鋼橋面環(huán)氧瀝青混合料鋪裝技術(shù)研究

趙正偉

（韶關(guān)市住宅建筑工程有限公司，廣東 韶關(guān) 512026）

0 引 言

隨著我國路橋建設(shè)水平的迅速發(fā)展，大跨徑橋梁在結(jié)構(gòu)設(shè)計、鋪裝材料、施工技術(shù)等方面均發(fā)生了較大的變化[1-2]。20 世紀(jì)90 年代，我國典型的橋面鋪裝材料主要為改性瀝青混合料。21 世紀(jì)以來，環(huán)氧瀝青混合料逐漸應(yīng)用于各類跨江大橋橋面建設(shè)中，長期的鋪裝使用效果得到驗證[3-4]。近年來，隨著交通流和交通荷載的持續(xù)增大，傳統(tǒng)鋼橋面環(huán)氧瀝青混合料鋪裝材料往往會出現(xiàn)不同程度的疲勞損傷和剪切開裂問題[5]。薛永超[6]、錢振東[7]等將橡膠材料與環(huán)氧瀝青進(jìn)行調(diào)配，研究改性環(huán)氧瀝青混合料路用性能。結(jié)果表明，橡膠材料可以改善環(huán)氧瀝青的低溫變形能力。郭忠寶[8]研發(fā)了高模量瀝青混合料鋪裝材料，并對其高韌性能進(jìn)行了研究。相關(guān)研究[9-10]均表明，添加外摻改性材料可在一定程度上改善環(huán)氧瀝青鋪裝材料性能，但已有研究對環(huán)氧瀝青鋪裝材料的抗疲勞性能研究較少。左惠宇[11]、馬洪忠[12]等將玄武巖纖維外摻瀝青混合料，并對路用性能進(jìn)行研究。結(jié)果表明，玄武巖纖維具有高抗韌性，可增強瀝青路面的抗疲勞性能。本研究采用外摻玄武巖纖維的方式對環(huán)氧瀝青橋面鋪裝材料的路用性能進(jìn)行研究，旨在進(jìn)一步探究鋼橋面環(huán)氧瀝青混合料鋪裝技術(shù)。

1 原材料與試驗方案

1.1 原材料

（1）環(huán)氧瀝青。研究采用的環(huán)氧瀝青產(chǎn)自山東，有A 組分環(huán)氧樹脂和B 組分瀝青與固化劑構(gòu)成，摻配比例為1∶5。環(huán)氧瀝青主要性能見表1。

表1 環(huán)氧瀝青技術(shù)性能

（2）集料。研究采用的粗細(xì)集料均為玄武巖，集料表觀干凈無雜塵，粗集料針片狀率為8.7%，壓碎值為14.2%，軟石含量低于1.5%。細(xì)集料表觀密度為2.65 g·cm-1，吸水率為1.3%。粗細(xì)集料各項性能均符合《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》（JTG D50—2017）要求。

（3）玄武巖纖維。研究采用河南產(chǎn)短切玄武巖纖維，長度為6 mm，單絲直徑為12 μm。相關(guān)技術(shù)性能見表2。

表2 玄武巖纖維技術(shù)性能

1.2 試驗方案

研究采用的玄武巖纖維摻量從0%、0.2%、0.4%～1.0%不等，將玄武巖纖維摻入環(huán)氧瀝青混合料中進(jìn)行路用性能測試?；旌狭系募壟洳捎肧MA-13，油石比為5.8%，級配曲線如圖1 所示。如圖2～圖4 所示，采用車轍試驗、低溫彎曲試驗、三點疲勞試驗分別測試?yán)w維改性環(huán)氧瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和抗疲勞性能。

圖1 SMA-13 級配曲線

圖2 車轍試驗

圖3 低溫小梁試驗

圖4 疲勞性能試驗

2 纖維改性環(huán)氧瀝青混合料性能研究

2.1 高溫穩(wěn)定性

大跨徑橋梁鋼橋面在夏季高溫環(huán)境下鋪裝層溫度可達(dá)到55～70℃。為真實模擬高溫環(huán)境下瀝青面層的抗車轍變形能力，試驗采用的加載溫度為70℃?？紤]到重載交通對鋼橋面鋪裝應(yīng)力影響，分別采用0.7 MPa、0.8 MPa、0.9 MPa 三個不同應(yīng)力加載等級進(jìn)行車轍試驗。試驗結(jié)果見表3。

表3 環(huán)氧瀝青混合料車轍試驗結(jié)果

研究將不同玄武巖纖維摻量和不同應(yīng)力加載條件下混合料的車轍深度和動穩(wěn)定度繪制成圖，如圖5、圖6 所示。

圖5 纖維改性環(huán)氧瀝青混合料車轍深度

圖6 纖維改性環(huán)氧瀝青混合料動穩(wěn)定度

由以上圖表可知，玄武巖纖維和不同應(yīng)力加載等級均會對環(huán)氧瀝青混合料的車轍深度和動穩(wěn)定度產(chǎn)生影響。70℃溫度、0.7 MPa 應(yīng)力加載條件下，不同玄武巖纖維摻量下環(huán)氧瀝青混合料的車轍深度均小于1 mm，動穩(wěn)定度值達(dá)到1.2 萬次/mm。其中，車轍深度隨纖維摻量增大呈先減小后增大，動穩(wěn)定度值呈先增大后減小的趨勢。0.8 MPa 和0.9 MPa 應(yīng)力控制條件下，混合料的車轍深度和動穩(wěn)定度隨纖維摻量變化均呈相應(yīng)趨勢。不同應(yīng)力控制條件下，0.6%玄武巖纖維環(huán)氧瀝青混合料的動穩(wěn)定值整體最優(yōu)。以0.7 MPa 應(yīng)力加載等級為例，0.6%玄武巖纖維摻量下混合料的動穩(wěn)定度相較于普通環(huán)氧瀝青混合料提升36.6%，表明0.6%玄武巖纖維對環(huán)氧瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的性能提升效果最明顯。玄武巖纖維分散在環(huán)氧瀝青混合料中，纖維通過瀝青膠漿能夠有效地搭骨架集料，纖維在混合料中能夠形成網(wǎng)狀組織結(jié)構(gòu)，能進(jìn)一步增強骨料嵌擠作用，在一定程度上限制了高溫環(huán)境下集料位移和膠漿變形，從而提高環(huán)氧瀝青混合料整體的高溫穩(wěn)定性。

2.2 低溫抗裂性

環(huán)氧瀝青常溫環(huán)境下柔韌性低、勁度模量較大，在低溫環(huán)境下易造成瀝青鋪裝層開裂破壞。研究采用低溫彎曲試驗對玄武巖纖維瀝青混合料的抗彎強度和極限破壞應(yīng)變進(jìn)行測試，試驗結(jié)果見表4。

表4 環(huán)氧瀝青混合料低溫抗裂結(jié)果

研究將不同玄武巖纖維摻量混合料的抗彎強度和極限破壞強度繪制成圖，如圖7、圖8 所示。

圖7 纖維改性環(huán)氧瀝青混合料抗彎強度

圖8 纖維改性環(huán)氧瀝青混合料極限破壞應(yīng)變

由以上圖表可知，玄武巖纖維外摻改性環(huán)氧瀝青混合料可以顯著增強抗彎強度和極限破壞應(yīng)變，抗彎強度和極限破壞應(yīng)變隨纖維摻量增加呈先上升后下降趨勢。纖維摻量為0.6%時，瀝青混合料的抗彎強度和極限破壞應(yīng)變分別達(dá)到36.89 MPa 和3 854×10-6，較普通環(huán)氧瀝青混合料分別提升31.2%和50.8%。玄武巖纖維以網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)交織搭接瀝青膠漿和骨料，進(jìn)一步增強混合料內(nèi)部的穩(wěn)定性和黏結(jié)性，增強混合料在低溫環(huán)境下抵抗開裂損傷的能力。但纖維摻量過多，會導(dǎo)致纖維的集聚，從而造成混合料的不均勻分布，在外部荷載作用下會導(dǎo)致局部應(yīng)力集中，在一定程度上降低混合料的抗開裂能力。

2.3 抗疲勞性能

鋼橋面瀝青混合料的抗疲勞性能直接影響鋪裝層的耐久性能。隨著重載交通的持續(xù)增長，對橋面鋪裝瀝青混合料的抗疲勞性能要求也更高。研究采用三點彎曲試驗進(jìn)行疲勞性能研究，試驗溫度為20℃，應(yīng)變控制水平分別為800×10-6～1 200×10-6不等。試驗結(jié)果見表5。

表5 纖維改性環(huán)氧瀝青混合料疲勞壽命結(jié)果

鋼橋面環(huán)氧瀝青鋪裝層一般設(shè)計使用壽命不低于15 a，在長期的交通流和溫度荷載持續(xù)作用下，瀝青面層會出現(xiàn)一定的老化和性能削減，從而造成開裂損傷和耐久性降低。研究采用三類不同應(yīng)變控制水平對不同玄武巖纖維摻量下瀝青混合料進(jìn)行疲勞性能試驗。結(jié)果表明，隨著應(yīng)變控制水平的增大，混合料的疲勞壽命逐漸減小，如圖9 所示。以800×10-6應(yīng)變控制水平為例，0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%玄武巖纖維摻量下環(huán)氧瀝青混合料的疲勞壽命較普通環(huán)氧瀝青混合料分別提升了36.83%、59.78%、73.28%、81.25%、85.46%。當(dāng)玄武巖纖維摻量超過0.6%以上時，環(huán)氧瀝青混合料的疲勞壽命增長速率減緩。玄武巖纖維以網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)形式可有效增強混合料內(nèi)部穩(wěn)定，增強材料的強度和耐久性，延長材料使用壽命。

圖9 纖維改性環(huán)氧瀝青混合料疲勞壽命

3 結(jié) 語

本文采用外摻玄武巖纖維的方式來研究其對環(huán)氧瀝青混合料技術(shù)性能的影響規(guī)律。通過高溫車轍、低溫抗裂、疲勞試驗研究可知：

（1）環(huán)氧瀝青混合料的動穩(wěn)定度隨玄武巖纖維摻量的增加呈先上升后下降的趨勢，纖維摻量為0.6%時，環(huán)氧瀝青混合料的動穩(wěn)定度達(dá)到最高，較未摻玄武巖纖維瀝青混合料提升36.6%。

（2）玄武巖纖維的摻入可大幅提升環(huán)氧瀝青混合料的低溫抗裂性，玄武巖纖維摻量為0.6%時，瀝青混合料的抗彎強度和極限破壞應(yīng)變較普通瀝青混合料分別提升31.2%和50.8%。

（3）玄武巖纖維可有效提升混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和材料耐久性。玄武巖纖維摻量為0.6%時，混合料抗疲勞性能較未摻纖維瀝青混合料提升73.28%。

（4）通過對玄武巖纖維摻量對環(huán)氧瀝青混合料性能的系統(tǒng)研究，認(rèn)為0.6%摻量下玄武巖纖維可綜合提升環(huán)氧瀝青混合料路用性能。