鋼橋面UHPC基層與SMA面層層間施工處理方法研究

中圖分類號：U445.4 文獻標識碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wCcst.2025.04.052

文章編號：1673-4874（2025）04-0186-04

0 引言

正交異性鋼橋具有承載力大、自重輕、施工安裝簡單等優(yōu)勢，在大跨徑橋梁建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用[1]。正交異性鋼橋在安裝之后需要在鋼橋面上鋪設(shè)瀝青混凝土層，但是瀝青混凝土鋪裝層彈性模量較低，很難滿足橋面剛度要求，而且容易發(fā)生開裂2。為改善鋼橋面的受力情況，需要在鋼橋面上先鋪設(shè)一層水泥混凝土基層，再在其上鋪設(shè)瀝青層，但是傳統(tǒng)的水泥混凝土抗拉強度低，難以有效改善橋面上層破損、面板疲勞裂紋等情況，導致橋梁出現(xiàn)各種病害[3-5]。為此，一些專家學者提出了超高性能混凝土（UHPC）-瀝青磨耗層結(jié)構(gòu)，UHPC具有優(yōu)異的強度、耐久性和耐腐蝕性，尤其是抗拉強度為普通混凝土的2倍以上，可顯著改善橋面鋪裝層開裂問題。但是，UHPC層與瀝青層存在層間界面黏結(jié)問題，如果處理不當則很可能引發(fā)擁包、脫層、滑移等病害，因此有必要針對UHPC與瀝青層的黏結(jié)問題展開研究[6-10]

本文以UHPC和SMA-13為研究對象，對兩者層間界面黏結(jié)問題開展研究，對不同施工處理方案下的抗剪強度進行對比試驗，探討?zhàn)そY(jié)材料、層間處理方法、環(huán)境溫度等對UHPC-SMA黏結(jié)性能的影響。

1試驗概況

1.1UHPC材料制備及性能

UHPC材料主要由水泥、硅灰、超塑化劑、石英砂、鋼纖維、減水劑等組成。水泥采用 P?O42.5 普通硅酸鹽水泥，細度為 3400（m²/9 超塑化劑堆積密度為750kg/m³ ，比表面積為11 m²/9 ，主要化學成分為 SiO₂ 和Al₂O₃ ，占比分別為 57% 和 19.6% ，作用是降低漿體黏度，改善工作性能；硅灰的 SiO₂ 含量達到 94.85% ，需水量比為 107% ，比表面積為22154m2/kg，活性指數(shù)（28d）為121% ，平均燒失量為 1.6% ；石英砂密度為 3.5g/cm³ ，莫氏硬度為7.5，分為 10～20 目 .20～40 目兩種粒級，摻量為4：1；鋼纖維為鍍銅鋼纖維，平均抗拉強度為2850 MPa_c 另外，還摻入了少量結(jié)構(gòu)纖維，結(jié)構(gòu)纖維為聚丙烯與聚乙烯的復合體，長度為 12mm ，比重為 0.92g/cm³ ，平均斷裂強度為500 MPa ，平均彈性模量為5 000MPa 。高效減水劑采用YT-202聚羧酸減水劑，密度 1.08g/cm³ ，弱酸性：pH=6.2 ，平均固含量為 40.2% 。UHPC材料配合比情況見表1。

對標準養(yǎng)護28d的UHPC材料進行抗壓、抗折和抗拉試驗，得到試件平均抗壓強度為104 MPa ，平均抗折強度為16.8 MPa ，平均抗拉強度為6. 7MPa。

1.2SMA材料制備及性能

瀝青鋪裝面層選用SMA-13，主要原材料包括水泥、瀝青、粗集料、細集料、礦物摻合料、減水劑、纖維添加劑等。水泥選用P·O42.5R普通硅酸鹽水泥，瀝青選用殼牌SBS改性瀝青，其針入度（25℃，100g，5s）為43.30 ）.1mm） ，針入度指數(shù) PI 為1.22，延度 為26.4cm，軟化點為91.4℃，密度為1 .0429/cm³，60^°C 動力黏度為 83400Pa?s; 粗集料為輝綠巖，粒徑為5～20mm ，平均表觀密度為 2.76g/cm³ ，平均吸水率為0.715% ；細集料為石灰?guī)r，壓碎值為 20.2% ，平均相對密度為2. 7229/cm³ ，堅固性為 3% ，吸水率為 0.65% ；礦物摻合料為 S95 級礦粉，平均表觀密度為 2.715g/cm³ 塑性指數(shù)為 2.7% 。減水劑也采用 ?T-202 聚羧酸減水劑。纖維添加劑為木質(zhì)素纖維，其長度 gt;6mm ，堆積密度為0.91 g/cm³ ，含水率為 3.1% ，耐熱能力為230℃～280^°C 。根據(jù)室內(nèi)試驗，確定粗骨料、細骨料、礦粉占比分別為75. 6% 、 14.2% 和 10.2% ，纖維添加劑摻量為0.4% ，最佳油石比為 5.8% 。

對SMA-13開展浸水馬歇爾試驗、凍融劈裂試驗和車轍試驗，結(jié)果見表2。由表2可知：本次試驗配制的SMA-13殘留穩(wěn)定度達到86. 43% ，凍融劈裂強度比達到92. 36% ，動穩(wěn)定度達到9414次/ mm ，具有優(yōu)異的浸水穩(wěn)定性和高低溫穩(wěn)定性，滿足規(guī)范設(shè)計要求。

表2SMA-13性能測試結(jié)果表

2層間黏結(jié)材料比選

2.1黏結(jié)材料

常用的防水黏結(jié)材料包括卷材類和涂膜類兩種，涂膜類材料應(yīng)用更為廣泛。本次試驗選取成品SBS改性瀝青 .6% SBS摻量高黏高彈瀝青 .8% SBS摻量高黏高彈瀝青以及TAF環(huán)氧膠為黏結(jié)材料，并對比各自對UHPC和SMA兩者的黏結(jié)性能。四種黏結(jié)材料的施工技術(shù)要求對比見表3。

表3四種黏結(jié)材料的施工技術(shù)要求表

2.2 試件制備

（1）按照UHPC配合比方案，拌和制備16塊長 × 寬 × 厚 =30cm×30cm×4cm 的正方形板，自然養(yǎng)護24h后脫模，然后在25 C 環(huán)境中灑水養(yǎng)護2d，然后取出試件讓其自然晾干，并將表面的雜物清除干凈。

（2）將清理干凈的UHPC板放入 .60° 烘箱中進行烘干，烘干時間為2h，然后在UHPC表面撒布 60% 面積的石灰?guī)r碎石（粒徑為 4.75～9.5mm，2kg/m²） ，接著將SBS改性瀝青 .6% SBS摻量高黏高彈瀝青、 .8% SBS摻量高黏高彈瀝青按照設(shè)計用量均勻涂抹在UHPC板上，每種黏結(jié)材料涂抹4塊UHPC板；剩下4塊UHPC板進行TAF環(huán)氧膠涂抹，與其他三種黏結(jié)材料不同的是，需要先將TAF環(huán)氧膠涂抹在UHPC板上，然后再撒布同樣規(guī)格的碎石，TAF撒布完成后需要按要求靜置養(yǎng)生24h再鋪設(shè)SMA。

（3）利用輪碾儀在制作好的UHPC板上鋪設(shè)5cm厚的SMA-13瀝青層，SBS改性瀝青、 6% SBS摻量高黏高彈瀝青、 8% SBS摻量高黏高彈瀝青三種黏結(jié)材料板鋪設(shè)完成后放在室溫下16h進行脫模備用，而TAF環(huán)氧膠板需要在鋪設(shè)完成后放入60 C 烘箱中烘干養(yǎng)護4d冷卻備用。

（4）將黏結(jié)制作好的UHPC-SMA板進行切割，每個尺寸為長 × 寬 × 厚 =8cm×8cm×9 cm，UHPC-SMA板四周2cm邊緣范圍廢棄，一塊UHPC-SMA板可切割出9個試驗試塊，每種黏結(jié)材料共可切割出36塊試塊，將切割出試塊的UHPC面利用環(huán)氧樹脂兩兩進行黏結(jié)，最終制作成18個對稱復合型抗剪試件。

2.3 試驗方案

試驗分為兩類：一類是在常溫 （20^°C） 狀態(tài)下進行，另外一類是在高溫 （60°C ）下進行，每種環(huán)境下均進行3次試驗，取平均值作為該類型黏結(jié)材料下的抗剪強度。抗剪強度試驗在MTS儀器上進行，加載方式選用斜坡加載波形，加載速率為1cm/min。試驗加載方案示意見圖1。

圖1試驗加載方案示意圖

2.4結(jié)果分析

不同黏結(jié)材料施工處理方案下的抗剪強度對比情況見圖2。由圖2可知：在常溫 （20° ）時，無論正壓力是0MPa??{0.7MPa ，采用TAF環(huán)氧膠黏結(jié)的試件抗剪強度最大，其次為采用 8% SBS摻量高黏高彈瀝青黏結(jié)的試件，再次為采用 6% SBS摻量高黏高彈瀝青黏結(jié)的試件，最小的為采用SBS改性瀝青黏結(jié)的試件，采用TAF環(huán)氧膠黏結(jié)的試件抗剪強度為其他三類黏結(jié)材料的2倍以上；在高溫（60℃）時，無論正壓力是 0MPa 或0.7MPa ，采用TAF環(huán)氧膠黏結(jié)的試件抗剪強度也是最大的，其次為采用 8% SBS摻量高黏高彈瀝青黏結(jié)的試件，再次為采用SBS改性瀝青黏結(jié)的試件，最小的是采用 6% SBS摻量高黏高彈瀝青黏結(jié)的試件。無論是常溫還是高溫環(huán)境，采用TAF環(huán)氧膠黏結(jié)試件的抗剪強度均是最大的，這是因為TAF環(huán)氧膠在常高溫下的黏聚性遠高于其他黏結(jié)材料。而在高溫環(huán)境下，SBS改性瀝青黏結(jié)試件的抗剪強度高于 6% SBS摻量高黏高彈瀝青黏結(jié)試件，這是因為在常溫時， 6% SBS摻量高黏高彈瀝青的涂刷量比改性SBS瀝青多出 0.5kg/m² ，因而抗剪強度會略高。但是在高溫作用下，由于高黏高彈瀝青的軟化點低于改性SBS瀝青，瀝青能夠提供的黏結(jié)能力顯著降低（抵消了用量的影響），導致在高溫環(huán)境下 6% SBS摻量高黏高彈瀝青黏結(jié)試件抗剪強度最低。

環(huán)境溫度對于黏接材料黏結(jié)性能的發(fā)揮有重要影響。當正壓力為OMPa時，高溫環(huán)境下的改性SBS瀝青黏結(jié)試件抗剪強度比常溫時降低 87.7%.6% 和 8% SBS摻量高黏高彈瀝青黏結(jié)試件抗剪強度分別降低 92.7% 和 91.4% ，TAF環(huán)氧膠黏結(jié)試件抗剪強度降低了86. 3% 。當正壓力為 |0.7MPa 時，高溫環(huán)境下的改性SBS瀝青黏結(jié)試件抗剪強度相比常溫時降低 77.9% 6% 和8% SBS摻量高黏高彈瀝青黏結(jié)試件抗剪強度分別降低82.4% 和 78.8% ，TAF環(huán)氧膠黏結(jié)試件抗剪強度降低了85. 1% 。在 0.7MPa. 正壓力情況下的降幅低于無正壓力情況，這說明增大正壓力，可以抵抗高溫對于黏結(jié)材料黏結(jié)性能的影響。

3層間表面處理方法比選

3.1 處理方法

層間表面處理方法包括五種：（1）不做處理；（2）拋丸處理1（構(gòu)造深度為 0.4～0.45mm ；（3拋丸處理2（構(gòu)造深度為 0.5～0 55mm）;（4）嵌石 60% ；（5）嵌石 80% 。黏結(jié)材料選用改性SBS瀝青，不做處理、拋丸處理1和拋丸處理2的撒布量均為 1kg/m² ；嵌石 60% 和嵌石 80% 撒布量均為2 kg/m² （為了確保UHPC表面的黏結(jié)材料涂抹的完整性和均勻性，并有足夠的黏結(jié)層厚度）。

3.2 試件制備

（1）制作8塊長 × 寬 × 厚 =30cm×30cm×4cm 的正方形UHPC板，采用拋丸處理1、拋丸處理2、嵌石 60% 和嵌石 80% 分別處理兩塊。

（2）拋丸處理時，需要先將UHPC板養(yǎng)護3d，然后分別對其進行拋丸構(gòu)造深度 0.4～0.45mm，0.5～0.55mm 處理；嵌石處理需要在UHPC初凝前進行，嵌石材料為4.75～9.5mm 粒徑的輝綠巖，壓入深度為 2/5～3/5 粒徑，嵌石分別面積為 60%（3kg/m²） 和 80%（4kg/m²） 。

（3）按照設(shè)計撒布量將改性SBS瀝青均勻涂抹在表面，然后利用輪碾儀鋪設(shè)5cm厚的SMA-13瀝青層。

（4）將制作好的UHPC-SMA板進行切割，按照前文步驟制作成試驗試件。

3.3 結(jié)果分析

試驗方案與前文一致，不再贅述。試驗得到的不同層間表面處理方法下抗剪強度對比情況見圖3。由圖3可知：進行層間界面處理后，試件的抗剪強度均有不同程度提升，無論是常溫還是高溫環(huán)境下，抗剪強度排序從大到小排序為：嵌石 80%gt; 嵌石 60%gt; 拋丸處理 2gt; 拋丸處理 $＼harpoonright$ 不做處理。嵌石處理方法對于抗剪強度的提升效果最為明顯，其次為拋丸處理。嵌石面積越大，構(gòu)造深度越深，抗剪強度越大，這是因為嵌石相當于在UHPC和SMA層間界面中增加了栓釘，而拋丸只是增加了面之間的摩擦力，故而嵌石效果優(yōu)于拋丸。

高溫環(huán)境下，拋丸處理1和拋丸處理2的試件相比常溫時分別降低了69. 7% 和75. 1% ，嵌石 60% 和嵌石80% 的試件相比常溫時分別降低了 57.7% 和51. 1% ，嵌石處理方法試件的溫度敏感性低于拋丸處理方法試件，主要是因為嵌石試件的抗剪強度來自于機械咬合力（嵌鎖力），而拋丸處理試件的抗剪強度依賴于黏結(jié)材料的黏結(jié)力，而黏結(jié)材料受高溫的影響更為顯著，而嵌鎖力幾乎不受高溫影響。

4結(jié)語

本文針對鋼橋面UHPC基層與SMA面層之間的黏結(jié)性問題，提出了多種黏結(jié)材料和層間處理方法，并對UHPC-SMA的抗剪強度進行了對比試驗，得出如下結(jié)論：

（1）在常溫環(huán)境下，不同黏結(jié)材料施工處理下的UH-PC-SMA抗剪強度排序為：TAF環(huán)氧膠 58% SBS摻量高黏高彈瀝青 56% SBS摻量高黏高彈瀝青 gt; 改性SBS瀝青；在高溫環(huán)境下，抗剪強度排序為：TAF環(huán)氧膠 gt;8% SBS摻量高黏高彈瀝青 gt; 改性SBS瀝青 gt;6% SBS摻量高黏高彈瀝青。

（2）增加正壓力，可以降低UHPC-SMA的層間溫度敏感性，抵抗高溫對于黏結(jié)材料黏結(jié)性能的影響。

（3）不同層間表面處理方法下抗剪強度排序為：嵌石80%gt; 嵌石 60%gt; 拋丸處理 2gt; 拋丸處理 $＼harpoonright$ 不做處理；采用嵌石處理方法不僅可以提高層間抗剪強度，而且可以明顯降低溫度敏感性。

（4）實際施工時，由于TAF環(huán)氧膠對于施工時間和氣溫有嚴格要求，生產(chǎn)環(huán)境往往較難滿足，故而更傾向于使用價格更便宜、施工速度更快的改性SBS作為黏結(jié)材料，且建議在層間首選嵌石處理方法，這樣可以達到較高的抗剪強度。

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收稿日期：2024-11-20