模擬自然條件下UHPC-TPO復合構件耐老化性能研究

李 嘉，趙 昭，王萬鵬，陳 衛

(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)

0 引 言

超高性能混凝土(ultra-high performance concrete,UHPC)被認為是過去三十年中最具創新性的水泥基工程材料，其主要成分為水泥、粉煤灰、礦渣、硅灰、石英砂、石英粉、鋼纖維等，不含粗骨料。超高性能混凝土結構致密并具有優良的力學性能及耐久性，其抗壓強度為120～180 MPa，抗拉強度為7～10 MPa，極限拉應變為普通混凝土的80～100倍，氣體滲透系數比普通混凝土低1～2個數量級，氯離子滲透系數僅為普通混凝土的1/50[1-3]。

筆者通過材料組分優化及密實配筋，已成功將UHPC應用于鋼橋面工程中，即：鋼橋面上鋪筑35～50 mmUHPC，將鋼橋面轉變成組合橋面，再在其上鋪筑10～15 mm薄層聚合物混凝土面層TPO(thin polymer overlay)。TPO是以環氧樹脂為膠結劑，以堅硬耐磨玄武巖為集料的高效能結構材料，厚度一般為6～20 mm。相對于瀝青面層，TPO能有效減輕橋梁自重，具有更好的路用性能，能提供長久的抗滑能力，溫度穩定性好、無車轍和推移破壞，服役壽命可達20年左右[4-5]。近年的理論研究與實橋監測表明，該新型橋面體系能極大提高鋼橋面剛度，有效改善鋪面層受力狀態，大幅提高鋼橋橋面抗疲勞壽命，有望綜合解決鋼橋面結構開裂和鋪裝層破損兩大問題[6-8]。

鋪面材料TPO直接與外界環境接觸，受高溫、陽光和水等因素作用，可能會出現老化現象，進而影響UHPC-TPO層間黏結性能。目前國內外關于鋪裝材料耐老化研究主要針對瀝青及瀝青混合料，模擬環境有紫外光、熱氧、含鹽高濕等。吳少鵬等[9]指出紫外光老化是瀝青混合料老化的主要原因，且道路瀝青光氧老化研究可分為瀝青膠結劑本身光氧老化和瀝青混合料的光氧老化；周燕等[10]采用紅外光譜實驗從微觀官能團角度分析了瀝青熱老化機理，為瀝青抗老化研究和瀝青路面養護提供參考；張爭奇等[11]選擇50 ℃實驗溫度，配制了0%、5%、10%這3種質量濃度的鹽溶液并進行干濕循環，分析了高溫、鹽分、水分耦合作用下對瀝青混合料耐久性影響。目前學界對環氧鋪裝材料在環境因素下的耐老化研究較少，且主要集中于溫度因素上。方星等[12]重點模擬了常溫和高溫下環氧鋪裝材料的使用性能，結果表明其具有優異的層間黏結性能；崔樹華等[13]采用三點小梁彎曲試驗研究了不同溫度下環氧鋪裝材料的斷裂性能，得出環氧鋪裝材料比瀝青混合料具有更優異的高溫性能。因此現有研究并不適用于新型材料薄層聚合物混凝土TPO。

為探究TPO面層受外界環境作用對UHPC-TPO層間黏結性能的影響，筆者基于4種環境條件(“紫外光照”、“紫外光照+水浸泡”、“紫外光照+10%NaCl溶液浸泡”、“紫外光照+高溫”)，采用拉拔強度和剪切強度評價老化前后UHPC-TPO層間黏結性能；采用滲水率、表面構造深度評價老化前后TPO路用性能。以期為新型鋪裝體系的進一步推廣應用、尤其是UHPC-TPO耐老化研究提供參考。

1 UHPC-TPO復合構件制備

1.1 原材料

UHPC主要由水泥、硅灰、石英粉、高效減水劑、混合鋼纖維等組成。其中，鋼纖維體積總摻量為3.5%。

TPO材料由聚氨酯環氧樹脂、玄武巖集料組成。其中聚氨酯環氧樹脂分為A、B兩種組分，按質量比3∶1混合使用，固化后技術性質如表1；玄武巖集料選用粒徑2.36、1.18 mm按1∶1(質量比)混合，級配如表2。

表1 聚氨酯環氧樹脂固化屬性Table 1 Properties of cured polyurethane epoxy binders

表2 試驗用集料級配Table 2 Gradation of aggregate for testing

1.2 試件制備

制作尺寸為300 mm×300 mm×35 mm的UHPC基板，澆注成型后立即在表面覆蓋塑料薄膜減少水分蒸發，在室溫下自然養護48 h，待UHPC終凝后，拆模并進行蒸汽養護，蒸養溫度控制在90～100 ℃，連續蒸養48 h。自然晾干后，先清理UHPC層表面浮漿，并用壓縮空氣吹凈表面浮塵，隨后進行表面拋丸處理。

采用層鋪法在UHPC基板上鋪筑TPO：第1次樹脂用量為1.23 kg/m2、玄武巖用量為8.14 kg/m2；第2層樹脂用量為2.86 kg/m2、玄武巖用量為8.14 kg/m2，TPO厚度為10 mm。在室內通風環境下放置48 h后拆模。

本次共制備300 mm×300 mm×45 mm UHPC-TPO復合試板共20塊，其中12塊切割成98 mm×98 mm×45 mm尺寸的試件共108塊，用于拉拔試驗和斜剪試驗；另8塊試板用于滲水試驗和表面構造深度測試。

2 自然條件模擬

我國大跨徑橋梁主要修建在南方，考慮南方夏季高溫、紫外線強、濕度大等環境條件，再加上橋面可能遭受海霧及除冰鹽的侵蝕，故筆者以紫外光照、飽水浸泡、氯鹽侵蝕、高溫為模擬對象，通過單環境因素及雙因素耦合作用，探討自然條件對UHPC-TPO復合構件力學性能和路用性能影響。

2.1 紫外光照模擬

太陽光中的紫外光是引起橋面服役期間發生老化的主要自然因素之一。TPO面層以環氧樹脂(環氧樹脂作為一種聚合物)為膠結劑，在紫外光照射下可發生降解[14]，致使其性能劣化，與集料之間的黏結變弱，從而導致集料脫落，影響TPO耐久性。

目前，紫外光照的實現方法主要有2類：室內環境箱模擬和室外自然大氣暴露[15-18]。鑒于目前尚無環氧樹脂及聚合物紫外老化試驗的標準和規范，而影響材料紫外老化的因素主要有紫外光照強度(W·m-2)與暴露時間(h)等。參照文獻[19]，筆者采用光照強度與時間累積效率380(W·m-2·h)，間隔12 h為1次紫外光照循環，共循環12次。紫外光照強度采用紫外線強度檢測儀測得，無論試件置于室內環境箱或室外光照條件下，只要達到等效紫外光照效率，即可實現紫外光照簡化模擬。

2.2 含鹽高濕環境模擬

沿海地區高濃度海霧、冬季用除冰鹽和融雪劑等往往都能成為NaCl的載體[20]滲入到橋面中。當氯鹽溶液與TPO接觸后，由于其表面張力比環氧樹脂大，更易侵入膠結劑與集料結合處與膠結劑發生置換，降低了膠結劑與集料的黏附性，再加上荷載和溫度脹縮反復作用，將加劇集料的剝落。

張苛等[21]基于含鹽高濕環境腐蝕作用，設計配制了10%濃度的NaCl溶液，在室溫20 ℃下，將養護完成后的UHPC-TPO復合試件全部浸泡在溶液中，持續浸泡24 h后取出，室溫下放置12 h為一次干濕循環，共循環12次。為保持氯離子濃度基本恒定，容器加蓋以減少溶劑蒸發，每10 d更換一次溶液。

2.3 高溫環境模擬

TPO環氧樹脂成分中存在大量輕質組分，在高溫環境下這些輕質成分容易揮發，致使環氧樹脂發脆、出現裂紋、力學性能下降；另外，環氧樹脂暴露在空氣中被氧氣、臭氧等具有氧化作用的化學物質氧化后會產生鍵的斷裂[22]。

鑒于目前關于環氧樹脂或TPO高溫老化模擬暫無規范可循，筆者參考文獻[23]，進行高溫加速老化模擬。將制備好的UHPC-TPO復合試件放入(85±3)℃的烘箱中，在強制通風條件下連續加熱24 h，之后關閉烘箱，打開箱門，經自然冷卻不少于16 h至室溫，該過程為1次循環，本試驗初步確定總循環次數為7次。

2.4 自然條件模擬

橋面暴露在自然環境中，溫度、濕度、太陽光照、含鹽海霧等因素將對橋面鋪裝的耐久性產生不利影響。筆者考慮從單環境因素到雙環境因素耦合作用，模擬自然條件下UHPC-TPO復合試件老化過程。分別采用紫外光照(環境1)、紫外光照+水浸泡(環境2)、紫外光照+氯鹽溶液浸泡(環境3)、紫外光照+高溫(環境4)這4種環境模擬方式，如表3。其中前3種方式循環次數為3、6、9、12次，第4種方式循環次數為1、3、5、7次。

表3 環境模擬方式匯總Table 3 Summary sheet of environmental simulations

3 UHPC-TPO復合件耐老化性能

將完成環境模擬后的UHPC-TPO復合構件取出，靜置待用。力學性能和路用性能試驗主要內容包括：① TPO-UHPC層間拉拔試驗；② TPO-UHPC層間斜剪試驗；③ 滲水試驗；④ 表面構造深度。

3.1 力學性能試驗

3.1.1 拉拔試驗

測試復合試塊拉拔強度，分析不同循環次數下TPO-UHPC層間黏結性能變化規律。參考美國標準試驗方法ASTM C1583/C1583M-13，對經切割后的試塊進行拉拔試驗。采用TJ-10型碳纖維黏結強度檢測儀測試組合試塊層間黏結強度。不同環境條件下拉拔典型破壞面如圖1。

圖1 拉拔典型破壞形態Fig. 1 Typical failure modes of pull-off test

從圖1可見：① 老化后拉拔破壞面均位于TPO-UHPC層間交界處，破壞面平整，表明層間為薄弱部位；② 環境3〔圖1(c)〕和環境4〔圖1(d)〕，TPO底面環氧樹脂膠結劑由最初透明黃色變成棕色，顏色明顯變深，說明其樹脂老化程度較嚴重。其測試結果見表4。

由表4可知：① 隨著循環次數增加，TPO-UHPC復合構件層間黏結強度逐漸下降；② 不同環境條件下，TPO-UHPC界面性能劣化程度存在差異。

不同環境條件對層間黏結強度影響見圖2。

表4 拉拔試驗結果Table 4 Results of pull-off tests MPa

注：()內數字表示環境4相應循環次數。

圖2 模擬自然條件下黏結強度對比Fig. 2 Comparison of bond strengths in simulated natural conditions

根據圖2可知：① 循環次數相同時，環境1、2結果相近，說明紫外光照附加飽水條件后，界面強度變化微小，水對TPO-UHPC黏結強度影響可忽略；② 對環境3、4，隨循環次數增加，黏結強度明顯下降，說明飽水氯鹽及高溫環境對TPO-UHPC黏結強度有較大影響。

不同環境條件，黏結強度變化曲線見圖3。

通過分析測試數據及其變化規律，由圖3可知，指數形式能較好擬合循環次數與層間黏結強度之間關系，如式(1)：

y=a+c×e(-x/b)

(1)

式中：y為層間黏結強度，MPa；a、b、c為回歸參數；x為循環次數。

由圖3可看出：① 環境1～3〔圖3(a)～(c)〕中，前6次循環的強度下降幅度大，隨后曲線平緩，強度降幅減小，經12次循環，數據趨于穩定；② 對環境4〔圖3(d)〕，隨著循環次數增加，TPO-UHPC黏結強度逐漸下降，7次循環后變化趨勢仍不確定。

3.1.2 斜剪試驗

采用斜剪試驗模擬車輛水平力與垂直力綜合作用下TPO-UHPC的受力狀態。界面抗剪試驗參考美國標準試驗方法ASTM C882/C882M-13進行。

在常溫20 ℃下，將試塊置于45°斜剪試模中，對中校準后施加荷載，控制加載速率為1 kN/s，觀察試驗過程，直至荷載數據不再增加，記錄試件破壞形態和儀表讀數。

斜剪強度計算如式(2)：

τ= sin 45°×F/S

(2)

式中：τ為層間抗剪強度，MPa；F為試件破壞荷載，kN；S為試件橫截面積，mm2。

斜剪典型破壞形態見圖4，測試結果見表5。

圖3 UHPC-TPO黏結強度與循環次數的關系Fig. 3 Relationship between bond strengths and cycle numbers

從圖4可見：① 剪切破壞同樣出現在層間交界處，因此需要重視TPO-UHPC可靠連接問題；② 這4種環境條件下，斜剪典型破壞形態無明顯差別，但對于環境3、4，上層TPO底面環氧樹脂膠結劑顏色明顯變深，說明其樹脂老化程度較嚴重。

由表5可知：① 隨著循環次數增加，TPO-UHPC復合構件層間斜剪強度逐漸下降；② 不同環境條件下，TPO-UHPC界面性能劣化程度存在差異。

斜剪強度隨循環次數變化曲線見圖5；不同環境條件下斜剪強度對比見圖6。

圖4 不同環境條件斜剪典型破壞形態Fig. 4 Typical failure modes of shear test of four cases

MPa

圖5 斜剪強度與循環次數的關系Fig. 5 Typical failure modes of shear test of four cases

圖6 模擬自然條件下斜剪強度對比Fig. 6 Comparison of shear strengths in simulated natural conditions

由圖5、6可知：① 不同環境條件下，TPO-UHPC層間斜剪強度隨循環次數增加而下降；② 環境1～3〔圖5(a)～(c)〕，初始6個循環強度下降明顯，之后強度變化幅度減小，經12次循環后，剪切強度趨于穩定。這是因為TPO中環氧樹脂在紫外光下會發生降解，性能劣化，與集料間黏結性變弱，而到后期老化基本完成，層間強度變得穩定；且UHPC-TPO層間存在微裂縫和空隙，穿透力極強的氯離子和水進入結構內部后與膠結劑發生置換，導致混合料松散，表現為最初幾次層間斜剪強度下降速度較快，隨著循環次數增加，在無外界荷載作用下，氯離子和水分無法更多透過結構致密的UHPC-TPO而進入界面，層間強度趨于穩定。具體數據為：經6次循環，環境1～3的斜剪強度分別由最初的15.34 MPa下降到11.05、10.9、9.97 MPa，降幅分別為27.97%、28.94%、35.01%；9～12次循環，斜剪強度分別由10.51、10.16、9.29 MPa下降到10.32、9.95、9.18 MPa，降幅僅為1.81%、2.07%、1.18%；③ 對環境4〔圖5(d)〕，隨著循環次數增加，TPO-UHPC斜剪強度逐漸下降，7次循環后變化趨勢仍不穩定。究其原因為：環氧樹脂在高溫條件下，聚合物中輕質組分揮發，膠黏劑分子結構發生改變，導致UHPC-TPO層間斜剪強度降低，7次循環后，熱老化仍未完全，故變化趨勢仍不穩定。

由圖3、圖5可知：模擬自然條件下，拉拔強度與剪切強度隨循環次數變化規律基本一致。環境因素對UHPC-TPO層間強度的影響排序為：紫外光照+高溫>紫外光照+氯鹽浸泡>紫外光照+水浸泡>紫外光照。且斜剪強度隨循環次數劣化規律亦可用式(1)來表征。

由表4、表5發現：對環境1～3，經過12次循環后，黏結強度由最初的4.27 MPa分別降至3.56、3.48、2.96 MPa，降幅為16.63%、18.5%、30.68%；對應斜剪強度由15.34 MPa分別降至10.32、9.95、9.18 MPa，降幅為32.72%、35.14%、40.16%。對環境4，經過7次循環后，黏結強度由4.27 MPa降至2.8 MPa，降幅為34.43%；而斜剪強度由15.34 MPa降至8.59 MPa，降幅為44.0%。綜上所述，環境因素對UHPC-TPO層間斜剪強度影響大于黏結強度。

3.2 路用性能試驗

3.2.1 滲水試驗

為探究不同環境因素對TPO表面透水性及TPO-UHPC復合構件水穩定性的影響，筆者將經4種環境模擬后的試件靜置于常溫空氣中不少于16 h，使其完全干燥后開展滲水試驗。

通過觀測儀器管的刻度發現，環境1～3經12次循環后，環境4經7次循環后，均未見水面明顯下降，即水面基本保持不變。從而表明環境因素對TPO-UHPC復合構件水穩定性影響可忽略。

3.2.2 表面構造深度

表面構造深度是一項重要的路用性能，反映路面抗滑性；也可反映集料脫落情況，評價TPO結合料的耐老化性能。將經過環境模擬后的試板取出，自然條件下冷卻至室溫并保持干燥。

測定結果按式(3)計算：

(3)

式中：hTD為表面構造深度，mm；V為砂的體積，25 cm3；D為攤平砂的平均直徑，mm。

4種不同環境條件下試板的表面構造深度測試結果見表6。

表6 不同環境條件表面構造深度測試結果Table 6 Test results of surface structure depth of four cases mm

由表6可看出：① 環境1～3，經12次循環后，構造深度變化幅度約8%；環境4經7次循環后，變化幅度約17%；② 經4種環境模擬老化后，表面構造深度hTD≥1.0，滿足規范hTD≥0.55 mm要求[24]。

4 結 論

1)對力學性能，無論是層間黏結強度還是斜剪強度，在4種環境模擬條件下隨循環次數增加均減小；呈現出前期下降幅度大，后期下降幅度小的規律；且層間黏結強度的劣化規律可用指數函數y=a+c×e-x/b來表達。

2)無論是層間黏結強度還是斜剪強度，環境條件對其影響程度排序一致：紫外光照+高溫>紫外光照+氯鹽飽水>紫外光照+飽水>紫外光照。最不利環境耦合為高溫+紫外光照；故需重點關注高溫條件下受紫外線影響的UHPC-TPO層間黏結性能，且環境因素對斜剪強度影響大于拉拔強度。

3)4種不同環境模擬前后，滲水系數、表面構造深度等變化較小，故環境因素影響可忽略。

4)對環境4，經7次循環后變化趨勢仍不穩定，建議增加循環次數。

筆者通過試驗研究，初步掌握了UHPC-TPO復合構件在模擬自然條件下的劣化規律，但鑒于目前對于試驗方法暫無規范可循，后續研究中將進一步完善試驗設計，開展專題研究，以建立UHPC-TPO復合構件性能預測模型、完善現有規范。

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