0 引言

随着我国基建的高速发展，大跨径钢桥的建设逐渐成熟。ECC材料主要由水泥基体中加入聚乙烯醇纤维组成，其延性高，开裂以细密裂纹为主, 同时有应变硬化的特性，因此变形能力强, 具有较高的控制裂缝宽度的能力, 同时具有耐久性好和密封性好的优点，因此在钢桥面铺装领域有广阔的应用前景，能够规避沥青混凝土与常规水泥混凝土的主要病害^[1-5]。

采用湿法黏接连接铺装材料与钢桥面板，相比传统的栓钉连接方法具有黏接面积大、受力均匀、整体性好的优点，规避了应力集中导致的快速疲劳破坏，同时操作方便, 施工难度低，造价经济, 节约成本。采用湿法黏接的ECC与钢桥面之间依靠黏接力传递应力，若界面强度不足会影响结构的整体性和受力的协同统一性。界面强度会受到黏接材料的属性^[6]和厚度^[7-8], 表面处理^[9-10]和自然环境^[11]等因素的影响。环氧树脂耐热性强, 力学性能优异，适合被用作ECC铺装层与钢桥面之间的胶黏剂^[12-13]。

然而，水分同时参与到了ECC固化过程和环氧树脂砂浆胶黏剂的强度形成过程，两者自身的固化过程也存在着相互影响^[14-15]。尚未可知这是否会对ECC与钢桥面的界面强度的影响，导致两者无法紧密连接。在实际工程中，混凝土与钢桥面结构暴露在自然环境中，冻融循环与湿热环境不可避免地对界面强度存在影响。本研究设计了不同程度的冻融与湿热环境作用下的直剪试验以及拉拔试验，评价了环氧树脂砂浆作为胶黏剂的湿接法的黏接性能，讨论了不同荷载频率与环境因素对界面强度的影响；通过压剪试验研究了界面的剪切强度准则。论证了湿接法ECC桥面铺装的可行性，为其推广应用提供了参考依据。

1 材料组成与试验内容 1.1 材料组成与试件制备

本研究试验的材料包括ECC、钢板和胶黏剂3部分。其中，ECC的材料及其配合比如表 1所示；钢板所使用的型号为Q345qD，最小屈服强度值为345 MPa；胶黏剂采用双组份环氧树脂砂浆，其具体性能参数如表 2所示。

ECC浆料制备过程如下：(1)将水泥、粉煤灰和石英砂按比例加入搅拌机中低速干拌3 min；(2)先后将水与减水剂加入搅拌机低速处拌1 min后高速搅拌4 min；(3)保持搅拌机运行并缓慢匀速加入聚乙烯醇纤维，继续搅拌10 min，直至纤维均匀分散，浆体流动度良好。

用于试验的试件制备方法如图 1所示：(1)在钢板上均匀涂抹环氧树脂砂浆胶黏剂后放入模具中，在室温静置30 min；(2)在模具内表面刷脱模剂，并浇注制备好的ECC浆料，在室温静置24 h后拆除模具；(3)在相对湿度(95±5)%，温度20±2 ℃的标准养护箱中养护28 d。

1.2 环境控制与试验方法 1.2.1 冻融与湿热环境的控制

在实际工程中，ECC铺装结构暴露在自然环境中，受到环境中气候变化的影响。在冰冻和湿热的极端天气下，ECC与钢桥面的界面黏接处会受到不利的影响，为了研究不同程度的冰冻和湿热条件对界面强度产生的影响，本研究依照标准(GB/T 50082—2009)中所规定的快速冻融方法模拟冰冻环境^[16-17]，采用60 ℃水域静置模拟湿热环境^[18]，如表 3所示。将不同条件得到的试件分别进行剪切和拉拔试验，从而得到两种不利条件对界面强度的影响。

1.2.2 单面剪切试验

单面剪切试验所用钢板尺寸为70.7 mm×70.7 mm×10 mm，ECC的浇注厚度为60 mm。试件的摆放应确保钢板刚好全部位于加载位置。采用控制位移的方式进行试验，加载时钢板受力被向下推动，在ECC-钢板界面处产生剪应力，直至剪切破坏。其界面抗剪强度的计算方法如式(1)所示。

(1)

式中，f_s为抗剪强度；P为最大剪切荷载；A为有效黏接面积。

1.2.3 拉拔试验

拉拔试验所用的钢板尺寸为50 mm×50 mm×3 mm，用于研究ECC-钢桥面之间界面的抗拉性能。

1.2.4 压剪试验

压剪试验所用钢板尺寸为50 mm×50 mm×35 mm，ECC的浇注厚度为35 mm。压剪试验用来模拟水平力和垂直力共同作用下的界面抗剪强度，不同的压应力与剪应力比值通过改变夹具与水平面的角度来实现。其界面抗剪强度的计算方法如式(2)所示。

(2)

式中，τ为抗剪强度；α为剪切面与水平夹角；S为界面面积。

2 试验结果与分析 2.1 加载速率对界面剪切强度的影响

界面的剪切强度对加载速率较为敏感，在实际工程中，车辆的速度, 重量以及其他相关荷载因素会对加载速率产生影响。因此，本研究由1~50 mm·min^-1选取了5个不同的加载速率，分别为1，2，5，10，50 mm·min^-1，每个加载速率设置3个平行试件，分别对其进行界面剪切强度测试。计算不同加载速率的剪切强度，结果取3个平行试件的平均值，如图 2所示。由图可知，随着加载速率增大，ECC与钢板界面的剪切强度增大趋势显著。这是由于加载速率的变化会引起应变能的积累和释放速度，加载速率小时，材料内部有足够的时间依靠损伤演化耗散能量，破坏瞬间释放的能量较小，宏观角度表现为强度较小；反之，加载速率大时强度较高。

2.2 冻融对界面的影响

分别通过单剪试验和拉拔试验测试不同冻融循环次数界面的抗剪强度和抗拉强度。

抗剪强度随冻融循环次数的变化趋势如图 3所示，由图可知ECC-钢板界面的剪切强度随着冻融循环次数的增大而减小，且用线性函数可以较好地拟合两者的关系。抗拉强度随冻融循环次数的变化趋势如图 4所示，由图可知当冻融循环次数增大时，ECC-钢板界面的拉拔强度逐渐减小，其变化趋势与剪切强度随冻融循环次数变化的趋势相同，同样可以使用线性函数对其变化趋势进行拟合并取得良好的拟合效果。

剪切强度与拉拔强度随冻融循环次数减小是由于水分侵入了界面内的微裂纹和空隙，在冰冻过程中，水的密度减小，体积增大，在界面处产生垂直于界面的应力，对界面造成损伤。每次冻融循环都会对界面造成一定的损伤，当循环次数增大时，损伤逐次累计，宏观表现为界面强度降低。

2.3 湿热对界面的影响

对试件进行60 ℃水浴老化后，同样使用单剪试验和拉拔试验评价不同老化时间的界面剪切强度和拉拔强度的变化趋势。

抗剪强度随水浴浸泡时间的变化趋势如图 5所示，由图可知ECC-钢板界面的剪切强度随着水浴浸泡时间的增大而减小，且减小速率随水浴浸泡时间增大逐渐增大，利用二次多项式能够较好地拟合两者的关系。抗拉强度随水浴浸泡时间的变化趋势如图 6所示，由图可知当水浴浸泡时间增大时，ECC-钢板界面的拉拔强度逐渐减小，其变化趋势与剪切强度相同，强度减小速率随水浴浸泡时间增大逐渐增大，使用二次多项式对其变化趋势进行拟合可以取得良好的拟合效果。

湿热环境使界面的剪切强度和拉拔强度降低的原因在于：ECC与环氧树脂砂浆胶黏剂受到高温和水的浸泡双重作用而软化；水浸入界面的微裂纹和空隙之中，浸入范围和比例随着浸泡时间增长而增大，水的腐蚀削弱了界面的强度同时阻碍了材料间应力传递；此外，界面处3种材料有不同的干缩和湿胀特性会导致变形不协调。多因素共同作用导致界面的强度在湿热环境下降明显。

2.4 ECC-钢桥面界面的抗剪强度准则

采用不同角度的压剪试验来测试不同压力下的剪切强度，从而计算界面的剪切破坏准则。所采用的加载速率为5 mm·min^-1，得到的结果如图 7所示。由图可知，随着角度增大，法向应力与剪切强度逐渐减小。

如图 8所示，剪切强度与法向压应力有很好的线性相关性，拟合结果如图中所示，其界面破坏准则表达式如下：

(3)

值得注意的是，此表达式与摩尔-库伦准则的形式相同，因此ECC-钢桥面界面的破坏符合如下准则：剪切破坏发生在剪应力最大的位置；界面所受法向压应力越大，界面破坏的最大剪应力越大，且两者的增长呈线性关系。并且这些准则为两次料界面的固有特性，不受到试验环境的影响。

3 结论

本研究借助单面剪切试验、拉拔试验与剪切试验研究分析了ECC-钢桥面的界面强度特性，并研究了冻融循环与湿热环境对界面强度的影响，得到的结论如下。

(1) 使用环氧树脂砂浆胶黏剂的湿法黏接技术作为ECC与钢桥面连接的方法表现良好。

(2) ECC-钢桥面界面强度随着冻融循环次数和高温水浴加热时长的增大而减小。界面强度随冻融循环次数的变化趋势呈线性，而与水浴加热时长的关系可以用二次多项式较好地拟合。

(3) ECC-钢桥面界面的破坏准则表达式为τ_max=1.345 8+0.898 2σ_c，与摩尔-库伦准则的形式相同。

以上结论为湿接法在ECC-钢桥面铺装的应用提供了理论支持，该方法在实际工程中的应用还需要进行施工工艺、施工条件、经济造价等多方面的论证。