新型組合橋面磨耗層修復(fù)界面試驗(yàn)研究

李 嘉，張 堅(jiān)，董 亮，袁 鵬

(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.中國建筑第五工程局有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410004)

0 引言

針對(duì)鋼橋面疲勞開裂和鋪裝易損難修兩大難題，作者所在團(tuán)隊(duì)原創(chuàng)性提出“鋼面板35～50 mmUHPC(Ultra High Performance Concrete)7～40 mm磨耗層”新型組合橋面體系，該新型橋面組合體系將鋼橋面轉(zhuǎn)變成組合橋面，有效改善鋪面層受力狀態(tài)，大幅提高鋼橋面抗疲勞壽命[1-3]?，F(xiàn)行的薄磨耗層通常采用瀝青混合料，壽命大都在8～10 a之間，而鋼板-UHPC組合結(jié)構(gòu)其設(shè)計(jì)壽命為100 a[4]，因此在運(yùn)營服務(wù)年限內(nèi)勢(shì)必需要對(duì)新型鋪裝體系中的磨耗層進(jìn)行多次的銑刨與重鋪。然而，瀝青磨耗層銑刨后的界面與第一次攤鋪時(shí)新鮮UHPC界面會(huì)有明顯的差異。重鋪瀝青混合料與舊的UHPC層之間的粘結(jié)性能直接決定修復(fù)的效果。

目前，鋼橋面鋪裝修復(fù)的研究主要集中于修復(fù)材料以及修復(fù)方案等方面[5-8]。而UHPC-瀝青磨耗層修復(fù)界面與瀝青鋪裝修復(fù)界面或普通混凝土修復(fù)界面有很大不同。因此，有必要開展新型組合橋面磨耗層修復(fù)界面粘接性能研究。

本文針對(duì)新型組合橋面瀝青磨耗層銑刨清除后UHPC-瀝青磨耗層界面粘接問題，采用斜剪和附著力拉拔試驗(yàn)，通過分析新UHPC界面試件和修復(fù)界面試件的力學(xué)性能，評(píng)價(jià)瀝青磨耗層修復(fù)界面的適用性；測(cè)試不同粘結(jié)劑用量對(duì)修復(fù)界面粘接性能的影響，提出修復(fù)界面最佳粘結(jié)劑用量，為工程實(shí)際應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)

UHPC-瀝青磨耗層因界面粘接力不足容易導(dǎo)致界面脫層、滑移等病害，因此，通常采用抗剪強(qiáng)度和抗拉拔強(qiáng)度來評(píng)價(jià)層間粘接性能。評(píng)價(jià)界面抗拉拔性能宜采用復(fù)合試件拉拔強(qiáng)度或附著力拉拔強(qiáng)度，但由于復(fù)合試件拉拔試驗(yàn)在工程實(shí)踐中現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施難度較大，而附著力拉拔試驗(yàn)具有方便性、快捷性、可操作性[9]。因此本文采用剪切強(qiáng)度和附著力拉拔強(qiáng)度評(píng)價(jià)UHPC-瀝青磨耗層層間粘接狀況。

1.2 試驗(yàn)方法

復(fù)合試件層間斜剪試驗(yàn)參考美國標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法ASTM C882/C882M-13[10]進(jìn)行。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10 mm/min，測(cè)試裝置如圖1(a)所示。

附著力拉拔試驗(yàn)方法參考美國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范ASTM D7234-12[11]進(jìn)行，試驗(yàn)裝置為TJ-10型碳纖維粘結(jié)強(qiáng)度檢測(cè)儀測(cè)試，通過勻速轉(zhuǎn)動(dòng)手柄來控制加載速率，測(cè)試裝置如圖1(b)所示。

(a)斜剪試驗(yàn)

1.3 試驗(yàn)方案

對(duì)比4組不同試件，具體為：方案一，新UHPC界面，粘接劑用量為0.7 kg/m2，斜剪和附著力拉拔試件編號(hào)分別為XJ-N-7和LB-N-7；方案二，模擬瀝青磨耗銑刨清除后UHPC修復(fù)界面，粘接劑用量為0.7 kg/m2，斜剪和附著力拉拔試件編號(hào)分別為XJ-R-7和LB-R-7；方案三、方案四與方案二界面狀況一致，粘接劑用量分別為0.5、0.3 kg/m2，斜剪試件對(duì)應(yīng)編號(hào)XJ-R-5、XJ-R-3，附著力拉拔試件對(duì)應(yīng)LB-R-5、LB-R-3。

方案一和方案二對(duì)比是為了分析修復(fù)前后層間性能的變化情況；方案二、三、四對(duì)比是為了獲得修復(fù)界面最佳粘接劑用量。

2 試件制作

2.1 原材料

UHPC基體主要材料包括水泥、石英砂、硅灰、水，鋼纖維按體積比3.5%摻入。磨耗層采用SMA，主要包括聚丙烯腈纖維SBS改性瀝青、玄武巖碎石、礦粉等，油石比5.2%。

界面粘接劑采用進(jìn)口熱熔性改性環(huán)氧樹脂，它在初期固化后，加鋪高溫瀝青混合料時(shí)能迅速溶解軟化，通過壓路機(jī)碾壓后發(fā)揮優(yōu)良的粘接作用；且熱拌瀝青混合料提供的高溫促進(jìn)界面粘接劑二次固化，提高層間粘接性能。其A、B組分混合比(質(zhì)量)為100∶80，技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 熱熔性改性環(huán)氧樹脂技術(shù)指標(biāo)Tab.1 Technicalindexofhotmeltmodifiedepoxyresin材料性質(zhì)邵氏硬度拉伸強(qiáng)度23℃/MPa斷裂延伸率23℃/%拉伸強(qiáng)度-10℃/MPa斷裂延伸率-10℃/%柔韌性(-20℃±2℃)/耐熱性(160℃±2℃)/技術(shù)指標(biāo)25^35>3>400>5>250無裂紋不流淌、滑動(dòng)實(shí)驗(yàn)方法ASTMD-2240ASTMD638-82ASTMD638-82ASTMD638-82ASTMD638-82JC/T408-2005JC/T408-2005

2.2 新界面試件制作

澆筑并蒸養(yǎng)尺寸為300 mm×300 mm×30 mm的UHPC基板，基板表面采用拋丸處理，構(gòu)造深度為0.50～0.55 TD/mm。

2.2.1斜剪試件

將粘結(jié)劑均勻涂刷在UHPC基板表面上，用量為0.7 kg/m2。待48 h表干后，輪碾成型3 cm厚的瀝青混合料SMA，24 h后脫模，在80 ℃條件下養(yǎng)護(hù)6 h。冷卻后切割成90 mm×90 mm×60mm的小試件，如圖2(a)所示。

(a)斜剪試件

2.2.2附著力拉拔試件

將HUPC基板切割成70 mm×70 mm×30 mm的小試塊，用鉆芯機(jī)在試塊中心鉆取φ50 mm的芯樣，深度5 mm，在芯樣上涂刷界面粘結(jié)劑，然后將拉拔頭輕放于表面。在80 ℃條件下養(yǎng)護(hù)6 h。如圖2(b)所示。

2.3 修復(fù)界面試件制作

為模擬真實(shí)的修復(fù)界面狀況，選擇在已經(jīng)發(fā)生剪切破壞的試塊上進(jìn)行修復(fù)試驗(yàn)，先沿著剪切面將瀝青磨耗層與UHPC層分開，用鋼刷將吸附在表層的集料清理干凈，并用吸塵器清除表面浮塵。修復(fù)界面如圖4(b)所示。

(a)新界面

修復(fù)界面斜剪試件、附著力拉拔試件與新界面試件制作方法、養(yǎng)護(hù)條件均一樣，粘結(jié)劑用量分別采用0.3、0.5、0.7 kg/m2共3種劑量。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 剪切試驗(yàn)

在25 ℃和60 ℃狀態(tài)下，進(jìn)行復(fù)合試件剪切試驗(yàn)，典型試件破壞情況如圖4所示。剪切試件的荷載-位移曲線見圖5，測(cè)試結(jié)果匯總見表2。

(a)新界面XJ-N-7

由圖4可知，試件剪切破壞面均發(fā)生在層間，且破壞界面形態(tài)基本相似，呈粗糙狀態(tài)，UHPC表面均吸附有部分瀝青混合料的殘留物。

(a)XJ-N-7

表2 剪切試驗(yàn)結(jié)果Table2Sheartestresults編號(hào)參數(shù)25℃狀態(tài)下60℃狀態(tài)下試件一試件二試件三平均值試件一試件二試件三平均值XJ-N-7峰值荷載33.7234.5535.7434.649.4110.0910.6710.06剪切強(qiáng)度2.943.013.113.020.820.880.930.88XJ-R-7峰值荷載33.8534.0434.6534.188.499.299.419.06剪切強(qiáng)度2.952.973.022.980.740.810.820.79XJ-R-5峰值荷載30.7530.8231.2830.957.167.677.897.57剪切強(qiáng)度2.682.692.732.700.620.670.690.66XJ-R-3峰值荷載20.2322.4622.4921.734.785.015.174.99剪切強(qiáng)度1.771.961.961.900.420.440.450.44

由圖5表2可知：

a.常溫(25 ℃)狀態(tài)下，荷載-位移曲線圖均呈現(xiàn)明顯階段性，加載初期由于試件和模具不可能完全密合，使得荷載-位移曲線中位移測(cè)試值存在初始系統(tǒng)性誤差，故曲線斜率較緩；隨著荷載的增加，荷載-位移曲線進(jìn)入線性階段，此階段相對(duì)較長(zhǎng)，一直持續(xù)到剪切極限承載力；隨著界面粘接力喪失，承載能力逐漸下降，剪切位移快速發(fā)展，復(fù)合試件上下層分離。高溫(60 ℃)狀態(tài)下的試件荷載-位移曲線圖也呈現(xiàn)出相同的階段特征，但與常溫狀態(tài)相比，在峰值荷載、剪切破壞位移、曲線斜率等有明顯的區(qū)別。

b.在高溫狀態(tài)下，試件XJ-N-7的剪切強(qiáng)度由常溫狀態(tài)下的3.02 MPa下降至0.88 MPa，下降幅度為70.9%；試件XJ-R-7、XJ-R-5、XJ-R-3剪切強(qiáng)度下降幅度分別為73.5%、75.6%和76.8%。充分表明高溫對(duì)于層間剪切性能的影響顯著。

c.對(duì)比試件XJ-N-7和XJ-R-7的剪切試驗(yàn)結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)：兩組試件的荷載-位移曲線只是略有差異，試件XJ-R-7在常溫和高溫下的剪切強(qiáng)度較試件XJ-N-7分別下降1.3%和10.2%，表明新、舊界面常溫下層間剪切性能基本一致，且高溫狀態(tài)下僅有小幅度的下降。

d.對(duì)比XJ-R-7、XJ-R-5和XJ-R-3可以發(fā)現(xiàn)，XJ-R-5、XJ-R-7的荷載-位移曲線在前期基本一致，而后相同的荷載前者較后者產(chǎn)生更大的位移，且更早的出現(xiàn)了峰值荷載，常溫和高溫下試件XJ-R-5的剪切強(qiáng)度較試件XJ-R-7分別下降9.4%和16.5%；試件XJ-R-3變形曲線差異明顯，常溫和高溫下試件XJ-R-3的剪切強(qiáng)度較試件XJ-R-7分別下降36.2%和44.3%。

3.2 附著力拉拔試驗(yàn)

在25 ℃和60 ℃狀態(tài)下，進(jìn)行粘結(jié)劑與UHPC附著力拉拔試驗(yàn)，典型試件破壞情況如圖6所示，測(cè)試結(jié)果見表3。

(a)新界面XJ-N-7

圖6可知，新界面與修復(fù)界面的拉拔破壞面有一定的區(qū)別，兩種界面的拉拔頭上均粘附有部分的UHPC，但修復(fù)界面試件的拉拔頭上同時(shí)吸附部分的瀝青粘層。

表3 附著力拉拔試驗(yàn)結(jié)果Table3 Testresultsofadhesiondrawing編號(hào)參數(shù)25℃狀態(tài)下60℃狀態(tài)下試件一試件二試件三平均值試件一試件二試件三平均值XJ-N-7峰值荷載6.947.147.237.101.391.531.731.55拉拔強(qiáng)度3.533.643.683.620.710.780.880.79XJ-R-7峰值荷載6.737.117.197.011.371.411.551.44拉拔強(qiáng)度3.433.623.663.530.700.720.780.73XJ-R-5峰值荷載6.006.126.306.141.171.211.251.21拉拔強(qiáng)度3.023.083.173.090.590.610.630.61XJ-R-3峰值荷載2.892.783.243.080.60.640.700.64拉拔強(qiáng)度1.461.551.631.550.280.280.310.29

由表3可知：

a.高溫對(duì)于附著力拉拔強(qiáng)度的影響顯著，高溫狀態(tài)下，試件LB-N-7、LB-R-7、LB-R-5、LB-R-3附著力拉拔強(qiáng)度較常溫分別下降78.2%、79.3%、80.3%、81.3%?？梢园l(fā)現(xiàn)附著力拉拔強(qiáng)度下降幅度均要大于剪切強(qiáng)度，這是由于斜剪強(qiáng)度由環(huán)氧樹脂粘接劑所提供的粘聚力和層間粗糙面提供的機(jī)械摩擦力兩者構(gòu)成，而附著力拉拔強(qiáng)度僅由環(huán)氧樹脂粘接劑粘聚力提供；其中受溫度影響的主要是粘接劑粘聚力。

b.試件LB-R-7相比試件LB-N-7，常溫和高溫下附著力拉拔強(qiáng)度分別下降2.5%和7.6%，表明修復(fù)后界面黏結(jié)性能與新界面差異較小。

c.常溫、高溫條件下，試件LB-R-5相比試件LB-R-7下降12.5%和16.4%；試件LB-R-3相比試件LB-R-7下降了49.8%和60.3%。

綜合斜剪試驗(yàn)和附著力拉拔試驗(yàn)結(jié)果可知：粘接劑用量對(duì)于修復(fù)效果的影響顯著，當(dāng)粘接劑量為0.7 kg/m2時(shí)，修復(fù)后相比第一次攤鋪，界面常溫性能基本相當(dāng)，高溫性能有較小幅度的下降；用量為0.5 kg/m2時(shí)，較采用0.7 kg/m2用量試件在常溫下剪切、拉拔強(qiáng)度分別下降9.4%、12.5%，高溫下分別下降16.5%、16.4%；用量為0.3 kg/m2時(shí)，較采用0.7 kg/m2用量試件在常溫下剪切、拉拔強(qiáng)度分別下降36.2%、49.8%，高溫下分別下降44.3%、60.3%。表明粘接劑用量在很大程度上影響修復(fù)后抗剪強(qiáng)度及抗掀起性能。

3.3 附著力拉拔強(qiáng)度-剪切強(qiáng)度關(guān)系

從表2、表3可以發(fā)現(xiàn)剪切強(qiáng)度與附著力拉拔強(qiáng)度有相同的變化趨勢(shì)，不同方案的剪切強(qiáng)度、附著力拉拔強(qiáng)度如圖7所示。

圖7 不同方案測(cè)試結(jié)果

常溫和高溫下剪切強(qiáng)度和附著力拉拔強(qiáng)度對(duì)比見圖7，剪切強(qiáng)度-附著力拉拔強(qiáng)度的關(guān)系見圖8。

(a)常溫

回歸方程分別如下所示：

τ=0.54σ+1.05，R2=0.999

(1)

τ=0.85σ+0.18，R2=0.977

(2)

式中：τ為剪切強(qiáng)度；σ為附著力拉拔強(qiáng)度。

4 結(jié)論

a.常溫與高溫狀態(tài)下，剪切荷載-位移曲線存在明顯差異。復(fù)合試件的剪切強(qiáng)度、附著力拉拔強(qiáng)度高溫狀態(tài)下分別下降70.9%～76.8%、78.2%～81.3%。表明環(huán)境溫度對(duì)于粘接性能有顯著影響，因此需重視高溫條件下的層間受力性能。

b.粘接劑用量對(duì)于修復(fù)效果的影響顯著，粘接劑用量不足將嚴(yán)重地影響層間力學(xué)性能。修復(fù)過程中采用0.7 kg/m2粘接劑用量，修復(fù)后相比修復(fù)前常溫的剪切強(qiáng)度、附著力拉拔強(qiáng)度分別下降1.3%～2.5%，高溫下剪切強(qiáng)度、附著力拉拔強(qiáng)度分別下降10.2%和7.6%，表明常溫層間力學(xué)性能修復(fù)前后基本一致，而高溫層間性能有一定幅度的下降。在實(shí)際修復(fù)工程中推薦采用0.7 kg/m2粘接劑用量。

c.剪切強(qiáng)度-附著力拉拔強(qiáng)度存在良好的線性關(guān)系，工程實(shí)踐中可采用便捷的附著力拉拔試驗(yàn)，初步判斷UHPC-瀝青磨耗層粘結(jié)效果。