環(huán)氧樹脂瀝青混合料的溫度適應性研究

王保生

（山西交控路網(wǎng)應急指揮中心，山西 太原 030006）

受大風影響較多地區(qū)的橋梁，如其跨徑比較大，加上橋梁自身整體剛度不大，臺風或者地震作用下，其橋面板以及路面都會產(chǎn)生很大的變形，同時鋪裝的普通瀝青路面由于其韌性不足，極易產(chǎn)生破壞，橋梁對瀝青路面的各項技術指標要求更為苛刻[1-2]。環(huán)氧樹脂瀝青由于強度高，韌性好，適應橋面變形和抗化學物質侵蝕能力強，常作為橋面鋪裝的良好材料[3-5]。王新明、趙鋒軍、閔召輝、黃衛(wèi)[6-8]對環(huán)氧樹脂瀝青的黏彈性能進行了系統(tǒng)研究。為了改善環(huán)氧樹脂瀝青混合料的路用性能，延長其壽命周期，本文結合MTS加載、車轍和拉拔等室內(nèi)試驗，對不同溫度條件下環(huán)氧樹脂添加劑量對性能影響進行研究，從而確定最佳環(huán)氧樹脂摻量，為橋面鋪裝環(huán)氧瀝青材料的推廣應用提供參考。

1 原材料

試驗中采用的試驗原材料主要包括環(huán)氧瀝青樹脂、70號A級道路石油瀝青、集料和礦粉等。參照規(guī)范[9]，原材料技術性能見表1～表4所示。

表1 環(huán)氧樹脂技術性能指標

表2 70號A級道路石油瀝青檢測結果表

表3 集料常規(guī)指標檢測結果

表4 礦粉常規(guī)指標檢測結果

基于以上原材料選擇和性能結果，進行集料篩分試驗和級配選擇。表5為集料的百分通過率表，圖1為相應級配圖。

表5 集料的百分通過率/%

圖1 集料級配圖

當油石比為6.5%時，3種級配的瀝青混合料的各項馬歇爾體積指標見表6。

表6 各級配馬歇爾體積性質

由表6中的數(shù)據(jù)可知，a、b、c三種級配均滿足要求，因此采用更接近于目標空隙率的級配b作為最終試驗的設計級配，具體級配結果為AC-25C。

2 試驗方案

為確定最優(yōu)環(huán)氧瀝青摻量，擬研究10℃、0℃和-5℃三種不同溫度條件下，環(huán)氧樹脂的添加劑量對瀝青混合料的黏彈性能、抗疲勞性能、高溫性能，以及橋面鋪裝層與橋面板之間的黏結性能的影響。其中高溫性能車轍試驗匯總，采用45℃、60℃和75℃三種不同的溫度。45℃模擬的是常溫狀態(tài)，陽光照射下，瀝青路面的溫度；60℃在車轍試驗中通常用來模擬瀝青路面的極限高溫狀態(tài)，作為一個對比試驗組；75℃模擬的是國內(nèi)夏季高溫地區(qū)，在高溫天氣時，黑色路面吸熱達到的極端溫度。結合工程經(jīng)驗，試驗試件采用油石比均為6.5%，圖2為方案設計流程圖。

圖2 試驗方案流程圖

3 試驗結果及分析

3.1 黏彈性能試驗結果與分析

采用小梁彎曲蠕變來測試試件的黏彈性能。以蠕變試驗彎拉應變?yōu)闄z測指標，通過蠕變試驗研究環(huán)氧樹脂混合料在10℃、0℃和-5℃三種溫度條件下，不同的環(huán)氧樹脂添加劑量對環(huán)氧樹脂混合料的黏彈性能影響。試驗設備為MTS試驗機，有效試驗時間為60 min。每組試驗的平行試驗有效試件個數(shù)不得小于3個，記錄平行試驗所有試件的蠕變彎拉應變，取其均值作為最終試驗結果。其試驗結果如圖3所示。

圖3 彎拉應變與環(huán)氧樹脂摻量的關系

由圖3可知，在溫度為10℃的環(huán)氧樹脂瀝青混合料試件的彎拉應變，隨著環(huán)氧樹脂摻量的增加而逐漸增大。溫度為-5℃和0℃的環(huán)氧樹脂瀝青混合料試件的彎拉應變，隨著環(huán)氧樹脂摻量的增加而逐漸減小。這是因為環(huán)氧樹脂在溫度低于0℃的情況下是一種易脆性材料。當瀝青混合料的試驗溫度在0℃以下時，隨著瀝青混合料中環(huán)氧樹脂添加劑量的增加，其低溫易脆性材料在混合料中的比重越來越大，因此環(huán)氧樹脂瀝青混合料的彎拉應變就會越來越小。相反，如果在0℃以上，瀝青混合料隨著環(huán)氧樹脂材料添加劑量的增加，能夠有效增強整體結構的柔韌性和流變性。因此10℃的環(huán)氧樹脂瀝青混合料具有較強的適應橋面板變形能力，性能表現(xiàn)更為優(yōu)良。

3.2 高溫穩(wěn)定性試驗結果與分析

采用車轍試驗來測試不同環(huán)氧樹脂添加劑量的試件高溫性能。在車轍試驗中采用45℃、60℃和75℃三種不同的溫度。以動穩(wěn)定度為檢測指標，對比研究45℃、60℃和75℃三種溫度條件下，不同改性劑摻量對混合料高溫性能影響。其試驗結果如圖4所示。

圖4 動穩(wěn)定度與環(huán)氧樹脂摻量的關系

由圖4中可知，3種不同溫度的試件在不添加環(huán)氧樹脂的條件下其動穩(wěn)定度均不滿足規(guī)范中橋梁路面大于等于3 000次/mm的要求。當加入環(huán)氧樹脂15%以上時，均滿足規(guī)范要求。在45℃、60℃和75℃三種溫度條件下，環(huán)氧樹脂添加劑量的增加，其動穩(wěn)定度也隨之提高。說明適當劑量的環(huán)氧樹脂能夠有效提高試件的高溫性能。在環(huán)氧樹脂摻量為0～35%時，環(huán)氧樹脂瀝青混合料在3種溫度條件下的動穩(wěn)定度提高非常明顯。當環(huán)氧樹脂添加劑量達到35%以上時，45℃試件的動穩(wěn)定度提高0.2%，60℃試件的動穩(wěn)定度提高0.7%，75℃試件的動穩(wěn)定度提高0.7%，提高不明顯，甚至呈現(xiàn)出下降趨勢。由此說明，當環(huán)氧樹脂的添加劑量為35%時，此時3種溫度條件下的瀝青混合料動穩(wěn)定度增長速率達到最大值。在實際工程中，如果采用70號A級道路石油瀝青來制備環(huán)氧樹脂瀝青混合料，建議環(huán)氧樹脂材料的添加劑量為35%。

3.3 抗疲勞性能試驗結果與分析

參照規(guī)范[9]，采用小梁彎曲試驗，以試驗加載次數(shù)為評價指標，加載方式為三分點加載，應力比（疲勞應力/破壞強度）采用0.4，對比研究環(huán)氧樹脂混合料在10℃、0℃和-5℃三種溫度條件下，不同的環(huán)氧樹脂添加劑量對環(huán)氧樹脂混合料的抗疲勞性能影響。每組試驗的平行試驗有效試件個數(shù)不得小于3個。其試驗結果如圖5所示。

由圖5中可知，在10℃、0℃和-5℃三種溫度條件下，環(huán)氧樹脂瀝青混合料的疲勞壽命，隨著環(huán)氧樹脂添加劑量的增加而升高。在環(huán)氧樹脂摻量為0～35%時，瀝青混合料的疲勞壽命提高速率均很大。當環(huán)氧樹脂添加劑量達到35%以上時，10℃試件的疲勞壽命提高0.2%，0℃試件的疲勞壽命提高0.1%，-5℃試件的疲勞壽命提高0.1%。由此可知，當環(huán)氧樹脂的添加劑量為35%時，此時3種溫度條件下的瀝青混合料疲勞壽命增長速率同時達到最大值。在橋面鋪裝材料中，建議環(huán)氧樹脂材料的添加劑量為35%，此時環(huán)氧樹脂瀝青混合料的疲勞壽命能夠達到較優(yōu)水平，可以有效降低維修養(yǎng)護的次數(shù)，一定程度節(jié)省建設成本。

圖5 疲勞壽命與環(huán)氧樹脂摻量的關系

3.4 黏結性能試驗結果與分析

參照規(guī)范[9]，通過拉拔試驗對比研究環(huán)氧樹脂混合料在10℃、0℃和-5℃三種溫度條件下，不同的環(huán)氧樹脂添加劑量對環(huán)氧樹脂混合料與橋面板間的黏結性能影響。將試件放入10℃、0℃和-5℃三種溫度的冰箱中保溫2.5 h，隨后進行拉拔試驗。試驗結果如圖6所示。

圖6 拉拔強度與環(huán)氧樹脂摻量的關系

由圖6可知，在10℃、0℃和-5℃三種溫度條件下，環(huán)氧樹脂瀝青混合料與橋面板間的黏結性能，隨著環(huán)氧樹脂添加劑量的增加而升高。且拉拔強度均滿足以往工程設計經(jīng)驗大于等于1.2 MPa的要求。在環(huán)氧樹脂摻量為0～35%時，鋪裝層與橋面板間的黏結性能提高速率均很大。當環(huán)氧樹脂添加劑量達到35%以上時，10℃試件的黏結性能提高0.3%，0℃試件的黏結性能提高0.6%，-5℃試件的黏結性能提高0.7%，均不足1%。由此可知，當環(huán)氧樹脂的添加劑量為35%時，此時3種溫度條件下的鋪裝層與橋面板間的拉拔強度增長速率同時達到最大值。在橋面鋪裝材料中，建議環(huán)氧樹脂材料的添加劑量為35%。

4 結語

a）環(huán)氧樹脂瀝青混合料在10℃時具有較強的適應橋面板變形能力，性能表現(xiàn)更為優(yōu)良，建議在冬季0℃以上地區(qū)使用。

b）如果采用70號A級道路石油瀝青來制備環(huán)氧樹脂瀝青混合料，建議環(huán)氧樹脂材料的添加劑量為35%，此時高溫穩(wěn)定性和疲勞壽命均相對最優(yōu)。

c）當環(huán)氧樹脂的添加劑量為35%時，此時3種溫度條件下的鋪裝層與橋面板間的拉拔強度增長速率同時達到最大值。