橋面鋪裝環(huán)氧瀝青混合料路用性能試驗(yàn)研究

徐佳歡

(大連理工大學(xué) 土木建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司， 遼寧 大連 116024)

橋面鋪裝材料特性對梁體結(jié)構(gòu)、行車安全、服役壽命均有直接影響，要求其具備較好的抗變形能力，能適應(yīng)高溫車轍和雨水滲透問題，同時具備較好的抗開裂能力。這就要求鋪裝層材料具備較好的黏結(jié)特性，能抵抗外部荷載的沖擊作用。目前應(yīng)用于橋面鋪裝的瀝青砼材料良莠不齊，根據(jù)實(shí)際橋梁交通狀況和服役環(huán)境不同，鋪裝層的結(jié)構(gòu)和材料也會存在較大差異。王偉認(rèn)為鋪裝層材料的水損傷對其性能的劣化影響較大，并采用改性乳化瀝青對其防水黏結(jié)層進(jìn)行了性能研究；張純采用澆筑式瀝青砼對鋪裝層材料的抗老化性能和疲勞性能進(jìn)行研究，并從粉膠比改良設(shè)計(jì)方面優(yōu)化了橋面鋪裝施工工藝；王民等依托港珠澳大橋，設(shè)計(jì)澆筑式瀝青混合料+改性瀝青SMA-13橋面鋪裝結(jié)構(gòu)，取得了較好的應(yīng)用效果；張可強(qiáng)等結(jié)合國內(nèi)橋面鋪裝實(shí)際需求，提出PGA+AC鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)，并對其路用性能和造價(jià)進(jìn)行了綜合分析；劉攀等對5種鋼橋面鋪裝材料進(jìn)行對比研究，認(rèn)為高韌性環(huán)氧瀝青混合料性能較優(yōu)異；劉海城等依托橋面養(yǎng)護(hù)工程項(xiàng)目，對高模量環(huán)氧瀝青混合料進(jìn)行研究，認(rèn)為該材料能增強(qiáng)與鋼板間的黏結(jié)強(qiáng)度，具有較好的抗疲勞性能。上述研究表明，黏聚特性是橋面鋪裝材料的關(guān)鍵影響因素，既影響攤鋪砼材料間的密實(shí)性和嵌擠作用，又影響與鋼橋梁上下結(jié)構(gòu)層的黏結(jié)強(qiáng)度，高強(qiáng)、高韌、高黏是鋪裝材料需具備的基本特性。該文以環(huán)氧瀝青混合料為基礎(chǔ)進(jìn)行橋面鋪裝材料性能試驗(yàn)，并與普通改性瀝青混合料進(jìn)行性能對比，分析其在不同服役環(huán)境下的性能變化。

1 原材料與試驗(yàn)方案

1.1 瀝青

分別選用環(huán)氧瀝青和SBS改性瀝青制備瀝青混合料并進(jìn)行性能對比分析。環(huán)氧瀝青是一種復(fù)合改性瀝青，一般采用環(huán)氧樹脂和固化穩(wěn)定劑按比例與基質(zhì)瀝青拌和而成。SBS改性瀝青是SBS與基質(zhì)瀝青均勻拌和的產(chǎn)物。采用江蘇句容產(chǎn)HLJ型環(huán)氧瀝青、河南南陽產(chǎn)普通SBS改性瀝青，2種瀝青的技術(shù)性能見表1。

表1 2種瀝青的技術(shù)性能

1.2 集料

粗、細(xì)集料均采用玄武巖，其棱角性較好，技術(shù)指標(biāo)見表2。

表2 粗、細(xì)集料的技術(shù)指標(biāo)

1.3 礦粉

采用石灰?guī)r礦粉作為填料，穩(wěn)定砼的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其技術(shù)指標(biāo)見表3。

表3 礦粉的技術(shù)指標(biāo)

1.4 試驗(yàn)方案

采用AC-13級配分別制備環(huán)氧瀝青混合料和SBS改性瀝青混合料，級配曲線見圖1。

圖1 AC-13的目標(biāo)級配曲線

通過對環(huán)氧瀝青混合料和SBS改性瀝青混合料勁度模量、高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性、低溫抗裂性及抗疲勞性能的研究，探究2種瀝青混合料的性能差異。相關(guān)試驗(yàn)項(xiàng)目及試驗(yàn)參數(shù)見表4。

表4 混合料性能試驗(yàn)方案

瀝青混合料的油石比及馬歇爾技術(shù)指標(biāo)見表5。由表5可知：環(huán)氧瀝青混合料的油石比高于普通SBS改性瀝青混合料。環(huán)氧瀝青的黏度較高，與集料間的機(jī)械握裹力較大；環(huán)氧瀝青的流動性較差，混合料拌和過程中需更多的瀝青來實(shí)現(xiàn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，待溫度下降到常溫后，混合料的整體強(qiáng)度大幅提升。

表5 瀝青混合料馬歇爾技術(shù)指標(biāo)

2 橋面鋪裝材料性能試驗(yàn)研究

2.1 勁度模量

勁度模量是標(biāo)準(zhǔn)混合料力學(xué)性能的關(guān)鍵指標(biāo)。2種瀝青混合料的勁度模量試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 2種瀝青混合料的勁度模量試驗(yàn)結(jié)果

由圖2可知：環(huán)氧瀝青混合料的勁度模量高于SBS改性瀝青混合料，20 ℃常溫環(huán)境下前者的勁度模量約為后者的1.9倍，30 ℃時前者的勁度模量約為后者的3倍，說明環(huán)氧瀝青混合料的整體剛度優(yōu)于SBS改性瀝青。從勁度模量隨溫度的變化來看，環(huán)氧瀝青混合料的溫度敏感性小于SBS改性瀝青。其主要原因是環(huán)氧瀝青中的環(huán)氧樹脂具有一定的彈塑性變形能力，在固化劑作用下，材料的強(qiáng)度和硬度均得到提高。

2.2 高溫穩(wěn)定性

分別采用2種瀝青混合料成型標(biāo)準(zhǔn)車轍板試件進(jìn)行60、70 ℃溫度下車轍試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖3、圖4。

由圖3、圖4可知：環(huán)氧瀝青混合料在2種溫度下的動穩(wěn)定度顯著高于SBS改性瀝青混合料，60 ℃環(huán)境下，前者的動穩(wěn)定度達(dá)到34524 次/mm，而后者的動穩(wěn)定度僅為其1/10左右；70 ℃條件下，環(huán)氧瀝青和SBS改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度相較于60℃時動穩(wěn)定度分別降低約17.01%、30.25%。同等條件下，兩類瀝青混合料60 ℃車轍深度分別增長75.00%和101.77%，表明溫度變化對混合料車轍深度的影響更顯著，且溫度變化對SBS改性瀝青混合料高溫性能的影響更大。主要原因是環(huán)氧瀝青中的固化劑增強(qiáng)了混合料的整體強(qiáng)度，在高溫環(huán)境下，環(huán)氧瀝青逐漸軟化，但其樹脂成分和固化劑的軟化點(diǎn)較高，即使溫度達(dá)到70 ℃，對其影響仍不明顯。

圖3 2種瀝青混合料的動穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果

圖4 2種瀝青混合料的60 min車轍深度試驗(yàn)結(jié)果

2.3 水穩(wěn)定性

對2種瀝青混合料進(jìn)行水穩(wěn)定性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖5、圖6。

圖5 2種瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果

圖6 2種瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比試驗(yàn)結(jié)果

橋面鋪裝材料靠近水源，空氣中水分子含量較高，會對其產(chǎn)生長期劣化侵蝕。因此，需格外關(guān)注橋面鋪裝材料的水穩(wěn)定性。由圖5、圖6可知：環(huán)氧瀝青混合料、SBS改性瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度分別為96.5%、88.6%，凍融劈裂強(qiáng)度比分別為92.5%、86.6%，環(huán)氧瀝青混合料的水穩(wěn)定性明顯優(yōu)于SBS改性瀝青混合料。環(huán)氧瀝青中的樹脂成分極大增強(qiáng)了瀝青的黏聚性，固化劑也在一定程度上促進(jìn)了材料結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。加上環(huán)氧瀝青混合料的空隙率較小，在浸水和凍融環(huán)境下，水分子沿結(jié)構(gòu)空隙進(jìn)入混合料內(nèi)部的概率較小，對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損傷風(fēng)險(xiǎn)大大降低。

2.4 低溫抗裂性

對2種瀝青混合料進(jìn)行低溫小梁開裂試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖7。

圖7 2種瀝青混合料的低溫小梁開裂試驗(yàn)結(jié)果

對小梁開裂試驗(yàn)過程中對應(yīng)的破壞應(yīng)變進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，破壞應(yīng)變越大，表明混合料在低溫環(huán)境下開裂的風(fēng)險(xiǎn)越小。由圖7可知：環(huán)氧瀝青混合料的破壞應(yīng)變整體大于SBS改性瀝青，0和-10 ℃時前者的破壞應(yīng)變約為后者的1.4倍，-15 ℃時約為后者的2倍，服役環(huán)境溫度越低，2種瀝青混合料在低溫抗裂性能方面的差異越大。橋面鋪裝層在冬季環(huán)境下平均溫度低于-10 ℃，橋面材料變得更脆硬，這就要求鋪裝層材料具備較好的延展性和韌性。環(huán)氧瀝青混合料中含有樹脂成分，本身具備一定的彈性變形能力，在低溫環(huán)境下，環(huán)氧樹脂充分發(fā)揮其韌性特點(diǎn)，能抵抗外部荷載對其的開裂影響。

2.5 抗疲勞性能

采用450、650、850 με應(yīng)變σ控制水平進(jìn)行疲勞加載，試驗(yàn)結(jié)果見表6、圖7。

由表6、圖8可知：環(huán)氧瀝青混合料的疲勞壽命遠(yuǎn)高于SBS改性瀝青，450、650、850 με應(yīng)變控制水平下，前者的疲勞壽命分別是后者的30.4、27.3和22.3倍。從圖8來看，2種瀝青混合料的衰變規(guī)律較接近。表明環(huán)氧瀝青的加入能顯著提升混合料的抗疲勞性能，且在長期道路服役過程中，其劣化速率沒有發(fā)生明顯提升。環(huán)氧瀝青混合料的勁度模量較大，具備較好的彈韌性和抗變形能力，能緩解路面的開裂損傷和疲勞損傷，延長路面服役壽命。

表6 2種瀝青混合料的疲勞壽命

圖8 2種瀝青混合料的疲勞壽命衰變曲線

3 結(jié)論

以橋面鋪裝材料為研究對象，采用環(huán)氧瀝青和SBS改性瀝青分別制備瀝青混合料并進(jìn)行相關(guān)性能試驗(yàn)分析，得到如下結(jié)論：

(1) 常溫環(huán)境下，環(huán)氧瀝青混合料的勁度模量約為SBS改性瀝青的1.9倍，且其受溫度變化所產(chǎn)生的性能劣化影響程度小于后者。

(2) 在60和70 ℃條件下，環(huán)氧瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性對溫度的敏感性小于SBS改性瀝青。

(3) 在水穩(wěn)定性方面，2種瀝青混合料均能達(dá)到使用標(biāo)準(zhǔn)，但環(huán)氧瀝青的黏度更高，混合料的黏聚性和整體穩(wěn)定性更優(yōu)。

(4) 在抵抗低溫開裂性能方面，環(huán)氧瀝青混合料的性能更顯著；在低應(yīng)變控制水平下，環(huán)氧瀝青混合料的疲勞壽命約為SBS改性瀝青的30倍，具備較好的抗疲勞性能和耐久性能。