鋼-超高性能混凝土膠接組合板受彎的界面性能

李傳習，胡正，李游，柯璐

(長沙理工大學 橋梁工程安全控制教育部重點實驗室，湖南 長沙 410114)

正交異性鋼橋面板因其承載力大、自重輕等優(yōu)點，在國內(nèi)外大跨徑橋梁中被廣泛應用。目前，已建成的多數(shù)大跨徑鋼橋中，橋面鋪裝層由防銹層、黏結(jié)層和瀝青混合料鋪裝層構成，并直接鋪筑于鋼橋面頂板上，總厚度為35～80 mm[1?3]?！颁摌蛎?瀝青鋪裝”的橋面體系通車后，容易出現(xiàn)2 類典型病害：①橋面板疲勞開裂。1966 年英國修建的塞文橋，該橋在縱肋?面板、縱肋?橫隔板等焊接位置，都出現(xiàn)了不同程度的疲勞裂縫。②橋面鋪裝層易損壞。1999 年建成的江陰長江大橋，鋪裝層采用50 mm 澆筑式瀝青混凝土，通車不到1 a，瀝青面層出現(xiàn)明顯的塑性變形，接著出現(xiàn)鋪裝層開裂、推擠、脫膠等現(xiàn)象[4?8]。為了同時解決這兩類問題，許多學者進行了大量研究。通過不斷改進正交異性鋼橋面板的構造細節(jié)(增加板厚)和制造技術(U 肋角焊縫處將單側(cè)焊改為雙側(cè)焊)，采用新型鋼橋面鋪裝方案(輕質(zhì)混凝土鋪裝)等措施，減少鋼橋面板疲勞開裂和鋪裝層損壞等病害[9?14]。為了修復1969 年荷蘭鹿特丹修建的Caland 橋出現(xiàn)的疲勞裂縫，Buitelaar[15]等人提出了以配筋高性能混凝土(reinforced high performance concrete, 簡稱為RHPC)加固鋼橋面板的方案，并且測試了RHPC 與鋼橋面板的黏附力，發(fā)現(xiàn)在鋼橋面板上涂抹一層雙組分環(huán)氧樹脂膠黏劑，并撒上鋁土礦(試驗測得膠黏劑軸拉強度為4.81 MPa)，可以有效地將RHPC 與鋼橋面板黏結(jié)。通過彎曲試驗，測得其平均黏結(jié)強度為125 MPa。還有研究表明：鋼?超高性能混凝土(ultra- high performance concrete,簡稱為UHPC)組合橋面的結(jié)構形式承受縱向負彎矩時，截面中性軸在鋼頂板以下，鋼頂板與UHPC 共同受拉，UHPC 靜力開裂強度可達42.7 MPa，遠高于其在設計荷載作用下的拉應力。因此，作者以自主研制出的環(huán)氧樹脂膠黏劑[16]作為膠黏劑，擬設計新型鋼橋面板結(jié)構形式，即鋼?UHPC 膠接組合橋面板，以解決正交異性橋面板疲勞開裂。

鋼?UHPC 膠接組合橋面板如圖1 所示，其主要有2 種方案：

方案1：先在鋼橋面板上均勻涂抹一層環(huán)氧樹脂膠黏劑，再均勻撒上鋁土礦，然后布上鋼筋網(wǎng)后澆筑UHPC 層，最后再澆筑瀝青磨耗層。

方案2：先在鋼橋面板上均勻涂抹一層環(huán)氧樹脂膠黏劑，然后將預制UHPC 層(內(nèi)置縱橫向鋼筋)與鋼板黏結(jié)，最后再澆筑瀝青磨耗層。

圖1 鋼?UHPC 膠接組合橋面板Fig.1 Steel-UHPC bonded composite slab

與以往的橋面體系相比，鋼?UHPC 膠接組合橋面板的優(yōu)點為：

1) 由于UHPC 超高耐久性和超強力學性能，不僅能滿足荷載作用下應力與變形的要求，還可以有效提高橋面系的剛度，降低橋面板的應力水平，因此可大幅度延長橋面板的疲勞壽命。

2) 橋面系整體剛度的提高，既可以使瀝青鋪裝層的受力得到顯著改善，也可以延遲鋪裝層出現(xiàn)開裂、推擠、車轍等病害的時間。

3) 鋼橋面與UHPC 層的連接方式為環(huán)氧膠黏劑。既避免了鋼橋面頂板形成剪力鍵或焊接栓釘所引起的應力集中，也避免派生出新的疲勞細節(jié)(如短栓釘自身、鋼橋面板與栓釘根部的焊縫處)。

為了探究新型方案的實用性與可行性，本研究采用2 種方案，分別進行了鋼?UHPC 膠接組合板靜力正/負彎矩加載試驗，設計了不同的環(huán)氧膠黏劑類型、界面處理方式和配筋率的試件，對鋼?UHPC膠接組合板的界面性能、力學性能及裂紋發(fā)展方式等進行研究，從中得到影響鋼?UHPC 膠接組合結(jié)構受彎性能的主要參數(shù)和影響規(guī)律，為新型鋼橋面體系的設計與工程應用提供參考。

1 鋼?UHPC 膠接組合板彎曲試驗

1.1 試驗材料及性能

本試驗中UHPC 原材料主要包括：水泥、石英砂、鋼纖維、微硅粉、礦粉、減水劑和水。其中，鋼纖維均為鍍銅平直型，其體積摻量、長度、直徑、彈性模量及抗拉強度分別為2.5%、16 mm、0.2 mm、205 GPa、2 800 MPa。澆筑試件時，同時澆筑6 個100 mm×100 mm×100 mm 的立方體UHPC 與3個100 mm×100 mm×400 mm 的長方體UHPC。將試件在相同條件下進行養(yǎng)護，養(yǎng)護分為2 個階段：①標準養(yǎng)護，溫度為20 ℃ ± 2 ℃，相對濕度為95%，養(yǎng)護48 h；②高溫蒸汽養(yǎng)護，溫度為95 ℃±5 ℃，養(yǎng)護48 h。參照《纖維混凝土試驗方法標準(CECS 13:2009)》[16]和《活性粉末混凝土(GB/T 31387—2015)》[17]相關規(guī)定，進行UHPC 的基本力學性能測試，抗壓強度、抗折強度、彈性模量及容重的測試結(jié)果分別為：165.5 MPa、38.71 MPa、47.6 GPa、26.5 kN·m?3?，F(xiàn)澆試件所用鋁土礦的主要成分為氧化鋁，密度為3.45 g/cm3，如圖2 所示。預制試件采用了3 種不同配比的雙組分環(huán)氧膠黏劑(A 組分∶B 組分=100∶29)，主要區(qū)別是納米SiO2摻量不同，1 號膠黏劑納米SiO2摻量為A 組分的1%；2號膠黏劑納米SiO2摻量為A 組分的0.5%；3 號膠黏劑納米SiO2摻量為0。試件所配鋼筋的型號與等級均為HRB400，鋼板型號為Q345b，厚度為12 mm。

圖2 不同粒徑大小的鋁土礦Fig.2 Bauxite with different particle sizes

1.2 試件設計與研究參數(shù)

本試驗共設計了20 塊600 mm×250 mm×68 mm(鋼板12 mm，膠黏層1 mm，UHPC 層55 mm)的鋼?UHPC 膠接組合板，如圖3 所示。UHPC 層分為現(xiàn)澆與預制的制備工藝，其中，12 塊為現(xiàn)澆板，8 塊為預制板。現(xiàn)澆板界面的處理方式分為3 種不同粒徑大小的鋁土礦，分別為1～3 mm、3～5 mm和5～10 mm?，F(xiàn)澆板的UHPC 內(nèi)部布置2 種不同配筋率的縱橫向鋼筋網(wǎng)(橫橋向鋼筋在上)，鋼筋直徑分別為10 mm 與12 mm，所對應的配筋率分別為2.8%與4.1%。預制板的UHPC 內(nèi)部鋼筋布置方式與現(xiàn)澆板相同，鋼筋直徑只選用10 mm，即配筋率為2.8%。保護層厚度均設置為20 mm，通過課題組自主研發(fā)的環(huán)氧樹脂膠黏劑的不同配比與鋼板黏接，參數(shù)見表1。

圖3 鋼-UHPC 膠接組合板構造圖(單位：mm)Fig.3 Structural drawing of steel?UHPC bonded composite slab (unit: mm)

表1 試件參數(shù)Table 1 Parameters of specimens

1.3 加載與測試方案

本試驗加載裝置采用量程為500 kN 的液壓伺服萬能試驗機，加載方式為位移加載，速率為1 mm/min。通過翻轉(zhuǎn)鋼?UHPC 膠接組合板，實現(xiàn)正負彎矩的加載方式，具體裝置與加載位置如圖4所示(圖4 為負彎矩加載下組合板的擺放方式)。

本次試驗主要測試了試件的承載力、跨中撓度、UHPC 裂紋發(fā)展規(guī)律、UHPC 應變和鋼板應變等。在組合板的正中間放置一個電子位移計，如圖4 所示，用于量測組合板的跨中撓度?？缰胁课坏腢HPC 與鋼板表面分別布置了3 個電阻應變片，橫向相距100 mm，兩側(cè)應變片距側(cè)邊25 mm，具體布置如圖5 所示，數(shù)據(jù)由靜態(tài)應變儀采集。UHPC裂紋發(fā)展由智能裂紋觀測儀觀測，其精度為0.01 mm。

圖4 加載裝置示意(單位：mm)Fig.4 The loading diagram (unit：mm)

圖5 應變片布置圖(單位：mm)Fig.5 Schematic drawing of strain gauges(unit:mm)

2 結(jié)果分析

2.1 膠接組合板的界面破壞及分析

本試驗中，鋼?UHPC 組合板界面出現(xiàn)了3 種破壞形式：①鋼?膠層界面破壞；②鋼?膠層界面與UHPC?膠層界面混合破壞；③鋼?UHPC 界面未脫離(UHPC 板裂紋沿厚度方向已貫穿)。3 種破壞形式如圖6 所示。

圖6 鋼-UHPC 膠接組合板破壞模式Fig.6 Failure modes of steel-UHPC bonded composite slabs

膠黏層與鋼板黏結(jié)力不足，導致鋼?膠層界面破壞，直接影響了組合板的彈性性能。鋼?膠層界面與UHPC?膠層界面混合破壞是在制備試件時，現(xiàn)澆板的鋁土礦未能鋪設均勻，導致交界面受力不勻。而在制備預制板時，涂抹環(huán)氧膠黏劑后，直接將預制好的UHPC 與鋼板膠接，導致UHPC 表面出現(xiàn)不完全平整膠層及部分脫空現(xiàn)象，致使該試件受力不勻。鋼?UHPC 界面未脫離是因為膠黏界面性能極強，雖然在試件加載純彎段膠層已脫離，但是在剪跨段膠層完好，甚至無明顯滑移現(xiàn)象，致使鋼?UHPC 組合板一直處于整體協(xié)同受力狀態(tài)。

采用1～3 mm 粒徑鋁土礦的現(xiàn)澆板與2,3 號環(huán)氧樹脂膠黏劑的預制板時，鋼?膠層界面破壞。表明：膠黏層與鋼板的黏結(jié)力不足，界面性能最差。采用3～5 mm 粒徑鋁土礦的現(xiàn)澆板與1 號環(huán)氧樹脂膠黏劑的預制板時，鋼?UHPC 界面未脫離。試驗中，組合板達到屈服時，界面仍未脫離。表明：膠黏層與鋼板的黏結(jié)力非常強，界面性能最佳。

2.2 荷載?撓度曲線

通過電子位移計測量，得到組合板的跨中撓度，其精度為0.001 mm。跨中撓度δ 為電子位移計讀數(shù)的絕對值。

負彎矩作用下，組合板的荷載?撓度曲線如圖7所示(相同構件取其中一個構件)。從圖7 中可以看出，各組合板荷載?撓度曲線大致相似，均可分為3個階段：彈性階段、裂紋發(fā)展階段和屈服階段。在彈性階段中，現(xiàn)澆試件的鋁土礦粒徑對組合板剛度的影響較大，1～3 mm 粒徑的組合板剛度最低，3～5 mm 粒徑的與5～10 mm 粒徑的差別不大。荷載增大，組合板進入裂紋發(fā)展階段，此時組合板UHPC頂面開始出現(xiàn)細小的橫向裂紋。而配筋率大的組合板，其縱筋離截面中性軸較遠，裂紋發(fā)展階段剛度較大，屈服階段承載力也較高，這一現(xiàn)象符合受彎構件的基本力學特性。在裂紋發(fā)展階段，預制板的荷載?撓度曲線出現(xiàn)明顯波動，其原因是黏結(jié)層突然破壞，導致組合板的剛度驟減。而現(xiàn)澆板出現(xiàn)這一現(xiàn)象，其原因是現(xiàn)澆板黏結(jié)層中鋁土礦在界面破壞時起緩沖作用，使其破壞形式更柔和。在屈服階段，裂紋寬度迅速增大，逐漸從UHPC 基體中拔出鋼纖維，但組合板的承載能力幾乎沒有下降，展現(xiàn)出了良好的延性。

圖7 負彎矩作用下荷載?跨中撓度曲線Fig.7 Load-deflection curves at mid-span of specimens in negative bending test

圖8 正彎矩作用下荷載?跨中撓度曲線Fig.8 Load-deflection curves at mid-span of specimens in positive bending test

正彎矩作用下，組合板的荷載?撓度曲線如圖8所示(相同類型構件取其中一個構件)。從圖8 可以看出，2 條曲線均可分為4 個階段：彈性階段、裂紋發(fā)展階段、屈服強化階段和下降段。這2 條曲線差異較大，其原因主要是界面黏結(jié)性能差異較大，預制組合板的界面黏結(jié)力更大，故其彈性極限更大。在裂紋發(fā)展階段，預制組合板純彎段的膠黏層突然破壞，導致試件整體剛度驟減，并使撓度迅速增大，而現(xiàn)澆組合板并未出現(xiàn)這一現(xiàn)象。主要原因：鋁土礦中，增加環(huán)氧樹脂膠黏劑和UHPC 吸附力的作用，使得膠黏層破壞形式更柔和。屈服強化階段，由于鋼纖維作用，UHPC 不僅與鋼板協(xié)同受力，而且承載力逐漸向峰值靠近。當撓度繼續(xù)增大時，純彎段區(qū)域的膠黏層完全破壞，試件承載力迅速下降，但剪跨段和端部的膠黏層均未破壞，組合板的UHPC 層與鋼板仍在協(xié)同受力。

表3 試驗結(jié)果Table 3 The test results

2.3 與UHPC 抗折試驗數(shù)據(jù)對比分析

將部分試件的所有試驗數(shù)據(jù)匯總，見表3。由表3 可知，鋼板面應變和UHPC 面應變?yōu)? 個電阻應變片數(shù)據(jù)的平均值。負彎矩作用下，當UHPC 層的裂紋寬度小于0.05 mm 時，裂紋肉眼能見度很低，并且對UHPC 耐久性能無影響[17]，因此，將UHPC頂面出現(xiàn)寬度為0.05 mm 裂紋時的荷載定義為開裂荷載。正彎矩作用下，以UHPC 側(cè)面出現(xiàn)寬度為0.05 mm 裂紋時的荷載定義為開裂荷載。以荷載?跨中撓度曲線的最大荷載定義為極限荷載。

UHPC 長方體將與試件同時澆筑和養(yǎng)護，通過四點加載抗折試驗，測得其彈性極限拉應變?yōu)?23～555 με。采用3～5 mm、5～10 mm 鋁土礦的現(xiàn)澆塊和1 號環(huán)氧膠黏劑預制塊的UHPC 層彈性極限拉應變?yōu)?12～602 με，同抗折試驗結(jié)果吻合。采用1～3 mm 鋁土礦的現(xiàn)澆塊與2,3 號環(huán)氧膠黏劑的預制塊，其UHPC 層彈性極限拉應變?yōu)?30～169 με，小于抗折試驗結(jié)果，原因是：①UHPC 蒸養(yǎng)結(jié)束后，收縮應變達到700 με 以上[18]。而UHPC 內(nèi)部的縱筋限制了UHPC 的收縮，導致在加載前UHPC 內(nèi)部就已經(jīng)存在一定的初始拉應力。②1～3 mm 的鋁土礦粒徑較小，無法使UHPC 與鋼板充分結(jié)合。2,3 號環(huán)氧膠黏劑的性能較差，致使UHPC與鋼板的結(jié)合力不足，導致組合板彈性極限應變較小。

2.4 開裂荷載分析

由表3 還可知，在負彎矩作用下，當其他條件不變，增大配筋率可提高組合板的開裂荷載。采用3～5 mm 和5～10 mm 粒徑鋁土礦的現(xiàn)澆板時，若提高其配筋率，開裂荷載分別增大了 24.3%與19.2%。而當配筋率相同時，組合板界面性能對其開裂荷載也有影響。相同配筋率下，使用不同粒徑鋁土礦的現(xiàn)澆板與不同環(huán)氧膠黏劑的預制板，其開裂荷載差距明顯。采用3～5 mm 與5～10 mm 粒徑鋁土礦的現(xiàn)澆板，其開裂荷載差距不大，但都遠大于使用1～3 mm 粒徑鋁土礦現(xiàn)澆板的，增幅分別為150.2%與141.8%。采用1 號環(huán)氧膠黏劑的開裂荷載遠大于采用2,3 號環(huán)氧膠黏劑預制板的，分別增大了62.0%與42.9%。在正彎矩作用下，UHPC 受壓開裂荷載明顯增大。其開裂荷載不僅與組合板UHPC 和鋼板之間的界面性能有關，還與UHPC 自身的開裂強度有關。

2.5 裂紋發(fā)展分析

從圖7 中還可以看出，在負彎矩作用下，試件均經(jīng)歷了3 個階段。試件UHPC 頂面的純彎段最先出現(xiàn)短小的橫向裂紋，此時膠黏層保持完好，然后試件進入裂紋發(fā)展階段。隨著荷載繼續(xù)增加，在UHPC 純彎段側(cè)面開始出現(xiàn)短小的橫向裂紋，UHPC 頂面的裂紋數(shù)量、寬度、長度不斷增加且不斷往底部發(fā)展。當試件進入屈服階段時，裂紋數(shù)量不再增加，UHPC 頂面的裂紋貫穿整個頂面，并與側(cè)面裂紋相連。試件的界面由中部向兩側(cè)開始緩慢脫離，UHPC 基體中的鋼纖維顯露出來，并慢慢被拔出?，F(xiàn)澆板的UHPC 表面形成1～3 條主裂紋，且裂紋表現(xiàn)為多元開裂，裂紋多且密，而預制板的UHPC 表面只有1 條主裂紋，裂紋少且稀。在現(xiàn)澆板中，配筋率越高，裂紋越密。采用1～3 mm 粒徑鋁土礦的現(xiàn)澆板裂紋最稀疏，3～5 mm 與5～10 mm粒徑鋁土礦的現(xiàn)澆板裂紋差別不大。

從圖8 中還可以看出，正彎矩作用下，部分短小橫向裂紋首先在UHPC 側(cè)面與鋼板結(jié)合面處萌芽，此時膠黏層保持完好。然后，試件進入裂紋發(fā)展階段，隨著荷載繼續(xù)增加，試件中部界面開始出現(xiàn)松動，UHPC 側(cè)面裂紋逐漸向頂部延長，同時UHPC 純彎段頂面也開始出現(xiàn)細小裂紋并逐漸往側(cè)面發(fā)展。

3 開裂強度計算

在鋼?UHPC 膠接組合橋面板的設計中，UHPC層的設計開裂強度必須大于在負彎矩作用下所產(chǎn)生的最大拉應力。因此，需要將彎曲試驗測得的UHPC 層開裂荷載，通過彈性計算求出其對應的開裂強度。本研究采用組合梁的截面換算法計算UHPC 層的開裂強度。假設組合板滿足平截面假定且UHPC 與鋼板為線彈性材料。換算截面如圖9所示。

圖9 換算截面示意Fig.9 The schematic drawing for transformed section

UHPC 層的換算寬度為beq=be/αEs。其中，be為UHPC 層的實際寬度；αEs=Es/Ec為截面換算系數(shù)；Es為鋼板和鋼筋的彈性模量，取206 GPa；Ec為UHPC 的彈性模量，取47.6 GPa。通過材料力學的方法計算，得到各組合板在開裂荷載下的開裂強度，見表4。

表4 開裂強度計算結(jié)果Table 4 Calculating results of crack strength

由表4 可知，配筋率對UHPC 層開裂強度的影響較為顯著，配筋率越高，開裂強度越大。本試驗中，組合板的開裂強度為8.9～22.2 MPa，大于某實橋在車輛荷載作用下UHPC 頂面的橫橋向拉應力(6.41 MPa)[4]，可滿足實際工程要求。

4 結(jié)論與建議

通過對20 塊鋼?UHPC 膠接組合板的靜力正/負彎加載試驗，考慮了界面處理方式、配筋率、環(huán)氧膠黏劑類型等參數(shù)，研究了鋼?UHPC 膠接組合板的界面與承載性能，得到的結(jié)論為：

1) 在負彎矩加載下，鋼?UHPC 組合板的彈性階段不僅由UHPC 自身的性能決定，還與組合板的界面性能有關。若組合板界面性能較差，則對其彈性階段有很大影響。組合板的界面性能和配筋率對UHPC 開裂荷載影響十分顯著。設計時，在保證膠黏層界面性能的同時，應適當提高配筋率，以提升組合板橋面系的橫向抗彎拉性能?，F(xiàn)澆板純彎段裂紋分布較密集，配筋率越高，裂紋越密，而預制板裂紋較稀疏。

2) 相同參數(shù)的試件在正彎矩加載下，較負彎矩作用下的彈性極限和開裂荷載大，其開裂荷載不僅與組合板UHPC 和鋼板之間的界面性能有關，還與UHPC 自身的開裂強度有關。

3) 通過對各組合板最終破壞模式分析可知，在2 種界面處理方式下，當組合板達到屈服時，界面仍未脫離?，F(xiàn)澆板采用3～5 mm 粒徑鋁土礦時，界面性能最佳。預制板采用1 號環(huán)氧膠黏劑時，界面性能最佳。

4) 當現(xiàn)澆板與預制板的界面黏結(jié)強度均達到最大時，預制板的承載能力較大，但其界面穩(wěn)定性較差。在加載階段，膠黏層會突然破壞，導致組合板整體剛度驟減，致使撓度迅速增大。因此，其制備工藝有待提高。

5) 通過截面換算法，計算出了UHPC 層的開裂強度為8.9～22.2 MPa，大于某實橋在車輛荷載作用下UHPC 頂面的橫橋向拉應力。