基于熵权-TOPSIS的钢-超高性能混凝土界面黏结性能分析

王民; 彭冲; 郑睿涵; 常城; 尚飞

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2501454

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (2) :808-816 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2501454

交通运输

基于熵权-TOPSIS的钢-超高性能混凝土界面黏结性能分析

王民 ¹^,²^,³ ,
彭冲 ²^,^* ,
郑睿涵 ¹ ,
常城 ² ,
尚飞 ²

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Interface Adhesion Under Entropy Weight-TOPSIS Model in Steel-ultra-high Performance Concrete Composite Bridge Deck

WANG Min ¹^,²^,³ ,
PENG Chong ²^,^* ,
ZHENG Rui-han ¹ ,
CHANG Cheng ² ,
SHANG Fei ²

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摘要

为探究无剪力件联接作用下钢-超高性能混凝土(ultra-high performance concrete,UHPC)的层间黏结性能,分别选用了不同的防腐与防水黏结材料,通过测定不同温度与湿度环境下的层间黏结强度与剪切强度,利用熵权-TOPSIS方法优选出黏结材料的最佳适配组合。同时采用扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)对不同组合条件下的破坏界面进行微观分析。结果表明:不同组合结构均存在最佳适配类型;聚氨酯作为防水黏结层与不同防腐材料均具有良好的黏结强度,50 ℃条件下,黏结强度均大于9 MPa;随着潮湿程度的增加,环氧树脂与UHPC界面黏结强度逐渐降低,聚氨酯与水性环氧树脂则呈现出先增大后减小的变化趋势;钢板-水性有机类防腐漆-水性环氧树脂-UHPC为最适配结构,50 ℃剪切强度大于5.65 MPa;水分造成环氧树脂与聚氨酯界面黏结强度下降,而水性环氧树脂黏结剂形成的纤维网状结构增强了与UHPC界面联接。研究结果为进一步优化钢-UHPC界面黏结材料选择提供参考。

Abstract

To investigate the interlayer bonding performance of UHPC (steel-ultra-high performance concrete) under the action of shear free connection, different anti-corrosion and waterproof bonding materials were selected. By measuring the interlayer bonding strength and shear strength under different temperature and humidity environments, the optimal combination of bonding materials was selected using entropy weight-TOPSIS method. Simultaneously, SEM(scanning electron microscope) was used to conduct microscopic analysis of the failure interface under different combination conditions. The results show as follows. There is an optimal fit type for different combination structures. Polyurethane, as a waterproof bonding layer, has good bonding strength with different anti-corrosion materials. At 50 ℃, the bonding strength is greater than 9 MPa. As the degree of humidity increases, the bonding strength between epoxy resin and UHPC interface gradually decreases, while polyurethane and water-based epoxy resin show a trend of first increasing and then decreasing. Steel plate-waterborne organic anti-corrosion paint-waterborne epoxy resin-UHPC is the most suitable structure, with a shear strength greater than 5.65 MPa at 50 ℃; Moisture causes a decrease in the interfacial bonding strength between epoxy resin and polyurethane, while the fiber network structure formed by water-based epoxy resin binder enhances the interface connection with UHPC. The research results provide a reference for further optimizing the selection of steel UHPC interface bonding materials.

Graphical abstract

关键词

钢-超高性能混凝土组合桥面 / 熵权-TOPSIS / 界面黏结 / 微观分析

Key words

steel-UHPC composite bridge deck / entropy weight-TOPSIS method / interface adhesion / micro analysis

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王民, 彭冲, 郑睿涵, 常城, 尚飞. 基于熵权-TOPSIS的钢-超高性能混凝土界面黏结性能分析[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(2): 808-816 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2501454

WANG Min, PENG Chong, ZHENG Rui-han, CHANG Cheng, SHANG Fei. Interface Adhesion Under Entropy Weight-TOPSIS Model in Steel-ultra-high Performance Concrete Composite Bridge Deck[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(2): 808-816 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2501454

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正交异性钢桥面板因自重轻、施工周期短以及工厂化程度高,在实际工程应用中越加普遍^[1-2]。然而,早期钢桥钢板厚度往往较薄,整体刚度不高,使得桥面铺装层开裂问题频发^[3-5]。为弥补桥面板刚度不足问题,加铺路面结构物是最便捷的方式。超高性能混凝土(ultra-high performance concrete,UHPC)是一种基于最大堆积密实度原理的新型水泥基复合材料,且强度高、韧性强、耐久性好,可有效解决组合梁的耐久性问题^[6-8]。

然而,由于不同结构层材料模量差异大,使得层间剪应力过大,易造成层间推移,致使铺装结构破坏。为保证钢-UHPC之间良好的联接性能,往往采用在钢板顶面焊接高密度剪力钉或栓钉的方式实现。这不仅使得后期维修难度增大,同时剪力联接件的焊接缺陷、意外过载、疲劳等原因导致的栓钉损伤可能会降低组合梁的使用性能,甚至威胁结构安全^[9]。Gao等^[10]当剪力钉间距在250 mm以内时,群钉效应显著,不同位置的剪力钉受到不同程度的影响。当剪力钉间距与直径之比d/r≥7.69时,弹性阶段剪力钉截面剪力与有效抗剪高度由加载端向外逐渐减小。Qi等^[11]通过有限元对嵌入UHPC中的有损剪力钉进行了模拟分析,发现损伤位置直接影响剪力钉的抗剪强度与刚度。Tong等^[12]通过研究剪力钉群对UHPC性能的影响发现,过短的剪力钉间距会造成混凝土抗剪能力下降。Yang等^[13]通过剪切试验,发现螺栓剪力件存在与焊接栓钉剪力件类似的群钉削弱效应。王宣鼎等^[14]通过研究大直径高强螺栓剪力件受剪性能发现,横向(垂直剪力方向)排列的双螺栓试件可有效改善群钉效应对剪切承载力的削弱。胡文旭等^[15]采用ABAQUS对钢-UHPC组合板群钉效应进行模拟发现,随着栓钉直径增大和间距减小,UHPC板出现破坏的可能性随之增大。童钟国^[16]通过研究短栓钉直径与长度对钢-UHPC的抗剪性能发现,抗剪刚度和抗剪承载力随栓钉直径的增大而提升,而与栓钉长度影响不大。

综上可以看出,剪力件在增强钢-UHPC界面整体性的同时,由于剪力钉群效应以及焊接缺陷,往往造成应力集中,使得UHPC部分破坏,影响整体结构的耐久性。因此,现以界面黏结为切入点,基于熵权-TOPSIS方法优选防腐层和防水黏结层材料,探索其组合应用的可能性,以期实现类似剪力钉的连接功能,从而在防腐层和防水黏结层的双重作用下,确保UHPC与钢板之间具备优异的协同变形性能。

1 原材料及特性

1.1 超高性能混凝土

UHPC采用成品干混料,干混料∶水=100∶8.8,钢纤维掺量7.5%,进行拌制,性能指标如表1所示。

1.2 界面功能层材料

根据前期试验结果,选用3种具有良好防腐与黏结性能的防腐漆:水性无机类(编号为SW)、水性有机类(编号为SY)以及油性有机类(编号为YY)作为研究对象,具体参数指标如表2所示。鉴于UHPC属于水硬性胶凝材料,其内部水分可能会影响热熔类材料中沥青的黏结性能,结合工程实际应用需求,最终确定采用环氧树脂、聚氨酯以及水性环氧树脂黏结剂作为防水黏结层的主要材料。防水黏结剂性能指标如表3所示。

2 熵权-TOPSIS理论模型

熵权-TOPSIS可以根据每个评价对象提供的信息客观确定每个指标的权重,排除了主观因素的影响,并且可以在决策中客观评价指标组合系统。按以下步骤构建模型。

(1)数据矩阵A的正向化处理。假设项目存在m个不同的组合类型a₁、a₂、…、a_i,其中i=1,2,…,m;每个组合类型有n个指标a_i₁、a_i₂、…、a_ij,其中j=1,2,…,n,最终得到矩阵A。

$\mathrm{A}=({a}_{ij}{)}_{m\times n}=\left[\begin{array}{llll}{a}_{11}& {a}_{12}& \dots & {a}_{1j}\\ {a}_{21}& {a}_{22}& \dots & {a}_{2j}\\ ︙& ︙& & ︙\\ {a}_{i1}& {a}_{i2}& \dots & {a}_{ij}\end{array}\right]$

(2)正向化矩阵B的标准化处理。为提高评价结果的可靠性,需对指标进行统一化处理,将所有数据转化为正向指标。按式(1)将极小型指标进行处理,得到矩阵B。

(1)

${b}_{ij}=\mathrm{m}\mathrm{a}{\mathrm{x}}_{j}\left({a}_{ij}\right)-{a}_{ij}$

$\mathrm{B}=({b}_{ij}{)}_{m\times n}=\left[\begin{array}{llll}{b}_{11}& {b}_{12}& \dots & {b}_{1j}\\ {b}_{21}& {b}_{22}& \dots & {b}_{2j}\\ ︙& ︙& & ︙\\ {b}_{i1}& {b}_{i2}& \dots & {b}_{ij}\end{array}\right]$

然后通过式(2),将矩阵B进行标准化处理,最终得到决策矩阵C。

(2)

${c}_{ij}=\frac{{b}_{ij}}{\sqrt{\stackrel{n}{\sum _{i=1}}{b}_{ij}^{2}}}$

$\mathrm{C}=({c}_{ij}{)}_{m\times n}\left[\begin{array}{llll}{c}_{11}& {c}_{12}& \dots & {c}_{1n}\\ {c}_{21}& {c}_{22}& \dots & {c}_{2n}\\ ︙& ︙& & ︙\\ {c}_{m1}& {c}_{m2}& \dots & {c}_{mn}\end{array}\right]$

(3)熵权重的计算。各指标的熵值可以根据式(3)计算。

(3)

${E}_{j}=-\frac{1}{\mathrm{l}\mathrm{n}m}\stackrel{m}{\sum _{i=1}}{p}_{ij}\mathrm{l}\mathrm{n}{p}_{ij},　j=\mathrm{1,2},\dots,n$

(4)

${p}_{ij}=\frac{{c}_{ij}}{\stackrel{m}{\sum _{i=1}}{c}_{ij}},　j=\mathrm{1,2},\dots,n$

此外,系统中每个指标的权重计算式为

(5)

${w}_{j}=\frac{1-{E}_{j}}{\stackrel{n}{\sum _{j=1}}(1-{E}_{j})}$

式(5)中:

${w}_{j}\in \left[\mathrm{0,1}\right],\stackrel{n}{\sum _{j=1}}{w}_{j}=1。$

(4)确定正负理想解。根据式(6)分别计算正、负理想解。

(5)

$\left\{\begin{array}{l}{c}^{+}=({c}_{1}^{+},{c}_{2}^{+},\dots,{c}_{n}^{+})=\left(\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}\right\{{c}_{11},{c}_{21},\dots,{c}_{m1}\},\\ 　　\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}\{{c}_{12},{c}_{22},\dots,{c}_{m2}\},\dots,\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}\{{c}_{1n},{c}_{2n},\dots,{c}_{mn}\})\\ {c}^{-}=({c}_{1}^{-},{c}_{2}^{-},\dots,{c}_{n}^{-})=\left(\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}\right\{{c}_{11},{c}_{21},\dots,{c}_{m1}\},\\ 　　\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}\{{c}_{12},{c}_{22},\dots,{c}_{m2}\},\dots,\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}\{{c}_{1n},{c}_{2n},\dots,{c}_{mn}\})\end{array}\right.$

(5)欧拉距离的计算。根据式(7),得到正理想解和负理想解之间的欧拉距离分别为

${D}_{i}^{+}$

和

${D}_{i}^{-}$

。

(7)

$\left\{\begin{array}{l}{D}_{i}^{+}=\sqrt{\stackrel{n}{\sum _{j=1}}{w}_{j}({c}_{j}^{+}-{c}_{ij}{)}^{2}}\\ {D}_{i}^{-}=\sqrt{\stackrel{n}{\sum _{j=1}}{w}_{j}({c}_{j}^{-}-{c}_{ij}{)}^{2}}\end{array}\right.$

(6)评价对象与最优方案的相似程度计算。系统的相对理想解的近似度可以根据式(8)来计算。

(8)

${S}_{i}=\frac{{D}_{i}^{-}}{{D}_{i}^{+}+{D}_{i}^{-}}$

式(8)中:S_i为理想解和一个方案之间的近似度,值越大,决策越好。

3 试验结果与数据处理

为全面评估不同防腐以及防水黏结材料对钢板-UHPC组合结构的影响,采用PosiTest AT-M,对不同种类的防腐黏结材料、防水黏结材料对钢板与UHPC黏结强度进行测定。然后,利用万能试验机,对钢板-防腐黏结层-防水黏结层-UHPC组合结构,进行拉拔与剪切试验。最后,采用SEM扫描,对钢板-防腐黏结层-防水黏结层-UHPC组合结构破坏界面进行微观分析。

3.1 钢板-防腐层-防水黏结层黏结强度

通过PosiTest AT-M测得不同组合条件下钢板-防腐黏结材料-防水黏结材料的黏结强度以及高温条件下各组合黏结强度降低幅度变化,结果如图1所示。

由图1(a)可以看出,在不同的温度与组合条件下,各组合均存在最适配的组合结构,具体表现为:25 ℃下,环氧树脂作为防水黏结层时,钢板-SW-环氧树脂黏结强度最大,具有最佳的适配性;聚氨酯作为防水黏结层时,钢板-SY-聚氨酯黏结强度最大,具有最佳的适配性;水性环氧树脂作为防水黏结层时,钢板-SY-水性环氧树脂黏结强度最大,具有最佳的适配性。随着温度的增加,各组合结构黏结强度值均呈现出减小的趋势,其减小幅度大小可反映出组合类型对温度的敏感性,其值越大,表明对温度变化越敏感。由图1(b)可以看出,SW作为防腐层时,钢板-SW-水性环氧树脂组合降低幅度最小为11.27%;SY作为防腐层时,钢板-SY-水性环氧树脂组合降低幅度最小为19.84%;YY作为防腐层时,钢板-YY-聚氨酯组合降低幅度最小为5.59%。因此,对于温度变化大的地区,可相应选择具有良好温度敏感性的组合形式。综合以上数据,聚氨酯作为防水黏结层与SW、SY及YY均具有良好的黏结强度,这主要是由于聚氨酯黏结剂表面能较低,润湿性较大,与防腐层接触面积大,并且聚氨酯黏结剂拉伸强度高可以看出其自身黏性大,因此黏结强度高。但对于温度较高的区域而言,除考虑具有良好的黏结强度外,其高温下黏结强度的温度敏感性也是着重考虑的部分,可选择钢板-YY-聚氨酯或钢板-SW-水性环氧树脂组合。

为综合评价不同组合类型优劣,基于熵权-TOPSIS方法,对不同温度下的组合结构黏结强度以及强度降低幅度为指标进行定量分析。界面类型组合如表4所示,决策矩阵构造如图2所示。

通过式(3)和式(4)获得不同指标的熵、权值,其中E=(0.94,0.84,0.74),不同指标的权重为ω=(0.12,0.34,0.54)。并通过决策矩阵得到正理想解c⁺=(5.05,5.12,31.8)与负理想解c^-=(1.31,0.33,0),最后,由式(6)~式(8)对决策矩阵进行决策,决策结果如表5所示。

根据熵权-TOPSIS法的原理,不同钢板-防腐层-防水黏结层组合类型的相对理想解排序为:Ⅱ<Ⅸ<Ⅰ<Ⅲ<Ⅴ<Ⅷ<Ⅳ<Ⅶ<Ⅵ,故在考虑25 ℃黏结强度、50 ℃黏结强度与黏结强度降低幅度的情况下,Ⅵ组合类型最优。对比图2结果可以发现,Ⅵ组合在25 ℃与50 ℃条件下均具有良好黏结性能,且黏结强度降低幅度最小,这也侧面验证了熵权-TOPSISI的合理性。

3.2 防水黏结层-UHPC黏结强度

为研究不同防水黏结层在不同干湿状态下UHPC的黏结性能,通过黏附试验进行分析,试验结果如图3所示。

由图3可以看出,不同类型的防水黏结剂在不同的状态下,黏结强度呈现出不同的变化趋势。对于环氧树脂而言,黏结强度在UHPC表面处于干燥、潮湿以及新拌状态时,呈现出递减的趋势,减小幅度分别为16.8%与59%。这主要是由于UHPC潮湿表面和UHPC新拌表面含有水分,水会阻碍环氧树脂黏结剂固化,水分子与大分子的亲水官能团结合,随着水在环氧树脂中进一步扩散,存在于材料自由体积中的水的塑化作用占主导地位,从而降低了蠕变阻力,使其黏结强度降低^[17]。聚氨酯和水性环氧树脂作为防水黏结剂,黏结强度则呈现出先增大后减小的趋势。不同干湿状态下,水性环氧树脂与UHPC黏结强度均高于其他两种防水黏结剂。这是由于水性环氧树脂黏结剂以水为分散剂,适量的水分对水性环氧树脂黏结剂黏结强度具有一定的促进作用。同时可以发现,聚氨酯与UHPC在潮湿状态拥有最高的黏结强度,但随着水分的增大,黏结强度明显下降。这主要是由于过多的水分与异氰酸酯反应生成二氧化碳,产生了气泡,导致黏结强度降低。

3.3 钢板-防腐层-防水黏结层-UHPC黏结性能

在考虑3种防水黏结剂的基础上,加之上述结果,选择钢板-SW-环氧树脂-UHPC、钢板-YY-聚氨酯-UHPC以及钢板-SY-水性环氧树脂-UHPC组合试件,进行25 ℃与50 ℃条件下的拉拔与剪切试验,试验结果如图4所示。由图4可以看出,随着温度的增加,各组合类型黏结与剪切强度均呈现出减小的趋势。同时,钢板-SY-水性环氧树脂-UHPC的黏结与剪切强度,均高于其他组合,表现出良好的黏结性能。这主要是由于水性环氧树脂在水的促进下,形成稳固的网状结构造成的。

为进一步观察不同组合试件破坏界面状态,特对3种组合类型拉拔与剪切破坏界面进行分析,破坏界面图如图5所示。由图5可以看出,相同组合条件下的拉拔与剪切破坏界面相同。钢板-SW-环氧树脂-UHPC组合试件破坏形式主要为环氧树脂内部破坏,并有部分防水黏结层与防腐层破坏,这是由于油性环氧树脂黏结剂在现浇UHPC自身多水且在高湿度养生的环境下无法固化完全,造成了防水黏结层与UHPC层间、防水黏结层与防腐层间破坏^[18]。钢板-防腐漆YY-聚氨酯-UHPC组合试件破坏形式主要为聚氨酯层间破坏,这是由于单组分聚氨酯黏结剂遇水反应后会产生微小且致密的气泡,造成防水黏结层内部产生空洞,导致防水黏结层破坏失去黏结效果^[19]。在“钢板-防腐漆SY-水性环氧树脂-UHPC”组合试件的破坏形式中,主要表现为UHPC自身以及层间破坏。这种现象的原因在于:水性环氧树脂黏结剂即使在UHPC含水量较高的环境中,仍能实现完全固化,使得UHPC与水性环氧树脂黏结剂之间的黏结强度得到了充分发展,从而达到理想的黏结效果。

通过熵权TOPSIS法对组合结构黏结性能进行定量评价,由于组合矩阵中各指标均为极大型,因此直接进行归一化处理,结果如图6所示。

通过计算,得到E=(0.19,0.07,0.20,0.04),ω=(0.23,0.27,0.23,0.27),c⁺=(2.63,1.34,5.52,5.63)与负理想解c^-=(0,0,0.11,0),决策结果如表6所示。

通过表6可以发现,钢板-SY-水性环氧树脂-UHPC组合结构优于钢板-SW-环氧树脂-UHPC与钢板-YY-聚氨酯-UHPC组合。

3.4 破坏界面微观性分析

为分析界面破坏原理,对拉拔试件破坏面进行SEM扫描,扫描结果如图7~图9所示。

从图7的观察结果来看,当放大倍率为200 nm时,可以明显看到环氧树脂黏结剂在UHPC表面形成了一层紧密的膜结构,这表明环氧树脂黏结剂已经发生了固化反应。然而,在500 nm和1 μm的放大倍率下,环氧树脂黏结剂与UHPC的界面呈现出光滑的外观,但存在许多细小的裂缝。这种现象的出现是由于现浇UHPC中的水分渗入尚未完全固化的环氧树脂黏结剂中,导致黏结剂的含水量增加,进而引发裂缝的产生,最终使得界面的黏结强度有所下降。

由图8可以发现,在200 nm的放大倍率下,聚氨酯黏结剂在UHPC表面形成了一层薄膜,但同时出现了类似云雾团状的物质,并且在UHPC与聚氨酯黏结剂的界面处存在大量气泡。这表明在微观尺度上,聚氨酯黏结剂与UHPC之间已经形成了空隙。进一步观察,在500 nm和1 μm的放大倍率下,可以看到这些微小气泡逐渐聚集形成了较大的气泡。这是由于聚氨酯黏结剂在水和氧的作用下生成可溶性小分子从而产生了微小气泡,随着UHPC带来的水分的增加,微小气泡越来越多,最终形成了较大的气泡团,使UHPC与聚氨酯黏结剂的界面存在缺陷,并且水分使聚氨酯黏结剂增塑,影响了黏结性能,从而降低了黏结强度与剪切强度^[20]。

由图9发现,在200 nm的放大倍率下,水性环氧树脂黏结剂在UHPC表面呈现出交错的链状结构,这些链状结构相互交织形成了网状结构。表明水性环氧树脂黏结剂已经完成了固化过程,其形成的纤维状网状结构显著增强了水性环氧树脂黏结剂与UHPC界面之间的黏结强度。500 nm和1 μm时,可以看到,UHPC表面有部分沟槽,并且里面充满了水性环氧树脂形成的链状结构,说明这些沟槽增大了UHPC与水性环氧树脂黏结剂的接触面积,使UHPC-水性环氧树脂黏结剂具有了高的黏结强度与剪切强度^[21]。

综上可以发现,水性环氧树脂黏结剂与水性环氧富锌漆在组合类型中具有最佳的黏结性。这是由于水性环氧树脂黏结剂与水性环氧富锌漆的分子之间相互扩散,以及水性环氧树脂黏结剂与UHPC间形成的纤维网状结构。4 结论

(1)高温状态下,钢板-YY-聚氨酯具有非常好的温度敏感性,50 ℃黏度降低幅度仅为5.59%,适用于温度较高的桥面铺装地区。

(2)环氧树脂做防水黏结剂时,黏结强度在UHPC表面处于干燥、潮湿以及新拌状态时,呈现出递减的趋势,减小幅度分别为16.8%与59%,聚氨酯与水性环氧树脂随着水分的增加,与UHPC黏结强度表现出递增的相反趋势。

(3)通过熵权-TOPSIS分析得到,钢板-防腐层-防水黏结层最佳组合为:钢板-YY-聚氨酯;钢板-防腐层-防水黏结层-UHPC最佳组合为:钢板-SY-水性环氧树脂-UHPC。

(4)聚氨酯黏结剂在水和氧的作用下生成的微小气泡造成界面缺陷,致使塑性增加,影响了黏结性能,从而降低了黏结强度与剪切强度。

(5)水性环氧树脂借助UHPC表面微小沟槽进一步增加了界面黏结面积,并通过固化形成的纤维网状结构增强了黏结与剪切强度。

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原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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