{p}}（11）

式中：T_{\mathrm{p}}为抗剪强度和变形能力的综合指标，反映了峰值荷载前的能量吸收能力，可以评价EGC与NC界面的剪切韧性；\tau (\gamma )为由荷载⁃位移曲线计算得到的应力⁃应变曲线。

采用试件等效残余抗剪强度f_{\mathrm{p},k}和残余剪切韧性比值R_{\mathrm{p},k}作为峰值后韧性评价指标，表征峰值后试件的残余承载能力，计算公式如（12）（13）所示：

f_{\mathrm{p},k}=\frac{{\Omega }_{\mathrm{p},k}}{bh({\delta }_{\mathrm{p},k}-{\delta }_{\mathrm{p}})}（12）

R_{\mathrm{p},k}=\frac{f_{\mathrm{p},k}}{f_{\mathrm{p}}}（13）

式中：{\Omega }_{\mathrm{p},k}为{\delta }_{\mathrm{p}}到{\delta }_{\mathrm{p},k}的荷载-位移曲线对应区间下的面积，为了更好地评价峰值后试件的韧性，将k分为3个等级，取峰值滑移{\delta }_{\mathrm{p}}的k倍（可取1.5、2.5、4.0），即{\delta }_{\mathrm{p},k}，{\Omega }_{\mathrm{p},\mathrm{1.5}}、{\Omega }_{\mathrm{p},\mathrm{2.5}}和{\Omega }_{\mathrm{p},\mathrm{4.0}}分别对应图14中CBDE、CBFG和CBHI包围的区域；f_{\mathrm{p}}为抗剪强度。

5.2　试件剪切韧性评价结果

根据各试件组的荷载-位移曲线和式（9）~（13）计算了对应的剪切韧性参数，如表5所示。可以发现，虽然H-E₁-E₁的等效初始抗剪强度f_{\mathrm{e}\mathrm{q}}小于H-N-N，但峰值剪切应变{\gamma }_{\mathrm{p}}更大，使其初始能量密度T_{\mathrm{p}}反超C60高强混凝土。

随着凿削粗糙度、EGC强度、刻槽面积的增大，N-E试件的f_{\mathrm{e}\mathrm{q}}、{\gamma }_{\mathrm{p}}、T_{\mathrm{p}}均增大，其中UH-N-E₂和30T₂-N-E₂的T_{\mathrm{p}}值相较于H⁃N⁃N分别提高了39%和134%。

EGC可以有效提高其与混凝土基材粘结界面的残余承载能力，其中等效残余抗剪强度f_{\mathrm{p},k}与凿削粗糙度、EGC强度、刻槽面积成正相关。在UH粗糙度以及刻槽界面下，界面相对滑移达到峰值滑移的1.5倍、2.5倍及4倍时，其f_{\mathrm{p},k}至少可达到自身抗剪强度的73%、50%、36%。

综上所述，对粘结界面采用高粗糙度和刻槽的方法，可以显著提高界面的等效抗剪强度，并增强界面的剪切韧性。

6 结 论

（1）EGC覆盖层与基体NC之间有较好的相容性。PE纤维发挥的桥接作用使NC-EGC界面达到峰值荷载后仍具有优秀的残余承载力和变形能力。

（2）NC-EGC界面的抗剪强度随着EGC强度、界面粗糙度和刻槽面积的增大而增大。较大的粗糙度和刻槽面积可使界面抗剪强度达到3.44 MPa和3.95 MPa，分别为C60新老混凝土常用粘结界面抗剪强度的96%和110%。

（3）基于试验数据，在既有规范界面抗剪强度计算公式之上，引入EGC抗压强度和界面类型相关系数，通过拟合得出具体参数，进而建立NC-EGC界面抗剪承载力计算公式，并与本文试验数据进行对比，计算结果较为准确，误差在\pm4%以内。

（4）通过对各组试件进行剪切韧性评价，发现界面粗糙度、刻槽面积及EGC强度与界面的剪切韧性成正相关，采用较大的粗糙度和刻槽面积可以有效增强界面的剪切韧性，其峰值前剪切韧性为C60新老混凝土常用粘结界面的139%和234%，同时在大变形下拥有良好的峰值后剪切韧性。

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基金资助

中央高校基本科研业务费创新团队与重大项目培育资金项目(2572016EBC1)

黑龙江省省属本科高校基本科研业务费项目(135509214)