钢-超高性能混凝土胶接组合板受弯的界面性能

李传习，胡正，李游，柯璐

(长沙理工大学 桥梁工程安全控制教育部重点实验室，湖南 长沙 410114)

正交异性钢桥面板因其承载力大、自重轻等优点，在国内外大跨径桥梁中被广泛应用。目前，已建成的多数大跨径钢桥中，桥面铺装层由防锈层、黏结层和沥青混合料铺装层构成，并直接铺筑于钢桥面顶板上，总厚度为35～80 mm[1−3]。“钢桥面+沥青铺装”的桥面体系通车后，容易出现2 类典型病害：①桥面板疲劳开裂。1966 年英国修建的塞文桥，该桥在纵肋−面板、纵肋−横隔板等焊接位置，都出现了不同程度的疲劳裂缝。②桥面铺装层易损坏。1999 年建成的江阴长江大桥，铺装层采用50 mm 浇筑式沥青混凝土，通车不到1 a，沥青面层出现明显的塑性变形，接着出现铺装层开裂、推挤、脱胶等现象[4−8]。为了同时解决这两类问题，许多学者进行了大量研究。通过不断改进正交异性钢桥面板的构造细节(增加板厚)和制造技术(U 肋角焊缝处将单侧焊改为双侧焊)，采用新型钢桥面铺装方案(轻质混凝土铺装)等措施，减少钢桥面板疲劳开裂和铺装层损坏等病害[9−14]。为了修复1969 年荷兰鹿特丹修建的Caland 桥出现的疲劳裂缝，Buitelaar[15]等人提出了以配筋高性能混凝土(reinforced high performance concrete, 简称为RHPC)加固钢桥面板的方案，并且测试了RHPC 与钢桥面板的黏附力，发现在钢桥面板上涂抹一层双组分环氧树脂胶黏剂，并撒上铝土矿(试验测得胶黏剂轴拉强度为4.81 MPa)，可以有效地将RHPC 与钢桥面板黏结。通过弯曲试验，测得其平均黏结强度为125 MPa。还有研究表明：钢−超高性能混凝土(ultra- high performance concrete,简称为UHPC)组合桥面的结构形式承受纵向负弯矩时，截面中性轴在钢顶板以下，钢顶板与UHPC 共同受拉，UHPC 静力开裂强度可达42.7 MPa，远高于其在设计荷载作用下的拉应力。因此，作者以自主研制出的环氧树脂胶黏剂[16]作为胶黏剂，拟设计新型钢桥面板结构形式，即钢−UHPC 胶接组合桥面板，以解决正交异性桥面板疲劳开裂。

钢−UHPC 胶接组合桥面板如图1 所示，其主要有2 种方案：

方案1：先在钢桥面板上均匀涂抹一层环氧树脂胶黏剂，再均匀撒上铝土矿，然后布上钢筋网后浇筑UHPC 层，最后再浇筑沥青磨耗层。

方案2：先在钢桥面板上均匀涂抹一层环氧树脂胶黏剂，然后将预制UHPC 层(内置纵横向钢筋)与钢板黏结，最后再浇筑沥青磨耗层。

图1 钢−UHPC 胶接组合桥面板Fig.1 Steel-UHPC bonded composite slab

与以往的桥面体系相比，钢−UHPC 胶接组合桥面板的优点为：

1) 由于UHPC 超高耐久性和超强力学性能，不仅能满足荷载作用下应力与变形的要求，还可以有效提高桥面系的刚度，降低桥面板的应力水平，因此可大幅度延长桥面板的疲劳寿命。

2) 桥面系整体刚度的提高，既可以使沥青铺装层的受力得到显著改善，也可以延迟铺装层出现开裂、推挤、车辙等病害的时间。

3) 钢桥面与UHPC 层的连接方式为环氧胶黏剂。既避免了钢桥面顶板形成剪力键或焊接栓钉所引起的应力集中，也避免派生出新的疲劳细节(如短栓钉自身、钢桥面板与栓钉根部的焊缝处)。

为了探究新型方案的实用性与可行性，本研究采用2 种方案，分别进行了钢−UHPC 胶接组合板静力正/负弯矩加载试验，设计了不同的环氧胶黏剂类型、界面处理方式和配筋率的试件，对钢−UHPC胶接组合板的界面性能、力学性能及裂纹发展方式等进行研究，从中得到影响钢−UHPC 胶接组合结构受弯性能的主要参数和影响规律，为新型钢桥面体系的设计与工程应用提供参考。

1 钢−UHPC 胶接组合板弯曲试验

1.1 试验材料及性能

本试验中UHPC 原材料主要包括：水泥、石英砂、钢纤维、微硅粉、矿粉、减水剂和水。其中，钢纤维均为镀铜平直型，其体积掺量、长度、直径、弹性模量及抗拉强度分别为2.5%、16 mm、0.2 mm、205 GPa、2 800 MPa。浇筑试件时，同时浇筑6 个100 mm×100 mm×100 mm 的立方体UHPC 与3个100 mm×100 mm×400 mm 的长方体UHPC。将试件在相同条件下进行养护，养护分为2 个阶段：①标准养护，温度为20 ℃ ± 2 ℃，相对湿度为95%，养护48 h；②高温蒸汽养护，温度为95 ℃±5 ℃，养护48 h。参照《纤维混凝土试验方法标准(CECS 13:2009)》[16]和《活性粉末混凝土(GB/T 31387—2015)》[17]相关规定，进行UHPC 的基本力学性能测试，抗压强度、抗折强度、弹性模量及容重的测试结果分别为：165.5 MPa、38.71 MPa、47.6 GPa、26.5 kN·m−3。现浇试件所用铝土矿的主要成分为氧化铝，密度为3.45 g/cm3，如图2 所示。预制试件采用了3 种不同配比的双组分环氧胶黏剂(A 组分∶B 组分=100∶29)，主要区别是纳米SiO2掺量不同，1 号胶黏剂纳米SiO2掺量为A 组分的1%；2号胶黏剂纳米SiO2掺量为A 组分的0.5%；3 号胶黏剂纳米SiO2掺量为0。试件所配钢筋的型号与等级均为HRB400，钢板型号为Q345b，厚度为12 mm。

图2 不同粒径大小的铝土矿Fig.2 Bauxite with different particle sizes

1.2 试件设计与研究参数

本试验共设计了20 块600 mm×250 mm×68 mm(钢板12 mm，胶黏层1 mm，UHPC 层55 mm)的钢−UHPC 胶接组合板，如图3 所示。UHPC 层分为现浇与预制的制备工艺，其中，12 块为现浇板，8 块为预制板。现浇板界面的处理方式分为3 种不同粒径大小的铝土矿，分别为1～3 mm、3～5 mm和5～10 mm。现浇板的UHPC 内部布置2 种不同配筋率的纵横向钢筋网(横桥向钢筋在上)，钢筋直径分别为10 mm 与12 mm，所对应的配筋率分别为2.8%与4.1%。预制板的UHPC 内部钢筋布置方式与现浇板相同，钢筋直径只选用10 mm，即配筋率为2.8%。保护层厚度均设置为20 mm，通过课题组自主研发的环氧树脂胶黏剂的不同配比与钢板黏接，参数见表1。

图3 钢-UHPC 胶接组合板构造图(单位：mm)Fig.3 Structural drawing of steel−UHPC bonded composite slab (unit: mm)

表1 试件参数Table 1 Parameters of specimens

1.3 加载与测试方案

本试验加载装置采用量程为500 kN 的液压伺服万能试验机，加载方式为位移加载，速率为1 mm/min。通过翻转钢−UHPC 胶接组合板，实现正负弯矩的加载方式，具体装置与加载位置如图4所示(图4 为负弯矩加载下组合板的摆放方式)。

本次试验主要测试了试件的承载力、跨中挠度、UHPC 裂纹发展规律、UHPC 应变和钢板应变等。在组合板的正中间放置一个电子位移计，如图4 所示，用于量测组合板的跨中挠度。跨中部位的UHPC 与钢板表面分别布置了3 个电阻应变片，横向相距100 mm，两侧应变片距侧边25 mm，具体布置如图5 所示，数据由静态应变仪采集。UHPC裂纹发展由智能裂纹观测仪观测，其精度为0.01 mm。

图4 加载装置示意(单位：mm)Fig.4 The loading diagram (unit：mm)

图5 应变片布置图(单位：mm)Fig.5 Schematic drawing of strain gauges(unit:mm)

2 结果分析

2.1 胶接组合板的界面破坏及分析

本试验中，钢−UHPC 组合板界面出现了3 种破坏形式：①钢−胶层界面破坏；②钢−胶层界面与UHPC−胶层界面混合破坏；③钢−UHPC 界面未脱离(UHPC 板裂纹沿厚度方向已贯穿)。3 种破坏形式如图6 所示。

图6 钢-UHPC 胶接组合板破坏模式Fig.6 Failure modes of steel-UHPC bonded composite slabs

胶黏层与钢板黏结力不足，导致钢−胶层界面破坏，直接影响了组合板的弹性性能。钢−胶层界面与UHPC−胶层界面混合破坏是在制备试件时，现浇板的铝土矿未能铺设均匀，导致交界面受力不匀。而在制备预制板时，涂抹环氧胶黏剂后，直接将预制好的UHPC 与钢板胶接，导致UHPC 表面出现不完全平整胶层及部分脱空现象，致使该试件受力不匀。钢−UHPC 界面未脱离是因为胶黏界面性能极强，虽然在试件加载纯弯段胶层已脱离，但是在剪跨段胶层完好，甚至无明显滑移现象，致使钢−UHPC 组合板一直处于整体协同受力状态。

采用1～3 mm 粒径铝土矿的现浇板与2,3 号环氧树脂胶黏剂的预制板时，钢−胶层界面破坏。表明：胶黏层与钢板的黏结力不足，界面性能最差。采用3～5 mm 粒径铝土矿的现浇板与1 号环氧树脂胶黏剂的预制板时，钢−UHPC 界面未脱离。试验中，组合板达到屈服时，界面仍未脱离。表明：胶黏层与钢板的黏结力非常强，界面性能最佳。

2.2 荷载−挠度曲线

通过电子位移计测量，得到组合板的跨中挠度，其精度为0.001 mm。跨中挠度δ 为电子位移计读数的绝对值。

负弯矩作用下，组合板的荷载−挠度曲线如图7所示(相同构件取其中一个构件)。从图7 中可以看出，各组合板荷载−挠度曲线大致相似，均可分为3个阶段：弹性阶段、裂纹发展阶段和屈服阶段。在弹性阶段中，现浇试件的铝土矿粒径对组合板刚度的影响较大，1～3 mm 粒径的组合板刚度最低，3～5 mm 粒径的与5～10 mm 粒径的差别不大。荷载增大，组合板进入裂纹发展阶段，此时组合板UHPC顶面开始出现细小的横向裂纹。而配筋率大的组合板，其纵筋离截面中性轴较远，裂纹发展阶段刚度较大，屈服阶段承载力也较高，这一现象符合受弯构件的基本力学特性。在裂纹发展阶段，预制板的荷载−挠度曲线出现明显波动，其原因是黏结层突然破坏，导致组合板的刚度骤减。而现浇板出现这一现象，其原因是现浇板黏结层中铝土矿在界面破坏时起缓冲作用，使其破坏形式更柔和。在屈服阶段，裂纹宽度迅速增大，逐渐从UHPC 基体中拔出钢纤维，但组合板的承载能力几乎没有下降，展现出了良好的延性。

图7 负弯矩作用下荷载−跨中挠度曲线Fig.7 Load-deflection curves at mid-span of specimens in negative bending test

图8 正弯矩作用下荷载−跨中挠度曲线Fig.8 Load-deflection curves at mid-span of specimens in positive bending test

正弯矩作用下，组合板的荷载−挠度曲线如图8所示(相同类型构件取其中一个构件)。从图8 可以看出，2 条曲线均可分为4 个阶段：弹性阶段、裂纹发展阶段、屈服强化阶段和下降段。这2 条曲线差异较大，其原因主要是界面黏结性能差异较大，预制组合板的界面黏结力更大，故其弹性极限更大。在裂纹发展阶段，预制组合板纯弯段的胶黏层突然破坏，导致试件整体刚度骤减，并使挠度迅速增大，而现浇组合板并未出现这一现象。主要原因：铝土矿中，增加环氧树脂胶黏剂和UHPC 吸附力的作用，使得胶黏层破坏形式更柔和。屈服强化阶段，由于钢纤维作用，UHPC 不仅与钢板协同受力，而且承载力逐渐向峰值靠近。当挠度继续增大时，纯弯段区域的胶黏层完全破坏，试件承载力迅速下降，但剪跨段和端部的胶黏层均未破坏，组合板的UHPC 层与钢板仍在协同受力。

表3 试验结果Table 3 The test results

2.3 与UHPC 抗折试验数据对比分析

将部分试件的所有试验数据汇总，见表3。由表3 可知，钢板面应变和UHPC 面应变为3 个电阻应变片数据的平均值。负弯矩作用下，当UHPC 层的裂纹宽度小于0.05 mm 时，裂纹肉眼能见度很低，并且对UHPC 耐久性能无影响[17]，因此，将UHPC顶面出现宽度为0.05 mm 裂纹时的荷载定义为开裂荷载。正弯矩作用下，以UHPC 侧面出现宽度为0.05 mm 裂纹时的荷载定义为开裂荷载。以荷载−跨中挠度曲线的最大荷载定义为极限荷载。

UHPC 长方体将与试件同时浇筑和养护，通过四点加载抗折试验，测得其弹性极限拉应变为523～555 με。采用3～5 mm、5～10 mm 铝土矿的现浇块和1 号环氧胶黏剂预制块的UHPC 层弹性极限拉应变为512～602 με，同抗折试验结果吻合。采用1～3 mm 铝土矿的现浇块与2,3 号环氧胶黏剂的预制块，其UHPC 层弹性极限拉应变为130～169 με，小于抗折试验结果，原因是：①UHPC 蒸养结束后，收缩应变达到700 με 以上[18]。而UHPC 内部的纵筋限制了UHPC 的收缩，导致在加载前UHPC 内部就已经存在一定的初始拉应力。②1～3 mm 的铝土矿粒径较小，无法使UHPC 与钢板充分结合。2,3 号环氧胶黏剂的性能较差，致使UHPC与钢板的结合力不足，导致组合板弹性极限应变较小。

2.4 开裂荷载分析

由表3 还可知，在负弯矩作用下，当其他条件不变，增大配筋率可提高组合板的开裂荷载。采用3～5 mm 和5～10 mm 粒径铝土矿的现浇板时，若提高其配筋率，开裂荷载分别增大了 24.3%与19.2%。而当配筋率相同时，组合板界面性能对其开裂荷载也有影响。相同配筋率下，使用不同粒径铝土矿的现浇板与不同环氧胶黏剂的预制板，其开裂荷载差距明显。采用3～5 mm 与5～10 mm 粒径铝土矿的现浇板，其开裂荷载差距不大，但都远大于使用1～3 mm 粒径铝土矿现浇板的，增幅分别为150.2%与141.8%。采用1 号环氧胶黏剂的开裂荷载远大于采用2,3 号环氧胶黏剂预制板的，分别增大了62.0%与42.9%。在正弯矩作用下，UHPC 受压开裂荷载明显增大。其开裂荷载不仅与组合板UHPC 和钢板之间的界面性能有关，还与UHPC 自身的开裂强度有关。

2.5 裂纹发展分析

从图7 中还可以看出，在负弯矩作用下，试件均经历了3 个阶段。试件UHPC 顶面的纯弯段最先出现短小的横向裂纹，此时胶黏层保持完好，然后试件进入裂纹发展阶段。随着荷载继续增加，在UHPC 纯弯段侧面开始出现短小的横向裂纹，UHPC 顶面的裂纹数量、宽度、长度不断增加且不断往底部发展。当试件进入屈服阶段时，裂纹数量不再增加，UHPC 顶面的裂纹贯穿整个顶面，并与侧面裂纹相连。试件的界面由中部向两侧开始缓慢脱离，UHPC 基体中的钢纤维显露出来，并慢慢被拔出。现浇板的UHPC 表面形成1～3 条主裂纹，且裂纹表现为多元开裂，裂纹多且密，而预制板的UHPC 表面只有1 条主裂纹，裂纹少且稀。在现浇板中，配筋率越高，裂纹越密。采用1～3 mm 粒径铝土矿的现浇板裂纹最稀疏，3～5 mm 与5～10 mm粒径铝土矿的现浇板裂纹差别不大。

从图8 中还可以看出，正弯矩作用下，部分短小横向裂纹首先在UHPC 侧面与钢板结合面处萌芽，此时胶黏层保持完好。然后，试件进入裂纹发展阶段，随着荷载继续增加，试件中部界面开始出现松动，UHPC 侧面裂纹逐渐向顶部延长，同时UHPC 纯弯段顶面也开始出现细小裂纹并逐渐往侧面发展。

3 开裂强度计算

在钢−UHPC 胶接组合桥面板的设计中，UHPC层的设计开裂强度必须大于在负弯矩作用下所产生的最大拉应力。因此，需要将弯曲试验测得的UHPC 层开裂荷载，通过弹性计算求出其对应的开裂强度。本研究采用组合梁的截面换算法计算UHPC 层的开裂强度。假设组合板满足平截面假定且UHPC 与钢板为线弹性材料。换算截面如图9所示。

图9 换算截面示意Fig.9 The schematic drawing for transformed section

UHPC 层的换算宽度为beq=be/αEs。其中，be为UHPC 层的实际宽度；αEs=Es/Ec为截面换算系数；Es为钢板和钢筋的弹性模量，取206 GPa；Ec为UHPC 的弹性模量，取47.6 GPa。通过材料力学的方法计算，得到各组合板在开裂荷载下的开裂强度，见表4。

表4 开裂强度计算结果Table 4 Calculating results of crack strength

由表4 可知，配筋率对UHPC 层开裂强度的影响较为显著，配筋率越高，开裂强度越大。本试验中，组合板的开裂强度为8.9～22.2 MPa，大于某实桥在车辆荷载作用下UHPC 顶面的横桥向拉应力(6.41 MPa)[4]，可满足实际工程要求。

4 结论与建议

通过对20 块钢−UHPC 胶接组合板的静力正/负弯加载试验，考虑了界面处理方式、配筋率、环氧胶黏剂类型等参数，研究了钢−UHPC 胶接组合板的界面与承载性能，得到的结论为：

1) 在负弯矩加载下，钢−UHPC 组合板的弹性阶段不仅由UHPC 自身的性能决定，还与组合板的界面性能有关。若组合板界面性能较差，则对其弹性阶段有很大影响。组合板的界面性能和配筋率对UHPC 开裂荷载影响十分显著。设计时，在保证胶黏层界面性能的同时，应适当提高配筋率，以提升组合板桥面系的横向抗弯拉性能。现浇板纯弯段裂纹分布较密集，配筋率越高，裂纹越密，而预制板裂纹较稀疏。

2) 相同参数的试件在正弯矩加载下，较负弯矩作用下的弹性极限和开裂荷载大，其开裂荷载不仅与组合板UHPC 和钢板之间的界面性能有关，还与UHPC 自身的开裂强度有关。

3) 通过对各组合板最终破坏模式分析可知，在2 种界面处理方式下，当组合板达到屈服时，界面仍未脱离。现浇板采用3～5 mm 粒径铝土矿时，界面性能最佳。预制板采用1 号环氧胶黏剂时，界面性能最佳。

4) 当现浇板与预制板的界面黏结强度均达到最大时，预制板的承载能力较大，但其界面稳定性较差。在加载阶段，胶黏层会突然破坏，导致组合板整体刚度骤减，致使挠度迅速增大。因此，其制备工艺有待提高。

5) 通过截面换算法，计算出了UHPC 层的开裂强度为8.9～22.2 MPa，大于某实桥在车辆荷载作用下UHPC 顶面的横桥向拉应力。