UHPC-沥青磨耗层环氧界面剂粘结性能研究

李 嘉， 董 亮， 夏杨嘉玲,3， 张 坚

(1. 湖南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410082; 2. 湖南大学 风工程与桥梁工程湖南省重点实验室，湖南 长沙 410082；3.广东省交通规划设计研究院股份有限公司，广东 广州 510000)

0 引言

为了综合解决钢桥面疲劳开裂和铺装易损难修两大难题，作者所在研究团队在理论分析和研究材料性能的基础上原创性提出“钢面板-35～50 mm超高性能混凝土UHPC-20～40 mm沥青磨耗层”轻型组合桥面结构体系[1-3]，该轻型组合桥面体系将钢桥面转换成组合桥面，使钢桥面的抗疲劳能力大幅度增强并且提升了桥面刚度。

该结构体系中薄层沥青磨耗层和UHPC下承层之间能否牢固粘结是急需解决的主要技术问题之一[4-6]，其粘结牢固与否对于主体结构的保护、防止病害发生和延长桥梁寿命等至关重要。近年来，国内外学者对此展开了研究，Lu Q[7]等研究了环氧沥青在正交各向异性桥面铺装除大面积密级配磨耗层以外的各种工程中面临的问题和解决方法，探讨了环氧沥青在道路路面中的应用前景；王虎[8]等研究表明，铺装层粘结失效破坏是桥面铺装破坏的主要类型之一，粘结层的完好能改善桥面铺装层受力条件，减少层内应力，一旦粘结层失效，桥面铺装层将会出现滑移和脱落。

由于轻型组合桥面体系中UHPC层和沥青磨耗层层间应力比较大，经本研究团队初步研究决定选用两种二阶热固性环氧界面剂来展开研究。

本文通过常温和高温环境下的斜剪试验和拉拔试验，研究环氧界面剂的类型、撒布量和养护龄期以及环境温度等因素对UHPC-沥青磨耗层界面粘结性能的影响。

1 试验设计

1.1 原材料

UHPC基质材料的混合比如表1所示，其中掺入体积比为3.5%的钢纤维以提升强度。磨耗层采用SMA-13，主要成分为SBS改性沥青、矿粉、玄武岩碎石，油石比5.2%。

表1 UHPC基材配合比Table 1 Composition ratio of UHPC matrix组分水泥硅灰石英砂石英粉减水剂水质量比1.0000.2501.1000.3000.0190.225

试验选用的环氧界面剂有两种，改性环氧界面剂2766和二阶热固性环氧沥青，这两种界面粘结剂都是二阶热固性材料，即: 撒布后在常温下可以很快的表干固化(一阶)，使得车辆和人员在该粘结层上作业时不会发生粘连；当热拌沥青混合料铺筑时，该粘结层在混合料热量作用下重新液化，与热拌沥青混合料中的沥青熔融相连并快速固化(二阶)，进而形成环氧材料的粘结层界面。两种界面粘结剂技术指标分别如表2和表3所示，其A、B组分的质量混合比分别为100∶55和1∶2，环氧沥青混合前A、B组分都需要70℃～90℃预热。

表2 环氧界面剂2766技术指标Table 2 Technical specification of epoxy interfacial agent 2766项目粘结力(与沥青砼)/MPa粘结(与水泥砼)/MPa拉伸模量/MPa拉伸强度/MPa断裂延伸率/%23 ℃-10 ℃23℃-10℃吸水率/%技术指标>3>5>3.0>5.0204-272>40>25<0.1检测方法ACI-503 R29ACI-503 R29ASTM C-109ASTM C-109ASTM C-109ASTM C-109ASTM C-109ASTM C-243

表3 环氧沥青技术指标Table 3 Technical indexes of epoxy asphalt指标重量比[m(A)∶m(B)]表干时间/d断裂延伸率(20℃)/%拉伸强度(20℃)/MPa数值1∶21～2≥100≥5.0

1.2 试件制备

制备300 mm×300 mm×30 mm UHPC基板，养护完成后对UHPC试板表面进行抛丸处理，控制构造深度在0.4～0.55 mm之间。然后将清理干净的UHPC板表面分别涂刷两种界面粘结剂，界面剂2766和环氧沥青都分别按撒布量0.5、0.7、0.9 kg/m2各刷一块板，最后用轮碾法成型3 cm厚的沥青磨耗层，待自然冷却后将试板切割成90 mm×90 mm×60 mm的小试件用于斜剪试验。

制备100 mm×100 mm×300 mm的UHPC立方体试件，将其切割成100 mm×100 mm×30 mm的小试块，将其切割面用环氧界面剂连接用于复合试件拉拔试验。

将300 mm×300 mm×30 mm的UHPC基板切割成70 mm×70 mm×30 mm的小试件，涂刷界面粘结剂并粘上拉拔头用于附着力拉拔试验。

1.3 试验方法

斜剪试验参照美国试验规程ASTM C882/C882M-13[9]进行。斜剪试验装置为量程50 kN的UTM微机控制万能试验机，斜剪试验中万能试验机自动记录受剪过程不同位移对应的荷载及破坏时的峰值荷载，加载速率10 mm/min；复合试件拉拔试验和附着力拉拔试验分别参考美国标准试验方法ASTM C1583/C1583M-13[10]和ASTM D7234-12[11]进行。复合试件拉拔试验装置为量程50 kN的UTM微机控制万能试验机，加载速率为5 mm/min，附着力拉拔试验采用TJ-10型碳纤维粘结强度检测仪。测试装置见图1。

(a) 斜剪试验 (b) 复合试件拉拔试验

2 界面剂及其撒布量与剪切强度

UHPC-SMA复合试件层间剪切试验结果如表2所示；另外，还记录了了常温条件下UHPC-SMA复合试件剪切破坏荷载-位移值，见图2、图3。

表2 复合试件剪切试验结果Table 2 Shear test results of composite specimens温度/℃2 766剂不同撒布量(kg/m2)下的剪切强度/MPa 环氧沥青不同撒布量(kg/m2)下的剪切强度/MPa0.50.70.90.50.70.91.592.293.111.802.152.10实测值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实测值0.290.520.720.130.280.36600.170.320.910.290.400.21平均值0.230.450.750.190.300.28

图2 2766剂剪切荷载-位移曲线Figure 2 2766 Shear load-displacement curve

图3 环氧沥青剪切荷载-位移曲线Figure 3 Epoxy asphalt shear load-displacement curve

分析表2和图2、图3的试验结果可知：

a.20 ℃(常温)、60 ℃(高温)时，环氧界面剂2766和环氧沥青的复合试件，其剪切破坏面均发生在UHPC-SMA界面(见图4、图5)，故实测破坏应力即为界面粘结剂的剪切强度。60 ℃(高温)时环氧界面剂2766剪切强度大于环氧沥青剪切强度。

图4 2766剂剪切破坏形态Figure 4 2766 Shear failure modes

图5 环氧沥青剪切破坏形态Figure 5 Epoxy asphalt shear failure modes

b.环境温度对界面粘结剂剪切强度有较大影响。与常温(20 ℃) 相比，高温(60 ℃) 条件下，2766剂在不同撒布量下剪切强度分别下降85.9%、79.5%、75.3%和82.6%、82.5%、81.0%；环氧沥青在不同撒布量下抗剪强度分别下降89.6%、86.6%、86.5%； 高温条件下抗剪强度下降幅度比较大，但2766剂在60 ℃(高温)环境下撒布量为0.9 kg/m2时抗剪强度仍能达到0.75 MPa。

c.无论是高温还是常温条件下2766剂随着撒布量的增加剪切强度依次增加；而环氧沥青则都在0.7 kg/m2之后强度出现了下滑；因为粘结材料涂刷不足时不能形成连续的薄层，无法提供足够的粘结力，反之，涂刷过量，其层间会形成软弱夹层，同样会影响界面强度。

d.界面粘结剂2766的剪切荷载-位移曲线中的峰值明显比环氧沥青高；在撒布量增加的情况下，发生相同剪切位移时的剪切力也大幅提升。

文献[5]在UHPC铺装层强度可靠性分析中指出，UHPC层与磨耗层界面剪应力峰值为0.301 MPa，再考虑到1.2倍的安全系数[12-13]，环氧沥青不能满足轻型组合桥面结构的层间受力要求。

3 养护龄期与拉拔强度

二阶热固性材料具有优良的常温、高温性能，其涂布和养生是层间施工过程中的关键步骤。为研究养生龄期对层间粘结强度的影响以及研究复合试件拉拔强度和附着力拉拔强度的相关性，选用 2766剂进行试验。由于环氧界面剂层间粘结强度大于沥青混合料强度，为测试粘结剂自身的复合试件层间拉拔强度，制备UHPC-UHPC复合试件，参考美国标准试验方法ASTM C1583/C1583M-13进行。试验装置如图1(b)所示。拉拔试验结果如表3所示，养生龄期与拉拔强度变化曲线图如图6和图7所示。

表3 拉拔试验结果Table 3 Drawing test resultsMPa龄期2766剂龄期/d1261020250.580.851.322.182.732.78实测值0.550.861.342.092.752.85复合试件0.500.901.422.192.572.78平均值0.540.871.362.152.682.800.491.011.532.522.912.97实测值0.550.841.552.382.862.94附着力0.530.901.462.352.952.95平均值0.520.921.512.422.912.95

图6 养生龄期-复合试件拉拔强度Figure 6 Curing age-drawing strength of composite specimens

图7 养生龄期-附着力拉拔强度Figure 7 Health care age-adhesion drawing strength

由表3和图6、图7可知：

a.附着力拉拔强度和复合试件拉拔强度随龄期增长都可以分为两个阶段，1～20 d为第一阶段，强度随龄期增长比较快，20 d之后强度基本趋于稳定，增长幅度不太明显。

图8 拉拔强度对比拟合曲线Figure 8 Drawing strength contrast fitting curve

b.前两天由于环氧界面剂还没有完全固化，因此拉拔强度偏低，均未超过1 MPa，破坏情况如图9(a)所示；到10 d，复合试件拉拔强度和附着力拉拔强度分别达到25 d强度的76.8%和82.0%；后期复合试件拉拔破坏界面如图9(b)所示。

(a) 前期 (b) 后期

c.如图8所示，复合试件拉拔强度和附着力拉拔强度有着良好的相关性，附着力拉拔强度y与复合试件拉拔强度x线性回归方程为:

y=1.087 5x-0.011 4；R2 =0.997 5

d.除1 d外，附着力拉拔强度比复合试件拉拔强度高，从2 d开始复合试件拉拔强度分别为附着力拉拔强度的94.6%、90.1%、88.8%、92.1%和95.0%。

4 结论

a.高温条件下，两种环氧界面剂的剪切强度比常温均有大幅度下降，说明环境温度对其粘结性能有显著影响。

b.无论是高温还是常温条件下环氧界面剂的强度都不会随其撒布量的增加而持续增长。

c.附着力拉拔强度和复合试件拉拔强度有着良好的相关性，附着力拉拔强度和复合试件拉拔强度随龄期增长都可以分为两个阶段，1～20 d为第一阶段，强度随龄期增长比较快，20 d之后强度基本趋于稳定，增长幅度不太明显。

d.养护龄期前两天由于环氧界面剂还没有完全固化，因此拉拔强度偏低，均未超过1 MPa；到第10 d，复合试件拉拔强度和附着力拉拔强度分别达到25 d强度的76.8%和82.0%。