李 嘉,袁 鵬,黃 聰
(1.湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院,湖南 長沙 410000;2.風(fēng)工程與橋梁工程湖南省重點(diǎn)實(shí)驗室,湖南 長沙 410000)
超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete,簡稱:UHPC)是當(dāng)今最先進(jìn)的水泥基材料?;赨HPC超強(qiáng)的力學(xué)性能及優(yōu)異耐久性,邵旭東等研發(fā)出超高性能輕型組合橋面結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu),共同分擔(dān)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(jié)構(gòu)自重,輕型組合橋面體系中,UHPC為永久結(jié)構(gòu)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(nèi)外學(xué)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(huán)氧瀝青進(jìn)行性能研究,發(fā)現(xiàn)改性環(huán)氧瀝青具有出色的黏結(jié)性、抗裂性、抗沖擊性以及對集料的黏附性和水穩(wěn)定性。黃衛(wèi)等[7]提出以環(huán)氧瀝青混合料作為鋼橋面鋪裝材料,進(jìn)行馬歇爾穩(wěn)定度、高溫穩(wěn)定性能、低溫抗彎拉強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度等試驗研究,表明環(huán)氧瀝青混合料性能明顯優(yōu)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(shù),交通運(yùn)輸部于2017年頒布《鋼橋面鋪裝冷拌樹脂瀝青》(JT/T 1131—2017)技術(shù)規(guī)范[8],提出ERS(EBCL防水黏結(jié)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(huán)氧樹脂類磨耗層強(qiáng)度特性,開展抗壓強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、黏結(jié)強(qiáng)度研究。吳迪等[10]對聚合物薄層鋪裝材料進(jìn)行層間黏結(jié)性能試驗研究,得出聚合物鋪裝層層間拉拔強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度隨著環(huán)境溫度的上升而下降,但仍遠(yuǎn)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(jìn)行加速加載試驗,結(jié)果表明聚合物樹脂鋪裝層經(jīng)受反復(fù)的車輪荷載作用后沒有出現(xiàn)脫層破壞,且面層集料結(jié)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(yōu)越性,認(rèn)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(nèi)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(jié)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(nèi)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(yīng)力較大[16]。因此對于UHPC-超薄磨耗層復(fù)合結(jié)構(gòu),層間黏結(jié)性能需要重點(diǎn)關(guān)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(jié)性能研究,以拉拔強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度和剪切模量等指標(biāo)綜合評價超薄磨耗層層間力學(xué)性能;模擬不利自然環(huán)境,探討高溫、紫外線光照、凍融循環(huán)條件下復(fù)合鋪面結(jié)構(gòu)層間力學(xué)性能的劣化規(guī)律;基于實(shí)橋仿真分析,評價UHPC-EBCL和UHPC-TPO層間黏結(jié)性能,分析兩類鋪面材料用于輕型組合橋面結(jié)構(gòu)的工程適應(yīng)性。
評價結(jié)構(gòu)層界面黏結(jié)性能通常采用強(qiáng)度指標(biāo),如拉拔強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度等[17-18]。然而強(qiáng)度指標(biāo)僅代表復(fù)合試件達(dá)到極限破壞狀態(tài)時的最大強(qiáng)度,從使用功能分析,如果結(jié)構(gòu)層之間發(fā)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(jié)材料抵抗剪切應(yīng)變的能力,以便更全面地評價結(jié)構(gòu)層間黏結(jié)狀態(tài)。
以拉拔強(qiáng)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(chǎn)生的層間最大拉應(yīng)力;[σl]d為層間拉拔強(qiáng)度設(shè)計值;σs為試驗實(shí)測的層間拉拔強(qiáng)度;Ks為抗拉強(qiáng)度系數(shù)。
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(qiáng)度評價層間黏結(jié)性能符合層間實(shí)際受力情況[19]:
(2)
式中,τmax為最不利行車荷載作用下產(chǎn)生的層間最大剪應(yīng)力;[τ]R為層間剪切強(qiáng)度設(shè)計值;τs為試驗實(shí)測的層間抗剪強(qiáng)度;Kr為抗剪強(qiáng)度系數(shù)。
參照Goodman模型[20],引入剪切模量E衡量結(jié)構(gòu)層層間結(jié)合狀況。Goodman模型中,若上下鋪裝層發(fā)生相對水平位移Δu,則層間界面的剪應(yīng)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(dāng)上下鋪裝層發(fā)生單位相對位移時,界面處的剪應(yīng)力即為層間剪切模量。以剪切模量E來評價層間黏結(jié)狀態(tài):顯然當(dāng)E值越大,表明層間黏結(jié)性能越好,層間越趨于完全連續(xù);若E值越小,表明層間黏結(jié)性能越差,層間越趨于滑動。
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(shù)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(shù)Tab.2 Steel fiber types and parameters
磨耗層之一TPO采用聚氨酯改性環(huán)氧樹脂Mark-165,它由A,B兩組分別按質(zhì)量比3∶1混合組成,固化后技術(shù)指標(biāo)見表3。
表3 TPO改性環(huán)氧樹脂技術(shù)指標(biāo)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(zhì)量比1∶1混合配制組成,固化后技術(shù)指標(biāo)見表4。
表4 EBCL樹脂瀝青技術(shù)指標(biāo)Tab.4 Technical indicators of EBCL resin asphalt
澆筑尺寸為300 mm×300 mm×30 mm UHPC試板,自然環(huán)境下養(yǎng)護(hù)48 h后,再進(jìn)行蒸汽養(yǎng)護(hù)48 h。養(yǎng)護(hù)完成后對UHPC表面拋丸處理,控制構(gòu)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(yǎng)護(hù)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。
開展EBCL-UHPC和TPO-UHPC兩類復(fù)合試件界面黏結(jié)性能試驗,測試3種不利自然環(huán)境循環(huán)作用下的剩余強(qiáng)度等,具體試驗內(nèi)容如下:(1)在常溫、高溫條件下進(jìn)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(jié)性能;(2)模擬大跨徑橋梁受不利自然環(huán)境影響,探究復(fù)合試件受到高溫、紫外線光照和水損后層間黏結(jié)性能的劣化規(guī)律。
拉拔試驗和斜剪試驗分別參考美國標(biāo)準(zhǔn)試驗方法ASTM C1583-04[21]和ASTM C882/C882M-13[22]進(jìn)行。斜剪試驗裝置采用WAW-E600C型電液伺服萬能試驗機(jī),控制位移加載方式,設(shè)定加載速率為10 mm/min,自動記錄受剪過程不同位移對應(yīng)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(jié)強(qiáng)度檢測儀,勻速緩慢轉(zhuǎn)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
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(qiáng),冬季冰凍等特點(diǎn),本研究模擬高溫、光照和水損害3種惡劣的環(huán)境條件,探討不利自然因素對兩類復(fù)合構(gòu)件層間黏結(jié)性能的影響。
(1)高溫環(huán)境模擬(環(huán)境1)
參考試驗規(guī)程[23],將試件放置在85 ℃的烘箱中,在強(qiáng)制通風(fēng)條件下持續(xù)加熱24 h,自然冷卻16 h,該過程為一次循環(huán)。試驗規(guī)程中要求瀝青混合料的高溫老化時間為5 d,大約相當(dāng)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(shè)計使用壽命為15~20 a左右,因此設(shè)計15次高溫老化循環(huán)。
(2)光照環(huán)境模擬(環(huán)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(xiàn)[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(huán)。共進(jìn)行15次循環(huán)。
(3)水損害環(huán)境模擬(環(huán)境3)
參考試驗規(guī)程[26],用凍融循環(huán)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(huán)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(huán),共進(jìn)行15次循環(huán)。
測試常溫和高溫條件下EBCL-UHPC、TPO-UHPC復(fù)合試件拉拔強(qiáng)度。試件拉拔破壞形態(tài)見圖3,試驗數(shù)據(jù)如表5所示。
圖3 拉拔破壞形態(tài)Fig.3 Failure patterns in pull-off test
圖3顯示,兩種復(fù)合試件拉拔破壞都發(fā)生在UHPC與磨耗層的交界面,說明層間是薄弱部位,應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。
表5 拉拔試驗結(jié)果Tab.5 Result of pull-off test
分析表5可知:
(1)常溫(25 ℃)狀態(tài)下,EBCL-UHPC層間拉拔強(qiáng)度為4.39 MPa,TPO-UHPC層間拉拔強(qiáng)度為4.21 MPa,二者層間黏結(jié)性能接近。
(2)高溫(60 ℃)狀態(tài)下,EBCL和TPO拉拔強(qiáng)度分別為1.18 MPa,2.06 MPa,前者低于后者42.7%。
(3)層間拉拔強(qiáng)度受環(huán)境溫度影響較大,與常溫相比,60 ℃環(huán)境下,EBCL和TPO拉拔強(qiáng)度分別下降73.1%和51.1%,TPO表現(xiàn)出更好的高溫穩(wěn)定性。
在常溫和高溫條件下,分別對兩類復(fù)合試件進(jìn)行剪切試驗,試件剪切破壞形態(tài)如圖4所示,剪切荷載-位移曲線,見圖5。
圖4 剪切破壞形態(tài)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(huán)境下的剪切荷載-位移曲線規(guī)律大致相同,呈現(xiàn)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(tǒng)誤差,導(dǎo)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(guān)系,常溫下剪切模量遠(yuǎn)大于高溫剪切模量;隨著荷載的繼續(xù)增加,界面推移逐漸明顯,進(jìn)入破壞階段,這一階段層間發(fā)生塑性變形,荷載較位移增長緩慢,直至達(dá)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(fù)合試件上下層分離(見圖4)。另外,從圖5可看出EBCL的高溫穩(wěn)定性能要低于TPO,這是因為EBCL所用的膠結(jié)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(huán)境對EBCL的影響較大。
表6 剪切試驗結(jié)果Tab.6 Result of shear test
由圖5、表6可知:
(1)常溫(25 ℃)條件下,EBCL-UHPC復(fù)合試件層間剪切強(qiáng)度為10.68 MPa,略高于TPO-UHPC的10.33 MPa,二者都具有很強(qiáng)的抗剪能力。
(2)高溫(60 ℃)時,EBCL-UHPC和TPO-UHPC復(fù)合試件抗剪強(qiáng)度較常溫分別下降80.15%和68.1%,環(huán)境溫度對兩類鋪面層間抗剪性能影響顯著。
(3)復(fù)合試件EBCL-UHPC和TPO-UHPC在高溫條件下抗剪強(qiáng)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。
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(tǒng)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(xiàn)[27],層間剪切模量Ed定義為最大剪切強(qiáng)度20%和80%對應(yīng)點(diǎn)之間連線的斜率(見圖6):
(1)
式中,τmax為最大剪切強(qiáng)度;S1,S2分別為最大剪切強(qiáng)度20%和80%所對應(yīng)的剪切位移值。
表7 剪切模量計算結(jié)果Tab.7 Calculation result of shear modulus
圖7 復(fù)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(qiáng)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(fù)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(qiáng)度的下降幅度,表明高溫環(huán)境下,復(fù)合試件剪切過程中抵抗剪切應(yīng)變能力的下降并不由剪切強(qiáng)度的下降幅度所體現(xiàn)。
將兩種復(fù)合試件在環(huán)境1、環(huán)境2、環(huán)境3下分別進(jìn)行1,3,6,9,12,15次循環(huán)交替,25 ℃條件下分別進(jìn)行層間剪切試驗,試驗結(jié)果見圖8。
圖8 剪切性能與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系Fig.8 Relationships between shear performance and loading cycles
分析圖8可知:
(1)3種環(huán)境下,剪切強(qiáng)度與剪切模量隨著老化循環(huán)次數(shù)的增加,劣化規(guī)律表現(xiàn)一致,但剪切模量劣化的幅度要小于剪切強(qiáng)度。
(2)在環(huán)境1、環(huán)境2條件下,經(jīng)過14次循環(huán)后,兩種復(fù)合試件層間剪切強(qiáng)度和剪切模量均達(dá)到原值的80%以上;環(huán)境3經(jīng)過3次循環(huán)后,除TPO剪切強(qiáng)度殘留比為77%外,其他參數(shù)殘留比均在80%以上,且隨著循環(huán)次數(shù)的增加,強(qiáng)度趨于穩(wěn)定。
(3)不同環(huán)境條件對復(fù)合試件層間剪切性能有不同的影響,不利環(huán)境影響程度順序為:凍融(環(huán)境3)>紫外線(環(huán)境2)>高溫(環(huán)境1)。
試驗結(jié)果表明:經(jīng)過多次循環(huán)老化后,兩種復(fù)合試件層間殘留強(qiáng)度比均保持較高水平,表現(xiàn)出良好的耐老化性能。
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(shè)計標(biāo)準(zhǔn),設(shè)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(shè)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
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(biāo)準(zhǔn)梁段(含4道橫隔板),為降低計算規(guī)模,橫橋向采取半幅箱梁結(jié)構(gòu)。鋼主梁中,鋼頂板采用實(shí)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(shí)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(shù)如表8所示。
表8 材料參數(shù)Tab.8 Material parameters
運(yùn)用HYPERMESH有限元網(wǎng)格劃分前處理功能對幾何模型進(jìn)行分網(wǎng),對關(guān)注區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)分。設(shè)置模型的邊界條件:縱橋向為固結(jié),橫橋向采用橫向?qū)ΨQ約束,有限元模型見圖10。最后將有限元模型導(dǎo)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(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60—2015)[28]規(guī)定的車輛荷載,考慮鋼橋面上輪載的局部效應(yīng)。豎向荷載考慮1.3的沖擊系數(shù),水平荷載模擬車輛緊急制動,水平力系數(shù)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(yīng)力狀態(tài)。
圖12 輪載位置(單位:mm)Fig.12 Positions of wheel loads (unit:mm)
提取6種加載荷位下層間應(yīng)力計算結(jié)果,見表9。
復(fù)合試件層間剪切強(qiáng)度τs(表5)、拉拔強(qiáng)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(yīng)力τm、最大法向拉應(yīng)力σm(表9)之比,分別用拉拔強(qiáng)度系數(shù)Ks與剪切強(qiáng)度系數(shù)Kr表征,見表10。
表10 復(fù)合鋪裝界面強(qiáng)度系數(shù)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(jié)構(gòu)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。
(1)TPO和EBCL作為超薄磨耗層,具有良好的層間黏結(jié)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(fù)合試件EBCL-UHPC和TPO-UHPC二者層間黏結(jié)強(qiáng)度相當(dāng);高溫條件下,EBCL-UHPC層間拉拔強(qiáng)度下降73.1%,剪切強(qiáng)度下降80.15%,UHPC-TPO層間拉拔強(qiáng)度下降51.1%,抗剪強(qiáng)度下降68.1%。試驗結(jié)果表明環(huán)境溫度對層間黏結(jié)性能有顯著影響,TPO表現(xiàn)出更加優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性能。
(3)模擬高溫、紫外線和水損害不利自然環(huán)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(qiáng)度;不同環(huán)境下兩種材料的劣化程度有所差異,環(huán)境因素影響排序為:水損害(環(huán)境3)>紫外線光照(環(huán)境2)>高溫(環(huán)境1)。
(4)參照Goodman模型,提出以剪切模量Ed表征復(fù)合鋪裝結(jié)構(gòu)層間界面處的黏結(jié)狀態(tài)。在3種環(huán)境老化循環(huán)次數(shù)下,剪切模量與剪切強(qiáng)度的劣化規(guī)律基本一致,但剪切模量的劣化程度要低于剪切強(qiáng)度。
(5)實(shí)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(shù)分別為8.94,4.56,抗剪強(qiáng)度系數(shù)分別為16.58,3.30;TPO-UHPC層間抗拉拔系數(shù)分別為8.69,7.56,抗剪強(qiáng)度系數(shù)分別為16.29,5.49。仿真結(jié)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。