李 嘉， 董 亮， 夏楊嘉玲,3， 張 堅(jiān)

(1. 湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082; 2. 湖南大學(xué) 風(fēng)工程與橋梁工程湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410082；3.廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，廣東 廣州 510000)

0 引言

為了綜合解決鋼橋面疲勞開裂和鋪裝易損難修兩大難題，作者所在研究團(tuán)隊(duì)在理論分析和研究材料性能的基礎(chǔ)上原創(chuàng)性提出“鋼面板-35～50 mm超高性能混凝土UHPC-20～40 mm瀝青磨耗層”輕型組合橋面結(jié)構(gòu)體系[1-3]，該輕型組合橋面體系將鋼橋面轉(zhuǎn)換成組合橋面，使鋼橋面的抗疲勞能力大幅度增強(qiáng)并且提升了橋面剛度。

該結(jié)構(gòu)體系中薄層瀝青磨耗層和UHPC下承層之間能否牢固粘結(jié)是急需解決的主要技術(shù)問題之一[4-6]，其粘結(jié)牢固與否對(duì)于主體結(jié)構(gòu)的保護(hù)、防止病害發(fā)生和延長(zhǎng)橋梁壽命等至關(guān)重要。近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此展開了研究，Lu Q[7]等研究了環(huán)氧瀝青在正交各向異性橋面鋪裝除大面積密級(jí)配磨耗層以外的各種工程中面臨的問題和解決方法，探討了環(huán)氧瀝青在道路路面中的應(yīng)用前景；王虎[8]等研究表明，鋪裝層粘結(jié)失效破壞是橋面鋪裝破壞的主要類型之一，粘結(jié)層的完好能改善橋面鋪裝層受力條件，減少層內(nèi)應(yīng)力，一旦粘結(jié)層失效，橋面鋪裝層將會(huì)出現(xiàn)滑移和脫落。

由于輕型組合橋面體系中UHPC層和瀝青磨耗層層間應(yīng)力比較大，經(jīng)本研究團(tuán)隊(duì)初步研究決定選用兩種二階熱固性環(huán)氧界面劑來展開研究。

本文通過常溫和高溫環(huán)境下的斜剪試驗(yàn)和拉拔試驗(yàn)，研究環(huán)氧界面劑的類型、撒布量和養(yǎng)護(hù)齡期以及環(huán)境溫度等因素對(duì)UHPC-瀝青磨耗層界面粘結(jié)性能的影響。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 原材料

UHPC基質(zhì)材料的混合比如表1所示，其中摻入體積比為3.5%的鋼纖維以提升強(qiáng)度。磨耗層采用SMA-13，主要成分為SBS改性瀝青、礦粉、玄武巖碎石，油石比5.2%。

表1 UHPC基材配合比Table 1 Composition ratio of UHPC matrix組分水泥硅灰石英砂石英粉減水劑水質(zhì)量比1.0000.2501.1000.3000.0190.225

試驗(yàn)選用的環(huán)氧界面劑有兩種，改性環(huán)氧界面劑2766和二階熱固性環(huán)氧瀝青，這兩種界面粘結(jié)劑都是二階熱固性材料，即: 撒布后在常溫下可以很快的表干固化(一階)，使得車輛和人員在該粘結(jié)層上作業(yè)時(shí)不會(huì)發(fā)生粘連；當(dāng)熱拌瀝青混合料鋪筑時(shí)，該粘結(jié)層在混合料熱量作用下重新液化，與熱拌瀝青混合料中的瀝青熔融相連并快速固化(二階)，進(jìn)而形成環(huán)氧材料的粘結(jié)層界面。兩種界面粘結(jié)劑技術(shù)指標(biāo)分別如表2和表3所示，其A、B組分的質(zhì)量混合比分別為100∶55和1∶2，環(huán)氧瀝青混合前A、B組分都需要70℃～90℃預(yù)熱。

表2 環(huán)氧界面劑2766技術(shù)指標(biāo)Table 2 Technical specification of epoxy interfacial agent 2766項(xiàng)目粘結(jié)力(與瀝青砼)/MPa粘結(jié)(與水泥砼)/MPa拉伸模量/MPa拉伸強(qiáng)度/MPa斷裂延伸率/%23 ℃-10 ℃23℃-10℃吸水率/%技術(shù)指標(biāo)>3>5>3.0>5.0204-272>40>25<0.1檢測(cè)方法ACI-503 R29ACI-503 R29ASTM C-109ASTM C-109ASTM C-109ASTM C-109ASTM C-109ASTM C-243

表3 環(huán)氧瀝青技術(shù)指標(biāo)Table 3 Technical indexes of epoxy asphalt指標(biāo)重量比[m(A)∶m(B)]表干時(shí)間/d斷裂延伸率(20℃)/%拉伸強(qiáng)度(20℃)/MPa數(shù)值1∶21～2≥100≥5.0

1.2 試件制備

制備300 mm×300 mm×30 mm UHPC基板，養(yǎng)護(hù)完成后對(duì)UHPC試板表面進(jìn)行拋丸處理，控制構(gòu)造深度在0.4～0.55 mm之間。然后將清理干凈的UHPC板表面分別涂刷兩種界面粘結(jié)劑，界面劑2766和環(huán)氧瀝青都分別按撒布量0.5、0.7、0.9 kg/m2各刷一塊板，最后用輪碾法成型3 cm厚的瀝青磨耗層，待自然冷卻后將試板切割成90 mm×90 mm×60 mm的小試件用于斜剪試驗(yàn)。

制備100 mm×100 mm×300 mm的UHPC立方體試件，將其切割成100 mm×100 mm×30 mm的小試塊，將其切割面用環(huán)氧界面劑連接用于復(fù)合試件拉拔試驗(yàn)。

將300 mm×300 mm×30 mm的UHPC基板切割成70 mm×70 mm×30 mm的小試件，涂刷界面粘結(jié)劑并粘上拉拔頭用于附著力拉拔試驗(yàn)。

1.3 試驗(yàn)方法

斜剪試驗(yàn)參照美國(guó)試驗(yàn)規(guī)程ASTM C882/C882M-13[9]進(jìn)行。斜剪試驗(yàn)裝置為量程50 kN的UTM微機(jī)控制萬能試驗(yàn)機(jī)，斜剪試驗(yàn)中萬能試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)記錄受剪過程不同位移對(duì)應(yīng)的荷載及破壞時(shí)的峰值荷載，加載速率10 mm/min；復(fù)合試件拉拔試驗(yàn)和附著力拉拔試驗(yàn)分別參考美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法ASTM C1583/C1583M-13[10]和ASTM D7234-12[11]進(jìn)行。復(fù)合試件拉拔試驗(yàn)裝置為量程50 kN的UTM微機(jī)控制萬能試驗(yàn)機(jī)，加載速率為5 mm/min，附著力拉拔試驗(yàn)采用TJ-10型碳纖維粘結(jié)強(qiáng)度檢測(cè)儀。測(cè)試裝置見圖1。

(a) 斜剪試驗(yàn) (b) 復(fù)合試件拉拔試驗(yàn)

2 界面劑及其撒布量與剪切強(qiáng)度

UHPC-SMA復(fù)合試件層間剪切試驗(yàn)結(jié)果如表2所示；另外，還記錄了了常溫條件下UHPC-SMA復(fù)合試件剪切破壞荷載-位移值，見圖2、圖3。

表2 復(fù)合試件剪切試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Shear test results of composite specimens溫度/℃2 766劑不同撒布量(kg/m2)下的剪切強(qiáng)度/MPa 環(huán)氧瀝青不同撒布量(kg/m2)下的剪切強(qiáng)度/MPa0.50.70.90.50.70.91.592.293.111.802.152.10實(shí)測(cè)值1.722.133.061.842.192.07201.572.162.941.872.372.08平均值1.632.193.041.832.242.080.240.510.610.150.230.26實(shí)測(cè)值0.290.520.720.130.280.36600.170.320.910.290.400.21平均值0.230.450.750.190.300.28

圖2 2766劑剪切荷載-位移曲線Figure 2 2766 Shear load-displacement curve

圖3 環(huán)氧瀝青剪切荷載-位移曲線Figure 3 Epoxy asphalt shear load-displacement curve

分析表2和圖2、圖3的試驗(yàn)結(jié)果可知：

a.20 ℃(常溫)、60 ℃(高溫)時(shí)，環(huán)氧界面劑2766和環(huán)氧瀝青的復(fù)合試件，其剪切破壞面均發(fā)生在UHPC-SMA界面(見圖4、圖5)，故實(shí)測(cè)破壞應(yīng)力即為界面粘結(jié)劑的剪切強(qiáng)度。60 ℃(高溫)時(shí)環(huán)氧界面劑2766剪切強(qiáng)度大于環(huán)氧瀝青剪切強(qiáng)度。

圖4 2766劑剪切破壞形態(tài)Figure 4 2766 Shear failure modes

圖5 環(huán)氧瀝青剪切破壞形態(tài)Figure 5 Epoxy asphalt shear failure modes

b.環(huán)境溫度對(duì)界面粘結(jié)劑剪切強(qiáng)度有較大影響。與常溫(20 ℃) 相比，高溫(60 ℃) 條件下，2766劑在不同撒布量下剪切強(qiáng)度分別下降85.9%、79.5%、75.3%和82.6%、82.5%、81.0%；環(huán)氧瀝青在不同撒布量下抗剪強(qiáng)度分別下降89.6%、86.6%、86.5%； 高溫條件下抗剪強(qiáng)度下降幅度比較大，但2766劑在60 ℃(高溫)環(huán)境下撒布量為0.9 kg/m2時(shí)抗剪強(qiáng)度仍能達(dá)到0.75 MPa。

c.無論是高溫還是常溫條件下2766劑隨著撒布量的增加剪切強(qiáng)度依次增加；而環(huán)氧瀝青則都在0.7 kg/m2之后強(qiáng)度出現(xiàn)了下滑；因?yàn)檎辰Y(jié)材料涂刷不足時(shí)不能形成連續(xù)的薄層，無法提供足夠的粘結(jié)力，反之，涂刷過量，其層間會(huì)形成軟弱夾層，同樣會(huì)影響界面強(qiáng)度。

d.界面粘結(jié)劑2766的剪切荷載-位移曲線中的峰值明顯比環(huán)氧瀝青高；在撒布量增加的情況下，發(fā)生相同剪切位移時(shí)的剪切力也大幅提升。

文獻(xiàn)[5]在UHPC鋪裝層強(qiáng)度可靠性分析中指出，UHPC層與磨耗層界面剪應(yīng)力峰值為0.301 MPa，再考慮到1.2倍的安全系數(shù)[12-13]，環(huán)氧瀝青不能滿足輕型組合橋面結(jié)構(gòu)的層間受力要求。

3 養(yǎng)護(hù)齡期與拉拔強(qiáng)度

二階熱固性材料具有優(yōu)良的常溫、高溫性能，其涂布和養(yǎng)生是層間施工過程中的關(guān)鍵步驟。為研究養(yǎng)生齡期對(duì)層間粘結(jié)強(qiáng)度的影響以及研究復(fù)合試件拉拔強(qiáng)度和附著力拉拔強(qiáng)度的相關(guān)性，選用 2766劑進(jìn)行試驗(yàn)。由于環(huán)氧界面劑層間粘結(jié)強(qiáng)度大于瀝青混合料強(qiáng)度，為測(cè)試粘結(jié)劑自身的復(fù)合試件層間拉拔強(qiáng)度，制備UHPC-UHPC復(fù)合試件，參考美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法ASTM C1583/C1583M-13進(jìn)行。試驗(yàn)裝置如圖1(b)所示。拉拔試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，養(yǎng)生齡期與拉拔強(qiáng)度變化曲線圖如圖6和圖7所示。

表3 拉拔試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Drawing test resultsMPa齡期2766劑齡期/d1261020250.580.851.322.182.732.78實(shí)測(cè)值0.550.861.342.092.752.85復(fù)合試件0.500.901.422.192.572.78平均值0.540.871.362.152.682.800.491.011.532.522.912.97實(shí)測(cè)值0.550.841.552.382.862.94附著力0.530.901.462.352.952.95平均值0.520.921.512.422.912.95

圖6 養(yǎng)生齡期-復(fù)合試件拉拔強(qiáng)度Figure 6 Curing age-drawing strength of composite specimens

圖7 養(yǎng)生齡期-附著力拉拔強(qiáng)度Figure 7 Health care age-adhesion drawing strength

由表3和圖6、圖7可知：

a.附著力拉拔強(qiáng)度和復(fù)合試件拉拔強(qiáng)度隨齡期增長(zhǎng)都可以分為兩個(gè)階段，1～20 d為第一階段，強(qiáng)度隨齡期增長(zhǎng)比較快，20 d之后強(qiáng)度基本趨于穩(wěn)定，增長(zhǎng)幅度不太明顯。

圖8 拉拔強(qiáng)度對(duì)比擬合曲線Figure 8 Drawing strength contrast fitting curve

b.前兩天由于環(huán)氧界面劑還沒有完全固化，因此拉拔強(qiáng)度偏低，均未超過1 MPa，破壞情況如圖9(a)所示；到10 d，復(fù)合試件拉拔強(qiáng)度和附著力拉拔強(qiáng)度分別達(dá)到25 d強(qiáng)度的76.8%和82.0%；后期復(fù)合試件拉拔破壞界面如圖9(b)所示。

(a) 前期 (b) 后期

c.如圖8所示，復(fù)合試件拉拔強(qiáng)度和附著力拉拔強(qiáng)度有著良好的相關(guān)性，附著力拉拔強(qiáng)度y與復(fù)合試件拉拔強(qiáng)度x線性回歸方程為:

y=1.087 5x-0.011 4；R2 =0.997 5

d.除1 d外，附著力拉拔強(qiáng)度比復(fù)合試件拉拔強(qiáng)度高，從2 d開始復(fù)合試件拉拔強(qiáng)度分別為附著力拉拔強(qiáng)度的94.6%、90.1%、88.8%、92.1%和95.0%。

4 結(jié)論

a.高溫條件下，兩種環(huán)氧界面劑的剪切強(qiáng)度比常溫均有大幅度下降，說明環(huán)境溫度對(duì)其粘結(jié)性能有顯著影響。

b.無論是高溫還是常溫條件下環(huán)氧界面劑的強(qiáng)度都不會(huì)隨其撒布量的增加而持續(xù)增長(zhǎng)。

c.附著力拉拔強(qiáng)度和復(fù)合試件拉拔強(qiáng)度有著良好的相關(guān)性，附著力拉拔強(qiáng)度和復(fù)合試件拉拔強(qiáng)度隨齡期增長(zhǎng)都可以分為兩個(gè)階段，1～20 d為第一階段，強(qiáng)度隨齡期增長(zhǎng)比較快，20 d之后強(qiáng)度基本趨于穩(wěn)定，增長(zhǎng)幅度不太明顯。

d.養(yǎng)護(hù)齡期前兩天由于環(huán)氧界面劑還沒有完全固化，因此拉拔強(qiáng)度偏低，均未超過1 MPa；到第10 d，復(fù)合試件拉拔強(qiáng)度和附著力拉拔強(qiáng)度分別達(dá)到25 d強(qiáng)度的76.8%和82.0%。