UHPC-瀝青磨耗層環(huán)氧界面劑粘結(jié)性能研究

李 嘉， 董 亮， 夏楊嘉玲,3， 張 堅

(1. 湖南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410082; 2. 湖南大學 風工程與橋梁工程湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410082；3.廣東省交通規(guī)劃設(shè)計研究院股份有限公司，廣東 廣州 510000)

0 引言

為了綜合解決鋼橋面疲勞開裂和鋪裝易損難修兩大難題，作者所在研究團隊在理論分析和研究材料性能的基礎(chǔ)上原創(chuàng)性提出“鋼面板-35～50 mm超高性能混凝土UHPC-20～40 mm瀝青磨耗層”輕型組合橋面結(jié)構(gòu)體系[1-3]，該輕型組合橋面體系將鋼橋面轉(zhuǎn)換成組合橋面，使鋼橋面的抗疲勞能力大幅度增強并且提升了橋面剛度。

該結(jié)構(gòu)體系中薄層瀝青磨耗層和UHPC下承層之間能否牢固粘結(jié)是急需解決的主要技術(shù)問題之一[4-6]，其粘結(jié)牢固與否對于主體結(jié)構(gòu)的保護、防止病害發(fā)生和延長橋梁壽命等至關(guān)重要。近年來，國內(nèi)外學者對此展開了研究，Lu Q[7]等研究了環(huán)氧瀝青在正交各向異性橋面鋪裝除大面積密級配磨耗層以外的各種工程中面臨的問題和解決方法，探討了環(huán)氧瀝青在道路路面中的應用前景；王虎[8]等研究表明，鋪裝層粘結(jié)失效破壞是橋面鋪裝破壞的主要類型之一，粘結(jié)層的完好能改善橋面鋪裝層受力條件，減少層內(nèi)應力，一旦粘結(jié)層失效，橋面鋪裝層將會出現(xiàn)滑移和脫落。

由于輕型組合橋面體系中UHPC層和瀝青磨耗層層間應力比較大，經(jīng)本研究團隊初步研究決定選用兩種二階熱固性環(huán)氧界面劑來展開研究。

本文通過常溫和高溫環(huán)境下的斜剪試驗和拉拔試驗，研究環(huán)氧界面劑的類型、撒布量和養(yǎng)護齡期以及環(huán)境溫度等因素對UHPC-瀝青磨耗層界面粘結(jié)性能的影響。

1 試驗設(shè)計

1.1 原材料

UHPC基質(zhì)材料的混合比如表1所示，其中摻入體積比為3.5%的鋼纖維以提升強度。磨耗層采用SMA-13，主要成分為SBS改性瀝青、礦粉、玄武巖碎石，油石比5.2%。

表1 UHPC基材配合比Table 1 Composition ratio of UHPC matrix組分水泥硅灰石英砂石英粉減水劑水質(zhì)量比1.0000.2501.1000.3000.0190.225

試驗選用的環(huán)氧界面劑有兩種，改性環(huán)氧界面劑2766和二階熱固性環(huán)氧瀝青，這兩種界面粘結(jié)劑都是二階熱固性材料，即: 撒布后在常溫下可以很快的表干固化(一階)，使得車輛和人員在該粘結(jié)層上作業(yè)時不會發(fā)生粘連；當熱拌瀝青混合料鋪筑時，該粘結(jié)層在混合料熱量作用下重新液化，與熱拌瀝青混合料中的瀝青熔融相連并快速固化(二階)，進而形成環(huán)氧材料的粘結(jié)層界面。兩種界面粘結(jié)劑技術(shù)指標分別如表2和表3所示，其A、B組分的質(zhì)量混合比分別為100∶55和1∶2，環(huán)氧瀝青混合前A、B組分都需要70℃～90℃預熱。

表2 環(huán)氧界面劑2766技術(shù)指標Table 2 Technical specification of epoxy interfacial agent 2766項目粘結(jié)力(與瀝青砼)/MPa粘結(jié)(與水泥砼)/MPa拉伸模量/MPa拉伸強度/MPa斷裂延伸率/%23 ℃-10 ℃23℃-10℃吸水率/%技術(shù)指標>3>5>3.0>5.0204-272>40>25<0.1檢測方法ACI-503 R29ACI-503 R29ASTM C-109ASTM C-109ASTM C-109ASTM C-109ASTM C-109ASTM C-243

表3 環(huán)氧瀝青技術(shù)指標Table 3 Technical indexes of epoxy asphalt指標重量比[m(A)∶m(B)]表干時間/d斷裂延伸率(20℃)/%拉伸強度(20℃)/MPa數(shù)值1∶21～2≥100≥5.0

1.2 試件制備

制備300 mm×300 mm×30 mm UHPC基板，養(yǎng)護完成后對UHPC試板表面進行拋丸處理，控制構(gòu)造深度在0.4～0.55 mm之間。然后將清理干凈的UHPC板表面分別涂刷兩種界面粘結(jié)劑，界面劑2766和環(huán)氧瀝青都分別按撒布量0.5、0.7、0.9 kg/m2各刷一塊板，最后用輪碾法成型3 cm厚的瀝青磨耗層，待自然冷卻后將試板切割成90 mm×90 mm×60 mm的小試件用于斜剪試驗。

制備100 mm×100 mm×300 mm的UHPC立方體試件，將其切割成100 mm×100 mm×30 mm的小試塊，將其切割面用環(huán)氧界面劑連接用于復合試件拉拔試驗。

將300 mm×300 mm×30 mm的UHPC基板切割成70 mm×70 mm×30 mm的小試件，涂刷界面粘結(jié)劑并粘上拉拔頭用于附著力拉拔試驗。

1.3 試驗方法

斜剪試驗參照美國試驗規(guī)程ASTM C882/C882M-13[9]進行。斜剪試驗裝置為量程50 kN的UTM微機控制萬能試驗機，斜剪試驗中萬能試驗機自動記錄受剪過程不同位移對應的荷載及破壞時的峰值荷載，加載速率10 mm/min；復合試件拉拔試驗和附著力拉拔試驗分別參考美國標準試驗方法ASTM C1583/C1583M-13[10]和ASTM D7234-12[11]進行。復合試件拉拔試驗裝置為量程50 kN的UTM微機控制萬能試驗機，加載速率為5 mm/min，附著力拉拔試驗采用TJ-10型碳纖維粘結(jié)強度檢測儀。測試裝置見圖1。

(a) 斜剪試驗 (b) 復合試件拉拔試驗

2 界面劑及其撒布量與剪切強度

UHPC-SMA復合試件層間剪切試驗結(jié)果如表2所示；另外，還記錄了了常溫條件下UHPC-SMA復合試件剪切破壞荷載-位移值，見圖2、圖3。

表2 復合試件剪切試驗結(jié)果Table 2 Shear test results of composite specimens溫度/℃2 766劑不同撒布量(kg/m2)下的剪切強度/MPa 環(huán)氧瀝青不同撒布量(kg/m2)下的剪切強度/MPa0.50.70.90.50.70.91.592.293.111.802.152.10實測值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實測值0.290.520.720.130.280.36600.170.320.910.290.400.21平均值0.230.450.750.190.300.28

圖2 2766劑剪切荷載-位移曲線Figure 2 2766 Shear load-displacement curve

圖3 環(huán)氧瀝青剪切荷載-位移曲線Figure 3 Epoxy asphalt shear load-displacement curve

分析表2和圖2、圖3的試驗結(jié)果可知：

a.20 ℃(常溫)、60 ℃(高溫)時，環(huán)氧界面劑2766和環(huán)氧瀝青的復合試件，其剪切破壞面均發(fā)生在UHPC-SMA界面(見圖4、圖5)，故實測破壞應力即為界面粘結(jié)劑的剪切強度。60 ℃(高溫)時環(huán)氧界面劑2766剪切強度大于環(huán)氧瀝青剪切強度。

圖4 2766劑剪切破壞形態(tài)Figure 4 2766 Shear failure modes

圖5 環(huán)氧瀝青剪切破壞形態(tài)Figure 5 Epoxy asphalt shear failure modes

b.環(huán)境溫度對界面粘結(jié)劑剪切強度有較大影響。與常溫(20 ℃) 相比，高溫(60 ℃) 條件下，2766劑在不同撒布量下剪切強度分別下降85.9%、79.5%、75.3%和82.6%、82.5%、81.0%；環(huán)氧瀝青在不同撒布量下抗剪強度分別下降89.6%、86.6%、86.5%； 高溫條件下抗剪強度下降幅度比較大，但2766劑在60 ℃(高溫)環(huán)境下撒布量為0.9 kg/m2時抗剪強度仍能達到0.75 MPa。

c.無論是高溫還是常溫條件下2766劑隨著撒布量的增加剪切強度依次增加；而環(huán)氧瀝青則都在0.7 kg/m2之后強度出現(xiàn)了下滑；因為粘結(jié)材料涂刷不足時不能形成連續(xù)的薄層，無法提供足夠的粘結(jié)力，反之，涂刷過量，其層間會形成軟弱夾層，同樣會影響界面強度。

d.界面粘結(jié)劑2766的剪切荷載-位移曲線中的峰值明顯比環(huán)氧瀝青高；在撒布量增加的情況下，發(fā)生相同剪切位移時的剪切力也大幅提升。

文獻[5]在UHPC鋪裝層強度可靠性分析中指出，UHPC層與磨耗層界面剪應力峰值為0.301 MPa，再考慮到1.2倍的安全系數(shù)[12-13]，環(huán)氧瀝青不能滿足輕型組合橋面結(jié)構(gòu)的層間受力要求。

3 養(yǎng)護齡期與拉拔強度

二階熱固性材料具有優(yōu)良的常溫、高溫性能，其涂布和養(yǎng)生是層間施工過程中的關(guān)鍵步驟。為研究養(yǎng)生齡期對層間粘結(jié)強度的影響以及研究復合試件拉拔強度和附著力拉拔強度的相關(guān)性，選用 2766劑進行試驗。由于環(huán)氧界面劑層間粘結(jié)強度大于瀝青混合料強度，為測試粘結(jié)劑自身的復合試件層間拉拔強度，制備UHPC-UHPC復合試件，參考美國標準試驗方法ASTM C1583/C1583M-13進行。試驗裝置如圖1(b)所示。拉拔試驗結(jié)果如表3所示，養(yǎng)生齡期與拉拔強度變化曲線圖如圖6和圖7所示。

表3 拉拔試驗結(jié)果Table 3 Drawing test resultsMPa齡期2766劑齡期/d1261020250.580.851.322.182.732.78實測值0.550.861.342.092.752.85復合試件0.500.901.422.192.572.78平均值0.540.871.362.152.682.800.491.011.532.522.912.97實測值0.550.841.552.382.862.94附著力0.530.901.462.352.952.95平均值0.520.921.512.422.912.95

圖6 養(yǎng)生齡期-復合試件拉拔強度Figure 6 Curing age-drawing strength of composite specimens

圖7 養(yǎng)生齡期-附著力拉拔強度Figure 7 Health care age-adhesion drawing strength

由表3和圖6、圖7可知：

a.附著力拉拔強度和復合試件拉拔強度隨齡期增長都可以分為兩個階段，1～20 d為第一階段，強度隨齡期增長比較快，20 d之后強度基本趨于穩(wěn)定，增長幅度不太明顯。

圖8 拉拔強度對比擬合曲線Figure 8 Drawing strength contrast fitting curve

b.前兩天由于環(huán)氧界面劑還沒有完全固化，因此拉拔強度偏低，均未超過1 MPa，破壞情況如圖9(a)所示；到10 d，復合試件拉拔強度和附著力拉拔強度分別達到25 d強度的76.8%和82.0%；后期復合試件拉拔破壞界面如圖9(b)所示。

(a) 前期 (b) 后期

c.如圖8所示，復合試件拉拔強度和附著力拉拔強度有著良好的相關(guān)性，附著力拉拔強度y與復合試件拉拔強度x線性回歸方程為:

y=1.087 5x-0.011 4；R2 =0.997 5

d.除1 d外，附著力拉拔強度比復合試件拉拔強度高，從2 d開始復合試件拉拔強度分別為附著力拉拔強度的94.6%、90.1%、88.8%、92.1%和95.0%。

4 結(jié)論

a.高溫條件下，兩種環(huán)氧界面劑的剪切強度比常溫均有大幅度下降，說明環(huán)境溫度對其粘結(jié)性能有顯著影響。

b.無論是高溫還是常溫條件下環(huán)氧界面劑的強度都不會隨其撒布量的增加而持續(xù)增長。

c.附著力拉拔強度和復合試件拉拔強度有著良好的相關(guān)性，附著力拉拔強度和復合試件拉拔強度隨齡期增長都可以分為兩個階段，1～20 d為第一階段，強度隨齡期增長比較快，20 d之后強度基本趨于穩(wěn)定，增長幅度不太明顯。

d.養(yǎng)護齡期前兩天由于環(huán)氧界面劑還沒有完全固化，因此拉拔強度偏低，均未超過1 MPa；到第10 d，復合試件拉拔強度和附著力拉拔強度分別達到25 d強度的76.8%和82.0%。