基于摩擦力修正的鋼橋面剛性鋪裝環(huán)氧樹(shù)脂黏結(jié)層抗剪性能研究

向磊，王歡

(1.上海市市政規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司,上海市 200031；2.上海城市路域生態(tài)工程技術(shù)研究中心)

1 前言

鋼橋面剛性鋪裝指采用超高性能混凝土(以下簡(jiǎn)稱UHPC)作為保護(hù)層，在其上鋪設(shè)磨耗層的一種結(jié)構(gòu)形式，UHPC與鋼橋面板之間采用局部焊釘和環(huán)氧樹(shù)脂防水黏結(jié)層的弱連接形式，焊釘僅在UHPC邊緣處設(shè)置以限制混凝土的收縮和滑移。鋼橋面鋪裝工程中，因防水黏結(jié)層剪切和剝離破壞帶來(lái)的病害最為突出，包括鋪裝層的脫皮、開(kāi)裂、推擠、擁包和鋼橋面板的銹蝕，這些病害致使大橋的養(yǎng)護(hù)成本增加，并影響結(jié)構(gòu)的耐久性。UHPC與鋼橋面板之間防水、防腐、協(xié)同變形性都需要依靠環(huán)氧樹(shù)脂層來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此，環(huán)氧樹(shù)脂層性能的好壞至關(guān)重要。村越潤(rùn)等研究認(rèn)為，鋼橋面剛性鋪裝黏結(jié)層的主控指標(biāo)為抗剪強(qiáng)度，拉拔強(qiáng)度主要作為補(bǔ)充試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證施工質(zhì)量，這也與黏結(jié)層受力破壞特性相一致。

李正中等利用室內(nèi)斜剪試驗(yàn)?zāi)M水泥混凝土橋面防水黏結(jié)層的界面受力狀態(tài)，從瀝青噴涂量、碎石撒布類型、橋面板界面處理狀況、環(huán)境溫度等方面系統(tǒng)分析影響其層間抗剪性能的各種因素及變化規(guī)律；田帥等通過(guò)直剪試驗(yàn)評(píng)價(jià)加鋪碳纖維的橋面板與橋面鋪裝結(jié)構(gòu)層間的抗剪強(qiáng)度是否滿足要求；賈錦繡利用HS-SS Ⅰ型道路直剪試驗(yàn)儀測(cè)得位移和剪應(yīng)力，并建立剪應(yīng)力-剪應(yīng)變關(guān)系曲線，分析層間抗剪能力的穩(wěn)定性；李惠婷建立斜剪試驗(yàn)有限元模型，研究了層間受剪薄弱面以及模量、荷載變化對(duì)層間剪應(yīng)力的影響；李忠林等利用界面力學(xué)中的黏結(jié)滑移理論，對(duì)層間界面荷載-滑移曲線展開(kāi)分析，將其分為4個(gè)受力階段并給出了各階段的擬合曲線，分析了層間黏結(jié)強(qiáng)度的形成機(jī)理；趙峰軍等提出采用疊層梁作為橋面瀝青鋪裝層間應(yīng)力計(jì)算的簡(jiǎn)化模型，在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)出簡(jiǎn)支疊層梁層間應(yīng)力計(jì)算公式，并利用有限元計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證了簡(jiǎn)化模型的準(zhǔn)確性與合理性；胡濤等通過(guò)室內(nèi)多角度斜剪試驗(yàn)，提出了更加貼近實(shí)際橋面鋪裝現(xiàn)狀的層間黏結(jié)強(qiáng)度評(píng)價(jià)方法及評(píng)價(jià)指標(biāo)。

中國(guó)研究評(píng)價(jià)黏結(jié)層抗剪性能的試驗(yàn)方法由早期的直剪試驗(yàn)逐漸演變?yōu)楝F(xiàn)在的斜剪試驗(yàn)，并已形成規(guī)范，試驗(yàn)方法更加簡(jiǎn)便，但試驗(yàn)結(jié)果的處理卻忽略了摩擦力的影響。規(guī)范推薦試驗(yàn)做法是增加滑輪，將滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)闈L動(dòng)摩擦進(jìn)而減小摩擦力的影響，但這樣的做法依然存在摩擦力，使得抗剪強(qiáng)度的計(jì)算值偏大，并且對(duì)于抗剪強(qiáng)度較高的材料，例如環(huán)氧樹(shù)脂、MMA樹(shù)脂等，滑輪往往難以承受壓力機(jī)荷載而不得不采用鋼板表面涂抹潤(rùn)滑劑的形式來(lái)替代，這又將增大摩擦系數(shù)，影響試驗(yàn)結(jié)果。該文將開(kāi)展不同溫度下多角度斜剪試驗(yàn)，并考慮摩擦力的影響，研究剛性鋪裝環(huán)氧樹(shù)脂黏結(jié)層的抗剪性能。

2 原材料

2.1 超高性能混凝土(UHPC)

試驗(yàn)所用UHPC集料為0～3 mm連續(xù)級(jí)配玄武巖碎石，水泥采用52.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，鋼纖維采用0.18～0.22 mm散絲，混凝土配比如表1所示。

表1 超高性能混凝土配比

2.2 環(huán)氧樹(shù)脂

表2 A組分性能

表3 B組分性能

表4 混合后環(huán)氧樹(shù)脂性能

3 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

環(huán)氧樹(shù)脂黏結(jié)劑的用量為1 L/m2，將其均勻涂抹在鋼板表面，超高性能混凝土采用專用攪拌機(jī)攪拌后澆筑至鋼板表面，其后在振動(dòng)臺(tái)上振實(shí)試件。成型后的UHPC截面尺寸為100 mm×100 mm正方形，厚度為50 mm，組合試件示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 抗剪試驗(yàn)組合試件(單位：mm)

斜剪試驗(yàn)源自于JTJ 054—94《公路工程石料試驗(yàn)規(guī)程》中的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)T0215—94。在斜剪試驗(yàn)中，一般采用夾具與壓力機(jī)接觸面上布設(shè)滑輪的形式來(lái)消除摩擦阻力的影響，但即使由滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，接觸部分仍存在摩擦系數(shù)，因而如果忽略接觸面摩擦力的影響必然導(dǎo)致計(jì)算出現(xiàn)誤差。在環(huán)氧樹(shù)脂黏結(jié)層斜剪試驗(yàn)中，由于加載力過(guò)大，滑動(dòng)輪無(wú)法承受荷載，試驗(yàn)過(guò)程采用在接觸面上涂抹潤(rùn)滑油的方式盡量減少摩擦力的影響，通過(guò)旋轉(zhuǎn)受荷板可以改變受剪角度，模具及加載形式如圖2、3所示。在試驗(yàn)加載過(guò)程中夾具與壓力機(jī)之間保持相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，因此摩擦力修正應(yīng)考慮靜摩擦系數(shù)，測(cè)出涂油后夾具與壓力機(jī)接觸面摩擦系數(shù)f1=0.26，f2=0.37(在30°、45°時(shí)f1=0.26，在37.5°時(shí)f2=0.37)。結(jié)合受剪平面與水平面的斜剪角度α，可以將試件的層間抗剪強(qiáng)度τ和最大正應(yīng)力σ由壓應(yīng)力的峰值分解得到，計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

式中：σ為正應(yīng)力(MPa)；τ為層間抗剪強(qiáng)度(MPa)；P為荷載峰值(N)；A為受力面積(mm2)；α為斜剪角度(°)；f為夾具與壓力機(jī)接觸面靜摩擦系數(shù)。

圖2 斜剪試驗(yàn)夾具示意圖

圖3 α=37.5°試驗(yàn)加載示意圖

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

考慮到實(shí)際鋼橋面工作溫度，采用25、50、70 ℃作為試驗(yàn)溫度，將成型好的試件分別置于室溫環(huán)境、50 ℃烘箱、70 ℃烘箱中保溫5 h，保溫結(jié)束后取出并立即進(jìn)行試驗(yàn)。參照J(rèn)TG/T 3364-02—2019《公路鋼橋面鋪裝設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》中的要求，加載速率采用10 mm/min，調(diào)整夾具使受剪角度呈30°、37.5°、45°，加載直到破壞為止，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)上述公式對(duì)表中的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理，得到各工況下層間抗剪強(qiáng)度以及正應(yīng)力值，如表6所示。

表6 不同溫度下層間抗剪強(qiáng)度與正應(yīng)力

4.1 層間抗剪強(qiáng)度與正應(yīng)力關(guān)系分析

將25 ℃下各斜剪角度計(jì)算出的抗剪強(qiáng)度與正應(yīng)力進(jìn)行擬合，得到兩者關(guān)系如圖4所示。

圖4 25 ℃正應(yīng)力與剪應(yīng)力關(guān)系

由圖4可以看出：抗剪強(qiáng)度與正應(yīng)力之前存在良好的線性關(guān)系，符合摩爾-庫(kù)侖理論中對(duì)于抗剪強(qiáng)度與正應(yīng)力之間關(guān)系的描述，即：

τ=c+σztanφ

(3)

式中：c為黏結(jié)材料的黏聚力；φ為黏結(jié)材料的內(nèi)摩擦角；σz為破壞時(shí)的法向正應(yīng)力。

因此，通過(guò)數(shù)據(jù)擬合可以得出在25 ℃下抗剪強(qiáng)度-正應(yīng)力之間的數(shù)值關(guān)系：

τ=0.043σ+4.113

(4)

在25 ℃時(shí)，c≈4.113 MPa，φ=2.4°。在該試驗(yàn)溫度下，改變斜剪角度使正應(yīng)力增大的同時(shí)，也將會(huì)同時(shí)增大抗剪強(qiáng)度，并且兩者呈線性關(guān)系。

同理，分析50、70 ℃下抗剪強(qiáng)度與正應(yīng)力之間的關(guān)系，通過(guò)擬合驗(yàn)證出環(huán)氧樹(shù)脂黏結(jié)材料在50、70 ℃下仍滿足摩爾-庫(kù)侖理論，數(shù)值關(guān)系式如下：

τ=0.151σ+0.641，50 ℃

(5)

τ=0.146σ+0.314，70 ℃

(6)

在50 ℃時(shí)，c=0.641 MPa，φ=8.6°；在70 ℃時(shí)，c=0.314 MPa，φ=8.3°。隨著溫度的升高，c值也就是環(huán)氧黏結(jié)劑的黏聚力逐漸減小，說(shuō)明環(huán)氧樹(shù)脂黏結(jié)層隨著溫度的升高，黏結(jié)強(qiáng)度逐漸降低，同樣的鋪裝結(jié)構(gòu)，在高溫重載條件下更容易發(fā)生層間破壞，尤其是在上下坡路段以及緊急剎車發(fā)生時(shí)，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生大撓度變形的U肋加勁肋位置處的鋪裝層也會(huì)產(chǎn)生較大剪應(yīng)力，影響鋪裝結(jié)構(gòu)使用壽命。

4.2 層間抗剪強(qiáng)度與溫度、剪切角度的關(guān)系

為了分析溫度對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂黏結(jié)層抗剪強(qiáng)度的影響，將3種溫度下不同剪切角度的數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖5所示。

圖5 抗剪強(qiáng)度與剪切角度關(guān)系

在25 ℃時(shí)，抗剪角度由30°增加至37.5°、45°抗剪強(qiáng)度降低幅度較小，分別為2.1%、9.0%；在50 ℃時(shí)，抗剪強(qiáng)度因抗剪角度增加而降低的幅度分別為25.8%、40.4%；在70 ℃時(shí)，抗剪強(qiáng)度因抗剪角度增加而降低的幅度分別為14.7%、38.2%。在高溫環(huán)境下，抗剪強(qiáng)度的降低受抗剪角度的影響更為明顯，這也解釋了高溫炎熱季節(jié)鋼橋面鋪裝上下坡段易發(fā)生脫層病害。

無(wú)論剪切角度是多少，從25 ℃升至50 ℃過(guò)程中，層間抗剪強(qiáng)度降低幅度幾乎都在70%以上，從50 ℃升至70 ℃過(guò)程中，層間抗剪強(qiáng)度降低幅度幾乎都在50%以上，這說(shuō)明環(huán)氧樹(shù)脂黏結(jié)劑仍是一種溫度敏感性材料，受溫度變化影響大。

4.3 摩擦系數(shù)對(duì)層間抗剪強(qiáng)度影響分析

在25 ℃下，剪切角度由30°增加至45°，加載力下降幅度約為52.92%，抗剪強(qiáng)度下降幅度僅為9.03%；同理在50、70 ℃時(shí)，對(duì)應(yīng)加載力下降幅度為69.35%、71.44%，抗剪強(qiáng)度下降僅為40.40%、38.24%。這可以看成是在剪切角度變大的過(guò)程中，摩擦系數(shù)充當(dāng)了阻礙抗剪強(qiáng)度降低的作用，摩擦系數(shù)如果過(guò)大，將導(dǎo)致計(jì)算出的名義抗剪強(qiáng)度偏高，錯(cuò)誤評(píng)價(jià)黏結(jié)材料抗剪性能，因此在試驗(yàn)中應(yīng)盡可能消除摩擦力的影響。

由計(jì)算公式可以看出：不考慮摩擦系數(shù)計(jì)算得出名義抗剪強(qiáng)度大于實(shí)際抗剪強(qiáng)度，現(xiàn)階段剪切試驗(yàn)采用的剪切角度基本均為45°，則可以通過(guò)代入數(shù)值的方法得出實(shí)際剪切強(qiáng)度與名義剪切強(qiáng)度的關(guān)系如下所示：

τ實(shí)=Δf×τ名

(7)

Δf=1-f

(8)

式中：τ實(shí)為實(shí)際抗剪強(qiáng)度(MPa)；τ名為名義抗剪強(qiáng)度(MPa)；Δf為摩擦力修正系數(shù)；f為夾具與壓力機(jī)接觸面靜摩擦系數(shù)。

5 結(jié)論

考慮鋼橋面鋪裝各種狀態(tài)下黏結(jié)層的受力狀態(tài)，通過(guò)改變受剪角度和環(huán)境溫度的方式開(kāi)展多角度斜剪試驗(yàn)，利用實(shí)測(cè)得到的受荷板與加載設(shè)備間的摩擦系數(shù)進(jìn)行抗剪強(qiáng)度修正，并分析正應(yīng)力與剪應(yīng)力間的關(guān)系，得出以下結(jié)論：

(1)由于摩擦力的存在，試驗(yàn)得到的名義抗剪強(qiáng)度大于實(shí)際抗剪強(qiáng)度，尤其是對(duì)于環(huán)氧樹(shù)脂、MMA樹(shù)脂等強(qiáng)度較大的黏結(jié)劑，必須用潤(rùn)滑劑的形式來(lái)替代滑輪，則需考慮摩擦力修正系數(shù)Δf。

(2)考慮摩擦力修正后的環(huán)氧樹(shù)脂黏結(jié)層正應(yīng)力與剪應(yīng)力在所有試驗(yàn)溫度下均存在良好的線性關(guān)系，符合摩爾-庫(kù)侖理論。

(3)環(huán)氧樹(shù)脂仍是一種溫度敏感性材料，在25 ℃升至50 ℃過(guò)程中所有剪切角度的抗剪強(qiáng)度均減小70%以上，在50 ℃升至70 ℃過(guò)程中所有剪切角度的抗剪強(qiáng)度均減小50%以上。

(4)環(huán)氧樹(shù)脂黏結(jié)層抗剪強(qiáng)度隨著受剪角度的增大而逐漸降低，但考慮摩擦力修正的情況下降幅并不大。

(5)在剪切角度變大的過(guò)程中，摩擦系數(shù)充當(dāng)了阻礙抗剪強(qiáng)度降低的作用，摩擦系數(shù)如果過(guò)大，將導(dǎo)致計(jì)算出的名義抗剪強(qiáng)度偏高，錯(cuò)誤評(píng)價(jià)黏結(jié)材料抗剪性能，因此在試驗(yàn)中應(yīng)盡可能消除摩擦力的影響。