輕型組合橋面超薄磨耗層層間黏結性能研究

李 嘉，袁 鵬，黃 聰

(1.湖南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410000；2.風工程與橋梁工程湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410000)

0 引言

超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete，簡稱：UHPC)是當今最先進的水泥基材料。基于UHPC超強的力學性能及優異耐久性，邵旭東等研發出超高性能輕型組合橋面結構體系，即“鋼面板-(45～60 mm)UHPC-(6～40 mm)磨耗層”[1-3]。其中UHPC與鋼面板形成組合結構，共同分擔荷載，大幅提升橋面剛度，同時解決鋼橋面疲勞開裂和鋪裝層易損壞兩大難題[4]。對于特大跨徑橋梁而言，必須盡可能減輕上部結構自重，輕型組合橋面體系中，UHPC為永久結構層，若采用25～40 mm瀝青磨耗層，鋼面板以上總厚度超過70 mm，難以滿足特大跨徑鋼橋控制恒載重量的要求。

近年來，國內外學者對樹脂瀝青鋪面、薄層聚合物罩面開展了一系列研究：Yang、 Chen等[5-6]對改性環氧瀝青進行性能研究，發現改性環氧瀝青具有出色的黏結性、抗裂性、抗沖擊性以及對集料的黏附性和水穩定性。黃衛等[7]提出以環氧瀝青混合料作為鋼橋面鋪裝材料，進行馬歇爾穩定度、高溫穩定性能、低溫抗彎拉強度和疲勞強度等試驗研究，表明環氧瀝青混合料性能明顯優于其他瀝青類材料。近年來我國很多大跨徑橋梁開始使用冷拌樹脂瀝青技術，交通運輸部于2017年頒布《鋼橋面鋪裝冷拌樹脂瀝青》(JT/T 1131—2017)技術規范[8]，提出ERS(EBCL防水黏結層+RA05樹脂瀝青混凝土+SMA-13瀝青混凝土)樹脂瀝青組合體系。Kim等[9]評估環氧樹脂類磨耗層強度特性，開展抗壓強度、彎曲強度、黏結強度研究。吳迪等[10]對聚合物薄層鋪裝材料進行層間黏結性能試驗研究，得出聚合物鋪裝層層間拉拔強度、剪切強度隨著環境溫度的上升而下降，但仍遠高于瀝青混合料鋪裝材料。李尋、方星[11-12]等對聚合物樹脂鋪裝材料進行加速加載試驗，結果表明聚合物樹脂鋪裝層經受反復的車輪荷載作用后沒有出現脫層破壞，且面層集料結合緊密。 Sprinkel等[13-15]論述了聚合物樹脂類材料用于橋面鋪裝的優越性，認為聚合物薄層鋪裝材料能長期保持良好的抗滑性能、阻止鹽分侵蝕，是良好的橋面鋪面材料。目前國內外研究主要集中在鋪面材料性能、路用性能、施工工藝、與普通混凝土或鋼板黏結性能等方面。

本研究擬針對UHPC上覆(7～10) mm超薄磨耗層開展研究。由于鋼橋面專用的UHPC組分內不包含粗骨料，成型后表面致密光滑，宏觀紋理不足；另一方面，超薄磨耗層與水泥基下承層層間應力較大[16]。因此對于UHPC-超薄磨耗層復合結構，層間黏結性能需要重點關注。擬選取兩類鋪面材料：樹脂瀝青罩面(Epoxy Bonding Chips Layer,簡稱EBCL)和薄層聚合物罩面(Thin Polymer Overlay, 簡稱TPO)，開展層間黏結性能研究，以拉拔強度、剪切強度和剪切模量等指標綜合評價超薄磨耗層層間力學性能；模擬不利自然環境，探討高溫、紫外線光照、凍融循環條件下復合鋪面結構層間力學性能的劣化規律；基于實橋仿真分析，評價UHPC-EBCL和UHPC-TPO層間黏結性能，分析兩類鋪面材料用于輕型組合橋面結構的工程適應性。

1 界面黏結性能評價

評價結構層界面黏結性能通常采用強度指標，如拉拔強度和剪切強度等[17-18]。然而強度指標僅代表復合試件達到極限破壞狀態時的最大強度，從使用功能分析，如果結構層之間發生較大的剪切變形推移，即可視為界面破壞失效。因此，本研究擬增加剪切模量來反映剪切過程中黏結材料抵抗剪切應變的能力，以便更全面地評價結構層間黏結狀態。

1.1 拉拔強度

以拉拔強度表征超薄磨耗層的抗掀起能力：

(1)

式中,σl,max為最不利行車荷載作用下產生的層間最大拉應力；[σl]d為層間拉拔強度設計值；σs為試驗實測的層間拉拔強度；Ks為抗拉強度系數。

1.2 剪切強度

在行車荷載作用下，橋面同時承受垂直荷載和水平荷載的作用，因此以斜剪強度評價層間黏結性能符合層間實際受力情況[19]：

(2)

式中,τmax為最不利行車荷載作用下產生的層間最大剪應力；[τ]R為層間剪切強度設計值；τs為試驗實測的層間抗剪強度；Kr為抗剪強度系數。

1.3 剪切模量

參照Goodman模型[20]，引入剪切模量E衡量結構層層間結合狀況。Goodman模型中，若上下鋪裝層發生相對水平位移Δu，則層間界面的剪應力為：

τ=E·u,

(3)

式中,E為層間剪切模量。

由式(3)可知層間剪切模量E的物理意義：當上下鋪裝層發生單位相對位移時，界面處的剪應力即為層間剪切模量。以剪切模量E來評價層間黏結狀態：顯然當E值越大，表明層間黏結性能越好，層間越趨于完全連續；若E值越小，表明層間黏結性能越差，層間越趨于滑動。

2 試驗設計

2.1 原材料

UHPC基體材料配合比見表1，按體積比3.5%摻入兩類鋼纖維，鋼纖維類型及參數見表2。

表1 UHPC基材配合比Tab.1 Composition ratio of UHPC matrix

表2 鋼纖維類型及參數Tab.2 Steel fiber types and parameters

磨耗層之一TPO采用聚氨酯改性環氧樹脂Mark-165，它由A,B兩組分別按質量比3∶1混合組成，固化后技術指標見表3。

表3 TPO改性環氧樹脂技術指標Tab.3 Technical indicators of TPO modified epoxy resin

另一種磨耗層EBCL采用樹脂瀝青，由A,B兩組分按質量比1∶1混合配制組成，固化后技術指標見表4。

表4 EBCL樹脂瀝青技術指標Tab.4 Technical indicators of EBCL resin asphalt

2.2 試件制備

澆筑尺寸為300 mm×300 mm×30 mm UHPC試板，自然環境下養護48 h后，再進行蒸汽養護48 h。養護完成后對UHPC表面拋丸處理，控制構造深度在0.5～0.55 TD/mm之間，拋丸完成的UHPC板清潔干燥后備用。

在干凈、干燥的UHPC基板上采用撒布法鋪筑磨耗層，厚度約8～10 mm。EBCL鋪筑過程如圖1所示。

圖1 EBCL鋪裝過程Fig.1 EBCL paving process

EBCL和TPO自然養護固化后，將試板切割為90 mm×90 mm×40 mm的小試件用于斜剪試驗，切割成70 mm×70 mm×40 mm的小試件用于拉拔試驗。

2.3 試驗方案

開展EBCL-UHPC和TPO-UHPC兩類復合試件界面黏結性能試驗，測試3種不利自然環境循環作用下的剩余強度等，具體試驗內容如下：(1)在常溫、高溫條件下進行EBCL-UHPC和TPO-UHPC層間剪切試驗和拉拔試驗，探究兩類鋪面材料與UHPC層間的黏結性能；(2)模擬大跨徑橋梁受不利自然環境影響，探究復合試件受到高溫、紫外線光照和水損后層間黏結性能的劣化規律。

拉拔試驗和斜剪試驗分別參考美國標準試驗方法ASTM C1583-04[21]和ASTM C882/C882M-13[22]進行。斜剪試驗裝置采用WAW-E600C型電液伺服萬能試驗機，控制位移加載方式，設定加載速率為10 mm/min，自動記錄受剪過程不同位移對應的荷載及破壞時的峰值荷載。附著力拉拔試驗采用TJ-10型碳纖維黏結強度檢測儀，勻速緩慢轉動拉拔儀把手，記錄試件破壞時的峰值荷載。測試裝置如圖2所示。

圖2 試驗裝置Fig.2 Test devices

2.4 不利自然環境模擬

我國的大跨度鋼橋主要建修在南方，鑒于其夏季高溫、紫外線強，冬季冰凍等特點，本研究模擬高溫、光照和水損害3種惡劣的環境條件，探討不利自然因素對兩類復合構件層間黏結性能的影響。

(1)高溫環境模擬(環境1)

參考試驗規程[23]，將試件放置在85 ℃的烘箱中，在強制通風條件下持續加熱24 h，自然冷卻16 h，該過程為一次循環。試驗規程中要求瀝青混合料的高溫老化時間為5 d，大約相當于瀝青混合料路面使用5～7 a的自然老化，考慮到樹脂瀝青鋪面和聚合物混合料薄層的設計使用壽命為15～20 a左右，因此設計15次高溫老化循環。

(2)光照環境模擬(環境2)

光照老化主要原因是太陽光中的紫外光部分，即波長為300～400 nm的光可以引起聚合物的降解[24]。參考文獻[25]，將試件放入紫外線老化試驗箱中16 h，自然冷卻8 h，該過程為一次循環。共進行15次循環。

(3)水損害環境模擬(環境3)

參考試驗規程[26]，用凍融循環試驗來檢測兩類鋪面材料抵抗水損害的能力。具體方法為：將試件真空飽水后放入環境箱，冷凍溫度為(-20±1) ℃，放置16 h，然后再放入(60±0.5) ℃的恒溫水槽中保溫8 h，該過程為一次循環，共進行15次循環。

3 試驗結果與分析

3.1 拉拔強度

測試常溫和高溫條件下EBCL-UHPC、TPO-UHPC復合試件拉拔強度。試件拉拔破壞形態見圖3，試驗數據如表5所示。

圖3 拉拔破壞形態Fig.3 Failure patterns in pull-off test

圖3顯示，兩種復合試件拉拔破壞都發生在UHPC與磨耗層的交界面，說明層間是薄弱部位，應重點關注。

表5 拉拔試驗結果Tab.5 Result of pull-off test

分析表5可知：

(1)常溫(25 ℃)狀態下，EBCL-UHPC層間拉拔強度為4.39 MPa，TPO-UHPC層間拉拔強度為4.21 MPa，二者層間黏結性能接近。

(2)高溫(60 ℃)狀態下，EBCL和TPO拉拔強度分別為1.18 MPa，2.06 MPa，前者低于后者42.7%。

(3)層間拉拔強度受環境溫度影響較大，與常溫相比，60 ℃環境下，EBCL和TPO拉拔強度分別下降73.1%和51.1%，TPO表現出更好的高溫穩定性。

3.2 剪切強度

在常溫和高溫條件下，分別對兩類復合試件進行剪切試驗，試件剪切破壞形態如圖4所示，剪切荷載-位移曲線，見圖5。

圖4 剪切破壞形態Fig.4 Failure patterns in shear test

圖5 剪切荷載-位移曲線Fig.5 Curves of load-displacement in shear test

觀察圖5可知，兩類鋪面在常溫、高溫環境下的剪切荷載-位移曲線規律大致相同，呈現較為明顯的4個階段：初始階段Ⅰ、彈性階段Ⅱ、破壞階段Ⅲ、下降階段Ⅳ。加載初期，由于試件與剪切模具之間未完全密合等原因，引起系統誤差，導致初始位移值增長較快；彈性階段，剪切荷載-位移曲線基本為線性增長關系，常溫下剪切模量遠大于高溫剪切模量；隨著荷載的繼續增加，界面推移逐漸明顯，進入破壞階段，這一階段層間發生塑性變形，荷載較位移增長緩慢，直至達到極限荷載；試件破壞后，承載能力急速下降，位移值迅速加大，直至復合試件上下層分離(見圖4)。另外，從圖5可看出EBCL的高溫穩定性能要低于TPO，這是因為EBCL所用的膠結劑成分中含有瀝青，瀝青是溫敏性材料，其高溫性能要低于聚合物樹脂，因此高溫環境對EBCL的影響較大。

表6 剪切試驗結果Tab.6 Result of shear test

由圖5、表6可知：

(1)常溫(25 ℃)條件下，EBCL-UHPC復合試件層間剪切強度為10.68 MPa，略高于TPO-UHPC的10.33 MPa，二者都具有很強的抗剪能力。

(2)高溫(60 ℃)時，EBCL-UHPC和TPO-UHPC復合試件抗剪強度較常溫分別下降80.15%和68.1%，環境溫度對兩類鋪面層間抗剪性能影響顯著。

(3)復合試件EBCL-UHPC和TPO-UHPC在高溫條件下抗剪強度分別為2.12 MPa和3.43 MPa，二者均具有良好的高溫抗剪性能。

3.3 剪切模量

典型的剪切荷載-位移曲線如圖6所示。

圖6 剪切模量示意圖Fig.6 Schematic diagram of shear modulus

由于初始階段受系統誤差影響，位移離散性較大，造成初始的剪切模量E0計算精度較低。參照文獻[27]，層間剪切模量Ed定義為最大剪切強度20%和80%對應點之間連線的斜率(見圖6)：

(1)

式中，τmax為最大剪切強度；S1,S2分別為最大剪切強度20%和80%所對應的剪切位移值。

表7 剪切模量計算結果Tab.7 Calculation result of shear modulus

圖7 復合試件抗剪性能對比Fig.7 Comparison of shear performance of composite specimens

由表7、圖7可知：相比于常溫，高溫條件下EBCL層間剪切模量由2 886 N/cm3下降到1 200 N/cm3，下降幅度為58.42%，TPO層間剪切模量由2 604 N/cm3下降到1 381 N/cm3，下降幅度為46.97%，前者大于后者。高溫條件下，無論是剪切強度還是剪切模量相比于常溫均有大幅度的下降，表明溫度對兩種復合試件層間抗剪性能有顯著影響。剪切模量的下降幅度要小于抗剪強度的下降幅度，表明高溫環境下，復合試件剪切過程中抵抗剪切應變能力的下降并不由剪切強度的下降幅度所體現。

3.4 耐老化性能

將兩種復合試件在環境1、環境2、環境3下分別進行1，3，6，9，12，15次循環交替，25 ℃條件下分別進行層間剪切試驗，試驗結果見圖8。

圖8 剪切性能與循環次數的關系Fig.8 Relationships between shear performance and loading cycles

分析圖8可知：

(1)3種環境下，剪切強度與剪切模量隨著老化循環次數的增加，劣化規律表現一致，但剪切模量劣化的幅度要小于剪切強度。

(2)在環境1、環境2條件下，經過14次循環后，兩種復合試件層間剪切強度和剪切模量均達到原值的80%以上；環境3經過3次循環后，除TPO剪切強度殘留比為77%外，其他參數殘留比均在80%以上，且隨著循環次數的增加，強度趨于穩定。

(3)不同環境條件對復合試件層間剪切性能有不同的影響，不利環境影響程度順序為：凍融(環境3)>紫外線(環境2)>高溫(環境1)。

試驗結果表明：經過多次循環老化后，兩種復合試件層間殘留強度比均保持較高水平，表現出良好的耐老化性能。

4 某長江公路大橋UHPC-超薄磨耗層層間應力分析

某長江公路大橋為特大跨徑鋼箱梁懸索橋。采用一級公路設計標準，設計速度為80 km/h。主橋跨徑為(246.255+960+246.255)m，采用正交異性鋼橋面，鋼箱梁頂板寬為22 m，厚12 mm，加勁U肋厚6 mm。擬采用輕型組合橋面鋪裝方案試設計：12 mm鋼橋面-50 mmHUPC-10 mm超薄磨耗層，如圖9所示。

圖9 某長江公路大橋輕型組合橋面Fig.9 Lightweight composite deck of a Yangtze River highway bridge

4.1 有限元模型

利用SOLIDWORKS軟件建立鋼箱梁的局部梁段分析模型，該模型縱向取中跨跨中1個標準梁段(含4道橫隔板)，為降低計算規模，橫橋向采取半幅箱梁結構。鋼主梁中，鋼頂板采用實體單元SOLID45、其他部分均采用SHELL63殼單元；鋪裝層中的UHPC層和磨耗層均采用SOLID45實體單元；UHPC層與鋼箱梁頂面的連接栓釘采用彈簧單元COMBIN14，抗剪剛度為120 kN/mm；UHPC層與磨耗層層間按完全耦合連接。材料參數如表8所示。

表8 材料參數Tab.8 Material parameters

運用HYPERMESH有限元網格劃分前處理功能對幾何模型進行分網，對關注區域進行網格細分。設置模型的邊界條件：縱橋向為固結，橫橋向采用橫向對稱約束，有限元模型見圖10。最后將有限元模型導入ANSYS通用軟件加載計算。

圖10 有限元模型Fig.10 Finite element model

加載方式參照《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60—2015)[28]規定的車輛荷載，考慮鋼橋面上輪載的局部效應。豎向荷載考慮1.3的沖擊系數，水平荷載模擬車輛緊急制動，水平力系數取0.5。車輛荷載布置圖見圖11。

圖11 車輛荷載布置圖(單位：mm)Fig.11 Layout of vehicle loads (unit：mm)

加載位置：在橫橋向，布置正U肋、騎U肋和跨U肋3種加載方式，如圖12(a)所示；在縱橋向，則布置跨中加載和隔板加載兩種方式，如圖12(b)所示。探究這6種荷載組合加載下層間的應力狀態。

圖12 輪載位置(單位：mm)Fig.12 Positions of wheel loads (unit：mm)

4.2 有限元計算結果

提取6種加載荷位下層間應力計算結果，見表9。

4.3 UHPC-超薄磨耗層層間力學性能評價

復合試件層間剪切強度τs(表5)、拉拔強度σs(表6)試驗值與有限元仿真計算得到的層間界面最大剪應力τm、最大法向拉應力σm(表9)之比，分別用拉拔強度系數Ks與剪切強度系數Kr表征，見表10。

表10 復合鋪裝界面強度系數Tab.10 Strength coefficients of composite pavement interface

表10表明，在最不利荷載組合作用下，鋪裝結構EBCL-UHPC和TPO-UHPC均能滿足常溫、高溫條件下層間受力要求，且有充足的安全儲備。

5 結論

(1)TPO和EBCL作為超薄磨耗層，具有良好的層間黏結性能及耐老化性能，厚度僅為7～10mm，是作為輕型組合橋面鋪裝磨耗層的理想材料。

(2)在常溫條件下，復合試件EBCL-UHPC和TPO-UHPC二者層間黏結強度相當；高溫條件下，EBCL-UHPC層間拉拔強度下降73.1%，剪切強度下降80.15%，UHPC-TPO層間拉拔強度下降51.1%，抗剪強度下降68.1%。試驗結果表明環境溫度對層間黏結性能有顯著影響，TPO表現出更加優異的高溫穩定性能。

(3)模擬高溫、紫外線和水損害不利自然環境下的老化試驗，兩種磨耗層材料層間剪切性能皆有一定下降，但都保持較高的剩余強度；不同環境下兩種材料的劣化程度有所差異，環境因素影響排序為：水損害(環境3)>紫外線光照(環境2)>高溫(環境1)。

(4)參照Goodman模型，提出以剪切模量Ed表征復合鋪裝結構層間界面處的黏結狀態。在3種環境老化循環次數下，剪切模量與剪切強度的劣化規律基本一致，但剪切模量的劣化程度要低于剪切強度。

(5)實橋有限元分析表明：考慮最不利荷載作用，在常溫、高溫條件下，EBCL-UHPC層間抗拉拔系數分別為8.94，4.56，抗剪強度系數分別為16.58，3.30；TPO-UHPC層間抗拉拔系數分別為8.69，7.56，抗剪強度系數分別為16.29，5.49。仿真結果表明：兩種鋪面材料都能滿足層間受力要求，且有足夠的安全儲備。