0 引言

目前我国大跨径钢桥多采用钢箱梁正交异性桥面板结构。由于其属于大型薄壁空间结构，构造复杂，在车辆荷载作用下，易在横隔板和纵向加劲肋上方产生负弯矩，从而使铺装层内部产生不均匀应力和应变。在夏季高温条件下，钢箱梁内部的持续高温严重影响沥青铺装使用寿命，增加了钢桥面铺装技术问题的复杂性和难度^[1-3]。经过30多年的发展，我国钢桥面沥青铺装逐渐形成四大铺装材料体系：沥青玛蹄脂碎石混合料(SMA)、浇注式沥青混凝土(GA)、环氧沥青混凝土(EA)、和改性密级配沥青混凝土(AC)。铺装结构也由过去的“单层同质”向“双层同质”及“双层异质”结构发展^[4-5]。其中“下层EA+上层SMA”长寿命铺装结构能够有效降低钢桥面铺装上面层开裂、抗滑性能、耐高温性能不足等常见病害，延长服役寿命，并且已在多个大跨径钢桥应用。对于这种双层异质铺装结构，黏结层与上、下层的黏结性能至关重要，良好的层间黏结性能可保证铺装复合结构成为受力整体，从而使荷载在铺装结构间有效传递；通过协调铺装结构层间的变形，充分发挥双层铺装结构的构造优势。

目前国内外关于桥面铺装黏结层的研究主要包括高性能黏结层材料的研发、黏结层性能测试标准试验的探究、外界因素对黏结层的影响规律、黏结层性能表征的理论讨论、模型开发等方面^[6-8]。在标准试验方面，国内外主要通过剪切试验和拉拔试验开展，其中剪切试验根据加载方式的不同可分为直剪试验和斜剪试验。钱国平等^[9]通过有压力的直接剪切试验对混凝土桥面板与铺装层之间的黏结层抗剪性能进行研究，分析了直剪试验中侧向正压力对层间抗剪强度的影响。Vaitkus等^[10]研究了无侧向直剪试验、有侧向直剪试验、扭转试验、直接拉拔和间接拉伸试验在评价沥青路面层间黏结性能的差别及其相关性。黏结层材料应用方面，张永祥^[11]开展了环氧树脂胶黏剂在不同环境下的蠕变试验，研究了黏结结构的断裂行为及胶黏剂中不同形式的气泡对黏接结构强度影响。陈志一^[12]则通过渗水试验、金属棒缠绕试验和高温流动试验对美国环氧黏结剂和日本环氧黏层油的不透水性、低温柔韧性和高温稳定性进行了定性测试。可以看出，对于黏结材料的研究主要都是从研究对象的材料特性出发，并结合自身研究目的重点关注材料的相关性能。关于对桥面铺装层间黏结性能的影响因素方面，Zhang等^[13]对不同试验条件下水泥混凝土板与沥青铺装层之间的黏结性能进行了研究。杨宇明等^[14]研究了钢桥面铺装中环氧沥青黏结层与浇注式沥青混合料铺装层配合使用时的黏结性能。Liu等^[15]开展了钢板与EA间防水黏结层在温度和湿度耦合条件下的层间剪切性能评价。孙健^[16]提出在所用环氧沥青中掺入橡胶并撒布碎石，兼顾橡胶沥青碎石封层防水黏结、弹性恢复及应力消减的优点，形成适用于钢桥面铺装的橡胶环氧碎石(REAS)防水黏结过渡层。数值模拟方面，孙丽娟^[17]采用内聚力模型来模拟沥青路面基层与面层之间的接触问题。马雄鹰^[18]引入基于接触对的内聚力模型对层间黏结力进行模拟，分析了滑移裂缝及层间滑移破坏产生的机理。李方超^[19]采用内聚力模型模拟钢桥面与铺装界面，通过建立钢板-黏结层-环氧沥青混合料的有限元模型来分析铺装界面的力学变化规律和应力分布规律。

本研究针对“EA+SMA”铺装结构使用特性，选取目前钢桥面铺装中比较常见的“EA10+SMA13”和“EA10+SMA10”2种铺装复合结构形式，选择环氧树脂黏层油和环氧沥青黏层油这2种黏结材料，通过复合结构层间拉拔试验和直剪试验，分析层间界面强度、刚度及断裂能等力学特性，探究黏结材料用量、温度等因素对黏结性能的影响，从而准确把握铺装复合结构层间界面的力学特性及影响因素。

1 复合结构层间黏结性能试验方法及评价指标分析 1.1 试件制备

依托某工程项目，本试验中下面层EA10所使用的集料为钢桥面铺装用优质辉绿岩，EA所用沥青为热拌环氧沥青，油石比为6.5%。上面层SMA13和SMA10所使用的集料均为钢桥面铺装用优质玄武岩，混合料级配如表 1所示。SMA所用沥青为高弹改性沥青，油石比为6%。层间黏结材料为日本近代化成公司生产的环氧树脂黏层油KD-HYP，该材料由主剂和固化剂2个组分混合制成，其具体参数如表 2所示。环氧沥青黏层油的具体参数如表 3所示。

试验试件的制备不仅需要满足试验要求，制备流程还应较准确地模拟钢桥面铺装实际施工时的铺筑过程，因此，参照“下层EA+上层SMA”钢桥面铺装结构的现场施工工序，复合结构试件制备流程如下：试验先在车辙板模具内轮碾成型下面层EA，之后在EA层表面按照重量控制法、采用刮刀涂抹设定用量的黏结材料，待养生条件等满足要求后，轮碾成型上面层SMA，制成EA+SMA复合结构双层车辙板。为消除试验操作差异带来的影响，沿碾压方向将每块双层车辙板对称划分为2部分，分别进行切割和钻芯。为防止切割或钻芯过程造成黏结面的破坏，控制切割或钻芯界面间距不小于5 cm。其中一部分切割得到供剪切试验使用的9 cm×9 cm×9 cm立方体试件，另一部分钻芯得到供拉拔试验用的直径5 cm的圆柱芯样，拉拔试验和剪切试验复合结构试验试件制备的主要步骤包括下面层EA成型、黏结材料涂布、上面层SMA成型、复合结构双层车辙板、切割/钻芯等。

1.2 黏结性能试验方法 1.2.1 拉拔试验

因SMA表层较为粗糙，与拉拔头之间不易黏结，为避免拉拔试验过程中出现拉拔头在AB胶与SMA表层结合处脱落的情况，沿EA层向SMA层方向钻芯制备试件，试件在试验时主要受竖向拉拔力的作用，采用桥面铺装专用拉拔仪。拉拔试验主要步骤如下：

(1) 在钻芯好的EA层表面涂抹AB胶，并指压黏接拉拔头，保证拉拔头与EA层表明有一定的黏结强度。

(2) 将黏接好拉拔头的试件放置在环境箱中保温一定的时间(本试验按照保温4 h控制)，环境箱温度设定为所需的试验温度(本次试验按照23 ℃控制)。

(3) 将拉拔头与拉拔仪连接，设置试验参数，拉拔试验加载方式采用位移控制，拉拔速率为10 mm/min。

(4) 观察试验过程中试件的破坏情况、力和位移数据变化情况，在界面完全破坏时停止试验。

1.2.2 直剪试验

采用万能试验机，试验系统置于高精度环境箱中，试件同时受到侧向力和竖向直剪力的作用。直剪试验主要步骤如下：

(1) 将直剪试验专用夹具和成型好的试件放置在环境箱中保温一定时间(按照保温4 h控制)，环境箱温度设定为所需试验温度(按照23 ℃控制)。

(2) 将试件横置在试验夹具内并固定，提供恒定侧向力保证试件处于夹紧状态，在EA层处放置压头。

(3) 设置相关试验参数，在竖直方向施加荷载，加载方式采用位移控制，剪切速率为10 mm/min。

(4) 观察试验过程中试件的破坏情况、力和位移数据变化情况，在界面破坏或最大有效位移达到10 mm后停止试验。

1.3 试验结果评价指标

复合结构的层间黏结性能一般可由力学强度、能量、层间破坏形态及演变规律等因素表征，为进一步明确不同因素对桥面铺装复合结构层间黏结性能的影响，从力学强度、能量学角度对其进行表征，明确黏结层力学响应在加载作用下的演变规律及达到极限状态下的破坏形态，计算黏结层界面黏结强度、模量及断裂能等力学指标，为后续影响因素分析打下基础。

1.3.1 拉拔试验评价指标

层间拉拔试验中拉力-位移变形曲线如图 1所示，横轴代表试验过程中的竖向位移值，纵轴代表传感器测得的竖向拉拔力。可以看出，复合结构在主要承受竖向拉力加载时，受力响应可分为3个阶段：

O-A阶段(线性阶段)，该阶段竖向拉力值随着竖向位移的增大而逐渐增加，且增长趋势呈线性关系。

A-B阶段，当拉力达到线性极限时，随着竖向位移的进一步增大，拉力呈非线性增加，拉拔刚度(含义及计算方法见式2)逐渐下降，最终在B点时拉力达到峰值。

B-C阶段，当拉力达到峰值后，黏结界面出现损伤，此时随着竖向位移的进一步增大，拉力值逐渐减小，这意味着黏结层抗拉能力逐渐下降，最终黏结层完全破坏，EA层和SMA层完全分离，拉力值趋向于0。

根据试验结果及拉拔试件尺寸等数据，复合结构黏结界面的平均拉应力计算式为：

(1)

式中，σ为界面平均拉应力；F_n为拉拔试验过程中测得的拉拔力；A为复合结构拉拔试件黏结界面截面积，此处A=1.96×103 mm²。

因此，可计算得到复合结构试件在承受竖向加载时黏结界面的拉应力-位移关系曲线，如图 2所示。

其中界面的拉拔强度值即为拉拔试验中的拉应力峰值σ_p；由于拉拔试验中AB阶段非常短，因此界面拉拔刚度计算式为：

(2)

式中, K_n为界面拉拔刚度；σ_p为拉应力峰值；S_o为拉拔损伤开始时刻的有效竖向位移。

界面拉拔断裂能计算式为：

(3)

式中, G_nf为界面拉拔断裂能；σ为加载过程中界面平均拉应力；S为加载过程中有效竖向位移。

1.3.2 剪切试验评价指标

层间剪切试验中剪切力-位移曲线图如图 3所示，其中，横轴为沿剪切方向的位移变形值，纵轴为剪切力值。由试验结果可知，复合结构在承受剪切力时，受力响应分为以下阶段：

OA′阶段(预加载阶段)：由于试验开始前压头与试件之间并非紧密接触，此时压头的位移值为无效位移。随着压头与试件接触进一步紧密，试件开始承受剪切力，在A′点处剪切力达到稳定阶段。

A′B阶段(线性阶段)：该阶段剪切力随剪切方向位移的增大呈单调线性增加。

BC阶段：当界面的剪切力达到线性极限后，界面进入屈服过程，剪切刚度(含义及计算方法见式(5))开始下降，最终达到剪切力峰值。

CD阶段：随着剪切位移的进一步增加，剪切力开始下降，此时界面已经发生损伤，裂缝已经扩展。但剪切力降幅较小，因为此时虽然黏结层材料失效，但复合结构SMA层和EA层之间可提供一定的摩擦力和机械咬合力，故此时剪切力不会迅速降为0。当复合结构层间出现损伤裂缝后，虽然层间摩擦可保证剪切应力的传递，但铺装结构在车辆荷载及水等环境因素影响下，裂缝的存在会加速结构的破损，因此，此时可认为复合结构的层间黏结已及失效。

根据试验结果及剪切试件尺寸等数据，复合结构在承受剪切加载时黏结界面的平均剪切应力计算式为：

(4)

式中，τ为界面平均剪切应力；F_τ为剪切试验过程中测得的剪切力；A为复合结构剪切试件黏结界面截面积，此处A=8.1×10³ mm²。

因此，可计算得到复合结构试件在承受切向加载时黏结界面的剪切应力-位移关系曲线，如图 4所示。

其中界面的剪切强度即为剪切试验中的剪切力峰值τ_p，界面剪切刚度计算式为：

(5)

式中, K_τ为界面剪切刚度；τ_k为线性阶段剪切应力极限值；S_o为剪切线性极限时刻的有效切向位移值。

界面剪切断裂能计算式为：

(6)

式中, G_τf为界面剪切断裂能；τ为界面平均剪切应力；S_d为剪切试件破坏时的有效切向位移值。

2 复合结构层间黏结性能敏感性分析

桥面铺装结构层间黏结性能会受黏结材料自身特性及温度等外界因素条件影响，探究各因素对黏结性能的影响程度对铺装结构黏结材料比选具有重要指导意义。因此，拟对不同铺装结构及黏结材料在不同条件下的层间性能试验结果进行分析，严格按照现行相关规范要求成型试件以确保压实度和混合料表面构造特征。根据铺装结构及黏结材料种类，将研究对象划分为4种结构，其中“EA10+环氧树脂黏层油+SMA13”为结构Ⅰ，“EA10+环氧沥青黏层油+SMA13”为结构Ⅱ，“EA10+环氧树脂黏层油+SMA10”为结构Ⅲ，“EA10+环氧沥青黏层油+SMA10”为结构Ⅳ，如表 4所示。

2.1 黏结料用量敏感性分析

铺装结构层间黏结材料的用量决定了黏结层的厚度，进而影响层间的黏结性能。为探究黏结材料的用量对“EA+SMA”铺装结构层间黏结性能的影响规律，根据现有研究成果及实际工程经验，将环氧树脂黏层油和环氧沥青黏层油的试验用量均取0.4，0.5，0.6，0.7，0.8，0.9 kg/m²这6种用量，通过对复合结构层间黏结性能试验结果的分析，确定2种黏结材料的最佳用量。复合结构拉拔试验得到的拉拔强度、拉拔刚度和拉拔断裂能分别如图 5~图 7所示。剪切试验得到的剪切强度、剪切刚度和剪切断裂能分别如图 8~图 10所示。

由图 5拉拔试验结果可知，4种结构的层间拉拔强度均随黏结料用量的增加而增大，但对于不同的黏结料和上面层材料，4种结构的层间拉拔强度存在差异性。对于结构Ⅰ，当黏结材料用量在0.4~0.6 kg/m²范围变化时，层间拉拔强度随着用量的增加而逐渐增大，在0.6 kg/m²时达到最大值2.27 MPa。之后，随着用量的进一步增大，拉拔强度值出现小幅的波动，但均大于2.10 MPa，即材料用量超过0.6 kg/m²后，用量对层间拉拔强度影响较弱。对于结构Ⅱ，当黏结材料用量不断增加时，层间的拉拔强度逐渐增大，当用量为0.8 kg/m²时强度达到最大值1.99 MPa；当用量进一步增加，拉拔强度略有下降。对于结构Ⅲ，当黏结材料用量为0.5 kg/m²时，层间拉拔强度达到最大值2.36 MPa。之后随着黏结材料用量的进一步增大，拉拔强度值未出现显著变化。对于结构Ⅳ，当黏结材料用量在0.4~0.5 kg/m²范围变化时，层间拉拔强度值较小，当黏结材料用量在0.6~0.9 kg/m²范围变化时，拉拔强度值较大，在1.60 MPa以上波动，其中当用量为0.8 kg/m²时强度达到最大值1.89 MPa。

由图 6拉拔刚度结果可知，4种结构的拉拔刚度均未随层间黏结料用量增加出现明显变化，说明黏结料用量对铺装结构层间拉拔刚度影响较小。但层间黏结料种类对拉拔刚度影响较大，当黏结材料为环氧树脂黏层油时，拉拔刚度值在2 N/mm³左右；当黏结材料为环氧沥青黏层油时，拉拔刚度在1~1.5 N/mm³范围内，表明环氧树脂黏层油的拉拔刚度明显大于环氧沥青黏层油的拉拔刚度。此外，4种铺装结构上面层为SMA10或SMA13时，层间拉拔刚度相差较小，说明拉拔刚度受铺装结构中SMA公称最大粒径的影响偏小。

由图 7拉拔断裂能结果可知，对于4种铺装结构，拉拔断裂能均值随黏结料用量的变化趋势与拉拔强度结果的变化趋势较相似，2个评价指标增长达到最大时的黏结料用量具有一定差异性，表明仅采用力学强度指标评价铺装结构的层间黏结性能不能完全表征其破坏的整个过程，结合断裂能评价指标能够较好地确定最佳层间黏结料用量。此外，与力学强度指标结果类似，4种结构的断裂能指标结果表明，黏结料种类对层间黏结性能影响较大，采用环氧树脂黏结料的铺装结构层间抗拉性能优于采用环氧沥青黏结料，而上层铺装结构对层间抗拉性能影响较小。

由图 8剪切试验结果可知，对于“EA10+SMA13”结构(结构Ⅰ和Ⅱ)，复合结构层间剪切强度受黏结料用量影响较小，随黏结料用量增加变化不大，受层间黏结料种类的影响也较小。当黏结材料为环氧树脂黏层油时，剪切强度值稳定在1.66 MPa左右；当黏结材料为环氧沥青黏层油时，剪切强度值稳定在1.55 MPa附近。对于“EA10+SMA10”结构，当黏结材料用量小于0.5 kg/m²时，剪切强度值相对较小，之后随着材料用量的增加，剪切强度值变化不明显。环氧树脂黏层油的剪切强度值稳定在1.41 MPa，环氧沥青黏层油的剪切强度值稳定在1.36 MPa附近。此外，对比上层铺装材料可知，SMA13的铺装结构层间黏结强度整体优于SMA10，这主要是由于SMA13的集料粒径更大，碾压成型后的表面构造更为丰富，与黏结料的附和作用力更大。

由图 9剪切刚度结果可知，剪切刚度随黏结料用量的变化无明显规律性变化。就2种黏结材料之间的对比而言，环氧树脂黏层油的剪切刚度较环氧沥青黏层油大，该规律在“EA10+SMA10”比“EA10+SMA13”体现的更明显。主要原因是“EA10+ SMA13”结构的层间剪切刚度会更多受到双层铺装间摩阻力的影响，而相对而言，“EA10+SMA10”结构中黏结料的影响比例会更大。

由图 10试验结果可知，复合结构的剪切断裂能会随用量的增加大致呈逐渐增大的趋势，主要是由于随着黏结料用量的逐渐增大，剪切破坏有效位移逐渐增大。其中对于“EA10+SMA13”结构，环氧树脂黏层油的剪切断裂能最大值为10.84 N/mm，环氧沥青黏层油的最大剪切断裂能为8.03 N/mm；对于“EA10+SMA10”结构，环氧树脂黏层油的剪切断裂能最大值为9.32 N/mm，环氧沥青黏层油的最大剪切断裂能为7.87 N/mm。由此可见，环氧树脂黏层油的剪切断裂能高于环氧沥青黏层油，且二者差别在“EA10+SMA13”结构中体现的更为明显。

2.2 试验温度敏感性分析

钢桥面铺装在实际服役过程中，内部温度会随环境气温的变化而显著变化。研究表明，在炎热的夏季，桥面铺装内部温度可能高达60~70 ℃，而在冬季，铺装结构内部温度相应降低。为保证铺装结构黏结层在不同环境条件下依然具有足够的黏结强度和良好的变形能力，开展不同温度条件下的复合结构层间黏结性能试验，探究层间力学特性对温度的敏感性，确保铺装结构具有优良的耐久性。

试验选取0 ℃和70 ℃作为低温和高温的代表温度值，以常温条件(25 ℃)作为对照组。其中对于“EA10+SMA13”和“EA10+SMA10”2种铺装类型，环氧树脂黏层油的用量均取0.6 kg/m²，环氧沥青黏层油的用量均取0.8 kg/m²。试验首先将制备好的试件放置在设定好温度的环境箱中4 h，之后迅速取出试件进行拉拔试验或剪切试验。试验结果如图 11~12所示。

由图 11拉拔试验结果可知，在试验温度为0 ℃时，4种复合结构的层间拉拔断裂能与25 ℃试验温度结果相比，均相差不大；但在试验温度为70 ℃时，4种复合结构的层间拉拔断裂能与25 ℃试验温度结果相比均降低了50%，表明高温对复合结构的层间黏结性能影响较大。此外，当试验温度为70 ℃时，拉拔试件破坏位置主要为SMA内部，表明黏结层的拉拔强度大于试验结果数据，由试验所计算得出断裂能值主要为混合料在高温条件下的断裂行为，无法具体反映结构黏结层在高温条件下的拉拔破坏行为。这也说明在夏季高温条件下，对于复合结构更多的需要注重混合料自身的高温稳定性。

由图 12剪切试验结果可知，4种复合结构的层间剪切断裂能结果均表明，试验温度对复合结构层间抗剪切性能影响较小，4种复合结构的3个温度剪切断裂能均相差较小。其中70 ℃的剪切断裂能均最低，高温降低了复合结构的层间抗剪切能力，但与层间抗拉能力相比降低较少。当温度为70 ℃时，结构Ⅱ和结构Ⅳ的剪切断裂能下降幅度分别高于结构Ⅰ和结构Ⅲ，表明环氧沥青黏层油对高温的敏感性高于环氧树脂黏层油。

3 结论

为评价“下层EA+上层SMA”桥面铺装复合结构的层间力学特性，设计拉拔试验和直剪试验对4种复合结构的层间黏结性能进行了分析，基于力学强度指标及能量指标研究了黏结料用量、黏结料种类、试验温度等因素对复合结构的层间黏结性能影响，分析了黏结层力学响应在加载作用下的演变规律及达到极限状态下的破坏形态，主要得到以下结论：

(1) 拉拔/剪切强度指标受各类因素的影响较为明显，数据获取的可操作性强，可适用于评价不同条件下复合结构的层间黏结性能。拉拔/剪切刚度指标主要随受黏结材料种类的影响，可针对性地用于评价不同种类黏结材料之间的性能差异。拉拔/剪切断裂能指标主要表征结构破坏行为的整个过程，可适用于复合结构在重复荷载作用下的层间耐久性研究。

(2) 复合结构的抗拉拔性能受黏结材料用量影响较大，抗拉性能随黏结材料用量先增大后趋于稳定，而复合结构的抗剪性能受黏结材料的用量影响较小。

(3) 复合结构层间黏结材料种类对其层间黏结性能影响最大，采用环氧树脂黏层油的复合结构层间抗拉性能和抗剪性能均优于环氧沥青黏层油，抗拉强度可达到采用环氧沥青黏层油的2倍以上。复合结构的上面层SMA类型主要影响层间抗剪性能，SMA13的层间抗剪强度优于SMA10。

(4) 降温对4种复合结构的层间黏结性能影响较小，但升温对其有较大影响。当试验温度为70 ℃时，拉拔试件破坏位置主要为SMA内部。夏季高温条件下，对于复合结构更多需要注重混合料自身的高温稳定性。环氧沥青黏层油对高温的敏感性高于环氧树脂黏层油。

综上，下层EA+环氧树脂黏层油+上层SMA13的复合结构在最佳的环氧树脂洒布量时具备最佳的层间黏结性能。