斷級(jí)配熱拌環(huán)氧瀝青混合料及其性能試驗(yàn)評(píng)估

陳 章，陳贇峰，李 娣

（1.江蘇省交通工程建設(shè)局，江蘇南京 210004；2.江蘇中路工程技術(shù)研究院有限公司，江蘇南京 211806）

0 引言

當(dāng)前，全國已建成超1 500 座正交異性鋼橋面板類橋梁，我國在役、規(guī)劃及在建此類橋梁已有200 余座[1]，環(huán)氧瀝青混凝土以其優(yōu)異的高低溫、抗疲勞等性能迅速應(yīng)用；根據(jù)江蘇省典型大跨徑橋梁鋼橋面鋪裝實(shí)橋構(gòu)造深度統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)環(huán)氧EA-10 構(gòu)造深度整體偏小，在通車的初期，構(gòu)造深度僅為0.3 mm 左右；擺式摩擦系數(shù)在通車前約70 BPN，隨著通車年限的增加，逐年衰減5%左右[2-3]，抗滑性能偏弱。

SMA 混合料為一種間斷級(jí)配混合料，粗集料含量多、礦粉用量多、瀝青用量大，由粗集料石-石接觸形成骨架結(jié)構(gòu)，瀝青、礦粉、纖維組成的瑪蹄脂填充其空隙[4]。大量的研究與工程驗(yàn)證了其具有良好的路用性能，國內(nèi)也在高等級(jí)路面中廣泛使用。因此為提升橋面安全性能，本文提出了斷級(jí)配熱拌環(huán)氧瀝青混合料，增加粗集料用量以提高其高溫性能與抗滑性，沿用較多的礦粉摻量，填充空隙降低透水性。

1 原材料及試驗(yàn)方法

在選擇鋪裝材料時(shí)，須對(duì)選用材料的全部指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)。斷級(jí)配熱拌環(huán)氧瀝青由瀝青、環(huán)氧樹脂、粗集料、細(xì)集料、礦粉、聚酯纖維組成。

1.1 環(huán)氧瀝青膠結(jié)料

本文采用瀝青為南通通沙瀝青科技有限公司生產(chǎn)的改性瀝青；環(huán)氧樹脂為中路交科自主研發(fā)的熱拌環(huán)氧樹脂。

環(huán)氧瀝青是將環(huán)氧樹脂、固化劑與瀝青在一定條件下經(jīng)復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)所得的聚合物，由組分A（環(huán)氧樹脂）、組分B（固化劑）及組分C（瀝青）構(gòu)成。環(huán)氧樹脂∶固化劑∶瀝青的比例為3∶2∶5，技術(shù)要求見表1。

表1 環(huán)氧瀝青結(jié)合料技術(shù)要求

從施工和易性的經(jīng)驗(yàn)來看，建議將環(huán)氧瀝青黏度值1.00～2.00 Pa·s 作為控制混合料碾壓的范圍，否則混合料將無法壓實(shí)。溫度過高會(huì)加速瀝青老化，根據(jù)黏度試驗(yàn)結(jié)果，最終建議施工溫度為170～180 ℃之間，可施工時(shí)間大于3 h（如圖1）。

圖1 熱拌環(huán)氧瀝青黏-時(shí)曲線

1.2 集料

粗集料、細(xì)集料為江蘇茅迪生產(chǎn)玄武巖，規(guī)格為9.5～13.2 mm、4.75～9.5 mm、2.36～4.75 mm、0.6～2.36 mm 和0～0.6 mm，依次為1 號(hào)、2 號(hào)、3 號(hào)、4 號(hào)和5號(hào)料；礦粉為南通鼠尾草經(jīng)貿(mào)有限公司生產(chǎn)的干燥、潔凈、無污染的石灰?guī)r，技術(shù)指標(biāo)如表2 所示。

表2 集料密度試驗(yàn)結(jié)果

1.3 聚酯纖維

聚酯纖維是聚合物中的一種有機(jī)纖維，自1997 年引進(jìn)聚酯纖維加筋瀝青路面技術(shù)以來，已廣泛用于我國多數(shù)橋面鋪裝和路面工程中，實(shí)踐證明聚酯纖維能有效增強(qiáng)瀝青混合料的路用性能。本文采用江蘇海德生產(chǎn)的6 mm 短切聚酯纖維，纖維摻量為瀝青混合料質(zhì)量的0.3%。

1.4 試驗(yàn)方法

參照SMA 級(jí)配范圍，根據(jù)體積設(shè)計(jì)法，初定3 個(gè)級(jí)配成型馬氏試件，測試體積指標(biāo)，確定初選級(jí)配；采用3 種油石比，成型馬氏試件，測試體積指標(biāo)，確定最佳油石比，即可確定設(shè)計(jì)級(jí)配。

參考《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2019）進(jìn)行最佳油石比下的馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)（固化）、浸水馬歇爾試驗(yàn)（非條件為60 ℃水浴保溫0.5 h，條件為60 ℃水浴保溫48 h）、凍融劈裂試驗(yàn)（條件為經(jīng)過凍融循環(huán)后25 ℃水浴保溫2 h，非條件為25 ℃水浴保溫2 h）來檢驗(yàn)環(huán)氧瀝青混合料的水穩(wěn)定性能；車轍試驗(yàn)（宜采用可控溫（70±1）℃、施加輪壓0.7 MPa±0.05 MPa 的試驗(yàn)機(jī)，本文采用自動(dòng)車轍試驗(yàn)儀，型號(hào)JCLH010）來檢驗(yàn)環(huán)氧瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能；彎曲試驗(yàn)（-10 ℃）來檢驗(yàn)環(huán)氧瀝青混合料低溫抗裂性能；參考《道路與橋梁鋪裝用環(huán)氧瀝青材料通用技術(shù)條件》（GB/T 30598—2014）[5]，環(huán)氧瀝青混合料技術(shù)要求如表3 所示。并參考《公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程》（JTG 3450—2019）測試構(gòu)造深度、擺式摩擦系數(shù)及滲水系數(shù)，檢驗(yàn)其抗滑性能及滲水性能。

表3 環(huán)氧瀝青混合料技術(shù)要求

2 結(jié)果與討論

2.1 級(jí)配設(shè)計(jì)

環(huán)氧瀝青混合料是指將環(huán)氧樹脂、固化劑、瀝青混合制成的環(huán)氧瀝青作為結(jié)合料與礦料加熱拌和，而得到的一種熱固性的環(huán)氧瀝青混合料。傳統(tǒng)環(huán)氧瀝青混凝土密級(jí)配存在表面致密、構(gòu)造深度偏小、作表面層時(shí)抗滑性能不足的問題，本文采用SMA 間斷級(jí)配對(duì)環(huán)氧瀝青鋪裝進(jìn)行功能性優(yōu)化。斷級(jí)配環(huán)氧瀝青混合料工程設(shè)計(jì)級(jí)配參考SMA 級(jí)配范圍，如表4 所示。

表4 環(huán)氧ESMA-10瀝青混合料工程設(shè)計(jì)級(jí)配范圍

初定環(huán)氧ESMA-10 的3 種級(jí)配A、B、C，2.36 mm 篩孔通過率分別為23.1%、26.1%和29.5%，3 種級(jí)配設(shè)計(jì)曲線如圖2 所示。按油石比為6.2%制作馬歇爾試件，測定VCAmix指標(biāo)，在滿足VCAmix小于VCADRC的基礎(chǔ)上確定級(jí)配，最終取級(jí)配C 為設(shè)計(jì)級(jí)配。

圖2 環(huán)氧ESMA-10瀝青混合料設(shè)計(jì)級(jí)配曲線圖

2.2 最佳油石比確定

按比例稱取礦料配制級(jí)配C，采用5 種油石比進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)，測定各組試件的穩(wěn)定度、流值、空隙率等指標(biāo)，并確定各組對(duì)應(yīng)的理論最大相對(duì)密度。試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 環(huán)氧ESMA-10設(shè)計(jì)級(jí)配馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，空隙率應(yīng)控制在3.0%以內(nèi)。該次油石比為6.2%時(shí)空隙率為2.2%，其他指標(biāo)（VCAmix、穩(wěn)定度、流值）均滿足技術(shù)文件要求，根據(jù)實(shí)際工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，選取6.2%為設(shè)計(jì)油石比。

2.3 力學(xué)性能

采用上述級(jí)配及油石比，進(jìn)行馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)，試件放入60 ℃水中30 min 后測試。試驗(yàn)結(jié)果如表6 所示，斷級(jí)配熱拌環(huán)氧瀝青ESMA 混合料的穩(wěn)定度達(dá)到64.64 kN，遠(yuǎn)大于環(huán)氧瀝青混合料的穩(wěn)定度≥40 kN 的技術(shù)要求。

表6 環(huán)氧ESMA-10馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

2.4 高溫性能

采用自動(dòng)車轍試驗(yàn)儀（型號(hào)JCLH010），檢驗(yàn)環(huán)氧瀝青ESMA 的高溫穩(wěn)定性，測定其高溫抗車轍能力。利用輪碾機(jī)成型滿足目標(biāo)空隙率的車轍試件，在（70±1）℃，0.7 MPa±0.05 MPa 條件下，進(jìn)行車轍試驗(yàn)，結(jié)果如表7 所示。由試驗(yàn)結(jié)果可知，環(huán)氧瀝青ESMA-10 的車轍動(dòng)穩(wěn)定度達(dá)到19 000 次/mm 以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足規(guī)范對(duì)環(huán)氧瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度≥5 000 次/mm（70 ℃）的技術(shù)要求，說明斷級(jí)配熱拌環(huán)氧瀝青混合料ESMA-10 具有良好的高溫抗車轍能力。

表7 環(huán)氧ESMA-10車轍試驗(yàn)結(jié)果 單位：次/mm

2.5 低溫性能

環(huán)氧瀝青在低溫條件下易發(fā)生病害。本節(jié)對(duì)其進(jìn)行低溫小梁試驗(yàn)，結(jié)果如表8所示。由試驗(yàn)結(jié)果可知，斷級(jí)配熱拌環(huán)氧瀝青ESMA-10的破壞應(yīng)變達(dá)到3 981 με，抗彎拉強(qiáng)度大于35 MPa，滿足規(guī)范要求，不僅有較高的強(qiáng)度，而且低溫下具有良好的抗裂性能。

表8 低溫彎曲測試結(jié)果

2.6 水穩(wěn)性能

成型馬歇爾試件，進(jìn)行條件及非條件養(yǎng)生后進(jìn)行劈裂試驗(yàn)，并計(jì)算劈裂強(qiáng)度比，結(jié)果如表9 所示。由試驗(yàn)結(jié)果可知，凍融劈裂強(qiáng)度為85.2%，滿足規(guī)范要求，說明斷級(jí)配熱拌環(huán)氧瀝青混合料具有優(yōu)良的水穩(wěn)性能。

表9 凍融劈裂測試結(jié)果

表10 抗滑性能測試數(shù)據(jù)

2.7 抗滑性能

室內(nèi)成型試件測試構(gòu)造深度、擺值，并依托新通揚(yáng)運(yùn)河及跨G328 大橋新建工程，測試實(shí)橋斷級(jí)配熱拌環(huán)氧瀝青構(gòu)造深度、擺值（圖3、圖4）。由結(jié)果可知，斷級(jí)配熱拌環(huán)氧瀝青的摩擦擺值達(dá)到74 BPN，構(gòu)造深度達(dá)到0.70 mm，滿足《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]的技術(shù)要求；遠(yuǎn)大于常規(guī)環(huán)氧瀝青混合料級(jí)配EA-10 的構(gòu)造深度（0.45 mm），表明斷級(jí)配熱拌環(huán)氧瀝青具有優(yōu)異的抗滑性能，行車安全性高。

圖3 擺值測試

圖4 構(gòu)造深度測試

2.8 滲水系數(shù)

對(duì)室內(nèi)成型試件測試滲水系數(shù)，并依托新通揚(yáng)運(yùn)河及跨G328 大橋新建工程，測試斷級(jí)配熱拌環(huán)氧瀝青ESMA-10 滲水系數(shù)（圖5、圖6）。實(shí)測其滲水系數(shù)為0 mL/min，不滲水，說明斷級(jí)配熱拌環(huán)氧瀝青具有良好的抗?jié)B透性能。

圖5 室內(nèi)滲水系數(shù)測試圖

圖6 實(shí)橋滲水系數(shù)檢測

3 結(jié)論

本文提出了斷級(jí)配熱拌環(huán)氧ESMA 瀝青混合料，相比常規(guī)級(jí)配EA 環(huán)氧瀝青混合料，提升了抗滑性能及行車舒適性；通過室內(nèi)試驗(yàn)及實(shí)橋檢測得出以下主要結(jié)論：

a）通過膠結(jié)料黏度試驗(yàn)可得，環(huán)氧瀝青混合料可施工時(shí)間大于3 h，具有較好的施工和易性。

b）斷級(jí)配熱拌環(huán)氧瀝青混合料借鑒SMA級(jí)配，馬歇爾穩(wěn)定度大于60 kN，70 ℃動(dòng)穩(wěn)定度大于19 000 次/mm，-10 ℃低溫彎曲應(yīng)變大于3 900 με，凍融劈裂比達(dá)到85%，路用性能優(yōu)異。

c）依托新通揚(yáng)運(yùn)河大橋?qū)崢蚬こ?，測試擺式摩擦系數(shù)大于70 BPN，構(gòu)造深度達(dá)到0.70 mm，抗滑性能優(yōu)異，行車舒適性高；滲水系數(shù)為0 mL/min，即斷級(jí)配熱拌環(huán)氧瀝青混合料不滲水。