摘要：为探究高性能水泥基粘结剂(HPCA)作为钢-UHPC 组合板粘结剂的可能性，以粘结剂种类、龄期、温度和粘结面积作为参数，开展了 24 个水泥基粘结剂连接的钢-UHPC 组合板的界面抗剪试验，分析各参数对粘结界面的破坏模式、抗剪粘结强度的影响规律。试验结果表明：在常温条件下，采用高性能水泥基粘结剂试件主要发生粘结层内聚破坏(B 类破坏)，采用普通水泥基粘结剂(NCA)试件发生粘结层和 UHPC 板界面脱粘破坏(C 类破坏)，NCA 的抗剪粘结强度仅为 HPCA 的 47.9%;在高温条件下，HPCA 的抗剪粘结强度降幅为 40%~60%，但仍超过 1.0 MPa;龄期对抗剪粘结强度影响较大，当龄期从 7d 增加至 28d 和 90d 时，HPCA 的抗剪粘结强度分别提高了 29.2%和 38.1%，且相应的材料抗折强度分别提高了 32.8%和 35.2%，二者提高幅度相当，表明抗剪粘结强度与材料抗折强度有较强的相关性;抗剪粘结强度受粘结面积的影响较小，当粘结面积从 100cm2 减小至 75cm2 和 50cm2 时，抗剪粘结强度分别增高了 3.1%和 8.4%。最后结合试验数据，建立了 HPCA 的抗剪粘结强度的预测公式。
关键字：钢-UHPC 组合板;高性能;水泥基粘结剂;高温;龄期;抗剪粘结强度
0 引 言
钢-混凝土组合结构多采用栓钉作为柔性连接件，来实现两者的共同作用[1]。然而，它施工所需的人工费用高，受力性能受栓钉焊接残余应力、应力集中等影响[2,3]。用粘结剂连接，施工快捷、人工费用低，钢与混凝土之间传力连续，无焊接残余应力、应力集中等现象[4,5]。常用的粘结剂有环氧树脂胶和水泥基粘结剂二大类。环氧树脂胶在固结后具有极好的粘结性能，已开展较多的抗剪推出试验[6-9]，试件破坏均为界面脱粘、脆性破坏，设计中需采用较大的安全储备。环氧树脂胶在一些装配式桥梁中已得到应用。例如，德国的 Gärtnerplatz 人行桥[10]采用环氧树脂将超高性能混凝土(Ultra High Performance Concrete，UHPC)预制板和钢连接成组合桁梁。另外，在钢桥面板中，已开展了采用预制 UHPC 板通过环氧树脂胶粘结于钢桥面板的试设计、抗剪、拉抗受力性能等研究，为工程应用打下了基础[9,11]。预制 UHPC 板间通常设置湿接缝(通过栓钉与钢板连接)来增强侧面连接性能。但是环氧树脂粘结强度偏大，与湿接缝内栓钉组合抗剪时，存在两者的抗剪刚度和滑移变形不匹配的问题[9]。
尽管水泥基粘结剂粘结强度低于环氧树脂胶，用于混凝土结构粘结时，与混凝土材料性能相近，受力与变形协调好[12,13]。法国 Lllzach 桥[14-16]在对钢桥面铺装翻修时，采用水泥基粘结剂与栓钉作为组合连接件，将预制 UHPC 板与钢桥面板组合在一起。由于其采用的是普通水泥基粘结剂( Normal Cement-based Adhesive，NCA)粘结性能较差，仅作为垫平层，因此抗剪承载力主要由栓钉提供。
为此，本文作者提出采用高性能水泥基粘结剂(High Performance Cement-based Adhesive，HPCA)与栓钉组合连接 UHPC 预制板与钢板的设想。 HPCA 是一种采用活性矿物掺合料改性的水泥基粘结剂，其制备原理与超高性能砂浆(Ultra-High Performance Mortar，UHPM)[17]和 UHPC 相似[18,19]。为探究 HPCA 的后续研究和将来的应用打下基础，本文对采用 HPCA 粘结的钢-UHPC 组合板开展推出试验，试验参数为粘结剂种类、温度、粘结面积以及龄期。通过试验，揭示各参数对粘结界面破坏形式、抗剪粘结强度的影响机理和规律，分析并建立抗剪粘结强度预测公式。
1 试验设计
1.1 试件
试件由表面喷砂处理过的 Q345 钢板、预制 UHPC 板以及粘结剂组成，如图 1 所示。钢板尺寸为 110mm×100mm×10 mm，预制 UHPC 板尺寸 110mm×100mm×40mm。鉴于钢桥面的环氧防水层厚度一般为 2mm，且考虑到预制桥面板表面不平整，为此将粘结剂厚度控制在 3mm。试验的主要参数有 4 个，即粘结剂种类、龄期、温度、粘结面积，每个参数各有 2 个变化量，共有 8 个不同参数的试件，见表 1。
设置粘结剂种类组是为了对比了 HPCA 和 NCA 两种水泥基粘结剂的粘结性能。龄期的参数为粘结剂 7d 和 90d 龄期，以考察粘结剂在不同龄期下的粘结性能。温度参数设置了长期和短期高温组，以考察粘结剂在高温条件下的粘结性能。在夏季高温时，由于钢桥良好的导热性能，桥面板、桥面铺装体系会长时间处于高温条件下，文献[20]认为可将 70℃作为钢桥面粘结剂的正常使用高温标准;此外，有分析结果表明桥面沥青铺装时 UHPC 板底在短时间内最高可升至 89℃[21]。本试验中的长期高温试件，当试件自然养护至 28d 以后，放入设置温度为 70℃电热恒温鼓风干燥箱内，直到龄期达 90 d 后进行试验加载。对于短期高温试件，养护后放入设置温度为 100℃的烘箱内，保温 4 小时后进行加载。文献[21]开展了采用环氧树脂粘结的钢-UHPC 组合构件推出试验，结果表明当粘结面积由 100cm2 分别降低至75cm2和50cm2时，粘结强度分别提高了11.8% 和 25.8%，存在尺寸效应，因此本试验同样也设计了不同粘结面积的试件。
试件编号按照“粘结剂种类(A 表示 HPCA， *A 表示 NCA)-龄期-温度-粘结面积”顺序命名。以 A28-25-100 为例，它表示粘结剂种类为 HPCA，龄期为28天，环境温度为25℃，粘结面积为100cm2。
考虑到粘结剂试件的离散性较大，同一参数的试件各制作 3 个，共计 24 个试件。表 1 还给出了各参数试件的破坏荷载、粘结强度、破坏模式以及平均粘结强度，便于后文分析。抗剪粘结强度按照式(1)进行计算。
1.2 材料性能
HPCA 中水泥、硅灰、集料和减水剂的质量比为 1：0.3：1.2：0.025[22]，NCA 中水泥、河砂的质量比为 1：4.56，均采用自然养护。HPCA 和 NCA 和的材料性能详见表 2，依据《建筑砂浆基本性能试验方法》(JGJ/T70-2009)[23]和《水泥胶砂强度检验方法(ISO 法)》(GBT 17671-1999)[24]分别对稠度、抗压强度和抗折强度进行测试，并参考文献[22]制作尺寸为 70mm×70mm×210mm 的棱柱体来测试弹性模量。 UHPC 中水泥：硅灰：集料：减水剂=1：0.3： 1.17：0.025，掺有 2%钢纤维，采用蒸汽养护。UHPC 的抗压强度为 169.5MPa，抗拉强度为 10.1MPa，弹性模量为 46.5GPa 。 Q345 钢 板 的屈 服 强 度 为 398.5MPa，弹性模量为 206.0GPa。
1.3 试件制作与加载
试件的主要制作过程：(1)在每块钢板(养护好后的 UHPC 板)的一面，距板长边 10mm 处划一条与板边平行的参照线，确保两块板可以错开 10mm，并在钢板表面上的 4 个角固定用于控制粘结层厚度的微小垫块;(2)对 UHPC 板表面进行湿润;(3)将拌和好的粘结剂涂抹在钢板表面，中心高度略高于设定的粘结层高度;(4)将 UHPC 板盖在粘结层后，用橡胶锤敲打 UHPC 板表面，使多余粘结剂溢出;(5)控制钢板和 UHPC 板的边缘对齐后，在试件上施加重物;(6)自然养护到规定龄期后，对试件表面进行打磨，再进行加载。
试件用抗剪粘结强度试验专用的夹具固定试件，并进行对中。试验采用 300kN 的万能试验机进行加载，如图 2 所示。试验加载速度为 0.5mm/min，匀速加载试件直至破坏，记录最大荷载。
2 试验结果与分析
2.1 总体试验结果.
参考文献[26]，将试件的破坏模式分为 A、B、 C 三类：(1)钢-粘结层间的界面脱黏破坏(A 类)，如图 3(a)所示;(2)粘结层内聚破坏(B 类)，如图 3(b)所示;(3)UHPC-粘结层间的界面脱黏破坏(C 类)，如图 3(c 和 d)所示，而且粘结层内的骨料颗粒被剥离出粘附在 UHPC 板表面。各试件的破坏模式列于表 1 的最后一列。表中同时列有 2 类破坏模式的是指同一参数的三个试件出现了 2 类破坏模式。
由表 1 可知，对于采用 NCA 的试件，均发生 C 类破坏;对于采用 HPCA 的试件包含上述 3 类破坏， A 类破坏模式仅出现在长期高温的 A90-70-100 三个试件的 1 个试件中;发生 B 类破坏模式的试件共有 11 个，占比 52.4%;C 类破坏共有 9 个，占比 42.8%。
图 4 给出各参数试件的抗剪粘结强度试验结果对比。各试件的具体强度值见表 1。参数对比中，除表 1 的直接参数组中的试件外，还将其余组中可供对比的试件加入，以扩大参数对比的范围。具体分析见第 2.2 节。
2.2 参数分析
2.2.1 粘结剂种类影响
从试验参数来看，粘结剂的种类不同，破坏模式也不同。第一组参数中，采用 HPCA 的 3 个试件均为 B 类破坏，而采用 NCA 的 3 个试件均发生 C 类破坏。由于 HPCA 与 UHPC 的界面粘结力大于 NCA 与 UHPC 的，但是 HPCA 的自身强度不足以支撑界面粘结力，导致 HPCA 的试件发生 B 类破坏。
图 4(a)对比的试件有 2 个，即第一组的粘结剂为 HPCA 和 NCA 的 2 个试件。另外，还对比了 HPCA 和 NCA 的抗折强度。可知，采用 HPCA 的试件比采用 NCA 的提高了 108.8%，HPCA 的抗折强度比 NCA 的提高了 90.8%。可见，随着粘结材料的抗折强度的提高，抗剪粘结强度也相应提高。
2.2.2 龄期影响第二组参数中，不同龄期试件发生的破坏模式有 B 和 C 类，其中 7d 龄期的 3 个试件中，1 个试件发生 B 类破坏，抗剪粘结强度为 2.30MPa，其余 2 个发生 C 类破坏，抗剪粘结强度分别为 2.07MPa 和 1.77MPa;90d 龄期的 3 个试件中，2 个试件发生 B类破坏，抗剪粘结强度分别为2.91MPa和2.67MPa，其余 1 个发生 C 类破坏，但抗剪粘结强度仅为 1.35MPa，由于该试件的强度不到其余试件的 85%，需被剔除。结合 28d 龄期的试件均发生 B 类破坏可知，随着龄期的增长，试件的破坏模式由 C 类破坏转为 B 类破坏。
图 4(b)对比的试件有 3 个，在第 2 组的龄期为 7d 和 90d 的 2 个试件基础上，加入第 1 组 A28- 25-100 试件(28d 龄期)，形成 7d、28d 和 90d 共三组龄期的对比。另外，还对比了不同龄期下 HPCA 的抗折强度。可知，28d 和 90d 试件的抗剪粘结强度比 7d 的，分别提高了 29.2%和 38.1%，材料抗折强度分别提高了 32.8%和 35.2%，二者提高幅度相当，表明抗剪粘结强度与材料抗折强度有较强的相关性。
同时，二种强度均呈现出早期发展快(7d~28d)、 28d 后(28d~90d)基本稳定的特点。在早期，随着龄期增加，HPCA 内部的胶凝材料水化程度逐渐增大，其自身强度不断增大，抗剪粘结强度也不断增大。当龄期达到 28d 时，HPCA 内部水化基本完成，自身强度变化幅度不大[26]，抗剪粘结强度也相对稳定。
2.2.3 温度影响
第三组参数中，A90-70-100 三个试件中，1 个试件发生 A 类破坏，抗剪粘结强度为 1.14MPa，其余2个发生C类破坏，抗剪粘结强度分别为1.03MPa 和 0.61MPa(该试件的强度不到其余试件的 85%，需被剔除)。而 A28-100-100 三个试件均发生 C 类破坏，但是在相同龄期下的常温试件发生的是 B 类破坏。
图 4(c)将 3 组的 2 个试件，分别与第 2 组和第 1 组的 A90-25-100 试件和 A28-25-100 试件，构成了二对不同龄期下不同温度条件的试件组。第一对比组的龄期为 28d，100℃短期高温条件，A28-100- 100 的抗剪粘结强度为 1.52MPa，仅为 25℃常温养护的 A28-25-100 试件的 2.61MPa 的 58.2%。第二对比组的龄为期 90d，70℃长期高温条件，A90-70-100 的抗剪粘结强度为 1.09MPa，仅为 25℃常温养护的 A90-25-100 试件的 2.79MPa 的 39.1%。说明不论是 28d 还是 90d 龄期，短期(100℃)或长期高温(70℃)条件下，HPCA 的抗剪粘结强度均会降低。
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由于烘箱模拟的是零湿度的高温环境，而在该环境条件下会加剧 HPCA 的干燥收缩，会在 HPCA 和预制 UHPC 板界面产生微裂缝[27,28]，从而易发生两界面间的脱粘破坏，抗剪粘结强度降低。值得一提的是，在极端的零湿度的高温环境，HPCA 的抗剪粘结强度仍超过 1.0MPa，可见 HPCA 具有良好的耐高温性能。
2.2.4 粘结面积影响
第四组参数中，粘结面积为 75cm2 的试件均发生 B 类破坏，粘结面积为 50cm2 的 3 个试件中，2 个试件发生 B 类破坏，抗剪粘结强度分别为 2.82MPa 和 2.84MPa，其余 1 个发生 C 类破坏，但抗剪粘结强度仅为 1.22MPa，由于该试件的强度不到其余试件的 85%，需被剔除。
图 4(d)对比的试件有 3 个，在第 4 组的粘结面积为 75cm2 和 50cm2 的 2 个试件基础上，加入第 1 组 A28-25-100 试件(粘结面积为 100 cm2)，形成 50cm2、75cm2 和 100cm2 共三组粘结面积的对比。可知，当粘结面积从 100cm2 减小至 75cm2 和 50cm2 时，抗剪粘结强度分别增高了 3.1%和 8.4%。而文献 [21]采用环氧树脂粘时，当粘结面积由 100cm2 分别降低至 75cm2和50cm2时，粘结强度分别提高了11.8% 和 25.8%。可见，当采用 HPCA 时，尺寸效应程度减弱，主要是因为环氧树脂的发生 C 类破坏，而 HPCA 的发生 B 类破坏。
3 HPCA 抗剪粘结强度预测
3.1 破坏模式与强度的关系
由 2.2 小节知，A7-25-100 试件中发生 B 类破坏的抗剪粘结强度(2.30 MPa)大于 C 类破坏的(2.07MPa 和 1.77MPa)的，提高幅度分别为 11.1% 和 29.9%;A90-25-100 试件发生 B 类破坏的抗剪粘结强度同样大于 C 类破坏的。而且，从常温条件到高温条件下，试件的破坏模式从 B 类破坏转变为发生 C 类破坏，抗剪粘结强度也随着降低。综上可知，发生 B 类破坏的抗剪粘结强度是大于发生 C 类破坏的。
此外，尽管 A90-70-100 组中发生 A 类破坏的试件其抗剪强度相比发生 C 类破坏的试件提高了 10.7%，但由于仅 1 个试件发生 A 类破坏，这种规律的确定有待进一步的试验和理论分析。
3.2B 类破坏抗剪粘结强度
结合 2.2 小节的参数分析可知，在剔除无效数据后，常温条件下且龄期超过 28d 的 HPCA 试件以及 A7-25-100 中 1 个试件发生 B 类破坏，该破坏模式下的抗剪粘结强度受材料自身强度和粘结面积的影响。由于当粘结面积在 50~100cm2 范围内时，粘结面积的变化对于抗剪粘结强度的影响较小，影响幅度小于 10%，因此忽略尺寸效应的影响。
4 结语
(1)在常温条件下，本文采用 HPCA 试件的破坏模式以粘结层内聚破坏(B 类)为主，抗剪粘结强度为 2.61MPa;而采用 NCA 试件的破坏模式为粘结层和 UHPC 板界面脱粘破坏(C 类)，抗剪粘结强度为 1.25MPa。短期和长期高温条件下，试件的破坏模式同样以 C 类破坏为主，且抗剪粘结强度减低，降幅 40%~60%，但最小粘结强度仍大于 1.0 MPa。
(2)HPCA 的抗剪粘结强度随龄期增长而增大，且有早期发展快(7d~28d)、28d 后(28d~90d)基本稳定的特点;常温养护 28d 时，当粘结面积从 100cm2 减小至 75 cm2 和 50cm2 时，抗剪粘结强度分别降低了 3.1%和 8.4%，可能存在尺寸效应。由于试验数据较少，尺寸效应对抗剪粘结强度的影响有待进一步研究。
(3)试验结果表明 HPCA 的抗剪粘结强度与其自身抗折强度具有相关性。本文建立了 HPCA 的抗剪粘结强度的预测公式，公式计算值与试验数据吻合良好。但由于实验数据不够多，预测公式的合理性和精确性还有待今后进一步的研究.——论文作者：胡文旭 1，李 聪 2，陈宝春 1,3
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