李嘉 夏楊嘉玲 王萬鵬 李樹原

摘? ?要：UHPC 下承層與瀝青面層牢固黏結對延長橋面使用壽命，避免滑移、脫層等病害十分重要.采用有限元分析和室內試驗，研究不同類型黏結劑、環(huán)境溫度等對UHPC-瀝青面層層間黏結性能的影響.復合試件剪切試驗和拉拔試驗表明：環(huán)境溫度對UHPC-瀝青面層層間強度有較大影響，高溫（60 ℃）下層間黏結強度較常溫（20 ℃）時有顯著下降;KD-HYP環(huán)氧、202環(huán)氧較環(huán)氧瀝青、殼牌HV、橡膠瀝青表現(xiàn)出更佳的黏結性能;環(huán)氧瀝青高溫黏結性能優(yōu)于殼牌HV、橡膠瀝青，但常溫下三者無明顯差別.洞庭湖二橋有限元仿真計算得出，UHPC-SMA層間最大剪應力在20 ℃（常溫）和60 ℃（高溫）時分別為0.696 MPa、0.422 MPa，層間最大法向拉應力分別為0.167 MPa、0.152 MPa.研究表明，洞庭湖二橋在超載、緊急制動及動荷載等最不利荷載組合下，KD-HYP環(huán)氧和202環(huán)氧能滿足常溫和高溫條件下層間黏結性能要求，并且具有足夠的安全儲備;而殼牌HV、橡膠瀝青和環(huán)氧瀝青無法滿足高溫層間黏結性能要求.

關鍵詞：道路工程;黏結性能;超高性能混凝土;瀝青面層;有限元分析;室內試驗

中圖分類號：U443.33? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

Abstract：It is important to guarantee strong bonding between UHPC and asphalt surface to prolong the service life and avoid the diseases of the bridge deck，such as slippage and delamination. Finite element analysis and laboratory tests were conducted to investigate the influences of kinds of binders and ambient temperatures on bonding performances. The test results showed that the ambient temperature had a great effect on the interface strength by shear and pull-off tests of composite specimens. Compared with normal temperature （20℃），the interface bonding performances had been decreased greatly at high temperature（60℃）. Epoxy binders named KD-HYP and 202 exhibited better bonding ability than epoxy asphalt，Shell HV and rubber asphalt. Although epoxy asphalt had higher bonding strength than Shell HV and rubber asphalt at high temperature，but there were no obvious differences among them at normal temperature. The finite element simulation of the second Dongting Lake Bridge showed that the maximum shear stress between UHPC-SMA was 0.696MPa and 0.422MPa respectively at 20℃（normal temperature） and 60℃（high temperature），and the maximum tensile stress was 0.167MPa and 0.152MPa respectively. The researches indicate that，under the most unfavorable load combinations consisting of overload，braking hardly and dynamic loads，KD-HYP and 202 can meet the requirements of interface bonding stresses，and are of sufficient safety at normal temperature and high temperature. But Shell HV，rubber asphalt and epoxy asphalt cannot do at high temperature.

Key words：road engineering;bond performances;ultra-high performance concrete;asphalt surface;finiteelement analysis;laboratory test

鋼結構橋梁具有輕質高強、跨越能力大等優(yōu)點，已廣泛地應用在大跨徑橋梁工程建設中.然而，鋼橋面存在著橋面疲勞開裂和瀝青鋪裝頻繁破損兩大難題[1-2].作者所在研究團隊以提升橋面剛度、降低鋼橋面應力幅的新思路，提出基于超高性能材料的鋼橋面新體系，即“鋼-薄層 UHPC （Ultra-High Performance Concrete）-瀝青磨耗層”輕型組合橋面結構[3-4].該新體系中水泥基材料UHPC下承層與瀝青面層牢固黏結是需要解決的主要技術問題之一，它對延長橋面使用壽命、保護UHPC結構層、避免滑移、脫層等病害至關重要.

對于常規(guī)水泥混凝土板與瀝青面層層間黏結問題，國內外學者開展了大量的研究.Ozer等[5]通過室內直接剪切試驗、路面加速加載試驗機和有限元計算等方式，探究水泥混凝土板與瀝青鋪裝層間的黏結性能，包括剪切強度和拉拔強度;Zhen[6]等進行了熱拌瀝青混合料HMA與波特蘭水泥混凝土PCC層間剪切試驗，指出影響層間黏結強度的因素為溫度、熱拌瀝青混合料和黏結層材料性能、黏結劑涂抹量和水泥混凝土表面處理方式等;Bocci等[7]的研究表明，環(huán)氧瀝青作為層間黏結劑具有較好的抗剪性能，且受溫度影響小;賈曉陽等[8]采用有限元分析混凝土橋面瀝青鋪裝層間水平剪應力與法向正應力的分布關系，提出層間剪應力臨界邊界，并找出層間剪應力臨界邊界的影響因素，給出了臨界邊界方程形式;劉云等[9]對混凝土箱梁瀝青鋪裝層間黏結性能的研究表明，SBS改性瀝青和橡膠瀝青可作為混凝土箱梁與瀝青鋪裝層的層間黏結材料;李萍等[10]針對橋面鋪裝層抗剪強度和黏結強度不足而出現(xiàn)的病害，研究剪切角度、黏層油種類與用量、溫度等對水泥砼橋面瀝青鋪裝層抗剪切性能的影響.國內外現(xiàn)有研究主要關注瀝青上下面層或瀝青層與常規(guī)水泥混凝土下層之間的聯(lián)結問題.由于UHPC材料組分內不包含粗骨料，顆粒粒徑一般小于

1 mm，成型后表面致密且光滑，其材料組成、力學性能、表面特征等方面均與瀝青混合料、普通混凝土存在很大差異[11]，因此有必要開展UHPC-瀝青面層層間黏結性能研究.

本文通過常溫、高溫條件下UHPC-SMA復合試件層間力學試驗，探討不同類型黏結劑對UHPC-SMA層間受力性能的影響，采用斜剪強度和拉拔強度評估復合試件層間黏結能力;基于實橋有限元計算，確定最不利荷載組合下UHPC-SMA層間最大剪應力及法向拉應力，對比實測結果分析不同黏結劑的適應性，為“鋼面板-超薄UHPC-瀝青鋪裝”超高性能輕型組合橋面的工程應用提供技術支持.

1? ?UHPC-瀝青面層層間設計控制指標

UHPC是高強致密又耐久的水泥基材料，其材料特性決定了UHPC層不會產(chǎn)生開裂、車轍、推移和擁包等病害;另一方面，瀝青面層主要保護UHPC結構層免受行車磨損及外界環(huán)境因素影響，同時滿足車輛行駛性能要求;薄層瀝青層起磨耗層作用，厚度僅為2～4 cm.因此，UHPC-薄面層復合鋪裝體系最有可能出現(xiàn)的破壞是界面黏結不足而導致層間滑移、脫層等，必須控制UHPC與瀝青面層層間剪切破壞和受拉破壞.

綜合考慮設計計算、施工控制、竣工驗收3方面，制定2個UHPC-瀝青面層設計控制指標，采用剪切強度和拉拔強度來評價黏結材料層間黏結性能，見式（1）和式（2）.

1.1? ?層間剪應力

式中：τmax為最不利荷載作用下，層間最大剪應力，MPa，由計算確定;[τ]d為層間剪切強度設計值，MPa，基于實測層間抗剪強度，并保證足夠的安全儲備，綜合確定.

1.2? ?層間法向拉應力（表征抗掀起能力）

式中：σl，max為最不利荷載作用下，層間最大法向拉應力，MPa，由計算確定;[σl]d為層間抗拉強度設計值，MPa，基于試驗實測層間拉拔強度，并保證足夠的安全儲備，綜合確定.

2? ?UHPC-瀝青面層復合試件黏結試驗

影響薄層結構層間黏結性能的因素眾多，如：下承層的表面紋理提供的層間摩阻力、黏結劑自身的黏結力和外界環(huán)境因素等.由于UHPC材料組分內不包含粗骨料，表面粗糙度不及普通混凝土，故選擇合適的界面黏結劑十分重要.本文重點研究黏結劑類型、環(huán)境溫度等對復合試件層間黏結性能的影響.

2.1? ?原材料

UHPC基體成分包括水泥、硅灰、石英砂、高效減水劑和水，鋼纖維摻量按體積分數(shù)3.5%摻入.面層采用瀝青瑪蹄脂碎石混合料SMA-13，主要成分包括SBS改性瀝青、玄武巖碎石、聚丙烯腈纖維、礦粉，油石比5.8%.

本試驗選用的黏結劑為3種類型，第一類為改性環(huán)氧樹脂，即KD-HYP環(huán)氧黏層油（以下簡稱KD-HYP環(huán)氧）和熱熔型改性環(huán)氧樹脂202（以下簡稱202環(huán)氧），其基本技術指標見表1;第二類為改性瀝青黏結劑，即殼牌HV高黏高彈瀝青（以下簡稱殼牌HV）和膠粉摻量為22%的橡膠瀝青，其基本技術指標見表2;第三類為林武環(huán)氧瀝青，基本技術指標見表3.

2.2? ?試件制備

制備10塊300 mm×300 mm×30 mm UHPC基板，養(yǎng)護完成后對UHPC表面進行拋丸處理，控制構造深度在0.4～0.55 mm，如圖1所示;然后在清潔干燥的UHPC板表面分別涂刷5種黏結劑，每種黏結劑刷2塊板.黏結劑配合比、灑布量、拌和溫度、灑布溫度和養(yǎng)生條件見表4.

黏結劑按配合比稱量，將A、B組分分別恒溫到拌和溫度，然后倒入燒杯中，用電動攪拌機攪拌3 min，然后在規(guī)定溫度下，將黏結劑均勻涂刷在UHPC表面上，黏結劑涂刷完成后如圖2所示.

（e）環(huán)氧瀝青

最后用輪碾法成型3 cm厚的SMA-13;待自然冷卻后將其中5塊不同黏結劑的復合試板切割成90 mm×90 mm×60 mm的小試件，用于斜剪試驗;另外5塊復合試板切成70 mm×70 mm×60 mm的小試件，用于拉拔試驗.本次試驗UHPC-SMA復合試件共60塊.

2.3? ?試驗方法

采用剪切強度和拉拔強度來評價層間黏結性能.斜剪試驗、拉拔試驗參考美國標準試驗方法ASTM C882/C882M-13[12]、ASTM D7234-12[13]進行.試驗設備為測力量程50 kN的UTM微機控制萬能試驗機，剪切試驗加載速率為1 kN/s，拉拔試驗加載速率為0.5 kN/s，試驗裝置如圖3所示.分別測試20 ℃和60 ℃下，UHPC-SMA界面剪切強度和拉拔強度.

3? ?試驗結果與分析

3.1? ?復合試件剪切強度

采用環(huán)氧樹脂類黏結劑的UHPC-SMA復合試件，其剪切破壞均發(fā)生在SMA內部，破壞面接近黏層（如圖4所示）;而瀝青類黏結劑的復合試件，破壞面出現(xiàn)在層間，黏層發(fā)生破壞，如圖5、圖6所示.

分析表5可知：

1）20 ℃（常溫）、60 ℃（高溫）時，采用環(huán)氧樹脂類黏結劑的UHPC-SMA復合試件，實測破壞應力為瀝青混凝土的剪切強度，由此推斷環(huán)氧黏結劑強度大于該數(shù)據(jù).

2）20 ℃（常溫）、60 ℃（高溫）時，采用改性瀝青和環(huán)氧瀝青的復合試件，其剪切破壞均發(fā)生在UHPC-SMA界面，故實測破壞應力即為黏層剪切強度.20 ℃（常溫）時剪切強度排序為：殼牌HV瀝青>橡膠瀝青>環(huán)氧瀝青;60 ℃（高溫）時剪切強度排序為：環(huán)氧瀝青>殼牌HV瀝青>橡膠瀝青.

3）環(huán)境溫度對層間剪切強度有較大影響，特別是瀝青黏層復合試件.與常溫（20 ℃） 相比，高溫（60 ℃） 條件下，殼牌HV、橡膠瀝青、環(huán)氧瀝青強度分別下降70.2%、65.6%、55.74%，這是因為瀝青材料熱塑性所致;環(huán)氧瀝青兼具環(huán)氧樹脂與瀝青的特性，高溫強度優(yōu)于殼牌HV、橡膠瀝青.KD-HYP環(huán)氧、202環(huán)氧60℃（高溫）剪切強度分別達到0.95 MPa、0.72 MPa以上，說明環(huán)氧材料的熱固性使得其高溫穩(wěn)定性明顯優(yōu)于瀝青材料.

3.2? ?復合試件拉拔強度

采用環(huán)氧樹脂黏層的復合試件，其拉拔破壞均發(fā)生在瀝青混凝土內部，此時黏層尚未破壞，見圖7.

采用改性瀝青的復合試件，其拉拔破壞約50%發(fā)生在瀝青混凝土內部，另50%出現(xiàn)在UHPC-SMA層間;環(huán)氧瀝青復合試件，拉拔破壞約70%發(fā)生在瀝青混凝土內部，30%發(fā)生在UHPC-SMA層間，破壞形態(tài)如圖8所示.

UHPC-SMA復合試件拉拔試驗結果見表6.

分析表6可知：

1）20 ℃（常溫）、60 ℃（高溫）時，采用環(huán)氧樹脂黏結劑的UHPC-SMA復合試件，其拉拔破壞面位于SMA內部，實測破壞應力為SMA的拉拔強度，由此推斷環(huán)氧黏層強度大于該數(shù)據(jù).

2）20 ℃（常溫）時，改性瀝青、環(huán)氧瀝青復合試件破壞面發(fā)生在瀝青混凝土內部或UHPC-SMA層間，故層間黏結強度應大于或等于此時實測的拉拔破壞應力.拉拔強度大致排序為：橡膠瀝青>環(huán)氧瀝青>殼牌HV.

3）60 ℃（高溫）時，采用改性瀝青、環(huán)氧瀝青的復合試件，拉拔破壞面均出現(xiàn)在UHPC-SMA層間，且破壞面平整，故此時破壞應力即為改性瀝青、環(huán)氧瀝青的層間黏結強度;拉拔強度排序為：環(huán)氧瀝青>殼牌HV>橡膠瀝青，由此說明環(huán)氧樹脂的加入一定程度改善了黏層高溫穩(wěn)定性.

4）環(huán)境溫度對層間黏結強度的影響較大，由于瀝青類材料的熱塑性，殼牌HV、橡膠瀝青、環(huán)氧瀝青高溫（60 ℃）強度分別比常溫（20 ℃）強度下降89.4%、94.4%、89.3%;與剪切強度相似，環(huán)氧樹脂的熱固性使得其在高溫下拉拔強度較高，KD-HYP環(huán)氧、202環(huán)氧在60 ℃（高溫）拉拔強度分別達到0.18 MPa、0.21 MPa以上.

綜上所述，環(huán)境溫度對層間黏結性能有顯著影響，環(huán)氧黏層由于其熱固性，高溫穩(wěn)定性明顯優(yōu)于熱塑性的瀝青類黏層;另一方面，拉拔強度較剪切強度高溫穩(wěn)定性更差，原因在于黏層材料的感溫性，而層間機械咬合力基本不受溫度影響，因此，部分依賴嵌鎖力的剪切強度受溫度影響較小，而主要依靠黏結力的拉拔強度受影響明顯.

4? ?洞庭湖二橋UHPC-SMA層間黏結性能研究

杭瑞高速岳陽洞庭湖二橋位于洞庭湖入長江交匯口處，主橋為1 480 m雙塔鋼桁梁懸索橋，橋面系采用正交異性鋼橋面，橋面鋼板厚12 mm，加勁U肋厚8 mm，面板上鋪筑45 mmUHPC，其上鋪筑40 mmSMA磨耗層，形成超高性能輕型組合橋面結構.

4.1? ?有限元計算模型及計算參數(shù)

以洞庭湖二橋為原型，采用ANSYS有限元軟件，建立輕型組合鋼橋面結構有限元計算模型（見圖9）.橫向取半截面寬17.285 m，縱向取一個標準節(jié)段16.8 m.

采用如下計算假定：各層為連續(xù)、均勻、各向同性的彈性體，鋼箱梁部分采用殼單元SHELL63模擬，UHPC層和瀝青面層均采用實體單元SOLID45模擬，UHPC層與鋼箱梁的頂面連接、瀝青面層與UHPC層頂面的連接均采用共節(jié)點形式處理.為節(jié)約計算資源，鋼箱梁取半幅，橫橋向采用對稱約束，縱橋向采用固結，材料物理力學參數(shù)見表7.

計算中的加載方式參照《公路橋涵設計通用規(guī)范（JTG D60—2015）選用，車輛荷載為550 kN標準車，由于標準車車軸的縱向間距較大，計算中僅考慮后軸的雙聯(lián)軸作用[14]，如圖10中虛線范圍所示.加載軸中每個車輪作用面積為200 mm×600 mm（縱橋向×橫橋向）.豎向荷載考慮1.3的沖擊系數(shù)，水平荷載取豎向荷載的0.5倍（模擬車輛緊急制動，水平力系數(shù)取0.5）.車輛荷載立面、平面布置如圖10所示.

橫橋向布設3種荷載位置[15]，如圖11（a）所示;對于每一個橫向荷位工況，沿縱橋向布設2種加載位置，如圖11（b）所示.

4.2? ?有限元計算結果

與前述關注位置相對應，提取UHPC-SMA層間應力峰值計算結果，見表8.

計算結果表明，常溫（20 ℃）時，UHPC-SMA層間最大剪應力為0.696 MPa，如圖12（a）所示;高溫（60 ℃）時層間最大剪應力為0.422 MPa，如圖12（b）所示.層間法向拉應力峰值σm分別為0.167 MPa（20 ℃，圖13（a））和0.152 MPa（60 ℃，圖13（b））.

4.3? ?UHPC-SMA層間黏結性能評價

有限元計算得到的UHPC-SMA層間最大剪應力τm、最大法向拉應力σm（見表8）與復合試件層間強度（見表5和表6）之比，分別用剪切強度系數(shù)Kr與拉拔強度系數(shù)Ks表征，見表9.

表9顯示，高溫（60 ℃）環(huán)境下，殼牌HV、環(huán)氧瀝青和橡膠瀝青等3種黏結材料，剪切強度系數(shù)Kr<1，無法滿足最不利荷載組合下UHPC-SMA層間受力要求;而KD-HYP環(huán)氧和202環(huán)氧兩種材料無論是在常溫（20 ℃）還是在高溫（60 ℃），都具有很大的剪切寬容性，且拉拔強度系數(shù)Ks也能滿足層間受力要求.

數(shù)值模擬分析與實測強度對比分析發(fā)現(xiàn)，KD-HYP環(huán)氧和202環(huán)氧黏結劑能滿足超載、緊急制動及動荷載等最不利荷載組合下層間受力的所有要求;殼牌HV、橡膠瀝青和環(huán)氧瀝青雖然基本滿足常溫下的層間受力要求，但無法滿足高溫受力要求.

5? ?結? ?論

1）復合試件層間強度試驗表明，不同類型黏結劑剪切強度、拉拔強度存在較大差異.KD-HYP環(huán)氧、202環(huán)氧較殼牌HV、橡膠瀝青表現(xiàn)出更佳的黏結性能;環(huán)氧瀝青高溫黏結性能優(yōu)于殼牌HV、橡膠瀝青，但常溫下三者無明顯差別.

2）環(huán)境溫度對復合試件層間強度有較大影響.殼牌HV、橡膠瀝青、環(huán)氧瀝青60 ℃剪切強度分別比20 ℃時下降70.2%、65.6%、55.74%;拉拔強度下降89.4%、94.4%、89.3%;高溫（60 ℃）環(huán)境下，環(huán)氧樹脂黏結劑具有明顯優(yōu)勢，KD-HYP環(huán)氧、202環(huán)氧剪切強度分別達到0.95 MPa、0.72 MPa以上;拉拔強度分別達到0.18 MPa、0.21 MPa以上.

3）有限元計算結果表明，最不利荷載組合下，UHPC-SMA層間最大剪應力在20 ℃（常溫）和60 ℃（高溫）時分別為0.696 MPa、0.422 MPa，最大法向拉應力分別為0.167 MPa、0.152 MPa.

4）數(shù)值模擬分析與實測強度對比分析發(fā)現(xiàn)，在超載、緊急制動及動荷載等最不利荷載組合下，KD-HYP環(huán)氧和202環(huán)氧能滿足20 ℃（常溫）和60 ℃（高溫）條件下層間受力性能要求，并且具有足夠的安全儲備;而殼牌HV、橡膠瀝青和環(huán)氧瀝青無法滿足60 ℃（高溫）條件下層間黏結性能要求.

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收稿日期：2018-01-23

基金項目：國家自然科學基金資助項目（51678229，51778223），National Natural Science Foundation of China（51678229）

作者簡介：李嘉（1962—），女，湖南長沙人，湖南大學教授

通訊聯(lián)系人，E-mail：lijia@hnu.edu.cn