橋面鋪裝用環(huán)氧瀝青混合料的制備及其性能研究*

廖津和，羅美雯，陳海明

（1.佛山市建盈發(fā)展有限公司，廣東 佛山 528300；2.廣州十安工程技術(shù)有限公司，廣東 廣州 510000；3.華南理工大學(xué) 交通學(xué)院，廣東 廣州 510000）

路面結(jié)構(gòu)設(shè)計的目標(biāo)通常是提供一個結(jié)構(gòu)良好的路面系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠在設(shè)計壽命內(nèi)承受大型車輛的重復(fù)載荷，而不會造成過大的損傷。從道路使用者的角度來看，路面更重要的功能是其表面性能，包括光滑、安全、低噪音，以及在夜間和下雨時標(biāo)記的良好能見度[1]。這些表面性能需求通常不能全部由用作路面結(jié)構(gòu)層的密級瀝青混合料滿足，因為它們的空隙含量較低[2]。相反，高孔隙率的瀝青混合料，在美國稱為開級配摩擦層（OGFC），通常作為一個磨耗層放置在路面表面，以提供所需的表面功能[3-5]。環(huán)氧瀝青（即環(huán)氧樹脂改性瀝青）是一種熱固性材料。在混合之前，它通常以兩種單獨的成分儲存，即環(huán)氧樹脂和固化劑/瀝青[6-9]。一旦這兩種成分混合，它們就會進(jìn)行不可逆的化學(xué)反應(yīng)，從而增加混合物的硬度和強(qiáng)度[10-12]。固化后的混合料不僅比傳統(tǒng)瀝青混合料更堅韌，而且比傳統(tǒng)瀝青混合料更有彈性，而且不像傳統(tǒng)瀝青結(jié)合料在高溫下軟化那么嚴(yán)重。雖然環(huán)氧樹脂的成本較高，但將其在瀝青混合料中的使用限制在一定水平時，鋪設(shè)路面耐磨層的總成本不會明顯增加。此外，從壽命周期成本的角度來看，材料成本的增加可以很好地解釋為使用壽命的延長[13-15]。

與其他路用性能相比，關(guān)于環(huán)氧瀝青混合料功能特性的相關(guān)研究成果較少。為研究小粒徑大孔排水環(huán)氧瀝青混合料的功能特性，本文選取環(huán)氧瀝青和PG64-16 瀝青組成混合料。通過一系列對比實驗，主要研究開放級配環(huán)氧瀝青混合料的功能特性，為鋼橋面環(huán)氧瀝青混合料的推廣應(yīng)用提供一定的技術(shù)支持。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

集料（0～3mm 陜西西安某玄武巖纖維股份有限公司）；環(huán)氧瀝青（環(huán)氧樹脂、道路石油瀝青與固化劑均質(zhì)合成物按照1∶6 質(zhì)量比配制而成 廣東環(huán)氧瀝青生產(chǎn)廠家）；骨料（陜西西安某玄武巖纖維股份有限公司）。

3H-2000PB 型滲透率儀（貝士德儀器科技（北京）有限公司）；JB-W300B 型擺式摩擦試驗機(jī)（濟(jì)南一諾世紀(jì)試驗儀器有限公司）；YN-DX01 型動摩擦試驗機(jī)（東莞市南粵實驗設(shè)備有限公司）。

1.2 實驗方法

實驗包括一種集料級配和一種環(huán)氧瀝青黏結(jié)劑。為了進(jìn)行比較，本文還測試了兩種常見的OGFC混合物，其最大骨料粒徑（NMAS） 為13.2 和4.75mm。這兩種混合物使用較大的骨料尺寸和常見的聚合物改性黏結(jié)劑。這些骨料都產(chǎn)自中國江蘇省的一個玄武巖采石場。具體骨料級配見表1。通過滲漏實驗，確定了由兩種瀝青黏結(jié)劑、兩種級配類型組成的4 種瀝青混合料的最佳油石比見表2。

表1 測試中使用的瀝青級配情況Tab.1 Asphalt gradation used in the test

表2 4 種瀝青混合料的最佳油石比Tab.2 Optimum asphalt-stone ratio of the four asphalt mixtures

具體實驗步驟如下：

（1）水滲透性能 在直徑為152.4mm、高度為95.3mm 的馬歇爾壓實圓柱形試樣上，用滲透率儀測量其滲透率。根據(jù)達(dá)西定律計算滲透系數(shù)，見式1。

式中 k：滲透系數(shù)，cm·s-1；a:液壓立管內(nèi)部截面積，cm2；l：試件厚度，cm；A：試件面積，cm2；Δt：時間差，t2-t1；h1、h2：水位相對高度，cm。

（2）擺摩擦系數(shù)實驗 采用英國擺式摩擦試驗機(jī)對環(huán)氧瀝青混合料的摩擦系數(shù)進(jìn)行了測試。

（3）動摩擦系數(shù)實驗 為獲得環(huán)氧瀝青混凝土路面在不同車輛加載率下的摩擦性能，采用動摩擦試驗機(jī)測定環(huán)氧瀝青混合料試件的動摩擦系數(shù)。實驗按照ASTM E 1911-98 的程序進(jìn)行。試件為502mm× 167mm×76mm 鋼輪磨削形成的平板試件，進(jìn)行了3 次平行實驗。

（4）吸聲系數(shù)測試 本文根據(jù)ASTM E 1050 規(guī)定，對4 種大孔瀝青混合料的吸聲系數(shù)進(jìn)行了測試。

2 結(jié)果與分析

2.1 水滲透性能

水滲透性能實驗結(jié)果見圖1。本文選取的OGFC4.75 和OGFC13 的透水系數(shù)均大于0.16cm·s-1，說明所有開級配瀝青混合料均具有良好的透水性能。對于相同瀝青黏結(jié)劑類型，OGFC13 級配的滲透性能略好于OGFC4.75 級配，其原因可能是較大的集料粒徑會增加混合料中連通氣孔的數(shù)量。對于相同級配，PG64-16 瀝青混合料的滲透性能略好于環(huán)氧瀝青混合料。

圖1 試樣透水性能測試結(jié)果Fig.1 Test results of the permeability of the sample

2.2 擺摩擦系數(shù)實驗

擺摩擦系數(shù)實驗的測試結(jié)果見圖2。

圖2 擺錘摩擦系數(shù)實驗結(jié)果Fig.2 Test results of friction coefficient of pendulum

由圖2 可見，大粒徑OGFC13 級配時，環(huán)氧瀝青黏結(jié)劑的抗摩擦性能優(yōu)于PG64-16 級配，而小粒徑OGFC4.75 級配時，則相反。小粒徑的OGFC4.75 級配混合料整體抗摩擦性能優(yōu)于大粒徑的OGFC13 級配混合料，說明減小最大標(biāo)稱粒徑會增加路面的抗滑性能，但增幅不大。

2.3 動摩擦系數(shù)實驗

圖3 為動摩擦系數(shù)實驗結(jié)果。

圖3 動摩擦系數(shù)實驗結(jié)果Fig.3 Test results of dynamic friction coefficient

由圖3 可見，隨著儀器轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速的升高，瀝青混合料試件表面摩擦系數(shù)變小。說明在實際路面中，行駛速度越快，輪胎與路面層的摩擦系數(shù)越小，抗滑能力越差。因此，雨天車輛在瀝青混凝土路面上行駛時，應(yīng)適當(dāng)降低車速，以免發(fā)生打滑。對于同類型級配，環(huán)氧瀝青混合料提供的動摩擦系數(shù)明顯優(yōu)于PG64 瀝青混合料，證明環(huán)氧瀝青在提供路面抗滑性能以保證車輛安全方面具有較強(qiáng)的優(yōu)勢。對于同類型黏結(jié)劑，小粒徑的OGFC4.75 可以提供比OGFC13更高的動摩擦系數(shù)，這與擺摩擦系數(shù)實驗的結(jié)論一致。環(huán)氧樹脂的加入可以改善瀝青混合料的疲勞性能。這可能是由于環(huán)氧樹脂吸收和分散了疲勞載荷產(chǎn)生的集中應(yīng)力，延緩了微裂紋的發(fā)展，從而延緩了瀝青混合料的損傷。在低應(yīng)力水平下，彈性應(yīng)變在疲勞過程中起主導(dǎo)作用,卸載后彈性應(yīng)變恢復(fù)。隨著應(yīng)力水平的增大，塑性應(yīng)變起主導(dǎo)作用。

2.4 吸聲系數(shù)測試

本文根據(jù)ASTM E 1050 規(guī)定，對4 種大孔瀝青混合料的吸聲系數(shù)進(jìn)行了測試。實驗結(jié)果見圖4。

圖4 不同瀝青混合料的吸聲系數(shù)Fig.4 Sound absorption coefficient of different asphalt mixtures

由圖4 可見，添加PG64 瀝青的OGFC4.75 混合料的吸聲系數(shù)低于其他3 種混合料。PG64 瀝青混合料除600Hz 和700Hz 頻率外，其吸聲系數(shù)均低于環(huán)氧瀝青混合料。由此可見，環(huán)氧瀝青可以提高混合料的降噪性能。同時，由于這一特性，更大的標(biāo)稱最大尺寸可以達(dá)到更好的降噪效果。

3 結(jié)論

為了更好地掌握開級配環(huán)氧瀝青混合料的排水、降噪、防滑性能等功能特性，本文選取環(huán)氧瀝青作為膠凝材料，制備了OGFC4.75 和OGFC13 瀝青混合料。通過滲透性能實驗、擺錘實驗、動摩擦系數(shù)實驗和吸聲系數(shù)實驗對環(huán)氧瀝青混合料的功能性能進(jìn)行了研究，實驗結(jié)果表明，OGFC 級配混合料粒徑越大，其滲透性能越好，PG64 的滲透性能略好于環(huán)氧瀝青混合料。環(huán)氧瀝青黏結(jié)劑的路面防滑性能優(yōu)于PG64 瀝青黏結(jié)劑。吸聲系數(shù)測試結(jié)果表明，環(huán)氧樹脂瀝青具有較好的降噪性能。