超高性能轻型组合桥面UHPC-沥青面层层间黏结性能研究

李嘉 夏杨嘉玲 王万鹏 李树原

摘   要：UHPC 下承层与沥青面层牢固黏结对延长桥面使用寿命，避免滑移、脱层等病害十分重要.采用有限元分析和室内试验，研究不同类型黏结剂、环境温度等对UHPC-沥青面层层间黏结性能的影响.复合试件剪切试验和拉拔试验表明：环境温度对UHPC-沥青面层层间强度有较大影响，高温（60 ℃）下层间黏结强度较常温（20 ℃）時有显著下降;KD-HYP环氧、202环氧较环氧沥青、壳牌HV、橡胶沥青表现出更佳的黏结性能;环氧沥青高温黏结性能优于壳牌HV、橡胶沥青，但常温下三者无明显差别.洞庭湖二桥有限元仿真计算得出，UHPC-SMA层间最大剪应力在20 ℃（常温）和60 ℃（高温）时分别为0.696 MPa、0.422 MPa，层间最大法向拉应力分别为0.167 MPa、0.152 MPa.研究表明，洞庭湖二桥在超载、紧急制动及动荷载等最不利荷载组合下，KD-HYP环氧和202环氧能满足常温和高温条件下层间黏结性能要求，并且具有足够的安全储备;而壳牌HV、橡胶沥青和环氧沥青无法满足高温层间黏结性能要求.

关键词：道路工程;黏结性能;超高性能混凝土;沥青面层;有限元分析;室内试验

中图分类号：U443.33                          文献标志码：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

钢结构桥梁具有轻质高强、跨越能力大等优点，已广泛地应用在大跨径桥梁工程建设中.然而，钢桥面存在着桥面疲劳开裂和沥青铺装频繁破损两大难题[1-2].作者所在研究团队以提升桥面刚度、降低钢桥面应力幅的新思路，提出基于超高性能材料的钢桥面新体系，即“钢-薄层 UHPC （Ultra-High Performance Concrete）-沥青磨耗层”轻型组合桥面结构[3-4].该新体系中水泥基材料UHPC下承层与沥青面层牢固黏结是需要解决的主要技术问题之一，它对延长桥面使用寿命、保护UHPC结构层、避免滑移、脱层等病害至关重要.

对于常规水泥混凝土板与沥青面层层间黏结问题，国内外学者开展了大量的研究.Ozer等[5]通过室内直接剪切试验、路面加速加载试验机和有限元计算等方式，探究水泥混凝土板与沥青铺装层间的黏结性能，包括剪切强度和拉拔强度;Zhen[6]等进行了热拌沥青混合料HMA与波特兰水泥混凝土PCC层间剪切试验，指出影响层间黏结强度的因素为温度、热拌沥青混合料和黏结层材料性能、黏结剂涂抹量和水泥混凝土表面处理方式等;Bocci等[7]的研究表明，环氧沥青作为层间黏结剂具有较好的抗剪性能，且受温度影响小;贾晓阳等[8]采用有限元分析混凝土桥面沥青铺装层间水平剪应力与法向正应力的分布关系，提出层间剪应力临界边界，并找出层间剪应力临界边界的影响因素，给出了临界边界方程形式;刘云等[9]对混凝土箱梁沥青铺装层间黏结性能的研究表明，SBS改性沥青和橡胶沥青可作为混凝土箱梁与沥青铺装层的层间黏结材料;李萍等[10]针对桥面铺装层抗剪强度和黏结强度不足而出现的病害，研究剪切角度、黏层油种类与用量、温度等对水泥砼桥面沥青铺装层抗剪切性能的影响.国内外现有研究主要关注沥青上下面层或沥青层与常规水泥混凝土下层之间的联结问题.由于UHPC材料组分内不包含粗骨料，颗粒粒径一般小于

1 mm，成型后表面致密且光滑，其材料组成、力学性能、表面特征等方面均与沥青混合料、普通混凝土存在很大差异[11]，因此有必要开展UHPC-沥青面层层间黏结性能研究.

本文通过常温、高温条件下UHPC-SMA复合试件层间力学试验，探讨不同类型黏结剂对UHPC-SMA层间受力性能的影响，采用斜剪强度和拉拔强度评估复合试件层间黏结能力;基于实桥有限元计算，确定最不利荷载组合下UHPC-SMA层间最大剪应力及法向拉应力，对比实测结果分析不同黏结剂的适应性，为“钢面板-超薄UHPC-沥青铺装”超高性能轻型组合桥面的工程应用提供技术支持.

1   UHPC-沥青面层层间设计控制指标

UHPC是高强致密又耐久的水泥基材料，其材料特性决定了UHPC层不会产生开裂、车辙、推移和拥包等病害;另一方面，沥青面层主要保护UHPC结构层免受行车磨损及外界环境因素影响，同时满足车辆行驶性能要求;薄层沥青层起磨耗层作用，厚度仅为2～4 cm.因此，UHPC-薄面层复合铺装体系最有可能出现的破坏是界面黏结不足而导致层间滑移、脱层等，必须控制UHPC与沥青面层层间剪切破坏和受拉破坏.

综合考虑设计计算、施工控制、竣工验收3方面，制定2个UHPC-沥青面层设计控制指标，采用剪切强度和拉拔强度来评价黏结材料层间黏结性能，见式（1）和式（2）.

1.1   层间剪应力

式中：τmax为最不利荷载作用下，层间最大剪应力，MPa，由计算确定;[τ]d为层间剪切强度设计值，MPa，基于实测层间抗剪强度，并保证足够的安全储备，综合确定.

1.2   层间法向拉应力（表征抗掀起能力）

式中：σl，max为最不利荷载作用下，层间最大法向拉应力，MPa，由计算确定;[σl]d为层间抗拉强度设计值，MPa，基于试验实测层间拉拔强度，并保证足够的安全储备，综合确定.

2   UHPC-沥青面层复合试件黏结试验

影响薄层结构层间黏结性能的因素众多，如：下承层的表面纹理提供的层间摩阻力、黏结剂自身的黏结力和外界环境因素等.由于UHPC材料组分内不包含粗骨料，表面粗糙度不及普通混凝土，故选择合适的界面黏结剂十分重要.本文重点研究黏结剂类型、环境温度等对复合试件层间黏结性能的影响.

2.1   原材料

UHPC基体成分包括水泥、硅灰、石英砂、高效减水剂和水，钢纤维掺量按体积分数3.5%掺入.面层采用沥青玛蹄脂碎石混合料SMA-13，主要成分包括SBS改性沥青、玄武岩碎石、聚丙烯腈纤维、矿粉，油石比5.8%.

本试验选用的黏结剂为3种类型，第一类为改性环氧树脂，即KD-HYP环氧黏层油（以下简称KD-HYP环氧）和热熔型改性环氧树脂202（以下简称202环氧），其基本技術指标见表1;第二类为改性沥青黏结剂，即壳牌HV高黏高弹沥青（以下简称壳牌HV）和胶粉掺量为22%的橡胶沥青，其基本技术指标见表2;第三类为林武环氧沥青，基本技术指标见表3.

2.2   试件制备

制备10块300 mm×300 mm×30 mm UHPC基板，养护完成后对UHPC表面进行抛丸处理，控制构造深度在0.4～0.55 mm，如图1所示;然后在清洁干燥的UHPC板表面分别涂刷5种黏结剂，每种黏结剂刷2块板.黏结剂配合比、洒布量、拌和温度、洒布温度和养生条件见表4.

黏结剂按配合比称量，将A、B组分分别恒温到拌和温度，然后倒入烧杯中，用电动搅拌机搅拌3 min，然后在规定温度下，将黏结剂均匀涂刷在UHPC表面上，黏结剂涂刷完成后如图2所示.

（e）环氧沥青

最后用轮碾法成型3 cm厚的SMA-13;待自然冷却后将其中5块不同黏结剂的复合试板切割成90 mm×90 mm×60 mm的小试件，用于斜剪试验;另外5块复合试板切成70 mm×70 mm×60 mm的小试件，用于拉拔试验.本次试验UHPC-SMA复合试件共60块.

2.3   试验方法

采用剪切强度和拉拔强度来评价层间黏结性能.斜剪试验、拉拔试验参考美国标准试验方法ASTM C882/C882M-13[12]、ASTM D7234-12[13]进行.试验设备为测力量程50 kN的UTM微机控制万能试验机，剪切试验加载速率为1 kN/s，拉拔试验加载速率为0.5 kN/s，试验装置如图3所示.分别测试20 ℃和60 ℃下，UHPC-SMA界面剪切强度和拉拔强度.

3   试验结果与分析

3.1   复合试件剪切强度

采用环氧树脂类黏结剂的UHPC-SMA复合试件，其剪切破坏均发生在SMA内部，破坏面接近黏层（如图4所示）;而沥青类黏结剂的复合试件，破坏面出现在层间，黏层发生破坏，如图5、图6所示.

分析表5可知：

1）20 ℃（常温）、60 ℃（高温）时，采用环氧树脂类黏结剂的UHPC-SMA复合试件，实测破坏应力为沥青混凝土的剪切强度，由此推断环氧黏结剂强度大于该数据.

2）20 ℃（常温）、60 ℃（高温）时，采用改性沥青和环氧沥青的复合试件，其剪切破坏均发生在UHPC-SMA界面，故实测破坏应力即为黏层剪切强度.20 ℃（常温）时剪切强度排序为：壳牌HV沥青>橡胶沥青>环氧沥青;60 ℃（高温）时剪切强度排序为：环氧沥青>壳牌HV沥青>橡胶沥青.

3）环境温度对层间剪切强度有较大影响，特别是沥青黏层复合试件.与常温（20 ℃） 相比，高温（60 ℃） 条件下，壳牌HV、橡胶沥青、环氧沥青强度分别下降70.2%、65.6%、55.74%，这是因为沥青材料热塑性所致;环氧沥青兼具环氧树脂与沥青的特性，高温强度优于壳牌HV、橡胶沥青.KD-HYP环氧、202环氧60℃（高温）剪切强度分别达到0.95 MPa、0.72 MPa以上，说明环氧材料的热固性使得其高温稳定性明显优于沥青材料.

3.2   复合试件拉拔强度

采用环氧树脂黏层的复合试件，其拉拔破坏均发生在沥青混凝土内部，此时黏层尚未破坏，见图7.

采用改性沥青的复合试件，其拉拔破坏约50%发生在沥青混凝土内部，另50%出现在UHPC-SMA层间;环氧沥青复合试件，拉拔破坏约70%发生在沥青混凝土内部，30%发生在UHPC-SMA层间，破坏形态如图8所示.

UHPC-SMA复合试件拉拔试验结果见表6.

分析表6可知：

1）20 ℃（常温）、60 ℃（高温）时，采用环氧树脂黏结剂的UHPC-SMA复合试件，其拉拔破坏面位于SMA内部，实测破坏应力为SMA的拉拔强度，由此推断环氧黏层强度大于该数据.

2）20 ℃（常温）时，改性沥青、环氧沥青复合试件破坏面发生在沥青混凝土内部或UHPC-SMA层间，故层间黏结强度应大于或等于此时实测的拉拔破坏应力.拉拔强度大致排序为：橡胶沥青>环氧沥青>壳牌HV.

3）60 ℃（高温）时，采用改性沥青、环氧沥青的复合试件，拉拔破坏面均出现在UHPC-SMA层间，且破坏面平整，故此时破坏应力即为改性沥青、环氧沥青的层间黏结强度;拉拔强度排序为：环氧沥青>壳牌HV>橡胶沥青，由此说明环氧树脂的加入一定程度改善了黏层高温稳定性.

4）环境温度对层间黏结强度的影响较大，由于沥青类材料的热塑性，壳牌HV、橡胶沥青、环氧沥青高温（60 ℃）强度分别比常温（20 ℃）强度下降89.4%、94.4%、89.3%;与剪切强度相似，环氧树脂的热固性使得其在高温下拉拔强度较高，KD-HYP环氧、202环氧在60 ℃（高温）拉拔强度分别达到0.18 MPa、0.21 MPa以上.

综上所述，环境温度对层间黏结性能有显著影响，环氧黏层由于其热固性，高温稳定性明显优于热塑性的沥青类黏层;另一方面，拉拔强度较剪切强度高温稳定性更差，原因在于黏层材料的感温性，而层间机械咬合力基本不受温度影响，因此，部分依赖嵌锁力的剪切强度受温度影响较小，而主要依靠黏结力的拉拔强度受影响明显.

4   洞庭湖二桥UHPC-SMA层间黏结性能研究

杭瑞高速岳阳洞庭湖二桥位于洞庭湖入长江交汇口处，主桥为1 480 m双塔钢桁梁悬索桥，桥面系采用正交异性钢桥面，桥面钢板厚12 mm，加劲U肋厚8 mm，面板上铺筑45 mmUHPC，其上铺筑40 mmSMA磨耗层，形成超高性能轻型组合桥面结构.

4.1   有限元计算模型及计算参数

以洞庭湖二桥为原型，采用ANSYS有限元軟件，建立轻型组合钢桥面结构有限元计算模型（见图9）.横向取半截面宽17.285 m，纵向取一个标准节段16.8 m.

采用如下计算假定：各层为连续、均匀、各向同性的弹性体，钢箱梁部分采用壳单元SHELL63模拟，UHPC层和沥青面层均采用实体单元SOLID45模拟，UHPC层与钢箱梁的顶面连接、沥青面层与UHPC层顶面的连接均采用共节点形式处理.为节约计算资源，钢箱梁取半幅，横桥向采用对称约束，纵桥向采用固结，材料物理力学参数见表7.

计算中的加载方式参照《公路桥涵设计通用规范（JTG D60—2015）选用，车辆荷载为550 kN标准车，由于标准车车轴的纵向间距较大，计算中仅考虑后轴的双联轴作用[14]，如图10中虚线范围所示.加载轴中每个车轮作用面积为200 mm×600 mm（纵桥向×横桥向）.竖向荷载考虑1.3的冲击系数，水平荷载取竖向荷载的0.5倍（模拟车辆紧急制动，水平力系数取0.5）.车辆荷载立面、平面布置如图10所示.

横桥向布设3种荷载位置[15]，如图11（a）所示;对于每一个横向荷位工况，沿纵桥向布设2种加载位置，如图11（b）所示.

4.2   有限元计算结果

与前述关注位置相对应，提取UHPC-SMA层间应力峰值计算结果，见表8.

计算结果表明，常温（20 ℃）时，UHPC-SMA层间最大剪应力为0.696 MPa，如图12（a）所示;高温（60 ℃）时层间最大剪应力为0.422 MPa，如图12（b）所示.层间法向拉应力峰值σm分别为0.167 MPa（20 ℃，图13（a））和0.152 MPa（60 ℃，图13（b））.

4.3   UHPC-SMA層间黏结性能评价

有限元计算得到的UHPC-SMA层间最大剪应力τm、最大法向拉应力σm（见表8）与复合试件层间强度（见表5和表6）之比，分别用剪切强度系数Kr与拉拔强度系数Ks表征，见表9.

表9显示，高温（60 ℃）环境下，壳牌HV、环氧沥青和橡胶沥青等3种黏结材料，剪切强度系数Kr<1，无法满足最不利荷载组合下UHPC-SMA层间受力要求;而KD-HYP环氧和202环氧两种材料无论是在常温（20 ℃）还是在高温（60 ℃），都具有很大的剪切宽容性，且拉拔强度系数Ks也能满足层间受力要求.

数值模拟分析与实测强度对比分析发现，KD-HYP环氧和202环氧黏结剂能满足超载、紧急制动及动荷载等最不利荷载组合下层间受力的所有要求;壳牌HV、橡胶沥青和环氧沥青虽然基本满足常温下的层间受力要求，但无法满足高温受力要求.

5   结   论

1）复合试件层间强度试验表明，不同类型黏结剂剪切强度、拉拔强度存在较大差异.KD-HYP环氧、202环氧较壳牌HV、橡胶沥青表现出更佳的黏结性能;环氧沥青高温黏结性能优于壳牌HV、橡胶沥青，但常温下三者无明显差别.

2）环境温度对复合试件层间强度有较大影响.壳牌HV、橡胶沥青、环氧沥青60 ℃剪切强度分别比20 ℃时下降70.2%、65.6%、55.74%;拉拔强度下降89.4%、94.4%、89.3%;高温（60 ℃）环境下，环氧树脂黏结剂具有明显优势，KD-HYP环氧、202环氧剪切强度分别达到0.95 MPa、0.72 MPa以上;拉拔强度分别达到0.18 MPa、0.21 MPa以上.

3）有限元计算结果表明，最不利荷载组合下，UHPC-SMA层间最大剪应力在20 ℃（常温）和60 ℃（高温）时分别为0.696 MPa、0.422 MPa，最大法向拉应力分别为0.167 MPa、0.152 MPa.

4）数值模拟分析与实测强度对比分析发现，在超载、紧急制动及动荷载等最不利荷载组合下，KD-HYP环氧和202环氧能满足20 ℃（常温）和60 ℃（高温）条件下层间受力性能要求，并且具有足够的安全储备;而壳牌HV、橡胶沥青和环氧沥青无法满足60 ℃（高温）条件下层间黏结性能要求.

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收稿日期：2018-01-23

基金項目：国家自然科学基金资助项目（51678229，51778223），National Natural Science Foundation of China（51678229）

作者简介：李嘉（1962—），女，湖南长沙人，湖南大学教授

通讯联系人，E-mail：lijia@hnu.edu.cn