鋼橋面鋪裝環(huán)氧瀝青材料及其組合結(jié)構(gòu)性能研究

劉 洋， 郝增恒， 劉 攀,， 李春揚(yáng)， 王 濤， 李 凱

(1.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 重慶 400074； 2.重慶市智翔鋪道技術(shù)工程有限公司， 重慶 401336)

大跨徑鋼橋面鋪裝對材料的力學(xué)性能、界面粘結(jié)性能、變形能力、疲勞性能、高低溫性能等要求苛刻。環(huán)氧瀝青作為熱反應(yīng)型材料，其熱穩(wěn)定性良好、強(qiáng)度高、抗疲勞性優(yōu)異、抗老化性好、性能穩(wěn)定，這些優(yōu)越性能相較其他鋪裝材料更有競爭力。環(huán)氧瀝青作為鋪裝層時(shí)，不易發(fā)生車轍、推移、擁包等病害，極適宜用于高溫重載地區(qū)[1-2]。21世紀(jì)以來，環(huán)氧瀝青材料先后在我國的南京長江二橋、杭州灣跨海大橋(北航道橋)、天津富民橋、蘇通長江公路大橋、重慶魚嘴兩江大橋、舟山金塘大橋、武漢天興洲公鐵兩用長江大橋、荊岳長江大橋、瀘州黃艤長江大橋等鋼橋面鋪裝工程得到了廣泛應(yīng)用。

目前，國內(nèi)在環(huán)氧瀝青的開發(fā)與研究方面已取得一定的成果。周威等[3]結(jié)合DSC對比分析了癸二酸、甲基四氫苯與桐油酸酐3種固化劑的環(huán)氧瀝青固化過程，認(rèn)為以桐油酸酐作為固化劑更適用于環(huán)氧瀝青的實(shí)際應(yīng)用。叢培良等[4]以苯乙烯—丁二烯—苯乙烯嵌段共聚物(SBS)改性環(huán)氧瀝青，改善了環(huán)氧瀝青的斷裂伸長率與低溫性能。張?jiān)銎降萚5]針對環(huán)氧瀝青柔韌性差的缺點(diǎn)，選擇環(huán)氧樹脂與聚氨酯復(fù)配改性90#基質(zhì)瀝青，分析得出EP/PU復(fù)合改性瀝青混合料具有良好的路用性能。黃維蓉等[6]選用雙酚A型環(huán)氧樹脂E44制備環(huán)氧瀝青，并以硅藻土作為載體提高其經(jīng)濟(jì)性。陸學(xué)敏等[7]結(jié)合馬來酸酐與引發(fā)劑過氧化二異苯丙與基質(zhì)瀝青接枝制備改性瀝青后，對其摻入環(huán)氧樹脂制備環(huán)氧瀝青，并采用離析法與熒光顯微鏡研究改性瀝青與環(huán)氧樹脂相容性。

為滿足鋼橋面鋪裝層對材料性能的要求，并降低成本，項(xiàng)目組開發(fā)出了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的環(huán)氧瀝青材料。通過對自制環(huán)氧瀝青材料(包括結(jié)合料、粘結(jié)劑及混合料)與國產(chǎn)、進(jìn)口環(huán)氧瀝青材料的技術(shù)性能進(jìn)行對比分析，以評價(jià)不同環(huán)氧瀝青材料鋼橋面鋪裝組合結(jié)構(gòu)的路用性能。

1 材料組成及試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原材料

選擇3種環(huán)氧瀝青材料(包括結(jié)合料和粘結(jié)劑)，分別為自制環(huán)氧瀝青(簡稱ZZEA)、進(jìn)口環(huán)氧瀝青(JKEA)和國產(chǎn)環(huán)氧瀝青(GCEA)及其對應(yīng)的粘結(jié)劑。

選擇玄武巖集料，石灰?guī)r礦粉，其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)符合規(guī)范要求，級配設(shè)計(jì)如圖1所示。A組分加熱溫度80 ℃～90 ℃，B組分加熱溫度120 ℃～130 ℃，為保證其粘度較低，將A組分和B組分?jǐn)嚢杈鶆?，集料加熱溫?20 ℃～130 ℃，控制拌和溫度120 ℃，油石比6.6%，相同條件下制備3種環(huán)氧瀝青混合料EA-10。

圖1 EA-10級配設(shè)計(jì)

1.2 試驗(yàn)方法

3種環(huán)氧瀝青材料在120 ℃加速養(yǎng)護(hù)6 h即可形成最終強(qiáng)度，常溫放置1 d即可進(jìn)行性能試驗(yàn)。根據(jù)相關(guān)技術(shù)規(guī)范要求，針對不同指標(biāo)，對環(huán)氧瀝青材料進(jìn)行下列試驗(yàn)：

1) 粘度試驗(yàn)和拉伸試驗(yàn)，分析評價(jià)環(huán)氧瀝青材料的施工容留時(shí)間與拉伸性能。

2) 馬歇爾試驗(yàn)、車轍試驗(yàn)、小梁彎曲試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)，分析評價(jià)混合料路用性能，包括馬歇爾穩(wěn)定度、高溫性能、低溫性能和水穩(wěn)定性。

3) 拉拔試驗(yàn)、組合結(jié)構(gòu)車轍試驗(yàn)，分析評價(jià)環(huán)氧瀝青混合料鋪裝結(jié)構(gòu)的界面粘結(jié)性能和高溫性能。

2 環(huán)氧瀝青性能研究

2.1 基本性能

3種環(huán)氧瀝青材料基本性能測試結(jié)果如表1所示。

表1 環(huán)氧瀝青基本性能測試結(jié)果

由表1可知，完全固化后的3種環(huán)氧瀝青材料均為黑色固體，在300 ℃下均不熔化，且基本不吸水，表現(xiàn)出優(yōu)異的熱固性和不吸水性。

2.2 容留時(shí)間

環(huán)氧瀝青粘度隨時(shí)增益，易導(dǎo)致攤鋪困難及碾壓不密實(shí)，出現(xiàn)廢料較多，施工困難[8]。將初始粘度至粘度達(dá)到1 000 mPa·s的時(shí)間作為容留時(shí)間，在容留時(shí)間范圍內(nèi)，可滿足順利進(jìn)行運(yùn)輸、施工碾壓等需求[9]。采用布氏旋轉(zhuǎn)粘度試驗(yàn)，研究環(huán)氧瀝青粘度隨時(shí)間的動態(tài)演變規(guī)律，120 ℃條件下，3種環(huán)氧瀝青材料粘度測試結(jié)果如圖2所示。

(a) 結(jié)合料

(b) 粘結(jié)劑

從圖2可見，在120 ℃條件下，環(huán)氧瀝青材料的結(jié)合料與粘結(jié)劑均存在“時(shí)間節(jié)點(diǎn)”。具體表現(xiàn)為：1) 在該時(shí)間節(jié)點(diǎn)前，粘度增長緩慢，無明顯增益。反應(yīng)初期，A、B組分混合后產(chǎn)生較高分子反應(yīng)性齊聚物，環(huán)氧體系中存在不均勻微凝膠體，粘度較低。2) 隨著反應(yīng)時(shí)間的延長，環(huán)氧瀝青中微凝膠體遞增，融合成大凝膠體，粘度迅增，形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，粘度進(jìn)一步增大，形成凝膠狀聚合物，固化的環(huán)氧瀝青不具有流動性[10]。3種環(huán)氧瀝青結(jié)合料的容留時(shí)間長短順序?yàn)椋篔KEA(64 min)>ZZEA(61 min)>GCEA(58 min)，均超過55 min；3種環(huán)氧瀝青粘結(jié)劑容留時(shí)間均介于27 min～33 min之間，完全滿足施工需求。綜合比較而言，進(jìn)口環(huán)氧瀝青材料與自制環(huán)氧瀝青材料的容留時(shí)間更具有優(yōu)勢。

2.3 拉伸性能

將3種環(huán)氧瀝青成型為啞鈴形試件，固化完全后測試其拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率，試驗(yàn)溫度23 ℃，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

(a) 拉伸強(qiáng)度

(b) 斷裂伸長率

從圖3可以看出，JKEA、GCEA、ZZEA結(jié)合料拉伸強(qiáng)度分別為4.16 MPa、3.6 MPa、3.01 MPa，斷裂伸長率分別為290.94%、250.35%、243.56%，ZZEA結(jié)合料與GCEA結(jié)合料斷裂伸長率相差較小，但3種結(jié)合料斷裂伸長率均大于240%；JKEA、GCEA、ZZEA粘結(jié)劑拉伸強(qiáng)度分別為7.05 MPa、6.31 MPa、6.5 MPa，斷裂伸長率分別為260.61%、215.83%、220.72%，ZZEA粘結(jié)劑與GCEA粘結(jié)劑斷裂伸長率差異性較小，但3種粘結(jié)劑斷裂伸長率均大于210%。經(jīng)加速養(yǎng)生固化成型后，3種環(huán)氧瀝青結(jié)合料與粘結(jié)劑固化形成密實(shí)的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮了環(huán)氧樹脂的優(yōu)良性能，表現(xiàn)出優(yōu)異的韌性和強(qiáng)度，具有良好的拉伸性能。

綜上分析，3種環(huán)氧瀝青結(jié)合料均具有較為優(yōu)異的性能。在相同條件下，進(jìn)一步研究環(huán)氧瀝青混合料的路用性能。

3 環(huán)氧瀝青混合料性能研究

3.1 馬歇爾穩(wěn)定度

進(jìn)行EA-10的馬歇爾試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度60 ℃，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

從表2可見，3種環(huán)氧瀝青混合料未固化試件的穩(wěn)定度基本一致，環(huán)氧瀝青還未反應(yīng)階段，環(huán)氧體系內(nèi)僅有少部分微凝膠體，未形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，對集料的裹覆性差、粘聚性低，具體表現(xiàn)為環(huán)氧瀝青混合料穩(wěn)定度較小。當(dāng)試件養(yǎng)護(hù)固化完全后，環(huán)氧瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度顯著提升[11]。經(jīng)對比，得出3種材料固化后穩(wěn)定度大小依次為：JKEA>ZZEA>GCEA>50 kN，流值介于3.5 mm～4.0 mm之間，抗塑性變形能力優(yōu)異。

表2 EA-10馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

3.2 高溫性能

進(jìn)行EA-10的車轍試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度70 ℃，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 EA-10車轍試驗(yàn)結(jié)果

從表3可知，70 ℃下3種環(huán)氧瀝青混合料的動穩(wěn)定度均可達(dá)到60 000次/mm以上。不同于其他類型鋪裝材料，環(huán)氧瀝青混合料具有熱固性，在高溫狀態(tài)下依舊呈高強(qiáng)度固體狀，溫度敏感性低，因此在重載車輪重復(fù)加載的條件下，其車轍深度幾乎沒有變化，高溫抗車轍性能十分優(yōu)異。

3.3 低溫性能

進(jìn)行EA-10的小梁三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度-10 ℃，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

在鋼橋面鋪裝中，由于鋪裝材料能為鋼橋面提供一定的復(fù)合剛度和足夠的抗變形能力，因此，需鋪裝材料兼?zhèn)漭^高的彎拉強(qiáng)度與較低的彎曲勁度模量[12]。從表4可知，3種環(huán)氧瀝青EA-10在-10 ℃條件下極限抗彎拉強(qiáng)度均大于28 MPa，極限彎拉應(yīng)變均高于4 000 με，彎曲勁度模量在7 000 MPa左右，說明3種混合料的低溫性能差異較小，低溫抗裂性能良好。

表4 EA-10小梁三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)結(jié)果

3.4 水穩(wěn)定性

進(jìn)行EA-10的凍融劈裂試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 EA-10凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

從表5可以看出，3種環(huán)氧瀝青混合料經(jīng)凍融劈裂后，抗劈裂強(qiáng)度變化較小，凍融劈裂強(qiáng)度比大小為：JKEA>ZZEA>GCEA>85%，滿足鋼橋面鋪裝規(guī)范的要求，說明3種環(huán)氧瀝青均具有優(yōu)異的水穩(wěn)定性，能有效防止因水侵蝕引起鋼橋面鋪裝層的破壞。

綜上分析，3種環(huán)氧瀝青混合料及粘結(jié)劑均具有優(yōu)異的性能。在相同條件下，進(jìn)一步研究雙層環(huán)氧瀝青混合料鋪裝組合結(jié)構(gòu)的路用性能。

4 鋪裝結(jié)構(gòu)性能研究

4.1 界面粘結(jié)性能

在鋼橋面鋪裝體系中，防水粘結(jié)層承受汽車荷載水平及垂直應(yīng)力的作用，在鋼橋面鋪裝體系中是最薄弱的環(huán)節(jié)。鋼橋面層間粘結(jié)強(qiáng)度一定程度上決定了鋼橋面鋪裝體系的疲勞耐久性能[13]，主要通過拉拔剪切試驗(yàn)來評價(jià)。

1) 鋪裝結(jié)構(gòu)與鋼板間粘結(jié)強(qiáng)度

對鋼板噴砂除銹涂覆防腐涂料，再涂覆環(huán)氧瀝青粘結(jié)劑，經(jīng)輪碾法成型對應(yīng)粘結(jié)劑材料的環(huán)氧瀝青混合料，鉆心后粘結(jié)拉頭。待養(yǎng)護(hù)完全后進(jìn)行拉拔試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 不同鋪裝結(jié)構(gòu)與鋼板間的拉拔試驗(yàn)結(jié)果

從表6可見，當(dāng)溫度從25 ℃升至60 ℃時(shí)，環(huán)氧瀝青粘結(jié)劑與鋼板間的粘結(jié)強(qiáng)度下降了約70%，基于同種溫度，3種環(huán)氧瀝青鋪裝結(jié)構(gòu)與鋼板的粘結(jié)強(qiáng)度大小次序?yàn)镴KEA>ZZEA>GCEA。在25 ℃條件下，與鋼板粘結(jié)強(qiáng)度均介于3.6 MPa～3.9 MPa之間，在60 ℃高溫條件下，則介于1.0 MPa～1.3 MPa之間，說明3種鋪裝結(jié)構(gòu)與鋼板均表現(xiàn)出良好的粘結(jié)性能，能夠保護(hù)鋼板，能有效防止鋪裝層與鋼板間發(fā)生推移，給予鋪裝結(jié)構(gòu)良好的界面安全性、變形協(xié)調(diào)能力[14]。

2) 鋪裝結(jié)構(gòu)層間粘結(jié)強(qiáng)度

成型30 mm下面層3種環(huán)氧瀝青材料EA-10，涂覆對應(yīng)的環(huán)氧瀝青粘結(jié)劑，再成型30 mm同種環(huán)氧瀝青混合料，鉆心后粘結(jié)拉頭。待養(yǎng)護(hù)完全后進(jìn)行拉拔試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

表7 鋪裝結(jié)構(gòu)層間拉拔試驗(yàn)結(jié)果

從表7可見，在25 ℃條件下，其粘結(jié)強(qiáng)度介于3.5 MPa～3.7 MPa之間，在60 ℃條件下，粘結(jié)強(qiáng)度則介于1.0 MPa～1.2 MPa之間。結(jié)合前述研究結(jié)果，3種鋪裝結(jié)構(gòu)均具有十分優(yōu)異的界面粘結(jié)性能。環(huán)氧瀝青粘結(jié)劑優(yōu)異的粘結(jié)性能可有效提升鋪裝體系的整體抗剪強(qiáng)度，使得鋪裝層上、下面層共同承擔(dān)行車荷載，避免上面層與下面層間在承擔(dān)荷載作用下產(chǎn)生應(yīng)力集中，降低或避免脫層病害，進(jìn)而提升鋪裝結(jié)構(gòu)整體性能與使用壽命。

4.2 高溫性能

按照“30 mm鋪裝下面層環(huán)氧瀝青混合料+環(huán)氧瀝青粘結(jié)劑+30 mm鋪裝上面層環(huán)氧瀝青混合料”成型組合結(jié)構(gòu)車轍板，并進(jìn)行車轍試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度70 ℃，試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。

表8 鋪裝結(jié)構(gòu)車轍試驗(yàn)結(jié)果

從表8可見，3種鋪裝組合結(jié)構(gòu)動穩(wěn)定度均高于60 000次/mm，車轍深度低于0.3 mm。3種環(huán)氧瀝青EA-10高溫抗車轍性能優(yōu)異，賦予其鋪裝結(jié)構(gòu)同樣優(yōu)異的高溫性能，在高溫重載的服役條件下尤有優(yōu)勢[15]。

5 結(jié)論

本文研究了3種環(huán)氧瀝青材料及其鋪裝結(jié)構(gòu)的路用性能，主要結(jié)論如下：

1) 3種環(huán)氧瀝青結(jié)合料容留時(shí)間高于55 min，其粘結(jié)劑容留時(shí)間介于27 min～33 min之間，完全滿足施工要求。拉伸性能方面，JKEA結(jié)合料與粘結(jié)劑表現(xiàn)優(yōu)異，ZZEA較2種環(huán)氧瀝青材料差異性較小，表現(xiàn)出足夠的韌性與強(qiáng)度。

2) 3種環(huán)氧瀝青混合料EA-10完全固化后，馬歇爾穩(wěn)定度均超過50 kN，抗塑性變形能力優(yōu)異，70 ℃條件下動穩(wěn)定度均大于60 000次/mm，-10 ℃低溫彎曲應(yīng)變均大于4 000 με，凍融劈裂強(qiáng)度比均達(dá)到85%以上，路用性能優(yōu)異。

3) 25 ℃下，3種環(huán)氧瀝青鋪裝結(jié)構(gòu)與鋼板及層間粘結(jié)強(qiáng)度均大于3.5 MPa，60 ℃下均超過1 MPa，70 ℃動穩(wěn)定度均大于60 000次/mm，表現(xiàn)出良好的界面粘結(jié)性能、高溫性能，在高溫重載條件下具有良好的服役性。

4) 自制溫拌環(huán)氧瀝青材料具有較為優(yōu)異的使用性能，整體上達(dá)到了同類材料的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，能夠滿足鋼橋面鋪裝對材料苛刻的要求。