李 嘉，张 坚，董 亮，袁 鹏

(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.中国建筑第五工程局有限公司，湖南 长沙 410004)

0 引言

针对钢桥面疲劳开裂和铺装易损难修两大难题，作者所在团队原创性提出“钢面板35～50 mmUHPC(Ultra High Performance Concrete)7～40 mm磨耗层”新型组合桥面体系，该新型桥面组合体系将钢桥面转变成组合桥面，有效改善铺面层受力状态，大幅提高钢桥面抗疲劳寿命[1-3]。现行的薄磨耗层通常采用沥青混合料，寿命大都在8～10 a之间，而钢板-UHPC组合结构其设计寿命为100 a[4]，因此在运营服务年限内势必需要对新型铺装体系中的磨耗层进行多次的铣刨与重铺。然而，沥青磨耗层铣刨后的界面与第一次摊铺时新鲜UHPC界面会有明显的差异。重铺沥青混合料与旧的UHPC层之间的粘结性能直接决定修复的效果。

目前，钢桥面铺装修复的研究主要集中于修复材料以及修复方案等方面[5-8]。而UHPC-沥青磨耗层修复界面与沥青铺装修复界面或普通混凝土修复界面有很大不同。因此，有必要开展新型组合桥面磨耗层修复界面粘接性能研究。

本文针对新型组合桥面沥青磨耗层铣刨清除后UHPC-沥青磨耗层界面粘接问题，采用斜剪和附着力拉拔试验，通过分析新UHPC界面试件和修复界面试件的力学性能，评价沥青磨耗层修复界面的适用性；测试不同粘结剂用量对修复界面粘接性能的影响，提出修复界面最佳粘结剂用量，为工程实际应用提供技术支持。

1 试验设计

1.1 评价指标

UHPC-沥青磨耗层因界面粘接力不足容易导致界面脱层、滑移等病害，因此，通常采用抗剪强度和抗拉拔强度来评价层间粘接性能。评价界面抗拉拔性能宜采用复合试件拉拔强度或附着力拉拔强度，但由于复合试件拉拔试验在工程实践中现场实施难度较大，而附着力拉拔试验具有方便性、快捷性、可操作性[9]。因此本文采用剪切强度和附着力拉拔强度评价UHPC-沥青磨耗层层间粘接状况。

1.2 试验方法

复合试件层间斜剪试验参考美国标准试验方法ASTM C882/C882M-13[10]进行。试验装置为量程50 kN的UTM微机控制万能试验机，加载速率10 mm/min，测试装置如图1(a)所示。

附着力拉拔试验方法参考美国标准规范ASTM D7234-12[11]进行，试验装置为TJ-10型碳纤维粘结强度检测仪测试，通过匀速转动手柄来控制加载速率，测试装置如图1(b)所示。

(a)斜剪试验

1.3 试验方案

对比4组不同试件，具体为：方案一，新UHPC界面，粘接剂用量为0.7 kg/m2，斜剪和附着力拉拔试件编号分别为XJ-N-7和LB-N-7；方案二，模拟沥青磨耗铣刨清除后UHPC修复界面，粘接剂用量为0.7 kg/m2，斜剪和附着力拉拔试件编号分别为XJ-R-7和LB-R-7；方案三、方案四与方案二界面状况一致，粘接剂用量分别为0.5、0.3 kg/m2，斜剪试件对应编号XJ-R-5、XJ-R-3，附着力拉拔试件对应LB-R-5、LB-R-3。

方案一和方案二对比是为了分析修复前后层间性能的变化情况；方案二、三、四对比是为了获得修复界面最佳粘接剂用量。

2 试件制作

2.1 原材料

UHPC基体主要材料包括水泥、石英砂、硅灰、水，钢纤维按体积比3.5%掺入。磨耗层采用SMA，主要包括聚丙烯腈纤维SBS改性沥青、玄武岩碎石、矿粉等，油石比5.2%。

界面粘接剂采用进口热熔性改性环氧树脂，它在初期固化后，加铺高温沥青混合料时能迅速溶解软化，通过压路机碾压后发挥优良的粘接作用；且热拌沥青混合料提供的高温促进界面粘接剂二次固化，提高层间粘接性能。其A、B组分混合比(质量)为100∶80，技术指标见表1。

表1 热熔性改性环氧树脂技术指标Tab.1 Technicalindexofhotmeltmodifiedepoxyresin材料性质邵氏硬度拉伸强度23℃/MPa断裂延伸率23℃/%拉伸强度-10℃/MPa断裂延伸率-10℃/%柔韧性(-20℃±2℃)/耐热性(160℃±2℃)/技术指标25^35>3>400>5>250无裂纹不流淌、滑动实验方法ASTMD-2240ASTMD638-82ASTMD638-82ASTMD638-82ASTMD638-82JC/T408-2005JC/T408-2005

2.2 新界面试件制作

浇筑并蒸养尺寸为300 mm×300 mm×30 mm的UHPC基板，基板表面采用抛丸处理，构造深度为0.50～0.55 TD/mm。

2.2.1斜剪试件

将粘结剂均匀涂刷在UHPC基板表面上，用量为0.7 kg/m2。待48 h表干后，轮碾成型3 cm厚的沥青混合料SMA，24 h后脱模，在80 ℃条件下养护6 h。冷却后切割成90 mm×90 mm×60mm的小试件，如图2(a)所示。

(a)斜剪试件

2.2.2附着力拉拔试件

将HUPC基板切割成70 mm×70 mm×30 mm的小试块，用钻芯机在试块中心钻取φ50 mm的芯样，深度5 mm，在芯样上涂刷界面粘结剂，然后将拉拔头轻放于表面。在80 ℃条件下养护6 h。如图2(b)所示。

2.3 修复界面试件制作

为模拟真实的修复界面状况，选择在已经发生剪切破坏的试块上进行修复试验，先沿着剪切面将沥青磨耗层与UHPC层分开，用钢刷将吸附在表层的集料清理干净，并用吸尘器清除表面浮尘。修复界面如图4(b)所示。

(a)新界面

修复界面斜剪试件、附着力拉拔试件与新界面试件制作方法、养护条件均一样，粘结剂用量分别采用0.3、0.5、0.7 kg/m2共3种剂量。

3 试验结果与分析

3.1 剪切试验

在25 ℃和60 ℃状态下，进行复合试件剪切试验，典型试件破坏情况如图4所示。剪切试件的荷载-位移曲线见图5，测试结果汇总见表2。

(a)新界面XJ-N-7

由图4可知，试件剪切破坏面均发生在层间，且破坏界面形态基本相似，呈粗糙状态，UHPC表面均吸附有部分沥青混合料的残留物。

(a)XJ-N-7

表2 剪切试验结果Table2Sheartestresults编号参数25℃状态下60℃状态下试件一试件二试件三平均值试件一试件二试件三平均值XJ-N-7峰值荷载33.7234.5535.7434.649.4110.0910.6710.06剪切强度2.943.013.113.020.820.880.930.88XJ-R-7峰值荷载33.8534.0434.6534.188.499.299.419.06剪切强度2.952.973.022.980.740.810.820.79XJ-R-5峰值荷载30.7530.8231.2830.957.167.677.897.57剪切强度2.682.692.732.700.620.670.690.66XJ-R-3峰值荷载20.2322.4622.4921.734.785.015.174.99剪切强度1.771.961.961.900.420.440.450.44

由图5表2可知：

a.常温(25 ℃)状态下，荷载-位移曲线图均呈现明显阶段性，加载初期由于试件和模具不可能完全密合，使得荷载-位移曲线中位移测试值存在初始系统性误差，故曲线斜率较缓；随着荷载的增加，荷载-位移曲线进入线性阶段，此阶段相对较长，一直持续到剪切极限承载力；随着界面粘接力丧失，承载能力逐渐下降，剪切位移快速发展，复合试件上下层分离。高温(60 ℃)状态下的试件荷载-位移曲线图也呈现出相同的阶段特征，但与常温状态相比，在峰值荷载、剪切破坏位移、曲线斜率等有明显的区别。

b.在高温状态下，试件XJ-N-7的剪切强度由常温状态下的3.02 MPa下降至0.88 MPa，下降幅度为70.9%；试件XJ-R-7、XJ-R-5、XJ-R-3剪切强度下降幅度分别为73.5%、75.6%和76.8%。充分表明高温对于层间剪切性能的影响显著。

c.对比试件XJ-N-7和XJ-R-7的剪切试验结果，可以发现：两组试件的荷载-位移曲线只是略有差异，试件XJ-R-7在常温和高温下的剪切强度较试件XJ-N-7分别下降1.3%和10.2%，表明新、旧界面常温下层间剪切性能基本一致，且高温状态下仅有小幅度的下降。

d.对比XJ-R-7、XJ-R-5和XJ-R-3可以发现，XJ-R-5、XJ-R-7的荷载-位移曲线在前期基本一致，而后相同的荷载前者较后者产生更大的位移，且更早的出现了峰值荷载，常温和高温下试件XJ-R-5的剪切强度较试件XJ-R-7分别下降9.4%和16.5%；试件XJ-R-3变形曲线差异明显，常温和高温下试件XJ-R-3的剪切强度较试件XJ-R-7分别下降36.2%和44.3%。

3.2 附着力拉拔试验

在25 ℃和60 ℃状态下，进行粘结剂与UHPC附着力拉拔试验，典型试件破坏情况如图6所示，测试结果见表3。

(a)新界面XJ-N-7

图6可知，新界面与修复界面的拉拔破坏面有一定的区别，两种界面的拉拔头上均粘附有部分的UHPC，但修复界面试件的拉拔头上同时吸附部分的沥青粘层。

表3 附着力拉拔试验结果Table3 Testresultsofadhesiondrawing编号参数25℃状态下60℃状态下试件一试件二试件三平均值试件一试件二试件三平均值XJ-N-7峰值荷载6.947.147.237.101.391.531.731.55拉拔强度3.533.643.683.620.710.780.880.79XJ-R-7峰值荷载6.737.117.197.011.371.411.551.44拉拔强度3.433.623.663.530.700.720.780.73XJ-R-5峰值荷载6.006.126.306.141.171.211.251.21拉拔强度3.023.083.173.090.590.610.630.61XJ-R-3峰值荷载2.892.783.243.080.60.640.700.64拉拔强度1.461.551.631.550.280.280.310.29

由表3可知：

a.高温对于附着力拉拔强度的影响显著，高温状态下，试件LB-N-7、LB-R-7、LB-R-5、LB-R-3附着力拉拔强度较常温分别下降78.2%、79.3%、80.3%、81.3%。可以发现附着力拉拔强度下降幅度均要大于剪切强度，这是由于斜剪强度由环氧树脂粘接剂所提供的粘聚力和层间粗糙面提供的机械摩擦力两者构成，而附着力拉拔强度仅由环氧树脂粘接剂粘聚力提供；其中受温度影响的主要是粘接剂粘聚力。

b.试件LB-R-7相比试件LB-N-7，常温和高温下附着力拉拔强度分别下降2.5%和7.6%，表明修复后界面黏结性能与新界面差异较小。

c.常温、高温条件下，试件LB-R-5相比试件LB-R-7下降12.5%和16.4%；试件LB-R-3相比试件LB-R-7下降了49.8%和60.3%。

综合斜剪试验和附着力拉拔试验结果可知：粘接剂用量对于修复效果的影响显著，当粘接剂量为0.7 kg/m2时，修复后相比第一次摊铺，界面常温性能基本相当，高温性能有较小幅度的下降；用量为0.5 kg/m2时，较采用0.7 kg/m2用量试件在常温下剪切、拉拔强度分别下降9.4%、12.5%，高温下分别下降16.5%、16.4%；用量为0.3 kg/m2时，较采用0.7 kg/m2用量试件在常温下剪切、拉拔强度分别下降36.2%、49.8%，高温下分别下降44.3%、60.3%。表明粘接剂用量在很大程度上影响修复后抗剪强度及抗掀起性能。

3.3 附着力拉拔强度-剪切强度关系

从表2、表3可以发现剪切强度与附着力拉拔强度有相同的变化趋势，不同方案的剪切强度、附着力拉拔强度如图7所示。

图7 不同方案测试结果

常温和高温下剪切强度和附着力拉拔强度对比见图7，剪切强度-附着力拉拔强度的关系见图8。

(a)常温

回归方程分别如下所示：

τ=0.54σ+1.05，R2=0.999

(1)

τ=0.85σ+0.18，R2=0.977

(2)

式中：τ为剪切强度；σ为附着力拉拔强度。

4 结论

a.常温与高温状态下，剪切荷载-位移曲线存在明显差异。复合试件的剪切强度、附着力拉拔强度高温状态下分别下降70.9%～76.8%、78.2%～81.3%。表明环境温度对于粘接性能有显著影响，因此需重视高温条件下的层间受力性能。

b.粘接剂用量对于修复效果的影响显著，粘接剂用量不足将严重地影响层间力学性能。修复过程中采用0.7 kg/m2粘接剂用量，修复后相比修复前常温的剪切强度、附着力拉拔强度分别下降1.3%～2.5%，高温下剪切强度、附着力拉拔强度分别下降10.2%和7.6%，表明常温层间力学性能修复前后基本一致，而高温层间性能有一定幅度的下降。在实际修复工程中推荐采用0.7 kg/m2粘接剂用量。

c.剪切强度-附着力拉拔强度存在良好的线性关系，工程实践中可采用便捷的附着力拉拔试验，初步判断UHPC-沥青磨耗层粘结效果。