基于摩擦力修正的钢桥面刚性铺装环氧树脂黏结层抗剪性能研究

2021-09-22向磊王欢

中外公路 2021年4期

向磊，王欢

(1.上海市市政规划设计研究院有限公司,上海市 200031；2.上海城市路域生态工程技术研究中心)

1 前言

钢桥面刚性铺装指采用超高性能混凝土(以下简称UHPC)作为保护层，在其上铺设磨耗层的一种结构形式，UHPC与钢桥面板之间采用局部焊钉和环氧树脂防水黏结层的弱连接形式，焊钉仅在UHPC边缘处设置以限制混凝土的收缩和滑移。钢桥面铺装工程中，因防水黏结层剪切和剥离破坏带来的病害最为突出，包括铺装层的脱皮、开裂、推挤、拥包和钢桥面板的锈蚀，这些病害致使大桥的养护成本增加，并影响结构的耐久性。UHPC与钢桥面板之间防水、防腐、协同变形性都需要依靠环氧树脂层来实现，因此，环氧树脂层性能的好坏至关重要。村越润等研究认为，钢桥面刚性铺装黏结层的主控指标为抗剪强度，拉拔强度主要作为补充试验来验证施工质量，这也与黏结层受力破坏特性相一致。

李正中等利用室内斜剪试验模拟水泥混凝土桥面防水黏结层的界面受力状态，从沥青喷涂量、碎石撒布类型、桥面板界面处理状况、环境温度等方面系统分析影响其层间抗剪性能的各种因素及变化规律；田帅等通过直剪试验评价加铺碳纤维的桥面板与桥面铺装结构层间的抗剪强度是否满足要求；贾锦绣利用HS-SS Ⅰ型道路直剪试验仪测得位移和剪应力，并建立剪应力-剪应变关系曲线，分析层间抗剪能力的稳定性；李惠婷建立斜剪试验有限元模型，研究了层间受剪薄弱面以及模量、荷载变化对层间剪应力的影响；李忠林等利用界面力学中的黏结滑移理论，对层间界面荷载-滑移曲线展开分析，将其分为4个受力阶段并给出了各阶段的拟合曲线，分析了层间黏结强度的形成机理；赵峰军等提出采用叠层梁作为桥面沥青铺装层间应力计算的简化模型，在此基础上推导出简支叠层梁层间应力计算公式，并利用有限元计算结果验证了简化模型的准确性与合理性；胡涛等通过室内多角度斜剪试验，提出了更加贴近实际桥面铺装现状的层间黏结强度评价方法及评价指标。

中国研究评价黏结层抗剪性能的试验方法由早期的直剪试验逐渐演变为现在的斜剪试验，并已形成规范，试验方法更加简便，但试验结果的处理却忽略了摩擦力的影响。规范推荐试验做法是增加滑轮，将滑动摩擦转变为滚动摩擦进而减小摩擦力的影响，但这样的做法依然存在摩擦力，使得抗剪强度的计算值偏大，并且对于抗剪强度较高的材料，例如环氧树脂、MMA树脂等，滑轮往往难以承受压力机荷载而不得不采用钢板表面涂抹润滑剂的形式来替代，这又将增大摩擦系数，影响试验结果。该文将开展不同温度下多角度斜剪试验，并考虑摩擦力的影响，研究刚性铺装环氧树脂黏结层的抗剪性能。

2 原材料

2.1 超高性能混凝土(UHPC)

试验所用UHPC集料为0～3 mm连续级配玄武岩碎石，水泥采用52.5级普通硅酸盐水泥，钢纤维采用0.18～0.22 mm散丝，混凝土配比如表1所示。

表1 超高性能混凝土配比

2.2 环氧树脂

表2 A组分性能

表3 B组分性能

表4 混合后环氧树脂性能

3 试验方案设计

环氧树脂黏结剂的用量为1 L/m2，将其均匀涂抹在钢板表面，超高性能混凝土采用专用搅拌机搅拌后浇筑至钢板表面，其后在振动台上振实试件。成型后的UHPC截面尺寸为100 mm×100 mm正方形，厚度为50 mm，组合试件示意图见图1。

图1 抗剪试验组合试件(单位：mm)

斜剪试验源自于JTJ 054—94《公路工程石料试验规程》中的抗剪强度试验T0215—94。在斜剪试验中，一般采用夹具与压力机接触面上布设滑轮的形式来消除摩擦阻力的影响，但即使由滑动摩擦变为滚动摩擦，接触部分仍存在摩擦系数，因而如果忽略接触面摩擦力的影响必然导致计算出现误差。在环氧树脂黏结层斜剪试验中，由于加载力过大，滑动轮无法承受荷载，试验过程采用在接触面上涂抹润滑油的方式尽量减少摩擦力的影响，通过旋转受荷板可以改变受剪角度，模具及加载形式如图2、3所示。在试验加载过程中夹具与压力机之间保持相对静止状态，因此摩擦力修正应考虑静摩擦系数，测出涂油后夹具与压力机接触面摩擦系数f1=0.26，f2=0.37(在30°、45°时f1=0.26，在37.5°时f2=0.37)。结合受剪平面与水平面的斜剪角度α，可以将试件的层间抗剪强度τ和最大正应力σ由压应力的峰值分解得到，计算公式如下：

(1)

(2)

式中：σ为正应力(MPa)；τ为层间抗剪强度(MPa)；P为荷载峰值(N)；A为受力面积(mm2)；α为斜剪角度(°)；f为夹具与压力机接触面静摩擦系数。

图2 斜剪试验夹具示意图

图3 α=37.5°试验加载示意图

4 试验结果分析

考虑到实际钢桥面工作温度，采用25、50、70 ℃作为试验温度，将成型好的试件分别置于室温环境、50 ℃烘箱、70 ℃烘箱中保温5 h，保温结束后取出并立即进行试验。参照JTG/T 3364-02—2019《公路钢桥面铺装设计与施工技术规范》中的要求，加载速率采用10 mm/min，调整夹具使受剪角度呈30°、37.5°、45°，加载直到破坏为止，试验结果如表5所示。

表5 抗剪强度试验结果

根据上述公式对表中的试验结果进行处理，得到各工况下层间抗剪强度以及正应力值，如表6所示。

表6 不同温度下层间抗剪强度与正应力

4.1 层间抗剪强度与正应力关系分析

将25 ℃下各斜剪角度计算出的抗剪强度与正应力进行拟合，得到两者关系如图4所示。

图4 25 ℃正应力与剪应力关系

由图4可以看出：抗剪强度与正应力之前存在良好的线性关系，符合摩尔-库仑理论中对于抗剪强度与正应力之间关系的描述，即：

τ=c+σztanφ

(3)

式中：c为黏结材料的黏聚力；φ为黏结材料的内摩擦角；σz为破坏时的法向正应力。

因此，通过数据拟合可以得出在25 ℃下抗剪强度-正应力之间的数值关系：

τ=0.043σ+4.113

(4)

在25 ℃时，c≈4.113 MPa，φ=2.4°。在该试验温度下，改变斜剪角度使正应力增大的同时，也将会同时增大抗剪强度，并且两者呈线性关系。

同理，分析50、70 ℃下抗剪强度与正应力之间的关系，通过拟合验证出环氧树脂黏结材料在50、70 ℃下仍满足摩尔-库仑理论，数值关系式如下：

τ=0.151σ+0.641，50 ℃

(5)

τ=0.146σ+0.314，70 ℃

(6)

在50 ℃时，c=0.641 MPa，φ=8.6°；在70 ℃时，c=0.314 MPa，φ=8.3°。随着温度的升高，c值也就是环氧黏结剂的黏聚力逐渐减小，说明环氧树脂黏结层随着温度的升高，黏结强度逐渐降低，同样的铺装结构，在高温重载条件下更容易发生层间破坏，尤其是在上下坡路段以及紧急刹车发生时，同时会产生大挠度变形的U肋加劲肋位置处的铺装层也会产生较大剪应力，影响铺装结构使用寿命。

4.2 层间抗剪强度与温度、剪切角度的关系

为了分析温度对环氧树脂黏结层抗剪强度的影响，将3种温度下不同剪切角度的数值进行对比，结果如图5所示。

图5 抗剪强度与剪切角度关系

在25 ℃时，抗剪角度由30°增加至37.5°、45°抗剪强度降低幅度较小，分别为2.1%、9.0%；在50 ℃时，抗剪强度因抗剪角度增加而降低的幅度分别为25.8%、40.4%；在70 ℃时，抗剪强度因抗剪角度增加而降低的幅度分别为14.7%、38.2%。在高温环境下，抗剪强度的降低受抗剪角度的影响更为明显，这也解释了高温炎热季节钢桥面铺装上下坡段易发生脱层病害。

无论剪切角度是多少，从25 ℃升至50 ℃过程中，层间抗剪强度降低幅度几乎都在70%以上，从50 ℃升至70 ℃过程中，层间抗剪强度降低幅度几乎都在50%以上，这说明环氧树脂黏结剂仍是一种温度敏感性材料，受温度变化影响大。

4.3 摩擦系数对层间抗剪强度影响分析

在25 ℃下，剪切角度由30°增加至45°，加载力下降幅度约为52.92%，抗剪强度下降幅度仅为9.03%；同理在50、70 ℃时，对应加载力下降幅度为69.35%、71.44%，抗剪强度下降仅为40.40%、38.24%。这可以看成是在剪切角度变大的过程中，摩擦系数充当了阻碍抗剪强度降低的作用，摩擦系数如果过大，将导致计算出的名义抗剪强度偏高，错误评价黏结材料抗剪性能，因此在试验中应尽可能消除摩擦力的影响。

由计算公式可以看出：不考虑摩擦系数计算得出名义抗剪强度大于实际抗剪强度，现阶段剪切试验采用的剪切角度基本均为45°，则可以通过代入数值的方法得出实际剪切强度与名义剪切强度的关系如下所示：

τ实=Δf×τ名

(7)

Δf=1-f

(8)

式中：τ实为实际抗剪强度(MPa)；τ名为名义抗剪强度(MPa)；Δf为摩擦力修正系数；f为夹具与压力机接触面静摩擦系数。