集料強(qiáng)度對(duì)環(huán)氧瀝青混合料疲勞性能的影響

李黎明， 黃紅明， 曾國東， 徐偉

(1.佛山市建盈發(fā)展有限公司， 廣東 佛山 528041；2.佛山市交通科技有限公司， 廣東 佛山 528041；3.佛山市公路橋梁工程監(jiān)測(cè)站有限公司， 廣東 佛山 528041；4.華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院， 廣東 廣州 510641)

疲勞開裂是環(huán)氧瀝青混合料鋼橋面鋪裝常見病害，分析環(huán)氧瀝青混合料疲勞性能影響因素，研究如何提高其抗疲勞性能對(duì)環(huán)氧瀝青鋼橋面鋪裝設(shè)計(jì)、施工和養(yǎng)護(hù)均具有重要指導(dǎo)意義。文獻(xiàn)[6-7]的研究表明環(huán)氧瀝青混合料的疲勞性能與沖擊韌性存在線性關(guān)系，采用沖擊韌性指標(biāo)可有效評(píng)價(jià)環(huán)氧瀝青混合料的疲勞性能；集料性質(zhì)、瀝青用量及空隙率均影響環(huán)氧瀝青混合料的疲勞性能，其中集料的影響尤為顯著。目前關(guān)于集料對(duì)環(huán)氧瀝青混合料疲勞性能影響的研究主要集中在集料級(jí)配及集料顆粒表觀物理性質(zhì)差異兩方面，針對(duì)集料強(qiáng)度的研究較少。為此，本文基于小梁斷裂試件的微觀形態(tài)，分析輝綠巖、花崗巖和石灰?guī)r的抗彎拉強(qiáng)度特性，研究集料強(qiáng)度對(duì)環(huán)氧瀝青混合料疲勞性能的影響，為鋼橋面環(huán)氧瀝青混合料鋪裝材料設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 瀝青混合料小梁彎曲試驗(yàn)

分別進(jìn)行環(huán)氧瀝青混合料、SBS改性瀝青混合料和A-70#基質(zhì)瀝青混合料小梁彎曲對(duì)比試驗(yàn)，采用細(xì)級(jí)配，礦料組成見表1，最佳油石比為6.5%，試驗(yàn)溫度15 ℃，加載速率50 mm/min，試驗(yàn)結(jié)果見表2。采用體視顯微鏡(Leica DVM6)觀察小梁斷裂截面，觀察到的3種瀝青混合料表面形貌特征見圖1～4。

表1 瀝青混合料礦料組成

表2 不同類型瀝青混合料小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果

圖1 環(huán)氧瀝青混合料小梁試件斷面

圖2 放大的環(huán)氧瀝青混合料斷面微觀形貌

圖3 SBS改性瀝青混合料小梁試件斷面

圖4 A-70#基質(zhì)瀝青混合料小梁試件斷面

由圖1可知：在環(huán)氧瀝青混合料小梁斷面上可觀察到明顯的集料斷裂現(xiàn)象，且該現(xiàn)象所占比例較大。這主要是因?yàn)榄h(huán)氧瀝青膠漿黏結(jié)性能強(qiáng)，能與集料顆粒穩(wěn)固結(jié)合，具有較強(qiáng)的抗彎拉性能，集料通常更易斷裂。

由圖2可知：在放大的環(huán)氧瀝青混合料斷面微觀形貌中可清晰地觀察到細(xì)集料顆粒部分裸露，表現(xiàn)為集料顆粒與環(huán)氧瀝青膠漿黏附破壞，但該現(xiàn)象所占比例不大，在顆粒表面仍裹附較多環(huán)氧瀝青。這部分環(huán)氧瀝青為結(jié)構(gòu)環(huán)氧瀝青，結(jié)構(gòu)環(huán)氧瀝青能提供填料顆粒間良好的黏附力，過少的結(jié)構(gòu)環(huán)氧瀝青或過多自由瀝青均會(huì)阻礙顆粒間的黏附作用。由于環(huán)氧瀝青的黏附性高于普通瀝青，集料顆粒與環(huán)氧瀝青膠漿黏附破壞更多表現(xiàn)為集料顆粒表面結(jié)構(gòu)瀝青以外的自由瀝青脫落。

由圖3、圖4可知：在SBS改性瀝青和A-70#基質(zhì)瀝青混合料小梁斷面中均未發(fā)現(xiàn)集料斷裂現(xiàn)象，試件斷裂主要為瀝青膠漿斷裂。這主要是因?yàn)樵谙嗤瑮l件下，在彎拉應(yīng)力作用下SBS改性瀝青及普通瀝青混合料內(nèi)部瀝青膠漿作為薄弱處率先斷裂。綜上，環(huán)氧瀝青混合料中集料強(qiáng)度顯著影響其力學(xué)性能。

2 石料小梁彎曲試驗(yàn)研究

為研究不同類型集料的抗彎拉強(qiáng)度特性，選取輝綠巖、花崗巖、石灰?guī)r，將其切割為250 mm×30 mm×35 mm棱柱體小梁試件(見圖5)進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度15 ℃，加載速率50 mm/min。試驗(yàn)結(jié)果見圖6、圖7。

圖5 不同石料小梁試件

圖6 不同石料小梁抗彎拉強(qiáng)度

圖7 不同石料小梁抗彎拉應(yīng)變

輝綠巖、花崗巖、石灰?guī)r為常見的堅(jiān)硬巖石，其飽和單軸抗壓強(qiáng)度>60 MPa，但其抗彎拉強(qiáng)度差異很大。由圖6、圖7可知：輝綠巖的抗彎拉強(qiáng)度最高，花崗巖次之，石灰?guī)r最低，僅為13.5 MPa；抗彎拉應(yīng)變表現(xiàn)出同樣的規(guī)律。就抗彎拉性能而言，輝綠巖的力學(xué)性能最優(yōu)。

3 不同集料對(duì)環(huán)氧瀝青混合料疲勞性能的影響

為進(jìn)一步探究不同類型集料對(duì)環(huán)氧瀝青混合料力學(xué)性能的影響，進(jìn)行輝綠巖、花崗巖、石灰?guī)r環(huán)氧瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)、15 ℃和-10 ℃小梁彎曲試驗(yàn)。試驗(yàn)采用相同的細(xì)級(jí)配，最佳油石比為6.5%，填料為石灰?guī)r礦粉。試驗(yàn)結(jié)果見表3和圖8～10。

表3 3種集料環(huán)氧瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

圖8 不同集料環(huán)氧瀝青混合料小梁抗彎拉強(qiáng)度

圖9 不同集料環(huán)氧瀝青混合料小梁抗彎拉應(yīng)變

圖10 不同集料環(huán)氧瀝青混合料小梁沖擊韌性

由表3可知：不同集料環(huán)氧瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度與流值基本一致，考慮試驗(yàn)誤差，可認(rèn)為集料類型對(duì)馬歇爾穩(wěn)定度與流值無明顯影響。

由圖8～10可知：在15 ℃環(huán)境下，3種集料環(huán)氧瀝青混合料的抗彎拉強(qiáng)度基本一致，抗彎拉應(yīng)變與沖擊韌性大小為輝綠巖混合料>花崗巖混合料>石灰?guī)r混合料，輝綠巖的抗彎拉應(yīng)變與沖擊韌性約為石灰?guī)r混合料的2倍。在-10 ℃低溫環(huán)境下，3種集料混合料的抗彎拉強(qiáng)度、抗彎拉應(yīng)變與沖擊韌性大小為輝綠巖混合料>花崗巖混合料>石灰?guī)r混合料，輝綠巖混合料的沖擊韌性約為石灰?guī)r混合料的2.7倍。

結(jié)合3種石料小梁抗彎拉強(qiáng)度大小關(guān)系(輝綠巖>花崗巖>石灰?guī)r)，環(huán)氧瀝青混合料強(qiáng)度與集料類型有關(guān)，集料強(qiáng)度越大，環(huán)氧瀝青混合料的抗彎拉性能越好，該特征在低溫環(huán)境下尤為顯著。

圖11、圖12為環(huán)氧瀝青混合料15 ℃與-10 ℃小梁彎曲斷面微觀結(jié)構(gòu)。對(duì)比圖11、圖12可知：15 ℃、-10 ℃環(huán)境下，各集料混合料的小梁斷面均存在集料顆粒斷裂現(xiàn)象，且在-10 ℃低溫環(huán)境下集料顆粒斷裂更顯著。在15 ℃環(huán)境下，輝綠巖混合料小梁斷面僅存在少量集料顆粒斷裂，斷面破壞主要表現(xiàn)為瀝青膠漿破壞；花崗巖與石灰?guī)r中存在較多集料顆粒斷裂。這主要是因?yàn)檩x綠巖集料抗彎拉強(qiáng)度高，在荷載作用下混合料內(nèi)部瀝青膠漿更易斷裂。在-10 ℃環(huán)境下，3種集料混合料小梁斷面均存在明顯的集料顆粒斷裂現(xiàn)象，其中強(qiáng)度較高的輝綠巖集料斷裂最少，石灰?guī)r最多。結(jié)合圖8～10，-10 ℃環(huán)境下3種混合料的抗彎拉強(qiáng)度均很高，但彎拉應(yīng)變與沖擊韌性低于15 ℃時(shí)的測(cè)試值，這主要是由材料的低溫脆性引起的。

圖11 不同集料環(huán)氧瀝青混合料小梁斷面(15 ℃)

圖12 不同集料環(huán)氧瀝青混合料小梁斷面(-10 ℃)

大部分材料都會(huì)表現(xiàn)出低溫脆性特性，不同于普通瀝青混合料，環(huán)氧瀝青膠漿由于膠結(jié)力強(qiáng)度較高，常溫環(huán)境下受力彎曲時(shí)膠漿與集料不容易發(fā)生黏附破壞，因而環(huán)氧瀝青混合料強(qiáng)度高、抗疲勞性能優(yōu)異。在低溫環(huán)境下，由于低溫脆性特性，環(huán)氧瀝青混合料同樣易發(fā)生脆斷，但集料強(qiáng)度較高時(shí)，環(huán)氧瀝青混合料的整體抗彎拉性能較強(qiáng)。微觀斷裂結(jié)構(gòu)照片表明，提高集料強(qiáng)度，可減少環(huán)氧瀝青混合料受力時(shí)集料斷裂，改善環(huán)氧瀝青混合料的抗彎拉性能，進(jìn)而增強(qiáng)混合料的疲勞耐久性，延長其疲勞壽命。

目前環(huán)氧瀝青混合料路用碎石集料的選用大都基于普通瀝青混合料集料指標(biāo)，如壓碎值、抗壓強(qiáng)度及針片狀含量等。但環(huán)氧瀝青相對(duì)于普通瀝青具有更好的力學(xué)性能，鋼橋面用環(huán)氧瀝青鋪裝層的受力環(huán)境及情況相對(duì)于普通高等級(jí)瀝青路面更復(fù)雜，在進(jìn)行環(huán)氧瀝青混合料材料設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮采用更優(yōu)質(zhì)的碎石集料，尤其應(yīng)考慮集料自身的斷裂強(qiáng)度，以提高混合料的力學(xué)性能，延長混合料的使用壽命。

4 結(jié)論

本文通過不同瀝青混合料、不同巖性集料及不同集料類型環(huán)氧瀝青混合料小梁彎曲試驗(yàn)，研究集料強(qiáng)度對(duì)環(huán)氧瀝青混合料疲勞性能的影響。主要結(jié)論如下：

(1) 環(huán)氧瀝青混合料、SBS改性瀝青與70#基質(zhì)瀝青混合料小梁彎曲對(duì)比試驗(yàn)顯示，僅環(huán)氧瀝青混合料受力時(shí)存在集料斷裂現(xiàn)象。

(2) 根據(jù)不同巖性集料小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果，3種石料的抗彎拉強(qiáng)度大小為輝綠巖>花崗巖>石灰?guī)r，輝綠巖小梁抗彎拉強(qiáng)度高達(dá)28.9 MPa，約為石灰?guī)r的2.1倍。

(3) 集料強(qiáng)度顯著影響環(huán)氧瀝青混合料的抗彎拉性能及變形特性。在-10 ℃低溫環(huán)境下，輝綠巖混合料的沖擊韌性約為石灰?guī)r混合料的2.7倍，具有優(yōu)良的力學(xué)性能。提高集料強(qiáng)度，可減少環(huán)氧瀝青混合料受力時(shí)集料斷裂，顯著提高環(huán)氧瀝青混合料的抗彎拉強(qiáng)度，進(jìn)而增強(qiáng)其疲勞耐久性，延長其使用壽命。

(4) 鋼橋面用環(huán)氧瀝青鋪裝層材料設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)集料的選用除應(yīng)考慮壓碎值、抗壓強(qiáng)度及針片狀含量等外，還應(yīng)重點(diǎn)考慮集料自身的斷裂強(qiáng)度。