寒區鋼橋面超高性能混凝土鋪裝層層間剪切強度研究

劉 幕,欒志千,徐海宏,王選倉,鐘 誠

(1.河北省高速公路延崇管理中心,河北張家口 075000;2.長安大學公路學院,陜西西安 710064)

在過去幾十年的道路建設中,中國橋梁建設以混凝土橋為主,但在瀝青混凝土橋面鋪裝過程中存在施工復雜等問題[1-2]。近年來,鋼橋技術日益成熟,且具有承載力強、美觀等優點,在道路建設中越來越受到青睞[3-5]。

研究者們主要通過室內試驗和數值模擬對橋面鋪裝進行了相關研究。竹曉華[6]采用乳化瀝青做瀝青混合料鋪裝層和鋼橋面之間的粘結層,研究得到了最佳瀝青用量和層間泥土、油污對其剪切性能的影響規律;高原等[7]針對沙漠地區的氣候特點,研究了適用于橋面鋪裝的超高性能混凝土(ultra-high performance concrete,UHPC)生產配合比;王偉偉等[8]通過離散元軟件對鋼橋面鋪裝結構進行仿真模擬,并發現了該鋪裝結構在30 ℃條件下的剪切破壞規律;王萬鵬[9]結合實際工程,通過有限元分析和室內試驗進行了UHPC和瀝青面層層間性能研究,得出提高層間剪切性能的處理方式;HUANG等[10]對粘結層環氧瀝青進行改性研究,發現改性環氧瀝青粘結層具有較好的剪切性能和抗凍融性能;侯貴等[11-13]建立了鋪裝層層間力學分析模型,對不同工況因素作用下橋面鋪裝層層間剪應力響應進行計算分析,得到鋪裝層層間最不利荷載位置。

上述研究對鋼橋面鋪裝實際工程具有重要意義,但目前對鋼橋面UHPC鋪裝層在寒冷地區的應用鮮有研究。如果瀝青面層與UHPC層結合不好,會使得瀝青面層容易滑移、脫落,影響其作為磨耗層應有的路用功能。本文在已有研究的基礎上,基于河北地區的氣候特點,依托實際工程對鋼橋面UHPC鋪裝層層間剪切強度進行研究,通過試驗與數值模擬分析環氧樹脂防水粘結層的層間剪切強度規律。

1 原材料及試件制備

本文依托延崇高速河北段杏林堡大橋和太子城互通主線1號橋主橋工程進行研究,該工程橋面鋪裝采用UHPC鋪裝體系,結構為50 mm UHPC+30 mm SMA10,如圖1所示。該工程位于河北省張家口市崇禮區,一月平均氣溫為-13.5 ℃,最低氣溫為-21 ℃,歷史最低氣溫為-35.8 ℃,月均溫度超過10 ℃的月份有5月、6月、7月、8月和9月,不超過5個月,年平均氣溫低于5 ℃,因此該地區屬于寒冷地區的冬寒區。

圖1 鋼橋橋面鋪裝結構Fig.1 Steel bridge deck pavement structure

1.1 材料選擇

1)鋪裝面層材料

本研究試驗瀝青選擇高彈改性瀝青,SMA10試件混合料采用玄武巖軋制的碎石,細集料是通過硬質石灰巖加工得到的無雜質機制砂,礦粉使用石灰石磨細的石粉,纖維采用木質素纖維,體積摻量為0.4%,SMA10試件級配曲線如圖2所示,油石比為6.3%(質量比,下同)。

圖2 試件級配曲線Fig.2 Specimen grading curves

2)防水粘結層材料

環氧樹脂粘結劑由主劑和固化劑組成:主劑的平均溫度要達到35～40 ℃,固化劑的平均溫度要達到25～30 ℃,按照質量比10∶8拌和3 min,拌和溫度維持在(30±2)℃。

3)UHPC層材料

UHPC層配合比(質量比,下同)為w(水泥)∶w(硅灰)∶w(石英砂)∶w(活性填料)∶w(減水劑)∶w(水)=1∶0.3∶1.35∶0.32∶0.005∶0.2,鋼纖維的體積摻量為2.5%。

1.2 試件成型方式

先成型UHPC板,待養生完成后,進行板面處理,然后涂布防水粘結層,在室內固化48 h,使用直徑100 mm的鉆芯機鉆取UHPC芯樣,最后加鋪瀝青混凝土面層。步驟如下。

1)成型UHPC板

按照設計配合比澆筑150 mm×100 mm×50 mm UHPC板,在室內環境下自然養護48 h,待UHPC終凝后,拆模并進行蒸汽養護48 h,養護溫度控制在90～100 ℃,待晾干后,等待進行板面處置。UHPC板如圖3所示。

圖3 超高性能混凝土板Fig.3 Ultra-high performance concrete slab

2)UHPC面板處置

普通的水泥混凝土表面處置方法不適用于UHPC,本試驗擬采用拋丸方法對UHPC表面進行處理。待UHPC板試件養護后,用壓縮空氣機將表面的浮漿清理干凈,然后用拋丸機以6 m/min進行拋丸,鋼丸規格半徑為0.7 mm。經過檢測,拋丸后表面構造深度約為0.57 mm。

3)涂布防水粘結材料

按照設計方案,在鉆取芯樣表面涂布防水粘結材料,并于室溫固化48 h。

4)加鋪SMA10面層

將涂布有環氧樹脂防水粘結材料的試件裝入Φ101.6 mm×87 mm的馬歇爾試模中,然后將SMA10混合料裝入試模,將其擊實成型,等到混合料溫度降至室溫后,拆除模具,整個試件制作完成,等待下一步操作。

1.3 環氧樹脂涂布量的確定

將試件分成5組,每組4個試件,在試件頂部分別涂布0.2,0.3,0.4,0.5,0.6 kg/m2厚度的環氧樹脂防水粘結層,然后按上述方法成型UHPC-SMA試件,在15 ℃條件下進行剪切試驗,剪切試驗過程如圖4所示,試驗結果如圖5所示。

圖4 剪切試驗過程Fig.4 Shear test process

圖5 不同環氧樹脂用量的防水粘結層抗剪強度Fig.5 Shear strength of waterproof adhesive layer with different amount of epoxy resin

由圖5分析可得:1)在環氧樹脂涂布量較小的情況下,環氧樹脂涂布量在一定范圍內增加,粘結層的抗剪強度隨之上升,當環氧樹脂涂布量達到一定值后,粘結層的抗剪強度開始隨著涂布量的增大而下降,涂布量為0.4 kg/m2時抗剪強度最大,分別較0.2 kg/m2和0.6 kg/m2涂布量時的強度提高28.9%和19.5%;2)因為防水粘結材料涂布量較小的情況下,沒形成足夠厚的膜粘結上下層,破壞界面在水泥層與環氧樹脂膜間,當超過一定量,固化反應可能不完全,粘結層中容易形成薄弱面,在荷載作用下沿薄弱面破壞。因此,本研究環氧樹脂最佳涂布量為0.4 kg/m2。

2 抗剪性能影響因素分析

2.1 溫度對抗剪性能的影響

為了研究溫度對防水粘結層抗剪強度的影響,UHPC板面涂布0.4 kg/m2環氧樹脂涂料,按上述試件制作方法成型試件,把試件分成7組,每組3個試件,考慮依托項目的環境溫度,試驗前將7組試件分別置于-25,-15,0,15,25,40,60 ℃的保溫設備中,不少于8 h,使得防水粘結層溫度分布均勻且達到目標溫度,然后將試件取出進行剪切試驗,試驗結果如圖6所示。

圖6 不同溫度環氧樹脂防水粘結層的抗剪強度Fig.6 Shear strength of epoxy resin waterproof adhesive layer at different temperatures

由圖6分析可得:1)溫度是影響環氧樹脂防水粘結層抗剪強度的重要因素,溫度上升會導致防水粘結層的抗剪性能降低;2)0 ℃時,環氧樹脂防水粘結層的抗剪強度為6.2 MPa,當溫度上升至60 ℃,抗剪強度下降到1.8 MPa,降幅近70%,在低溫段,溫度由-25 ℃升高到0 ℃時,防水粘結層的抗剪強度由8.2 MPa降到6.2 MPa,降幅約24%,在同樣的溫度升幅條件下,即由0 ℃升高到25 ℃時,抗剪強度由6.2 MPa降低到4.1 MPa,降幅約34%,溫度越高的情況下,抗剪強度下降的幅度越大;3)依托項目防水粘結層夏季溫度可達57 ℃,環氧樹脂防水粘結層在60 ℃時,層間抗剪強度仍為1.8 MPa,可見夏季高溫條件下環氧樹脂防水粘結層的抗剪性能雖然大幅度下降,但仍具備較高的強度。

2.2 凍融循環對抗剪性能的影響

北方地區,冬季路面的雨水或者冰雪融化后的雪水,沿著鋪裝結構層的裂縫下滲到鋼橋橋面鋪裝的防水粘結層,會對防水粘結層造成凍融損害,使得防水粘結層性能降低。冬季道路結冰,通常在結冰路面上噴灑除冰鹽以快速融化冰雪,冰雪融化后,滲入防水粘結層的水分含有大量的Na+和Cl-,具有一定的腐蝕作用。

為了研究冬季除冰鹽和凍融循環對防水粘結層造成的損傷,設計進行了對比試驗。準備一定量的清水和質量濃度15%(下同)的NaCl溶液,將剪切試件分別放入2種液體中浸泡24 h以上,然后從水中取出試件,放入-15 ℃的冷凍箱中冷凍,11～12 h后,再從冷凍箱中取出試件放入5 ℃的恒溫烘箱中恒溫12～13 h,取出后放入-15 ℃的恒溫烘箱中,如此反復多次操作。分別在清水組和NaCl溶液組進行凍融循環5,10,15,20,25次。按照試驗方案凍融多次后取出試件,在25 ℃條件下進行剪切試驗。試驗結果如表1所示。

舟曲特大泥石流因其規模之巨、傷亡之大，已成為人類地質災害史上的重大事件，從公共危機管理的角度如何預防泥石流災害很值得反思。

表1 凍融循環試驗結果

從2組試驗結果來看,凍融循環會對環氧樹脂防水粘結層造成一定的強度損失。當循環次數從0次增加到25次時,清水組抗剪強度從4.12 MPa下降到3.61 MPa,降幅接近12.4%;NaCl溶液組的抗剪強度由4.12 MPa下降到3.48 MPa,降幅接近15.6%。

將2組數據進行線性擬合,如圖7所示。用擬合曲線斜率的絕對值表征防水粘結層抗剪性能受凍融循環的敏感程度,值越大說明凍融循環對防水粘結層的抗剪強度作用越顯著。

圖7中,對比清水組與NaCl溶液組的變化曲線,NaCl溶液組的斜率大于清水組,由此可見鹽離子加劇了凍融循環對環氧樹脂防水粘結層的損害作用。

因此對于冬季結冰地區,要重視防水粘結層受凍融循環的影響,特別是要重視除冰鹽對防水粘結層性能的影響。為防止水和除冰鹽對防水粘結層的損害,瀝青面層應具有一定的密實度,面層出現裂縫應及時修補,防止鹽溶液沿著裂縫下滲。

3 層間抗剪性能有限元分析

3.1 有限元模型的建立

依托鋼橋鋪裝結構,參考文獻[14]—文獻[15],模型的尺寸參數和20 ℃時鋪裝材料參數見表2和表3,建立模型如圖8所示。

表2 模型尺寸參數

表3 20 ℃時鋪裝材料參數

圖8 鋼橋橋面鋪裝有限元模型Fig.8 Finite element model of steel bridge deck pavement

3.2 荷載作用位置

1)橫向作用位置

根據輪胎與U形肋的相對位置,將不同荷載橫向作用位置分為3種工況。如圖9所示,工況1(橫向作用位置Ⅰ)為兩輪胎中心連線中點位于U形肋的中心正上方;工況2(橫向作用位置Ⅱ)為兩輪胎中心連線中點位于U形肋邊正上方;工況3(橫向作用位置Ⅲ)為兩輪胎中心連線中點位于2個相鄰U形肋之間的中點正上方。

圖9 橫向作用位置Fig.9 Lateral action position

2)縱向作用位置

考慮到鋼橋面板在行車方向有對稱性,選取其中半跨(橫隔梁)的5個位置工況(如圖10所示),分別是輪載中心作用于橫隔板正上方的A位置、作用于1/8橫隔板間距的B位置、作用于1/4橫隔板間距的C位置、作用于3/8橫隔板間距的D位置、作用于1/2橫隔板間距的E位置。

圖10 縱向作用位置Fig.10 Longitudinal action position

將以上橫向作用位置和縱向作用位置進行組合,本文一共分成15個荷載作用位置工況,研究荷載作用最不利位置。

3.3 有限元模擬結果與分析

對鋼橋模型不同位置工況施加150 kN軸載,得到不同荷載作用位置防水粘結層(UHPC-SMA)剪應力峰值的有限元計算結果,如圖11和圖12所示。

圖11 不同位置縱向剪應力峰值Fig.11 Peak values of longitudinal shear stress at different positions

圖12 不同位置橫向剪應力峰值Fig.12 Peak values of transverse shear stress at different positions

由圖11和圖12分析可得:1)對于縱向剪應力峰值,在荷載橫向作用位置一定的情況下,縱向剪應力峰值與縱向作用位置并沒有呈現出明顯的規律性。整體來說橫向作用位置Ⅰ的縱向剪應力峰值最大。2)對于橫向剪應力峰值,在荷載橫向作用位置一定的情況下,橫向剪應力峰值與縱向作用位置也并沒有呈現出明顯的規律。就整體而言橫向作用位置Ⅱ的橫向剪應力峰值最大。3)同一個作用位置,縱向剪應力峰值總是大于橫向剪應力峰值,這與輪胎的對路面水平力作用方向有關。以縱向剪應力峰值最大為最不利剪應力作用位置,但縱向剪應力峰值最大的有ⅠB,ⅠC,ⅢA等位置,進一步考慮橫向剪應力峰值大小,ⅠB位置剪應力峰值相對較大,因此選擇ⅠB位置作為防水粘結層最不利荷載作用位置。

綜合以上分析,以橫向拉應變或主拉應變為控制指標,瀝青面層最不利作用位置均為ⅠE位置;以縱向剪應力為指標兼顧考慮橫向剪應力大小,層間最不利作用位置為ⅠB。計算得到最不利位置剪應力峰值遠小于試驗得到的環氧樹脂防水粘結層的抗剪強度,可見環氧樹脂防水粘結層的性能優異。

4 結 語

為了避免寒區鋼橋面瀝青面層與UHPC層結合不良,本文采用環氧樹脂防水粘結層,通過室內剪切試驗確定環氧樹脂防水粘結層最佳涂布量,研究了溫度及凍融循環對層間抗剪強度的影響,得出以下結論。

1)試件抗剪強度隨著環氧樹脂涂布量增加先增大后減小,得到最佳環氧樹脂涂布量為0.4 kg/m2。

2)環氧樹脂防水粘結層的抗剪強度隨著溫度的增大而減小,在60 ℃時抗剪強度為1.8 MPa,環氧樹脂防水粘結層的高溫性能良好。

3)清水組循環次數從0次增加到25次,抗剪強度降幅接近12.4%;而同樣的凍融循環次數,15%NaCl溶液組的抗剪強度降幅接近15.6%。相同次數情況下,鹽溶液環境下的凍融循環對抗剪強度的損傷大于清水環境下的損傷。

4)數值模擬得到最不利位置的剪應力峰值遠小于試驗得到的環氧樹脂防水粘結層的抗剪強度。

論文通過試驗與數值模擬證明了環氧樹脂防水粘結層在寒區鋼橋面應用的可行性,為使得鋪裝層的受力研究更為精確,后續可進一步考慮橋梁因素,比如橋跨長度、U形肋結構參數對于鋪裝層受力的影響。