鋼橋面鋪裝用環(huán)氧瀝青混合料抗反射裂縫性能試驗(yàn)

鄭 禎 牟壓強(qiáng) 郭大進(jìn) 徐默楠 王永俊 劉維娟 郭榮鑫* 封基良

(昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院云南省土木工程防災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1) 昆明 650504)(楚雄彝族自治州自然資源和規(guī)劃局2) 楚雄 675000) (云南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司3) 昆明 650000)(昭通昭樂高速公路投資開發(fā)有限公司4) 昭通 657000) (云南暢坦科技有限公司5) 昆明 650500)

0 引 言

常用評價(jià)瀝青混合料抗裂性能的試驗(yàn)方法主要有：劈裂試驗(yàn)、四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)和半圓彎曲試驗(yàn)等，這些試驗(yàn)方法與瀝青混合料實(shí)際服役過程中受力情況存在較大差異，導(dǎo)致試驗(yàn)測試結(jié)果存在不客觀性，進(jìn)而導(dǎo)致瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不合理性，嚴(yán)重影響了瀝青路面的耐久性與可靠性[1-2]．而overlay tester(OT)試驗(yàn)可模擬瀝青鋪裝層受下部水平拉應(yīng)力情況下的抗裂性能，與實(shí)際瀝青鋪裝層反射裂縫發(fā)展過程的受力狀況比較吻合，且試驗(yàn)試件制備方法簡單、用時(shí)短，可較好地評價(jià)加鋪在舊瀝青路面、原有水泥混凝土路面及鋼橋面板瀝青混合料面層的抗反射裂縫性能[3-4]．

美國德克薩斯州交通研究中心已頒發(fā)的TEX-248-F規(guī)范，對OT試驗(yàn)參數(shù)做了一些規(guī)定,其中要求采用水平位移控制模式，目標(biāo)位移值為0.635 mm(沒有給出任何解釋)．文獻(xiàn)[5]利用有限元程序?qū)σ?guī)范目標(biāo)位移值是否適用于評價(jià)鋼橋面鋪裝層材料抗反射裂縫性能進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果得出規(guī)范目標(biāo)位移值不適用于評價(jià)鋼橋面鋪裝層材料抗反射裂縫性能，并推薦0.063 mm作為目標(biāo)位移值．

為驗(yàn)證規(guī)范要求目標(biāo)位移0.635 mm及文獻(xiàn)[5]推薦目標(biāo)位移值0.063 mm是否適用于分析鋼橋面鋪裝用環(huán)氧瀝青混合料的抗反射裂縫性能，同時(shí)為探究外界環(huán)境因素對其抗反射裂縫性能的影響．設(shè)置0.063，0.135，0.235和0.635 mm四個(gè)目標(biāo)位移值．根據(jù)確定的最佳目標(biāo)位移值，測定環(huán)氧瀝青、SBS改性瀝青混合料在常規(guī)條件下及長期老化、凍融后的抗反射裂縫性能，揭示環(huán)氧瀝青混合料的抗反射裂縫性能衰變規(guī)律．

1 試件制備

1.1 原材料

采用FY環(huán)氧瀝青[6]和SBS改性瀝青，其中FY環(huán)氧瀝青A/B組分質(zhì)量比例為100∶705，密度為1.081 g/cm3,斷裂伸長率為246%，F(xiàn)Y環(huán)氧瀝青B組分配方由某科技有限公司提供，具體技術(shù)參數(shù)見文獻(xiàn)[6]；SBS改性瀝青為殼牌基質(zhì)SBS I-D型改性瀝青，其技術(shù)指標(biāo)測試結(jié)果見表1．

表1 殼牌基質(zhì)SBS Ι-D型改性瀝青技術(shù)指標(biāo)

選擇SAC系列中的SAC-10作為試驗(yàn)用瀝青混合料的礦料級配，混合料的粗集料選用玄武巖，細(xì)集料選用石灰?guī)r，礦粉選用石灰?guī)r礦粉,粗細(xì)集料和礦粉的技術(shù)性能均能滿足文獻(xiàn)[7]要求，SAC-10礦料級配見表2．環(huán)氧瀝青和SBS改性瀝青混合料的最佳油石比分別為5.0%、5.3%，兩種瀝青混合料的馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果見表3．

表2 SAC-10設(shè)計(jì)級配

表3 兩種瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

1.2 OT試件制備

1) 制備環(huán)氧瀝青混合料OT試件 采用“后摻法”施工工藝拌制環(huán)氧瀝青混合料，通過ZY-4型振動壓實(shí)成型機(jī)成形尺寸為直徑×厚度為150 mm×150 mm的試件(不斷改變振動時(shí)間和振動頻率，以目標(biāo)空隙率為設(shè)計(jì)指標(biāo)，最終確定擊實(shí)頻率為28 Hz，擊實(shí)時(shí)間為50 s，一個(gè)試件所需的用量為6 649 g,分兩層壓實(shí)成型)，然后將成型好的試件帶模放入120 ℃恒溫烘箱中養(yǎng)生4 h，常溫放置24 h．使用ZDQ95-8型油浸式連體切割機(jī)切割固化后的試件，得到尺寸為150 mm×76 mm×38 mm(長×寬×高)的標(biāo)準(zhǔn)OT試件．

2) 制備SBS改性瀝青混合料OT試件 采用常規(guī)工藝拌和，拌和溫度為175 ℃，壓實(shí)溫度為170 ℃，且成形后不需要養(yǎng)生，其余步驟均同上．

2 試件加載

試驗(yàn)參數(shù)見表4．加載前，需將切割好的標(biāo)準(zhǔn)OT試件用AB膠黏結(jié)在拉伸底盤上，每個(gè)試件上放置0.8 kg的配重塊，待24 h后認(rèn)為強(qiáng)度足夠，即可將整個(gè)試件安裝在OT試驗(yàn)機(jī)上，試件需保溫4 h以上才可開始加載．

表4 OT試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

OT試驗(yàn)機(jī)在加載過程中可自動記錄第一個(gè)周期拉伸荷載峰值F、每個(gè)周期的拉伸荷載峰值、試驗(yàn)周期數(shù)N、荷載損失率R、位移L和溫度T等參數(shù)．引入總斷裂能G和第一周期斷裂能Gf來進(jìn)一步評價(jià)鋼橋面鋪裝用材料的抗反射裂縫性能，其中總斷裂能由每個(gè)周期拉伸荷載峰值-周期數(shù)關(guān)系曲線下所包圍的面積(即整個(gè)周期內(nèi)所有荷載的總和)表示混合料開裂的總斷裂能，見圖1.試件第一周期開裂所需斷裂功W，見圖2．

圖1 總斷裂能示意圖

圖2 第一周期斷裂功W

第一周期斷裂能Gf評價(jià)試件初期抗裂性能，即

Gf=W/t×b

(1)

式中：Gf為斷裂能，J/m2；W為斷裂功，J；t為試件厚度，m；b為試件寬度，m．

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 不同目標(biāo)位移值下的OT結(jié)果

常規(guī)條件下，環(huán)氧瀝青混合料OT試件在0.063，0.135，0.235及0.635 mm四個(gè)目標(biāo)位移值下的OT試驗(yàn)結(jié)果見表5，相應(yīng)的拉伸荷載峰值-周期數(shù)關(guān)系曲線見圖3．通過Origin對關(guān)系曲線進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果見表6．

表5 四個(gè)目標(biāo)位移值OT試驗(yàn)結(jié)果

圖3 四個(gè)目標(biāo)位移值對應(yīng)的拉伸荷載峰值-周期數(shù)關(guān)系曲線

表6 四個(gè)目標(biāo)位移值對應(yīng)的拉伸荷載峰值-周期數(shù)關(guān)系曲線擬合結(jié)果

綜合考慮四個(gè)目標(biāo)位移值條件下重復(fù)試驗(yàn)結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差、拉伸荷載峰值與試驗(yàn)循環(huán)周期數(shù)關(guān)系曲線擬合公式的擬合逼近程度(對數(shù)函數(shù)或冪函數(shù)擬合)及試驗(yàn)過程試件的損傷程度，最終推薦0.135 mm作為環(huán)氧瀝青混合料OT試驗(yàn)的目標(biāo)位移值．

3.2 常規(guī)條件下的OT結(jié)果

常規(guī)條件下，環(huán)氧瀝青及SBS改性瀝青混合料OT試驗(yàn)結(jié)果見表7．

由表7可知:兩種瀝青混合料的試驗(yàn)周期數(shù)N均能達(dá)到1 200次，且荷載損失率R值均小于93%；當(dāng)周期數(shù)達(dá)到1 200次時(shí)，環(huán)氧瀝青混合料的荷載損失率R僅為SBS改性瀝青的一半；環(huán)氧瀝青混合料總斷裂能G是SBS改性瀝青的3倍；環(huán)氧瀝青混合料第一周期拉伸荷載峰值F、第一周期開裂所需斷裂功W及斷裂能Gf均大于SBS改性瀝青混合料，說明環(huán)氧瀝青混合料在初期形成反射裂縫需要更多的力和能量．

表7 常規(guī)條件下兩種瀝青混合料OT試驗(yàn)結(jié)果

3.3 長期老化后的OT結(jié)果

將試件放入85 ℃烘箱中進(jìn)行高溫老化，在強(qiáng)制通風(fēng)條件下連續(xù)加熱5 d，之后關(guān)閉烘箱，經(jīng)自然冷卻16 h后，開展OT試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表8．

表8 長期老化后兩種瀝青混合料OT試驗(yàn)結(jié)果

由表8可知：長期老化對環(huán)氧瀝青混合料的破壞較為明顯，而對SBS改性瀝青混合料的破壞則影響較小．即便環(huán)氧瀝青混合料荷載損失率較SBS改性瀝青大，但在裂紋起裂、發(fā)展、擴(kuò)展三個(gè)階段的破環(huán)所需的斷裂能仍比SBS改性瀝青多，說明環(huán)氧瀝青混合料具有良好的抗反射裂縫性能．

3.4 凍融后的OT結(jié)果

在97.3～98.7 kPa(730～740 mmHg)條件下真空飽水15 min，然后在(-18±2) ℃溫度下冷凍(16±1) h，最后在(60±0.5) ℃恒溫水槽中保溫24 h，作為一次凍融循環(huán)．兩種瀝青混合料在經(jīng)過凍融破壞后的OT試驗(yàn)結(jié)果見表9．

由表9可知:凍融破壞對環(huán)氧瀝青混合料的破壞較為明顯，而對SBS改性瀝青混合料的破壞則影響較小，這與混合料的空隙率有關(guān)，致密的結(jié)構(gòu)會降低水對混合料結(jié)構(gòu)的影響．即便環(huán)氧瀝青混合料荷載損失率較SBS改性瀝青大，但在裂紋起裂、發(fā)展、擴(kuò)展三個(gè)階段的破環(huán)所需的斷裂能仍比SBS改性瀝青多，說明環(huán)氧瀝青混合料本身具有良好的抗反射裂縫性能．

在不同條件下兩種瀝青混合料OT指標(biāo)變化規(guī)律見圖4[8-9]．

圖4 在不同條件下兩種瀝青混合料OT指標(biāo)變化規(guī)律

3.5 OT曲線擬合

采用式(2)～(3)對常規(guī)條件下及長期老化、凍融破壞后兩種瀝青混合料的拉伸荷載峰值-周期數(shù)關(guān)系曲線進(jìn)行(冪函數(shù)或?qū)?shù)函數(shù))擬合，擬合結(jié)果見表10．

表10 不同環(huán)境條件下OT拉伸荷載峰值-周期數(shù)關(guān)系曲線擬合結(jié)果

y=a×xb

(2)

y=A×lnx+B

(3)

式中：系數(shù)a為第一周期拉伸荷載峰值，表征初始荷載的大小；b為反射裂縫擴(kuò)展速率；A為荷載梯度，表征荷載速率變化的快慢；B代表第一周期拉伸荷載峰值，表征初始荷載的大?。?/p>

由表10可知:在3種情況條件下，環(huán)氧瀝青混合料的拉伸荷載峰值-周期數(shù)關(guān)系曲線變化規(guī)律十分符合對數(shù)函數(shù)的變化規(guī)律，變異系數(shù)R2均達(dá)到0.95以上，根據(jù)對數(shù)函數(shù)的參數(shù)A可發(fā)現(xiàn)環(huán)氧瀝青混合料在3種環(huán)境下反射裂縫擴(kuò)展速率的順序?yàn)椋簝鋈?-0.332)>長期老化(-0.311)>常規(guī)(-0.212)；而SBS改性瀝青混合料的拉伸荷載峰值-周期數(shù)關(guān)系曲線變化規(guī)律比較符合冪函數(shù)的變化規(guī)律，根據(jù)冪函數(shù)的參數(shù)a可發(fā)現(xiàn)SBS改性瀝青混合料在3種環(huán)境下反射裂縫擴(kuò)展速率相差不大，進(jìn)而推斷出長期老化、凍融破壞對SBS改性瀝青混合料抗反射裂縫性能影響較?。?/p>

4 結(jié) 論

1) OT試驗(yàn)可以有效評價(jià)鋼橋面鋪裝用環(huán)氧瀝青混合料的抗反射裂縫性能．針對鋼橋面鋪裝用環(huán)氧瀝青混合料的OT試驗(yàn)，0.135 mm目標(biāo)位移值與0.063，0.235，0.635 mm目標(biāo)位移值相比具有以下特點(diǎn)：試驗(yàn)結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)差最小、拉伸荷載峰值與試驗(yàn)循環(huán)周期數(shù)關(guān)系曲線擬合公式擬合程度最高、試驗(yàn)過程拉伸荷載峰值與試驗(yàn)循環(huán)周期數(shù)關(guān)系曲線與OT試驗(yàn)測試常規(guī)材料時(shí)的變化規(guī)律最為接近，推薦0.135 mm作為鋼橋面鋪裝用環(huán)氧瀝青混合料OT試驗(yàn)的目標(biāo)位移值．

2) 環(huán)氧瀝青混合料相較于SBS改性瀝青混合料具有較強(qiáng)的抗反射裂縫性能．長期老化、凍融破壞處理對環(huán)氧瀝青混合料抗反射裂縫性能影響較為顯著，對SBS改性瀝青混合料的影響則較?。畠鋈谄茐膶煞N瀝青混合料抗反射裂縫性能的影響較長期老化大．

3) 環(huán)氧瀝青混合料的拉伸荷載峰值-周期數(shù)曲線符合對數(shù)函數(shù)變化規(guī)律，SBS改性瀝青混合料的最大荷載-周期數(shù)曲線符合冪函數(shù)變化規(guī)律．

4) 文中通過室內(nèi)試驗(yàn)，推薦了鋼橋面鋪裝用環(huán)氧瀝青混合料OT試驗(yàn)的目標(biāo)位移值，但該目標(biāo)位移值與鋼橋面鋪裝材料受力變形特點(diǎn)的關(guān)聯(lián)性有待驗(yàn)證，還需從鋼橋面受力結(jié)構(gòu)、受力狀態(tài)，裂縫成因，應(yīng)力/應(yīng)變等方面開展更深入的研究．